Aerozol gaśniczy – środek gaśniczy będący zawiesiną drobnych cząstek stałych i ciekłych w środowisku gazowym, wytwarzane najczęściej w wyniku procesu spalania stałego materiału aerozolotwórczego umieszczonego w generatorze. Aerozole gaśnicze należą do tej samej grupy środków co halony, zastępujące je gazy fluorowęglowodorowe oraz proszki gaśnicze – łączy je mechanizm hamowania reakcji rodnikowych zachodzących w płomieniu.
Historia Wstrzymanie produkcji i stosowania halonów było konsekwencją Protokołu montrealskiego w sprawie substancji zubożających warstwę ozonową oraz późniejszego rozporządzenia Wspólnoty Europejskiej nr 2037/2000. Stało się to bezpośrednim impulsem do poszukiwania nowych, równie skutecznych sposobów gaszenia pożarów – zwłaszcza tam, gdzie halony były dotąd jedynym skutecznym środkiem gaśniczym. Produkcja halonów została oficjalnie zakończona w 1994 roku, jednak poszukiwania alternatyw trwały nadal na całym świecie.
Halon 1211 był powszechnie stosowany w gaśnicach przenośnych, natomiast halon 1301 wykorzystywano w stałych urządzeniach gaśniczych, jako w pełni halogenowane związki chemiczne mają one długi czas życia w atmosferze i w stratosferze ulegają rozkładowi z uwolnieniem reaktywnego bromu, silnie niszczącego warstwę ozonową (potencjał niszczenia ozonu (ODP) halonu 1301 wynosi 10, a jeden kilogram halonu 1211 może zniszczyć nawet 50 ton ozonu).
Bezpośrednią przyczyną zainteresowania zdolnościami gaśniczymi aerozoli stały się obserwacje poczynione podczas badań procesu spalania stałych paliw rakietowych, prowadzonych w ramach radzieckiego programu kosmicznego Sojuz, potwierdza to fakt, że pierwsze propozycje praktycznego wykorzystania aerozoli gaśniczych – powstających w reakcji spalania stałych mieszanin aerozolotwórczych – do ochrony pomieszczeń opracowano właśnie w Rosji, gdzie narodziła się też koncepcja budowy i stosowania generatorów aerozolu gaśniczego. System wytwarzania aerozolu w oparciu o spalanie paliwa stałego, zwany aerozolem generowanym pirotechnicznie (PGA) lub CGA, opisał w 1993 roku raport Technicznego Komitetu Halonowego (HTOC). Nad rozwojem technologii pracowały m.in. Wszechzwiązkowy Naukowy Instytut Badawczy Ochrony Przeciwpożarowej w Moskwie oraz Ukraiński Instytut Naukowo-Badawczy Ochrony Przeciwpożarowej w Kijowie, a do komercjalizacji przyczyniły się firmy Kidde Aerospace (USA), Kidde Graviner (Wielka Brytania) i Spectronix (Izrael).
Na poziomie międzynarodowym pierwsze wytyczne dotyczące zatwierdzania stałych systemów aerozolowych jako równoważnych stałym gazowym urządzeniom gaśniczym na statkach – okólnik IMO MSC/Circ.1007 – Komitet Bezpieczeństwa Morskiego zatwierdził 26 czerwca 2001 roku. Dokument ten zrewidowano na 52. sesji Podkomitetu ds. Ochrony Przeciwpożarowej (14–18 stycznia 2008 r.), a zrewidowaną wersję zatwierdzono na 84. sesji Komitetu Bezpieczeństwa Morskiego (7–16 maja 2008 r.) jako okólnik MSC.1/Circ.1270 z 4 czerwca 2008 roku, który zastąpił poprzedni dokument.
W Polsce pierwsze generatory aerozoli pojawiły się w latach 90. XX wieku i już wtedy odnotowywano przykłady ich skutecznego działania, szczególnie w kraju ich pochodzenia – w Rosji, przywoływanym przykładem jest pożar wieży telewizyjnej Ostankino w Moskwie, ugaszony głównie przy użyciu generatorów aerozolu wrzucanych bezpośrednio do ognia. Mimo to jeszcze w pierwszej i drugiej dekadzie XXI wieku generatory pozostawały urządzeniami stosunkowo mało znanymi, czemu towarzyszyło wiele nieprawdziwych przekonań na ich temat. Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej (CNBOP) prowadziło badania różnych rodzajów generatorów aerozoli wytwarzanych pirotechnicznie przez kilkanaście lat, początkowo w oparciu o własne metodyki badawcze, a następnie – wraz z pojawieniem się projektów norm europejskich (prEN 15276-1 i prEN 15276-2) oraz amerykańskich (NFPA 2010) – także na zgodność z tymi dokumentami.
Aerozole gaśnicze jako układy dyspersyjne Aerozole gaśnicze można sklasyfikować jako układy dyspersyjne, czyli takie, w których małe cząstki jednej substancji są rozproszone w innej; w każdym takim układzie wyróżnia się fazę rozproszoną oraz otaczającą ją fazę rozpraszającą. W obrębie układów dwufazowych wyróżnia się rozproszenie cząsteczkowe (roztwory właściwe), rozproszenie koloidalne oraz rozproszenie makroskopowe (zawiesiny), kryterium podziału stanowi wielkość cząstek fazy rozproszonej, przy czym literatura podaje w tym zakresie rozbieżne wartości graniczne. Przyjmuje się orientacyjnie, że układy o rozproszeniu cząsteczkowym obejmują cząstki o wielkości do 10-10 m, układy koloidalne – cząstki w przedziale 10-6–10-9 m, a układy o rozproszeniu makroskopowym – cząstki od 10-6 m wzwyż.
Aerozol gaśniczy definiuje się jako układ dyspersyjny, w którym fazą rozpraszającą jest powietrze atmosferyczne lub inny gaz wypełniający strefę występowania aerozolu, wraz z gazowymi produktami spalania materiału aerozolotwórczego, a fazę rozproszoną stanowią ciekłe i stałe produkty spalania tego materiału; cechą wyróżniającą aerozole gaśnicze są ich właściwości inhibicyjne, powodujące przerwanie procesu spalania w fazie płomieniowej. Aerozole są układami polidyspersyjnymi, w których cząstki fazy rozproszonej mają zróżnicowaną wielkość i kształt; do opisu tego rozkładu stosuje się pojęcie średniej masowej średnicy aerodynamicznej MMAD, przy czym przyjmuje się, że 50% cząstek aerozolu jest od niej mniejszych, a 50% większych. Z danych literaturowych wynika, że wielkość cząstek fazy rozproszonej aerozoli gaśniczych mieści się zwykle w przedziale od 0,1 do 5 µm, a norma NFPA 2010 definiuje aerozol gaśniczy jako środek, którego cząstki fazy rozpraszanej nie przekraczają 10 µm; badania wybranych konstrukcji generatorów wykazały średnice modalne cząstek aerozolu na poziomie 5,54 µm według masy, 0,85 µm według liczności i 2,52 µm według pola powierzchni cząstek.
Mechanizm działania gaśniczego
Podstawy zjawiska spalania Do zaistnienia ognia niezbędna jest jednoczesna obecność czterech czynników opisywanych przez tzw. czworościan spalania: paliwa, utleniacza (najczęściej tlenu z powietrza), ciepła oraz reakcji łańcuchowej. Ciepło jest niezbędne do zainicjowania i podtrzymania pirolizy lub parowania paliwa, jednak do zaistnienia sprzężenia zwrotnego podtrzymującego spalanie konieczne są zachodzące równolegle reakcje łańcuchowe.
Łańcuchowe reakcje utleniania wodoru mogą z łatwością zachodzić w środowisku wody, ponieważ woda jest w stanie wytwarzać bardzo aktywne rodniki utleniające (OH˙, H˙, O˙), podtrzymujące reakcję spalania dzięki procesom ich rekombinacji – aż do wyczerpania się paliwa. Usunięcie lub trwałe związanie choćby jednego rodzaju takich rodników powinno przerwać łańcuchową reakcję spalania; w tej roli szczególnie dobrze sprawdzają się sole metali alkalicznych, pełniące funkcję inhibitorów reakcji spalania. Aktywność inhibicyjna soli tego samego metalu alkalicznego rośnie wraz z anionem w kolejności: szczawian > cyjanek > węglan > jodek > bromek > chlorek > siarczan > fosforan, a spośród soli różnych metali alkalicznych z tym samym anionem – w kolejności lit < sód < potas < rubid. Najbardziej skutecznymi inhibitorami reakcji spalania pozostają jednak związki organiczne zawierające fluorowce (fluor, chlor, jod, brom) – freony i chlorowcopochodne – wykorzystywane tradycyjnie do uniepalniania materiałów palnych, ich stosowanie do gaszenia pożarów jest jednak obecnie wyeliminowane ze względu na zubażanie warstwy ozonowej i wzmacnianie efektu cieplarnianego.
Mechanizm działania aerozolu Mechanizm działania aerozolu gaśniczego nie jest do końca poznany i pozostaje przedmiotem dyskusji naukowej. Mechanizm ten polega na przerwaniu reakcji fizykochemicznych zachodzących podczas spalania poprzez związanie wolnych rodników palenia, które prawdopodobnie powstają z przekształcenia cząsteczek wody obecnej w środowisku pożaru, przy udziale aktywnych powierzchni nanoziaren aerozolu; w zależności od sposobu wyzwalania generatorów aerozol może działać miejscowo lub objętościowo. W odróżnieniu od gazów obojętnych metoda ta nie obniża poziomu tlenu w przestrzeni objętej pożarem, a w przeciwieństwie do proszków gaśniczych pozostawia jedynie śladową ilość zanieczyszczeń; ponadto, ponieważ w nowoczesnych aerozolach gaśniczych nie stosuje się halogenowych retardantów palenia, nie wpływają one negatywnie na środowisko poprzez zubażanie warstwy ozonowej ani wzmacnianie efektu cieplarnianego.
Analiza od strony teorii spalania wskazuje, że skuteczność gaszenia płomienia poprzez usunięcie lub ograniczenie jednego z czynników czworościanu spalania może zachodzić drogą fizyczną – przez efekty energetyczne (chłodzenie paliwa lub strefy spalania) bądź przestrzenne (rozcieńczanie reagentów, izolowanie paliwa od utleniacza) – albo drogą chemiczną, poprzez inhibitowanie reakcji płomieniowych i wychwyt wolnych rodników. Aerozole nie wpływają na ilość ani rodzaj spalanego paliwa, natomiast oddziałują na pozostałe elementy tego układu. Wyróżnia się cztery podstawowe etapy działania aerozolu: ogrzewanie się cząstek aerozolu, ich rozkład i/lub parowanie, generację inhibitora rodników w fazie gazowej oraz inhibicję procesu spalania w fazie płomieniowej, przy czym krytyczne znaczenie dla skuteczności gaszenia ma czas, w którym dochodzi do rozkładu i parowania drobin fazy rozproszonej.
Pierwsza faza działania aerozolu wiąże się z absorpcją ciepła i chłodzeniem płomienia przez cząstki stałe, wynikającą z endotermicznych reakcji rozkładu (np. rozkładu wodorowęglanu potasu do węglanu potasu, dwutlenku węgla i pary wodnej) oraz endotermicznych przemian fazowych węglanu potasu; w wyniku tych przemian temperatura płomienia obniża się do poziomu uniemożliwiającego dalsze podtrzymanie spalania. Równolegle zachodzi obniżenie stężenia tlenu w otoczeniu wskutek uwalniania dwutlenku węgla i pary wodnej powstających przy odparowaniu cząstek aerozolu, a w ostatniej fazie następuje usuwanie wolnych rodników z reakcji łańcuchowej spalania – poprzez inhibicję heterofazową (rekombinację rodników na powierzchni drobin aerozolu) oraz inhibicję homofazową, związaną z obecnością metali alkalicznych. Ponieważ oba te procesy mają charakter powierzchniowy, silne rozwinięcie powierzchni drobin aerozolu – znacznie większe niż w przypadku ziaren proszków gaśniczych – przekłada się na wyższą skuteczność gaśniczą aerozoli przy porównywalnym stężeniu środka.
Badania eksperymentalne (w tym z użyciem metody elektronowego rezonansu paramagnetycznego) oraz obliczenia teoretyczne wykazały m.in.::
utlenianie produktów niepełnego spalania oraz rozcieńczanie tlenu przez gazową fazę aerozolu mogą obniżać stężenie tlenu nawet o 20% względem wartości początkowej; aerozole zawierające tlenki, wodorotlenki i chlorki wykazują większy wpływ na skuteczność gaśniczą niż aerozole z siarczanów i węglanów tych samych metali; wodorotlenki, tlenki i węglany metali alkalicznych efektywniej rekombinują rodniki wodorowe i wodorotlenowe, podczas gdy chlorki skuteczniej obniżają stężenie rodników tlenowych; cząstki aerozolu o średnicy poniżej 2 µm redukują stężenie rodników wodorowych głównie drogą inhibicji homofazowej, a cząstki powyżej 5 µm – głównie drogą inhibicji heterofazowej; absorpcja ciepła ma niewielkie znaczenie przy niskich stężeniach aerozolu (do 50% stężenia gaśniczego), lecz przy stężeniach powyżej 50 g/m3 odpowiada nawet za 50–80% efektu likwidacji płomienia.