Экологические проблемы тушения пенами

Основным показателем качества пены является: стойкость к тепловым и механическим воздействиям. Все необходимые требования к этим свойствам пены обеспечиваются подбором пенообразователей на основе поверхностно-активных веществ.

В процессе тушения пена разрушается, а пенообразователи в большинстве случаев попадают в грунт и водоемы. Известны случаи, когда применение пен для тушения пожаров стало причиной экологических локальных катастроф.

Действие ПАВ на воду состоит в следующем: у воды появляется вяжущий вкус, уменьшается прозрачность, увеличивается способность к пенообразованию, понижается концентрация кислорода, угнетается рост микроорганизмов. Кроме того, ПАВ оказывают токсическое действие на водные и наземные экосистемы. Наиболее хорошо изучены последствия загрязнения водоемов. Чем дольше находятся ПАВ в водоемах, тем опаснее эти последствия. В то же время водная среда способна самоочищаться. Под самоочищением понимают совокупность физических, биологических и химических процессов, направленных на снижение содержания загрязняющих веществ до уровня, не представляющего угрозы для существования водных экосистем. Процессы самоочищения водоемов происходят за счет разбавления, перемешивания, испарения, сорбции взвешенными частицами и донными отложениями, бионакопления, микробиологических превращений и химических превращений гидролизом, окислением, фотолизом. Для самоочищения водоемов существенную роль играет растворимость ПАВ: чем она больше, тем эффективнее разлагаются ПАВ. Это связано с тем, что для биохимического окисления вещества должны попасть внутрь клеток микроорганизмов через полупроницаемые мембраны.

Из всех рассмотренных ПАВ сульфаты, сульфонаты лучше других растворимы в воде. Они гидролизуются с образованием неорганической соли и углеводорода, который в дальнейшем подвергается микробиологическому разложению.

В условиях средних широт ПАВ на основе нормальных алканов разлагаются на 60-90 % за 3 недели, а ПАВ на основе разветвленных и циклоалканов - на 40 %. Следовательно, пенообразователи на основе первичных натрийалкилсульфатов (ПО-6К) разлагаются значительно эффективнее, чем вторичные натрийалкилсульфаты (ПО-3АИ) и алкилбензосульфаты.

Неионогенные ПАВ (оксиэтилировапные спирты), служащие основой пенообразователей типа ПО-7, ПО-10, плохо растворимы в воде, так как гидроксильная группа обладает меньшей гидрофильной способностью, чем сульфогруппы. Биоразлагаемость этих веществ хуже, чем сульфатов. По некоторым данным, у разветвленных оксиэтилированных алкилфенолов биоразлагаемость не превышает 10 %, а у линейных оксиэтилированных алкилфенолов степень биохимического разрушения составляет 60-70 %.

Катионоактивные ПАВ и пенообразователи на их основе, хотя и растворимы в воде, но устойчивы к окислению. Кроме того, содержание азота в органической части молекулы делает эти соединения токсичными для микроорганизмов. Вместе с тем амины, являющиеся донорами водородных ионов, способны окисляться с участием водорослей в качестве катализаторов.

Фторпротеиновые пенообразователи способны разлагаться фотолизом, но этот процесс идет медленно.

Основным видом самоочищения водоемов от ПАВ является микробиологическое и химическое разложение. Оптимальная температура протекания процессов биоразложения составляет 25-30 °С. Биохимическим путем ПАВ окисляются с различной скоростью. Так, если в гидрофобной части молекулы ПАВ содержатся ароматические ядра, то скорость их окисления в 1,5-2 раза ниже, чем у вторичных алифатических сульфатов и олефинсульфатов. ПАВ, не содержащие бензольных ядер, при окислении образуют неорганические соединения (воду, диоксид углерода, сульфат натрия). Еще более безопасны сульфаты оксиэтилированных спиртов и сульфаты первичных спиртов. Скорость их биохимического окисления велика, биоокисляемость составляет 100 %. Кроме того, эти соединения нечувствительны к солям жесткости воды.

Все используемые для получения пены ПАВ можно разделить в зависимости от их биологической разлагаемости на три группы: мягкие, биологически разлагающиеся вещества со степенью разложения 85 % и более, конечными продуктами разложения являются диоксид углерода, вода (НП-1, НП-3); биологические среднеразлагающиеся вещества со степенью разложения 70-85 %; биологически трудноразлагающиеся вещества - жесткие ПАВ со степенью разложения ниже 70 %.

К биологически жестким относят большинство катионоактивных ПАВ, некоторые неионогенные ПАВ - оксиэтилированные алкилфенолы и пенообразователи на их основе: ПО-7, ПО-10 и некоторые анионоактивные ПАВ - алкиларилсульфонаты марки НП-1, РАС. Пенообразователь ПО-6К относится к экологически разрушаемым.

Количественной характеристикой биохимической разлагаемости ПАВ служат величины БПК_О2 и ХПК_О2 - биологическое и химическое потребление кислорода на разложение ПАВ за определенные промежутки времени. Индекс 2, 8, 10, 20 вместо О₂ указывает на число дней, необходимых для окисления органического вещества (в данном случае ПАВ). Биологически мягкие ПАВ потребляют 30 % кислорода от того количества, которое требуется для его полного разложения, а биологически жесткие - не более 10 %. Загрязнение опасно, когда показатели БПК и ХПК не соответствуют норме.

Вода для хозяйственно-бытовых нужд должна иметь следующие характеристики: содержание растворенного кислорода не менее 4 г/м³ в любой период года до 12 ч дня, а биохимическая потребность в кислороде (БПК_полн) - 3 г/м³ (при 20 °С). Этими критериями следует руководствоваться при оценке степени загрязнения вод после тушения пожаров.

Приведенные данные регламентированы "Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами" № 372-61 Минздрава СССР.

По способности к биологическому разрушению ПАВ располагаются в зависимости от присутствующих функциональных групп следующим образом:

СН₂ОН < СНОН < СООН < NH₂ < ОНСООН < SО₃H.

Превращения, которые происходят в микроорганизмах при биохимической очистке загрязненной воды, сопровождаются негативным воздействием на водные экосистемы, оказывая на них токсическое, тератогенное и генетическое воздействие.

Для оценки токсического действия ПАВ на водные объекты можно применять методы биотестирования с использованием стандартных тес-торганизмов, которые служат интегральной характеристикой загрязнения водоема, мерой биологического воздействия. Различают острую и хроническую токсичность. Отношение концентраций вещества, вызывающих острую и хроническую токсичность, лежит в интервале 10-100. Анионные ПАВ оказывают неблагоприятное действие на водные экосистемы при концентрациях 0,003-4000 мг/л за период действия от 30 мин до 21 дня. Алкилбензосульфонаты токсичны при концентрациях 1,4-116 мг/л. Катионоактивные ПАВ оказывают вредное влияние на экосистемы при концентрациях 0,1-10 мг/л, а неионогенные ПАВ - 0,003-17 мг/л.

Имеются сведения, что ПАВ на основе сульфанола оказывают инги-бирующее действие на рост растений.

Применение ПАВ безусловно наносит вред окружающей среде. С другой стороны, тушение с применением пены уменьшает загрязнение воздушной среды токсичными и вредными продуктами горения. Использование в будущем только биологически мягких пен позволит шире применять их в пожаротушении для уменьшения воздействия пожаров на окружающую среду.

ПАВ могут воздействовать и на человека. Токсичность ПАВ оценивается: по ЛД₅₀, или летальной дозе, при попадании в желудок; по раздражающему действию на слизистые оболочки глаз, по дерматологическому действию на кожу и по способности изменять функциональное состояние нервной системы. В таблице 3.6 приведены летальные дозы различных ПАВ для человека и другие экологические характеристики ПАВ и пенообразователей. ПАВ не обладают кумулятивным действием, так как не накапливаются в организме. Для КПАВ — четвертичных аммониевых оснований – ЛД₅₀ составляет 0,05-0,5 г/кг, для типичных АПАВ — сульфатов и сульфонатов - 2-8 г/кг, для НПАВ — 5-50 г/кг. Т.е. ПАВ, которые содержат ароматическое кольцо в гидрофобной части молекулы, токсичнее, чем содержащие алкилы.

При действии на кожу ПАВ, содержащие алкильные радикалы С₁₄-C₁₈, являются слабыми раздражителями, а более низкие гомологи обладают более сильным раздражающим действием. Катионоактивные ПАВ обладают более сильным раздражающим действием, чем анионоактивные и неионогенные вещества. Одна из причин, вызывающих дерматиты, связана с обезжириванием кожи и дубящим действием ПАВ. По аналогии с действием мыла при попадании на глаза ПАВ повреждают слизистую оболочку глаз. При всех воздействиях на человека катионоактивные ПАВ оказались самыми опасными, неионогенные - наиболее безвредны, а анионоактивные ПАВ - занимают промежуточное положение.

Таблица 3.6

Летальные дозы и некоторые экологические характеристики ПАВ

Действие ПАВ на человека оказывается заметным при постоянном контакте с концентрированными ПАВ и пенообразователями. К сожалению, токсичность ПАВ исследована мало, потому что в опытах на животных они оказались сравнительно малотоксичны. Однако последние результаты свидетельствуют о том, что многие ПАВ оказывают холестириногенное действие, приводят к изменению слизистой верхних дыхательных путей за счет нарушения влагоудерживаемости. Большей токсичностью обладают сульфанол НП-3, ПО-1, ДС-ПАС, ПО-2, а ПДК ПО-6К составляет 50 мг/л.

3-6 %-ный раствор «легкой воды» безвреден для живых организмов и человека.

Неионогенные ПАВ – оксиэтилированные жирные спирты - малотоксичны и не оказывают кожно-раздражающего действия.

Анионоактивные ПАВ оказывают мембранное повреждение вследствие изменения проницаемости тканей в организме. Во избежание вредного воздействия пенообразователей и ПАВ необходимо использовать защитную одежду, после работы тщательно мыть руки и тело.

При использовании пен целесообразно учитывать следующие момен­ты. После разрушения огнетушащей пены водный поток попадает через стоки, дренажные коллекторы в грунтовые воды, почву и водоемы. Для уменьшения опасных последствий попадания ПАВ в окружающую среду следует использо­вать менее вредные пенообразователи и сокращать расход пены на туше­ние. Для сбора пен целесообразно устраивать обвалование, а также ис­пользовать синтетические поглотители ПАВ в сточных водах пожаров. Полезно использовать практику ФРГ и отказаться от учений с использова­нием ПАВ вблизи мест забора воды, в зонах водохранилищ, а также от ис­пользования пены для тушения пожаров у очистных сооружений. Но наи­более эффективным способом защиты окружающей среды от действия ПАВ можно считать применение пенообразователей на основе безвредных биологически разла­гаемых ПАВ.

Использование природных продуктов в качестве пенообразователей позволяет сохранить природную среду от загрязнения. К таким веществам относятся сапонины, пектины, получаемые из отходов плодов и фруктов, производные целлюлозы, лецитин, глюкозиды. В Германии предложен пенооб­разователь на основе глюкозидов, сахаридов и высших спиртов. Он имеет в 1%-ном водном растворе рН, равный 8,3, и экологически почти безвре­ден: за 28 сут разлагается на 95 %. Рыбы перенесли пребывание в 0,79%-ном водном растворе этого ПАВ в течение двух суток, а на травя­ном покрове повреждения отсутствовали в течение 6 недель наблюдений.

Тушение порошками

Большинство огнетушащих порошков - нетоксичные соединения. Бикарбонат натрия не ядовит, а фосфат и сульфат аммония используют в качестве удобрений в сельском хозяйстве. Имеются сведения, что порошки на основе карбонатов и диаммонийфосфатов не оказывают значительного вредного действия на человека, животных и растения. По другим данным порошки группы Пиранта оказывают слабораздражающее действие на кожу и слизистую оболочку глаз, но не являются аллергенами. Однако, попадая в пламя, некоторые порошки разлагаются с образованием соединений, которые могут быть токсичны. В таблице 3.7 приведены составы продуктов разложения некоторых порошков.

Таблица 3.7

Как видно, в процессе тушения могут образовываться токсичные вещества: аммиак, диоксид углерода, оксиды фосфора, азота.

Эксплуатационные добавки в порошки на основе оксида кремния также оказывают вредное влияние на живые организмы, но реальная опасность зависит от их концентраций в зоне пожара. По степени воздействия на человека огнетушащие порошки общего назначения относят к 3-му классу опасности по ГОСТ 12.1.007-76. Предельно допустимые концентрации некоторых веществ, которые могут находиться в воздухе при использовании порошков во время тушения, приведены в таблице 3.8. Попадание продуктов разложения порошков в организм может вызвать раздражение и заболевание дыхательных путей. Негативно действуют на организм аммиак, оксиды серы и углерода. Поэтому безвредность порошков относительна, все зависит от концентрации в зоне присутствия людей. По сравнению с концентрацией собственно токсичных продуктов горения вклад порошков в загрязнение атмосферного воздуха невелик, но во избежание последствий для здоровья необходимо защищать органы дыхания: противопылевыми респираторами.

Таблица 3.8

ПДК некоторых компонентов и продуктов разложения ПОС

Расширение ассортимента порошков как средств тушения особо опасных пожаров имеет большие перспективы в будущем.

В целом целесообразность использования природных материалов, и особенно промышленных минеральных отходов в качестве порошковых средств тушения, не вызывает сомнений. Вместе с тем необходимо обращать внимание на минеральный состав отходов, так как в порошках могут находиться тяжелые металлы и их соли, которые токсичны. Некоторые порошки на основе смеси органических полимеров с неорганическими добавками способны препятствовать горению металлов и эффективны при тушении тлеющих пожаров. Описан случай, когда такие порошки тушили загорания алюминиевых сплавов.

Применение порошковых составов с использованием принципов импульсной модели подачи порошков в зону горения расширяет возможности эффективного пожаротушения за счет сокращения времени горения. С позиций экологической безопасности этот метод также эффективен.