firesmiПожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion SafetyPozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety0869-74932587-6201ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»10.18322/PVB.2019.28.01.22-34firesmi-733Research ArticleБЕЗОПАСНОСТЬ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВSAFETY OF SUBSTANCES AND MATERIALSФизический механизм и способ тушения жидких углеводородов модифицированными суспензиями воды с углеродными наноструктурамиPhysical mechanism and method for fire liquid hydrocarbons by modified water suspensions of carbon nanostructuresИвановА. В.IvanovA. V.

канд.техн.наук,доцент кафедры пожарной безопасности технологических процессов и производств

Россия, 196105, г. Санкт-Петербург, Московский просп., 14

CandidateofTechnicalSciences,Associate Professor of Department of Fire Safety of Technological Processes and Production

Moscow Avenue, 149, Saint Petersburg, 196105, Russian Federation

spark002@mail.ruТороповД. П.ToropovD. T.

адъюнкт кафедры физико-технических основ обеспечения пожарной безопасности

Россия, 196105, г. Санкт-Петербург, Московский просп., 14

Postgraduate Student of Department of Physical-Technical Basics of Fire Safety

Moscow Avenue, 149, Saint Petersburg, 196105, Russian Federation

dmitrytoropov2012@yandex.ruМедведеваЛ. В.MedvedevaL. V.

д-р пед. наук, профессор, заведующий кафедрой физико-технических основ обеспечения пожарной безопасности

Россия, 196105, г. Санкт-Петербург, Московский просп., 14

Doctor of Pedagogical Sciences, Professor, Head of Department of Physical and Technical Basics of Fire Safety

Moscow Avenue, 149, Saint Petersburg, 196105, Russian Federation

luvlmed@mail.ruКалининаЕ. С.KalininaE. S.

канд. пед. наук, профессор кафедры высшей математики и системного моделирования сложных процессов

Россия, 196105, г. Санкт-Петербург, Московский просп., 14

Candidate of Pedagogical Sciences, Professor of Department of Higher  Mathematics and Systems Modeling of Complex Processes

Moscow Avenue, 149, Saint Petersburg, 196105, Russian Federation

elenakali21@yandex.ruСанкт-Петербургский университет ГПС МЧС РоссииРоссияSaint Petersburg University of State Fire Service of Emercom of RussiaRussian Federation2019240420192812234Copyright © Иванов А.В., Торопов Д.П., Медведева Л.В., Калинина Е.С., 20192019Иванов А.В., Торопов Д.П., Медведева Л.В., Калинина Е.С.Ivanov A.V., Toropov D.T., Medvedeva L.V., Kalinina E.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.fire-smi.ru/jour/article/view/733

Введение.Целью настоящей работы является определение механизма тушения жидких углеводородов и разработка способа их тушения водосодержащими суспензиями с УНС.Материалы. В качестве наноматериалов, диспергированных в дистиллированную воду, использовались нефункционализированные (non-funct) и функционализированные многослойные углеродные нанотрубки (MWCNT), а также астралены (Astr).Экспериментальная часть включала определение pH суспензий; исследование наноструктур методом атомно-силовой микроскопии; измерение поверхностного натяжения суспензий; определение скорости их нагрева до температуры кипения, удельной теплоты парообразования; измерение времени тушения модельного очага класса В.Результаты и обсуждение. Механизм тушения горящих жидких углеводородов суспензиями воды с УНС достигается за счет интенсификации процессов теплоотвода в зоне горения паров нефтепродуктов. Диспергирование малых концентраций УНС (MWCNT, Astr) 0,05–1,0 % об. в водосодержащие составы приводит к увеличению скорости нагрева до температуры кипения и более интенсивному парообразованию, улучшению огнетушащих характеристик при подаче распыленных капель суспензий в зону горения.В суспензиях DW + non-funct MWCNT и DW + MWCNT с концентрацией 0,8–1,0 % об. повышение огнетушащей эффективности достигается за счет увеличения удельной теплоты парообразования до 2300…2400 кДж/кг, для DW + Astr с концентрацией 0,2–0,5 % об. — 2400…2600 кДж/кг, для DW + Carbopol ETD 2020 + MWCNT с концентрацией 0,5–1,0 % об. — 1100…1400 кДж/кг.Зависимость времени тушения от скорости нагрева до температуры кипения имеет экстремум в интервале 5,5…6,5 °С/мин для суспензий DW+non-funct MWCNT и DW+MWCNT с концентрацией 0,8–1,0 % об., 5,5…6,5 °С/мин для DW+Astr с концентрацией 0,2–0,5 % об. и 6,0…8,0 °С/мин для DW + Carbopol ETD 2020 + + MWCNT с концентрацией 0,5–1,0 % об.Заключение.Предложенный способ пожаротушения позволяет значительно повысить эффективность ОТВ наоснове воды при тушении жидких углеводородов за счет интенсификации процессов испарения и охлаждения зоны горения.

Introduction

Introduction. The purpose of this work is to determine the mechanism for extinguishing liquid hydrocarbons and develop a method for extinguishing them with water-based suspensions with carbon nanostructures.Materials. Nonfunctionalized (non-funct) and functionalized multilayer carbon nanotubes (MWCNT), as well as astralenes (Astr), were used as nanomaterials dispersed in distilled water.

Experimental part

Experimental part. The experimental part included determining the pH of the suspensions; research of nanostructures by atomic force microscopy; measurement of surface tension suspensions; determining the rate of their heating to the boiling point, the specific heat of vaporization; time measurement of extinguishing model hearth class B.Results and discussion. The burning liquid hydrocarbons extinguishing mechanism with water and carbon nanostructures suspensions is achieved by intensifying the processes of heat removing from the petroleum product vapors combustion zone. Dispersion of low concentrations of carbon nanostructures (MWCNT, Astralen) 0.05–1.0 % by vol. in aqueous compositions on the base of distillated water (DW) leads to increase the heating rate to the reflux temperature and more intense steam generation, an improvement in the quenching characteristics when sprayed drops are applied to the combustion zone.In suspensions DW+non-funct MWCNT and DW+MWCNT with concentration 0.8–1.0 % by vol. fire extinguishing efficiency increase by increasing the values of specific heat of vaporization up to the interval 2300…2400 kJ/kg, for DW+Astralen with concentration 0.2–0.5 % by vol. — 2400…2600 kJ/kg, for DW+Carbopol ETD 2020+ +MWCNT with concentration 0.5–1.0 % by vol. — 1100…1400 kJ/kg.The quenching time dependence of the heating rate to boiling point has a characteristic extremum in the range of 5.5…6.5 °C/min for suspensions DW+non-funct MWCNT and DW+MWCNT with concentration of 0.8–1.0 % by vol., 5.5…6.5 °C/min for DW + Astralen with concentration of 0.2–0.5 % by vol. and 6.0…8.0 °C/min for DW+Carbopol ETD 2020+MWCNT with concentration of 0.5–1.0 % by vol.Conclusion. Proposed fire extinguishing method can significantly increase fire extinguishing agents effectiveness to eliminate the liquid hydrocarbons burning due to water and carbon nanostructures suspensions droplets intensive heating to the boiling point, evaporation and cooling of the combustion zone. 

огнетушащее веществомногослойные углеродные нанотрубкиастраленыэлектрофизическое воздействиегелеобразовательтеплопередачапарообразованиеван-дер-ваальсовы силыfire extinguishing agentmultilayer carbon nanotubesastraleneselectrophysical effectsgelling agentheat transfervaporizationvan der Waals interactionsReferencesRasbash D. J., Rogowski Z. W., Stark G. W. V. Mechanisms of extinction of liquid fires with water sprays //CombustionandFlame.—1960.—Vol. 4.—P. 223–234.DOI:10.1016/S0010-2180(60)80026-0.D. J. Rasbash, Z. W. Rogowski, G. W. V. Stark. Mechanisms of extinction of liquid fires with water sprays. Combustion and Flame, 1960, vol. 4, pp. 223–234. DOI: 10.1016/S0010-2180(60)80026-0.Шароварников А. Ф., Мельников А. И. Экспериментальные исследования огнетушащей способности водных пленкообразующих растворов фторированных поверхностно-активных веществ // Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety. — 2015. — Т. 24, № 9. — С. 74–81. DOI: 10.18322/PVB.2015.24.09.74-81.A. F. Sharovarnikov, A. I. Melnikov. Experimental studies of fire extinguishing capacity of the water film forming solutions containing fluorinated surfactants. Pozharovzryvobezopasnost / Fire and Explosion Safety, 2015, vol. 24, no. 9, pp. 74–81 (in Russian). DOI: 10.18322/PVB.2015.24.09.74-81.Yu W., Xie H. A review on nanofluids: preparation, stability mechanisms, and applications // Journal of Nanomaterials. — 2012. — 17 p. DOI: 10.1155/2012/435873.W. Yu, H. Xie. A review on nanofluids: preparation, stability mechanisms, and applications. Journal of Nanomaterials, 2012, 17 p. DOI: 10.1155/2012/435873.Иванов А. В., Торопов Д. П., Ивахнюк Г. К., Федоров А. В., Кузьмин А. А. Исследование огнетушащих свойств воды и гидрогелей с углеродными наноструктурами при ликвидации горения нефтепродуктов // Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety. — 2017. — Т. 26, № 8. — С. 31–44. DOI: 10.18322/PVB.2017.26.08.31-44.A. V. Ivanov, D. P. Toropov, G. K. Ivakhnyuk, A. V. Fedorov, A. A. Kuzmin. Research of the extinguishing properties of water and hydrogel with carbon nanoparticles for liquidation burning of the petroleum products. Pozharovzryvobezopasnost / Fire and Explosion Safety, 2017, vol. 26, no. 8, pp. 31–44 (in Russian). DOI: 10.18322/PVB.2017.26.08.31-44.Zhao Q., Jiang T., Li C., Yin H. Synthesis of multi-wall carbon nanotubes by Ni-substituted (loading) MCM-41 mesoporous molecular sieve catalyzed pyrolysis of ethanol // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. — 2011. — Vol. 17, No. 2. — P. 218–222. DOI: 10.1016/j.jiec.2011.02.009.Q. Zhao, T. Jiang, C. Li, H. Yin. Synthesis of multi-wall carbon nanotubes by Ni-substituted (loading) MCM-41 mesoporous molecular sieve catalyzed pyrolysis of ethanol. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 2011, vol. 17, no. 2, pp. 218–222. DOI: 10.1016/j.jiec.2011.02.009.Sun Y.-P., Fu K., Lin Y., Huang W. Functionalized carbon nanotubes: properties and applications // AccountsofChemicalResearch.—2002.—Vol. 35,No. 12.—P. 1096–1104.DOI:10.1021/ar010160v.Y.-P. Sun, K. Fu, Y. Lin, W. Huang. Functionalized carbon nanotubes: properties and applications. Accounts of Chemical Research, 2002, vol. 35, no. 12, pp. 1096–1104. DOI: 10.1021/ar010160v.Shames A. I., Katz E. A., Panich A. M., Mogilyansky D., Mogilko E., Grinblat J., Belousov V. P., Belousova I. M., Ponomarev A. N. Structural and magnetic resonance study of astralen nanoparticles // Diamond and Related Materials. — 2009. — Vol. 8, No. 2-3. — P. 505–510. DOI: 10.1016/j.diamond.2008.10.056.A. I. Shames, E. A. Katz, A. M. Panich, D. Mogilyansky, E. Mogilko, J. Grinblat, V. P. Belousov, I. M. Belousova, A. N. Ponomarev. Structural and magnetic resonance study of astralen nanoparticles. Diamond and Related Materials, 2009, vol. 8, no. 2-3, pp. 505–510. DOI: 10.1016/j.diamond.2008.10.056.Ponomarev A., Iudovich M. Multi-layered carbon nanoparticles of the fulleroid type. US Grant 9090752B2, July 28, 2015.A. Ponomarev, M. Iudovich. Multi-layered carbon nanoparticles of the fulleroid type. US Grant 9090752B2, July 28, 2015.Пат. 2479005 Российская Федерация. МПК G05B 24/02 (2006.01), H03B 28/00 (2006.01). Способ и устройство управления физико-химическими процессами в веществе и на границе раздела фаз / Ивахнюк Г. К., Матюхин В. Н., Клачков В. А., Шевченко А. О., Князев А. С., Ивахнюк К. Г., Иванов А. В., Родионов В. А. — № 2011118347/08; заявл. 21.01.2010; опубл. 10.04.2013, Бюл. № 10. URL: http://www.freepatent.ru/patents/2479005 (дата обращения: 10.11.2018).G. K. Ivakhnjuk, V. N. Matjukhin, V. A. Klachkov, A. O. Shevchenko, A. S. Knjazev, K. G. Ivakhnjuk, A. V. Ivanov, V. A. Rodionov. Method and apparatus for controlling physical-chemical processes in substance and on a phase boundary. Patent RU, no. 2479005, publ. date 10.04.2013, Bull. 10 (in Russian). Available at: http://www.freepatent.ru/patents/2479005 (Accessed November 10, 2018).Voigtlдnder B. Scanning probe microscopy. — Berlin, Heidelberg : Springer, 2015. — 382 p. DOI: 10.1007/978-3-662-45240-0.B. Voigtlander. Scanning probe microscopy. Berlin, Heidelberg, Springer, 2015. 382 p. DOI: 10.1007/978-3-662-45240-0.Khaleduzzaman S. S., Mahbubul I. M., Shahrul I. M., Saidur R. Effect of particle concentration, temperature and surfactant on surface tension of nanofluids // International Communications in Heat and MassTransfer.—2013.—Vol. 49.—P. 110–114.DOI: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2013.10.010.S. S. Khaleduzzaman, I. M. Mahbubul, I. M. Shahrul, R. Saidur. Effect of particle concentration, temperature and surfactant on surface tension of nanofluids. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2013, vol. 49, pp. 110–114. DOI: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2013.10.010.Ding Y., Alias H., Wen D., Williams R. A. Heat transfer of aqueous suspensions of carbon nanotubes (CNT nanofluids) // International Journal of Heat and Mass Transfer. — 2006. — Vol. 49, No. 1-2. — P. 240–250. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2005.07.009.Y. Ding, H. Alias, D. Wen, R. A. Williams. Heat transfer of aqueous suspensions of carbon nanotubes (CNT nanofluids). International Journal of Heat and Mass Transfer, 2006, vol. 49, no. 1-2, pp. 240–250. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2005.07.009.Suriyawong A., Wongwises S. Nucleate pool boiling heat transfer characteristics of TiO2-water nanofluids at very low concentrations // Experimental Thermal and Fluid Science. — 2010. — Vol. 34, No. 8. — P. 992–999. DOI: 10.1016/j.expthermflusci.2010.03.002.A. Suriyawong, S. Wongwises. Nucleate pool boiling heat transfer characteristics of TiO2-water nanofluids at very low concentrations. Experimental Thermal and Fluid Science, 2010, vol. 34, no. 8, pp. 992–999. DOI: 10.1016/j.expthermflusci.2010.03.002.Nolan D. P. Handbook of fire and explosion protection engineering principles for oil, gas, chemical and related facilities. — 2nd ed. — Elsevier Inc., 2011. — 340 p. DOI: 10.1016/B978-1-4377-7857-1.00039-2.D. P. Nolan. Handbook of fire and explosion protection engineering principles for oil, gas, chemical and related facilities.2nd ed. Elsevier Inc., 2011. 340 p. DOI: 10.1016/B978-1-4377-7857-1.00039-2.Bhattacharya P., Sahoo S., Das C. K. Microwave absorption behaviour of MWCNT based nanocomposites in X-band region // Express Polymer Letters. — 2013. — Vol. 7, No. 3. — P. 212–223. DOI: 10.3144/expresspolymlett.2013.20.P. Bhattacharya, S. Sahoo, C. K. Das. Microwave absorption behaviour of MWCNT based nanocomposites in X-band region. Express Polymer Letters, 2013, vol. 7, no. 3, pp. 212–223. DOI: 10.3144/expresspolymlett.2013.20.Moulin F., Devel M., Picaud S. Molecular dynamics simulations of polarizable nanotubes interacting with water // Physical Review B. — 2005. — Vol. 71, No. 16. — P. 165401. DOI: 10.1103/Phys-RevB.71.165401.F. Moulin, M. Devel, S. Picaud. Molecular dynamics simulations of polarizable nanotubes interacting with water. Physical Review B, 2005, vol. 71, no. 16, p. 165401. DOI: 10.1103/PhysRevB.71.165401.Пономарев А. Н., Юдович М. Е., Груздев М. В., Юдович В. М. Неметаллическая наночастица во внешнем электромагнитном поле. Топологические факторы взаимодействия мезоструктур // Вопросы материаловедения. — 2009. — № 4(60). — С. 59–64.A. N. Ponomarev, M. E. Yudovitch, M. V. Gruzdev, V. M. Yudovitch. А nonmetallic nanoparticles in a superficial electromagnetic field. Тopological factor of mesostructures interference. Voprosy materialovedeniya / Problems of Materials Science, 2009, no. 4(60), pp. 59–64 (in Russian).Дзялошинский И. Е., Лифшиц Е. М., Питаевский Л. П. Общая теория Ван-дер-Ваальсовых сил // Успехи физических наук. — 1961. — Т. 73, № 3. — С. 381–422.I. E. Dzyaloshinskii, E. M. Lifshitz, L. P. Pitaevskii. General theory of van der Waals' forces. Soviet Physics Uspekhi, 1961, no. 4, pp. 153–176. DOI: 10.1070/PU1961v004n02ABEH003330.Терехов В. И., Шишкин Н. Е. Испарение капель воды с углеродными нанотрубками // Письма в Журнал технической физики. — 2012. — Т. 38, № 1. — С. 51–57.V. I. Terekhov, N. E. Shishkin. Evaporation of water droplets containing carbon nanotubes. Technical Physics Letters, 2012, vol. 38, no. 1, pp. 25–28. DOI: 10.1134/S1063785012010142.Das S. K., Choi S. U. S., Yu W., Pradeep T. Nanofluids: science and technology. — Hoboken, New Jersey : John Wiley & Sons, 2007. — 397 p. DOI: 10.1002/9780470180693.S. K. Das, S. U. S. Choi, W. Yu, T. Pradeep. Nanofluids: science and technology. Hoboken, New Jersey, John Wiley & Sons, 2007. 397 p. DOI: 10.1002/9780470180693.Tanvir S., Qiao L. Surface tension of nanofluid-type fuels containing suspended nanomaterials // Nanoscale Research Letters. — 2012. — Vol. 7, No. 1. — P. 226. DOI: 10.1186/1556-276X-7-226.S. Tanvir, L. Qiao. Surface tension of nanofluid-type fuels containing suspended nanomaterials. Nanoscale Research Letters, 2012, vol. 7, no. 1, p. 226. DOI: 10.1186/1556-276X-7-226.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.