Experimental study on foam drainage of AFFF: Additive regulation, thermal transition, and fire-extinguishing verification

기술 요약: AFFF의 거품 배수(Foam Drainage)에 관한 실험적 연구

문제 제기
수성막 거품(AFFF)은 거품 층의 형성과 거품 배수를 통해 공급되는 연속적인 수막이라는 이중 메커니즘을 통해 가연성 액체 화재를 진압한다. 거품 층이 초기 피복을 제공하는 반면, 수막은 사전에 존재하는 것이 아니라 거품 구조로부터 액체가 역동적으로 배수됨으로써 형성된다. 실제 소방 시나리오에서 거품 배수 속도는 고온에서의 수막 증발 속도와 동적으로 균형을 이루어야 한다. 만약 배수가 너무 느리면 거품의 유동성이 부족하여 수막이 충분히 보충되지 못하고, 반대로 너무 빠르면 거품 층이 조기에 붕괴되어 재발화로 이어질 수 있다. 기존 연구는 주로 상온 조건에서의 단일 변수에 집중해 왔으며, 배수 역학, 처방 조성, 온도 효과 및 실제 화재 진압 효율 사이의 직접적인 정량적 상관관계를 제시하지 못했다. 본 연구는 첨가제가 AFFF 성능을 최적화하기 위해 배수를 어떻게 조절하는지에 대한 이해의 공백을 메우고자 한다.

연구 방법론
본 연구는 처방 설계, 물리적 특성 분석, 화재 진압 검증을 포함하는 체계적인 실험적 접근 방식을 채택하였다:

• 재료 및 처방: 본 연구는 상용 플루오로에테르 베타인 계면활성제(STAR-2157/2470)를 베이스로 사용하였다. 다양한 탄화수소 계면활성제(K12, CAB-35, APG0810, CTAB)와 거품 안정제로서의 잔탄검을 혼합하여 16개의 초기 처방(Series B)과 4개의 온도 연구용 처방(Series C)을 제작하였다. 최종적으로 25개의 처방 세트를 설계하여 배수-성능 상관관계를 검증하였다.
• 물리적 특성 분석: 버블 압력 텐시오미터와 회전 낙하 텐시오미터를 사용하여 표면 및 계면 장력을 측정하고 전파 계수($S$)를 계산하였다.
• 배수 역학: 동적 거품 분석기(DFA100)를 사용하여 누적 배수 액체 부피, 25% 배수 시간 및 높이별 액체 함량을 측정하였다. 거품 미세구조(기포 크기 및 형상 변화)는 이미징 기술을 통해 포착되었다.
• 온도 조절: 가열된 깔때기와 열전대 어레이가 포함된 맞춤형 장치를 사용하여 뜨거운 오일 표면의 열적 효과를 모사하였다. 온도와 처방 성분 간의 결합 효과를 분석하기 위해 26°C, 40°C, 50°C, 60°C에서 테스트를 수행하였다.
• 화재 진압 검증: 0.25 m² 팬과 120# 산업용 용제유를 사용하여 표준화된 화재 진압 테스트를 실시하였다. 주요 지표로는 진압 시간($t_1$)과 100% 연소 지속 시간($t_2$)을 포함하였으며, 중국 국가 표준 GB 15308−2006($t_1 \le 1.2$ 분, $t_2 \ge 10$ 분)과 비교하였다.

주요 기여 및 결과

1. 첨가제 시너지 및 비선형성:

   • 탄화수소 계면활성제 중 나트륨 도데실 설페이트(K12)가 거품 액체 분리를 지연시키는 데 가장 효과적이었으며, CAB-35와 APG0810이 그 뒤를 이었다.
   • K12와 잔탄검 사이에서 비선형적 시너지 효과가 관찰되었다. 두 성분 모두 배수를 지연시키지만, K12를 과도하게 첨가할 경우(특히 잔탄검 농도가 낮을 때) 배수를 지연시키기보다 오히려 가속화할 수 있다.
   • 거품 미세구조 분석 결과, 초기 기포 크기와 배수 시간 사이에는 음의 상관관계가 있음이 밝혀졌다. 즉, 더 작은 초기 기포와 더 높은 초기 액체 함량($S_1$)이 더 나은 배수 지연 효과를 나타냈다.

2. 온도의 이중 조절 메커니즘:

   • 본 연구는 시스템의 점도에 따라 온도가 배수에 영향을 미치는 이중 메커니즘을 규명하였다:
     • 고점도 시스템 (잔탄검 포함): 온도가 상승하면 용액의 점도가 감소하여 폴리머의 안정화 효과가 약화되므로, 온도가 높아질수록 배수가 일관되게 가속화된다.
     • 저점도/안정제 미포함 시스템: 온도는 비단조적(non-monotonic) 효과를 보인다. 온도가 완만하게 상승하면(40~50°C까지) 마랑고니 효과(Marangoni effect)와 계면활성제의 이동성이 향상되어 더 견고한 계면 막을 형성함으로써 배수를 오히려 지연시킨다. 그러나 추가적인 가열(60°C까지)은 표면 장력을 감소시키고 계면 막의 파열을 가속화하여 배수를 촉진한다. 결과적으로 이러한 시스템에서는 온도가 상승함에 따라 25% 배수 시간이 증가했다가 다시 감소하는 현상이 나타난다.

3. 화재 진압 성능과의 정량적 상관관계:

   • 화재 진압 실험 결과, 배수가 극도로 느리거나 극도로 빠른 것 모두 최적은 아니라는 점이 입증되었다.
   • 배수가 매우 느린 처방(높은 잔탄검 함량)은 연소 지속 시간은 길게 유지했으나, 거품의 유동성과 수막 보충 능력이 부족하여 화재를 빠르게 진압하지 못했다.
   • 배수가 매우 빠른 처방(낮은 잔탄검 함량)은 화재 진압 속도가 느리거나 피복을 유지하지 못해 연소 지속 시간이 짧아졌다.
   • 최적 범위: STAR-2157/2470을 포함하는 AFFF 처방의 경우, 진압 시간과 연소 지속 시간 기준을 모두 충족하기 위한 최적의 25% 배수 시간은 5.9 ± 0.2분으로 확인되었다. 두 가지 특정 처방(ZY-14 및 ZY-17)은 이 배수 구간 내에서 국가 표준($t_1 \le 1.2$ 분, $t_2 \ge 10$ 분)을 성공적으로 충족하는 것으로 스크리닝되었다.

의의
본 논문은 배수 역학과 화재 진압 성능 사이의 정량적 관계를 확립함으로써 고효율 및 친환경 AFFF 제제 설계를 위한 기초적인 근거를 제공한다고 주장한다. 배수 속도를 단순히 최소화하는 것이 아니라 특정 "스위트 스팟(sweet spot)" 내에서 제어해야 한다는 것을 입증함으로써, 본 연구는 단일 변수 최적화를 넘어선 처방 설계 전략을 제시한다. 온도의 이중 메커니즘과 K12 및 잔탄검 사이의 비선형적 시너지에 대한 규명은 다양한 주변 온도 및 화재 표면 온도에서도 효과를 유지하는 AFFF 제제 개발에 중요한 통찰을 제공한다. 배수 제어 방법론을 사용하여 국가 표준을 충족하는 처방을 성공적으로 선별한 것은 본 연구가 제안한 접근 방식의 실용적 유용성을 확인시켜 준다.