Пенообразователи

Пенообразователь — это химическое вещество или композиция веществ, способная при смешивании с водой и подаче воздуха (или другого газа) образовывать устойчивую пену. Пенообразователи относятся к классу поверхностно-активных веществ (ПАВ) и используются в различных отраслях промышленности, в пожаротушении, в бытовой химии и в технологических процессах, где требуется создание или стабилизация пены.

История

Первые упоминания о применении пены для тушения пожаров относятся к началу XX века. В 1904 году русский инженер Александр Лоран предложил использовать химическую пену, получаемую при реакции бикарбоната натрия и сульфата алюминия. Позднее, в 1930-х годах, были разработаны протеиновые пенообразователи на основе гидролизованных белков (крови, костной муки, рогов). Во время Второй мировой войны в США и Великобритании началось активное применение фторсодержащих ПАВ для создания пленкообразующих пен, устойчивых к углеводородам. В СССР с 1950-х годов разрабатывались синтетические пенообразователи на основе алкилсульфатов и алкиларилсульфонатов. Современные пенообразователи представляют собой сложные многокомпонентные смеси, включающие ПАВ, стабилизаторы, антифризы, ингибиторы коррозии и модификаторы вязкости.

Классификация

Пенообразователи классифицируются по нескольким признакам: химическому составу, кратности пены, назначению и устойчивости к воздействию полярных жидкостей.

По химическому составу

1. Протеиновые (белковые). Получаются гидролизом природных белков (животного или растительного происхождения). Образуют стабильную, но относительно невысокую по кратности пену. Используются в пожаротушении для покрытия горящих поверхностей (например, нефтепродуктов).
2. Фторсинтетические. Содержат фторированные ПАВ (перфторалкильные соединения). Отличаются высокой устойчивостью к углеводородам и способностью образовывать водную пленку на поверхности горючей жидкости (пленкообразующие пенообразователи — AFFF, AR-AFFF).
3. Синтетические углеводородные. Производятся на основе алкилбензолсульфонатов, алкилсульфатов и других неионогенных и анионных ПАВ. Дешевле фторсинтетических, но менее устойчивы к углеводородам. Широко применяются в бытовой химии (шампуни, моющие средства) и в промышленности.
4. Комбинированные. Содержат смесь протеиновых и синтетических компонентов для достижения оптимальных свойств (например, высокая кратность плюс устойчивость к углеводородам).

По кратности пены

Кратность пены — это отношение объема пены к объему раствора пенообразователя, из которого она получена.

• Низкократные (кратность до 20). Используются для тушения пожаров твердых материалов (класс A) и для покрытия поверхностей жидкостей.
• Среднекратные (кратность от 20 до 200). Применяются для объемного тушения (в помещениях, резервуарах), для изоляции горящих поверхностей.
• Высокократные (кратность более 200). Используются для заполнения больших объемов (например, в шахтах, ангарах, подвалах) и для тушения пожаров в труднодоступных местах.

По назначению

• Пенообразователи для пожаротушения. Основная категория. Разделяются на общего назначения (для тушения твердых материалов и неполярных жидкостей) и целевого назначения (для тушения полярных жидкостей — спиртов, кетонов, эфиров).
• Пенообразователи для бытовой химии. Шампуни, гели для душа, моющие средства, зубные пасты. Основное требование — безопасность для кожи и слизистых оболочек.
• Пенообразователи для промышленности. Используются в обогащении полезных ископаемых (флотация), в нефтедобыче (для повышения нефтеотдачи пластов), в строительстве (пенобетон, пенополистирол), в пищевой промышленности (взбивание сливок, производство мороженого).
• Пенообразователи для специальных применений. Например, для создания пенных завес при авариях с химическими веществами, для дезинфекции и мойки оборудования, для аэрозольных упаковок.

Устройство и механизм действия

Пенообразователь в виде концентрата (обычно 1–6% раствор) смешивается с водой в пропорции, указанной производителем. При подаче воздуха через специальное устройство (пеногенератор, ствол-распылитель) происходит образование пузырьков газа, стабилизированных адсорбционными слоями ПАВ. Молекулы ПАВ имеют гидрофильную (водолюбивую) и гидрофобную (масло- и воздухолюбивую) части. Они ориентируются на границе раздела фаз «вода-воздух», снижая поверхностное натяжение, что позволяет образовывать и удерживать пузырьки. Стабилизаторы (например, полимеры, спирты) замедляют дренаж жидкости из пленок пузырьков, увеличивая время жизни пены.

Применение

Пожаротушение

Пенообразователи являются основным средством тушения пожаров классов A (твердые горючие материалы) и B (горючие жидкости и газы). Пена изолирует горящую поверхность от кислорода, охлаждает ее и подавляет выделение горючих паров. Для тушения полярных жидкостей (спирты, ацетон) применяются специальные спиртоустойчивые пенообразователи (AR-AFFF), которые образуют полимерную пленку, не разрушающуюся под действием растворителя. В России для пожаротушения широко используются пенообразователи марок ПО-6, ПО-3, «Форэтол», «Универсал» и другие.

Бытовое использование

В бытовой химии пенообразователи (например, лаурилсульфат натрия, кокамидопропилбетаин) обеспечивают образование пены при мытье посуды, стирке, принятии душа. Пена улучшает смачивание загрязнений, их диспергирование и удаление с поверхности.

Промышленность

• Флотация. В обогащении руд и угля пенообразователи (например, МИБК — метилизобутилкарбинол, сосновое масло) создают пену, на которой концентрируются частицы ценного минерала.
• Нефтедобыча. Для повышения нефтеотдачи пластов используются пенообразующие составы, которые закачиваются в скважину для вытеснения нефти.
• Строительство. При производстве пенобетона и пенополистирола пенообразователи (например, «Пеностром», «Аква-Пен») обеспечивают пористую структуру материала.
• Пищевая промышленность. Для взбивания сливок, производства мороженого, безе, зефира используются пищевые пенообразователи (например, желатин, яичный белок, лецитин).

Сельское хозяйство

Пенообразователи применяются для создания пенных покрытий при обработке почвы (для удержания влаги), для внесения удобрений и пестицидов, а также для дезинфекции животноводческих помещений.

Характеристики и параметры

Качество пенообразователя оценивается по ряду показателей:

• Кратность пены (см. классификацию).
• Устойчивость пены (время, в течение которого пена сохраняет свои свойства). Измеряется в минутах или часах.
• Поверхностное натяжение раствора (чем ниже, тем легче образуется пена).
• Смачивающая способность (способность проникать в поры твердых материалов).
• Температура застывания (для эксплуатации в холодном климате).
• Биоразлагаемость (способность разлагаться микроорганизмами в окружающей среде). Современные пенообразователи стремятся к высокой биоразлагаемости (более 90% за 28 суток).

Экологические аспекты и регулирование

Некоторые пенообразователи, особенно старые фторсинтетические (содержащие перфтороктановую кислоту — PFOA и перфтороктансульфоновую кислоту — PFOS), обладают высокой устойчивостью в окружающей среде и могут накапливаться в живых организмах. В связи с этим в ряде стран (США, страны ЕС) введены ограничения на использование таких веществ. В России действуют санитарные нормы (СанПиН) и технические регламенты (ТР ТС 009/2011 «О безопасности парфюмерно-косметической продукции», ТР ТС 019/2011 «О безопасности средств индивидуальной защиты»), регулирующие состав и безопасность пенообразователей. Для пожаротушения применяются пенообразователи, соответствующие ГОСТ Р 50588-2012 «Пенообразователи для тушения пожаров. Общие технические требования и методы испытаний».

Интересные факты

• Самая высокая кратность пены (до 1000) достигается с помощью специальных пеногенераторов, работающих на сжатом воздухе и высоком давлении.
• В некоторых странах (например, в Японии) разработаны «сухие» пенообразователи, которые не требуют воды и образуют пену при смешивании с воздухом.
• Пена может использоваться для защиты растений от заморозков: слой пены на поверхности почвы снижает теплопотери.
• В косметологии пенообразователи (например, кокамидопропилбетаин) часто заменяют агрессивные сульфаты (SLS, SLES) для создания «мягких» шампуней.

Источники

1. ГОСТ Р 50588-2012 «Пенообразователи для тушения пожаров. Общие технические требования и методы испытаний».
2. Технический регламент Таможенного союза «О безопасности парфюмерно-косметической продукции» (ТР ТС 009/2011).
3. Учебник «Пожаротушение: теория и практика» под ред. В. В. Теребнева, 2018.
4. Статья «Пенообразователи: классификация, свойства, применение» в журнале «Химическая промышленность», № 5, 2020.
5. Материалы конференции «Современные технологии пожаротушения», 2021.