泡沫灭火在石油库消防科研工作中被认为是一种有效的灭火方法。泡沫按发泡倍数可分为低倍数、中倍数和高倍数三种, 按灭火方式可分为液上喷射和液下喷射；按泡沫液成分可分为普通蛋白泡沫、氟蛋白泡沫、轻水泡沫、高分子合成泡沫等。现就泡沬物理性能及各种泡沫倍数的灭火效率进行一些研究和探讨。

一.   泡沫的形成

这里所研究的属于流态泡沫, 固态泡沫不属此研究范围。流态泡沫的分散质为气体（这里是空气），分散剂为液体（即泡沫与水的混合液），是一种胶体。从胶体化学的观点岀发，泡沫的形成，首先要具有气相和液相之间的界面膜，即表面膜。其机械强度取决于膜的厚度、化学稳定性（耐油性）、热稳定性（耐高温）、物理稳定性（脱水速度）、表面张力和H.L. B值等。其中有些实际上就是研究分散剂（泡沫液）的范围。泡沫形成的从属条件是发泡方法（化学发泡不属此例），即机械发泡方法，亦即拉伸表面膜的方法。

二.   纯液体的表面张力

液体的表面存在表面张力，可由液体分子间存在引力和斥力来证实。实验证明，当两个分子相距极近时（距离的数量级小于10^-8厘米），分子表现为斥力$稍远则表现为引力（数量级为10^-8~10^-7厘米）, 再远则分子力趋近于零。见图 1。实验说明分子间存在着一种比原子间较弱的作用力，即范德华引力。在极性分子之间，因为极性分子具有偶极又是电性的，所以当两个极相互接近时，偶极将发生相互影响，叫做取向。在已取向的偶极分子之间，由于静电引力将互相吸引，当接近到一定距离后，排斥和吸引达到相对平衡，从而使体系能量达到最小值，这种分子之间的相互作用叫做取向力。取向力与分子的偶极矩平方成正比，即分子的极性越大，取向力越大；而与绝对温度成反比，与分子间距离的6次方成反比。

图  1 

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这只限于两个分子之间的作用力，而对于大量分子中的某一个分子来说，离开它的距离超过10^-7厘米的分子就对它没有作用力。这样我们可以设想以这个分子为中心，以10^-7厘米为半径作一个球面，只有球面内的分子对它才有作用力。设P_i代表引力，R代表斥力，其数量级均为10⁴大气压左右。我们可从液体表面层中分子的作用力引出表面张力的概念。在液体的表面取厚度等于分子作用半径r的一层称为表面层，在该层中画两个分子作用圈Ⅰ与Ⅱ。这两个分子作用圈均有一部分露出在液体表面之外，在作用圈内作两个相等的小面积S和S'。S为水平向，S'为垂直向。见图 2。现计算S面上的作用力P_i和R; S'面上的作用力P_i '和R' 因R、R'分别与S、'面最接近的分子数有关，所以R=R'。但引力就不一样，在S面上缺少一部分分子，因此受力的分子数要比S'面上的要少，所以P_i < P_i'。

图  2 

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P₀为液体表面的外加压强或大气压，当S面以上这部分液体平衡时（这部分液体的重力极小，可忽略不计），有但R、P_i较P₀大的很多, 故上式可写成R= P_i。

即说明液体表面层中的分子沿表面方向作用的引力大于斥力，因此存在相对引力如果在液体表面上想象有一条分界线，其长度为l, 则存在着大小相等，方向相反的力F=f • f, 即液体的表面张力F的大小与长度l成正比, l, γ为表面张力系数，也称比内聚力，单位为：达因/厘米，通常将γ称为表面张力。

每一种纯液体由于分子间作用力的大小不一样，因此有其各自的表面张力，详见表 1。

表  1  表面张力实验值

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三.   溶液的表面张力

对各种有机液体的表面活泼性，曾有人作过系统的研究，并将所有液体分为两类：

1.液体有对称结构分子者如戊烷，它们的分子在链的两端，有相同的碳氢团。对于水的表面这些液体是非活性的。

2.液体的分子结构是不对称的（醇类、酸类等），此类液体分子有和碳氢链性质显然不同的部分。在碳氢物内引入象OH、NH₂、COOH, NO₂、COH, C1等这样的团，便增加了有机化合物在水中的溶度，因为水是由极性分子构成的，这些极性团具有亲水性，而另一端的碳氢链具有疏水性，这种两亲分子就能强力地降低水的表面张力，此类液体称为表面活性剂。表面张力的降低与溶液的浓度、表面活性剂的种类有关。见图 3、图 4。

图  3  —股表面活性剂沽液的表面张力范图

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图  4  表面张力一浓度曲线的主要类型示意图

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由图 3可看出一般表面活性剂溶液的表面张力与浓度成反比，浓度到一定值时，表面张力就不再降低。总之，由于溶液中存在的溶质（表面活性剂），在溶液表面上形成吸附层或单分子表面膜，而引起溶液表面张力的降低。这种表面张力的改变，有的认为与表面层的分子力的改变有关, 有的认为与表面层的自由能的改变有关, 也有认为与溶质移动时所产生的渗透功有关，实质上只不过是从不同角度去研究而已，其间有内在的联系，现分述如下

（1）由表面层中分子作用力的改变引起表面张力的降低前述表面层中聚集比溶液内部有过量的溶质（活性分子），或在表面层上排列具有表面活性的单分子膜，这些均由于两亲分子的非极性团具有疏水性的缘故。此疏水性使活性分子拉出液体内部而存在于表面层，使表面层在体系内具有一种外加的斥力，这种斥力与过量的活性分子数成正比, 当达到一定值或表面单分子膜排列满时，斥力就达到最大值。为叙述明了，这种斥力可称之为一种负的引力，因此在分子作用圈的S面上不仅缺少了一部分分子，而且增加了一个负的引力，因此有：

则其相对引力必然要比，小，也就是降低了溶液的表面张力。表面张力的激剧降低是溶质中（活性分子）在表面浓集的结果。

（2）吉布斯的吸附公式Kelvin首次指出γ是表面的自由能。吉布斯由自由能出发并引用吉布斯、杜核姆公式导出吉布斯吸附公式^[1]。

式中，S_S——表面熵;

S——表面积;

n_i^s——溶质表面过剩克分子数；

——单位面积表面张力的增量,

——在i表面上化学势的增量,

——温度的增量。

在恒温状态及二组分体系时（即溶剂一溶质的体系），由（1）式得

在一个平衡的体系中，一个组分在表面上的化学势等于其在溶液里面的化学势，即同时选择使则（2）式变成:

式（3）的物理意义是由于表面层单位面积上溶质（活性分子）的过剩克分子数所得化学势增量，而引起表面张力的降低。将改写成。体系中任一组分，如溶质的化学势可用来表示（为常数，与温度有关, a为溶质的活度），则（3）式可写成

在稀溶液中，浓度可以代活度，因此可得

式（5）即是吉布斯吸附公式被通常引证的形式。根据这个公式考察图 4的表面张力一浓度曲线，可以说明曲线的斜率 T若是负的，则表面过剩Γ便是正的。这就是说，溶质在表面层的浓度比溶液内部大，曲线属于Ⅰ或Ⅲ型，尤其对Ⅲ型曲线更为显著，因在稀浓度时斜率是负的，而且曲线特别陡。若斜率是正的，则表面浓度比内部的小。由此可知，若曲线属于Ⅱ型，则溶质被负吸附。

（3）奥斯特瓦尔公式^[2]奥斯特瓦尔用简单方法导出吉布斯吸附公式。设一溶液的表面张力为γ并在表面面积S里藏有一克分子的过量溶质，即有一克分子的溶质从溶液进入表面层，使表面张力降低dγ值，这体系的能量变化是Sdγ这个能的来源是由于溶质从溶液内部迁移到表面。因而产生渗透功。假如V为含有一克分子溶质的溶液体积，dP为溶质移动时所产生的渗透压变量，渗透功等于- VdP。因此

假设稀浓度溶液的定律可以用在这里，V = RT/P代入（1）'式，即得

如果C为溶液浓度，P=CRT, dP = dCRT, 那么代入（2）'式，即得

根据假设，表面层S面积里藏有一克分子的过量溶质，那么就是单位面积内溶质的过量，可以写成Γ_s即得下式

式（4）'的物理意义与吉布斯吸附公式一样，只是导出的根据是用渗透功而已.

四.   泡沬的表面张力

1   一个泡的表面张力与内压力的平衡关系

在泡的液膜上取一个面积ΔS, 如图 5^〔3〕。设泡内气体对左边液膜表面的压力为P, 泡外对右边液膜表面的压力为Pa（1般为一个大气压），所以垂直于该面积上的力为（P-Pa）ΔS, 这个力的X方向分量为（P-Pa）ΔScosθ。ΔScosθ为ΔS在X轴垂直平面上的投影面积，所以在X方向的作用力即艇另差命艮方向我矗面积的积。

图  5 

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现进一步研究半个泡的作用力（见图 6）。对于半个泡方向向左的作用力，其大小等于表面张力与周长乘积的2倍，即而对于半个泡方向向右的作用力，则等于压力差与半个泡投影面积的乘积，即这两个力达到平衡，因此

图  6 

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该式的物理意义，说明液体膜的表面张力大者，P-Pa就大，需要吹气的力就大，收缩亦大。反之，液体膜的表面张力小者，P-Pa就小，需吹气的力就小，收缩亦小。因此，减小液体膜的表面张力，便为发泡创造了有利条件。

2   泡沫的表面张力与内压力的平衡关系

泡沫是由许多大小不等的泡堆积在-起的泡群，因此它们的液体膜把空气分隔成许多空气泡，但每个空气泡的形状不再是球状，而是由许多大小不等的多面棱体组成（见图 7）。每个面都是平面，对其中某一个空气泡来说表面积不是最小，又因表面张力的存在而有收缩的趋势。收缩时使内压力增大来平衡表面张力。这样，每个空气泡各自收缩。由于它们的膜均是公有的，所以其中一个空气泡的收缩便会引起其相连空气泡膜的拉伸，而导致较薄膜的破裂。可以通过试验证明：取一个烧瓶，内放少许溶液（泡沫混合液或肥皂水），经剧烈摇晃后，瓶内溶液变成图 7所示的泡沫，立即将瓶口放到耳边，便可以清晰地听到泡沫膜破裂的声响。这种泡沫膜的破裂与表面张力之大小有关。表面张力小，则破裂声少而轻, 表面张力大，则破裂声多而响。此外还与膜的机械强度有关。

图  7 

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五.   表面活性剂的效率，H.L.B（油一水帐）法

前面已经讲到泡沫的稳定性，取决于表面膜表面张力的降低和表面膜的机械强度，这就必须在溶剂中加入一定量的表面活性剂（溶质）。表面活性剂加入量的多少需加以考虑，对便宜的往往加入量较大，由1~ 10%, 甚至达15%, 对高效的，价格虽贵，但加入量很少。另外还需考虑所选择的活性剂是否适用于该种体系，过去这种选择往往全凭经验。

在比较C₁₆H₃₂OH与C₁₆H₃₂OSO₃H对人造奶油的反溅作用时，发现-OH基的亲水性完全为憎水基团（疏水性）所抵消，而-HSOs基的亲水性则强到足以使其表现出表面活性。由此认识到指定的同系物中必有一个化合物的亲水和亲油（疏水）两种性质平衡得恰到好处，使其应用于某指定体系时的效率达到最高值。这个结论虽然是合理的，但只是定性的。近年来在这方面提出了九种方案，企图使之定量化。现就H. L. B法（即亲水亲油平衡法）作些介绍。

在此法中给每个表面活性剂一个数值，测知它的数值后就可以知道它宜于作何用途。表 2表示各种体系所要求的H.L.B值范围。对发泡剂来说，其H.L.B值范围与洗涤剂相当，可取13~15。

表  2 

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如何计算H.L.B值，这方面的公式很多，应用的场合亦不同，不叙述，现仅将与我们有关的方法简述如下：

一种快速法，就是观察其在水中的溶度，可得到一种活性剂的H.L.B值。见表 3。从表 3可以判断水溶液呈半透明至透明分散体或透明溶液的均适于作发泡剂。例如十二烷基苯璜酸钠、丁基茶璜酸钠、烷基璜酸钠、聚氧乙烯脂肪醇硫酸钠、a-烯基磺駁钠、脂肪醇硫酸钠、及水解蛋白等。

表  3 

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另一种较适用的方法，由Davies将H. L.B值作为结构因子的总和来处理，试图把活性剂结构分解为一些基团，每一基团皆对H.L.B有作用（负或正）。

六.   机械发泡原理和方法

日常生活中发泡现象经常可以看到，这种习以为常的现象不会被人特别注意。例如煮稀饭时，开锅后就有大量泡沫溢出锅外，如用肥皂洗衣服时，也产生大量泡沫等。上述产生泡沫的方法均属于机械发泡。在稀饭煮开后，表面水蒸气大量蒸发，由于米汤的表面张力比水小得多，同时表面膜有一定的机械强度，水蒸气在蒸发时便促使液体膜上升，被拉伸成大量泡沫。借此，我们可以设想用机械方法高效率的产生大量泡沫，正是要研究的问题。

泡沫灭火是依靠大量流动的泡沫复盖火面，隔绝空气，阻止油品继续燃烧。其中需要有一种设备，连续不断的产生~定量的泡沫，这种设备叫做泡沫发生器。

目前世界将泡沫按颗粒大小分为三种：颗粒直径在5毫米左右称为高倍数泡沫, 直径在2毫米左右的称为中倍数泡沫，直径在1毫米左右的称为低倍数泡沫。

1   泡沫灭火的最佳发泡倍数

空气机械泡沫用于扑救油品火灾，最早是采用低倍数泡沫，随着泡沫液的发泡力不同，倍数由6到10（即泡沫混合液与泡沫之体积比）。低倍数泡沫借助于空气使其小于油品比重，从而浮在油面上流动。其泡沫膜的厚度约为5 x 10^-2毫米，因此有较好的机械强度并含有大量的水分。

它的灭火原理即依靠泡沫在火面上推进时，约有25%的水析离降沉到油面（对100平方米着火油面就有625升水析出），使油面温度下降，减少了泡沫因受高温而破裂的数量，同时有大量水蒸气蒸发冲淡空气中的氧气，形成的泡沫层隔绝空气扑灭油火。

低倍数空气机械泡沫主要以泡沫里含有的大量水分对冷却油面温度起作用，但是这部分水很快地沉降到油下底部，这就产生了一定的浪费。还由于其含水量较髙，产生泡沫就需大量的水，造成设备和动力费用的大量消耗。

为提高泡沫灭火的效率，于是产生了高倍数空气机械泡沫。其倍数一般在200倍以上，经常采用800~1000倍。泡沫的膜厚就变得很薄，约为2 X10-3毫米，泡沫的含水量就很少，因此，泡沫很容易破坏。其灭火原理与低倍数略有所不同，对同样100平方米着火油面，5分钟内灭火，共需水量1400升，产生泡沫高达1120立方米，而低倍数泡沫需水量为5000升，产生泡沫仅30立方米。高数泡沫的复盖速度比泡沫被破坏的速度快得多，故迅速的复盖同样起到隔绝空气、扑灭油火的作用。但高倍数泡沫的质量很轻，经不住火区热气流上升的冲击，因此对扑救油罐火灾有一定的困难。

为了弥补上述两种泡沫的缺点，自然而然地提出了中倍数空气机械泡沫，其倍数在30~100倍的范围内，泡沫的厚度约为1.5X 10^-2毫米。实测6分钟其析水率约为25%, 对100平方米着火面积5分钟内灭火需水量2400升，而有300升水被析出来起冷却油面的作用，但产生的泡沫量约为96立方米，比低倍数多3倍，这是中倍数泡沫效率高的原因。其泡沫的直径约为2毫米左右，结构比较坚固，膜厚与低倍数在同一个数量级，故比高倍数泡沫稳定得多。

如果要进一步提高中倍数泡沫的灭火效率，可设法提高泡沫的热稳定性，即提高抗高温的能力。在我们研究的SS — 78型氟蛋白泡沫液里加入一种氟碳表面活性剂6201, 对100平方米着火面积在5分铮内灭火需水量便降到1350升。

在实际应用中充分地证明了中倍数空气机械泡沫的优越性。对闪点小于或等于2810的石油产品来说，我国对普通低倍数空气机械泡沫的混合液供给强度规定为8~ 10升/平方米•分，而苏联规定为12升/平方米•分（一次灭火时间均规定为5分钟）。对中倍数空气机械泡沫的混合液供给强度，苏联定为4.8升/平方米•分，而我国采用氟蛋白中倍数空气机械泡沫扑灭5000立方米油罐汽油火时，其混合液供给强度为1.7~3升/平方米•分（一次灭火时间均为10分钟）. 当一次灭火时间为5分钟时，混合液供给强度为2.5~4.4升/平方米•分。

在5000立方米油罐灭火试验中，采用中倍数泡沫灭火，其灭火效率可以与价格昂贵的高效灭火剂——轻水泡沫相媲美，详见表 4。

表  4 

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以上叙述说明中等发泡倍数的泡沫对灭火最为有效，但其发泡倍数所采用的范围较广（30~100升），其中最佳倍数究竟为多少？需通过试验得到解答。

试验一：采用同一个泡沫液和相同的混合液供给强度（2.6升/平方米•分），以不同的发泡倍数进行小型灭火试验，可得出不同的灭火时间（见图 8）。从图中可以看到40左右为最佳发泡倍数。

图  8 

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试验二：苏联采取将不同发泡倍数的泡沫覆盖在汽油面上，然后观察泡沫的消失时间，见图 9。从图中也可明显看出发泡倍数为40时的泡沫最稳定。

图  9 

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2   泡沫的发泡原理

空气机械泡沫即通过机械的方法利用空气产生泡沫。按所需空气量的多少, 分别称为高倍数、中倍数、低倍数空气机械泡沫。因此产生泡沫的方法也就不完全相同，现分别介绍如下:

（1）低倍数空气机械泡沫发生器其倍数仅为6~10倍，可以完全利用流体喷射吸引器的原理。在高速流体的作用下，工作液体可以吸入大于其本身流量的液体，而气体的重量仅为液体的千分之一，因此利用泡沫混合液作为工作液，引吸6倍体积的空气量是毫不费力的，其理论计算略。

（2）高倍数空气机械泡沫发生器其倍数高达1000倍，需大量的空气，要依靠强制鼓风的办法进行发泡。目前国内试验成功的有SGP—180型、BGP—200型、QGP— 200型、FG-180型、GP—50型等型号。如图 10所示，其发泡原理较简单，即由混合液喷咀使混合液雾化，依靠轴流式风机将雾化颗粒吹到网上，经过网便被拉伸成泡沫。这时泡沫内有一定的内压，可使泡沫膨胀到与表面张力达到平衡为止。表面张力小的泡沫大一些，表面张力大的泡沫小一些。发泡倍数基本由送风量来决定，可适当考虑一些损失。经过试验实测风泡比为1.08~1.21, 即产生1立方米的泡沫，需要1.08—1.21立方米的风量。

图  10 

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（3）中倍数空气机械泡沫发生器其倍数在30~100倍较理想，40倍左右为最佳，因此比低倍数空气机械泡沫需要的空气量较多。此发生器可以采取高倍数泡沫发生器的原理制成，也可以采取低倍数泡沫发生器的原理制成。其泡沫液可以采用高倍数泡沫液（发泡力约在200毫米左右），也可采用低倍数泡沫液（发泡力约在120毫米左右）。

a. SS- 1型~SS — 3型中倍数泡沫发生器。这种类型的中倍数泡沫发生器采用高倍数泡沫发生器的原理，由通风机进行强制鼓风。由于混合液流量比高倍数空气机械泡沫要大得多，因此必须提高风速和增加发泡网的层数，以达到产生中倍数空气机械泡沫。图 11为SS-2型中倍数泡沫发生器的结构图。这种类型的中倍数泡沫发生器，除泡沫混合液需消耗功率外，还消耗通风机的功率，因此设备利用系数S_q就比较大。

图  11 

1一外壳D 2—发泡网, 3 —混合液喷咀：4一整流器；5—风叶, 6—水轮；7一喷咀

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式中：q 混合液流量，（升/秒）;

H——喷咀工作压力，（米）。

b.SS — 4型、JG-70型中倍数泡沫发生器。它是安装在油罐上的固定式发生器，具体规格有SS—4/2、SS-4/4, SS- 4/6型。JG—70型、JG—70A型是手提式中倍数泡沫发生器。它们均采用低倍数泡沫发生器的原理制成。见图 12、13. SS— 4型中倍数泡沫发生器由于受到尽量少占用油罐储油量的限制，因此泡沫发生器的出口高度希望不超过40厘米，出口宽度一般约为30厘米，则泡沫流通之截面积约为0.12平方米。JG-70A型的网形为圆台形，为便于操作，其直径以不大于40厘米为宜，则流通之截面积也约为0.12平方米。

图  12  SS—4型泡沬发生器

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图  13  JG—70A型泡沬发生器

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此类泡沫发生器的泡沫量与发泡倍数的计算公式如下：

式中：Q——泡沫发生量，（米³/分）;

q——混合液流量，（升/秒）;

E—发泡倍数,

V_泡——泡沫流速，（米/秒）;

S——泡沫发生器流通截面，(米);

H——喷咀工作压力，（米）;

S_q设备利用系数（此系数表示一台泡沫发生器产生达到要求倍数的泡沫量的能力，S_q值越大，其能力越大。它与泡沫液的发泡力以及喷咀的形式有关）。

从表 5中可看到双眼喷咀的S_q值大于环状喷咀的S_q值，但环状喷咀的射程较远，达7~8米，故适用于手提式泡沫枪。而双眼喷咀射程较近，为2~3米，适用于固定式泡沫发生器。

表  5 

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泡沫流速V_泡与泡沫的流通截面积、网的层数、泡沫液的发泡力、喷咀形式及喷咀的工作压力等有关，涉及因素较多，关系比较复杂。现可以通过简化找出其计算方法。由于实际流通截面面积已定，即为常数，发泡力、喷咀形式可用S_q值表示。所以V_泡仅与S_q、网的层数、喷咀工作压力有关。再将每一对S_q、网的层数作为一组可使泡沫流速V_泡与喷咀工作压力H的关系画出一束直线（在一定的喷咀工作压力范围内），也可用线性公式表示之：

K、C值可查表 6, , 则流量公式和发泡倍数公式可改写成

表  6 

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七.   表面膜的形成与时间的关系

表面膜的形成既然是一种取向的效应，我们就可以预料到一个新产生的表面性质和已达到平衡的表面膜的性质不完全一样, 因为溶质（活性分子）从内部扩散到表面需要时间，有人用振动注射法测得纯液体的这个时间少于0.003秒。对于溶液来说这个时间要长些，但一般也小于1秒钟。因此，对于灭火泡沫从产生到达火面，这个时间完全够用了。试验的结果也证明了这一点。