DREVO BioFire HydroGel - Биоразлагаемый гидрогель для локального тушения природных пожаров и защиты растительности

Биоразлагаемое средство локального подавления природных пожаров

Ниже приведена стартовая лабораторная формула для опытных испытаний. Она не предназначена для самостоятельного применения на природном пожаре до проверки токсичности, коррозионности, стабильности, эффективности и получения необходимых разрешений.

1. Рекомендуемая базовая формула

Состав готовой рабочей смеси

Целевой pH

7,5–9,0

Состав не должен быть сильно щелочным, поскольку это повышает риск повреждения растений, кожи, оборудования и почвенной биоты.

2. Почему выбран бикарбонат калия

Бикарбонат калия является более подходящим кандидатом, чем химический поглотитель кислорода.

При нагревании он:

поглощает часть тепла;

образует водяной пар;

выделяет углекислый газ;

создаёт калийсодержащие частицы;

вмешивается в радикальные реакции пламени.

Исследования NIST показывают, что калийсодержащие соединения обладают выраженным ингибирующим действием на пламя, а бикарбонат калия исторически оказался эффективнее натриевого аналога в порошковых огнетушащих системах.

Упрощённая реакция термического разложения:

2 KHCO₃ → K₂CO₃ + CO₂ + H₂O

Однако выделяющийся CO₂ следует считать дополнительным, а не главным механизмом тушения. На открытом склоне газ быстро рассеивается ветром.

3. Почему концентрация KHCO₃ ограничена

Увеличение содержания бикарбоната не всегда пропорционально повышает эффективность.

Избыточная концентрация может вызвать:

кристаллизацию;

осаждение;

закупоривание форсунок;

повышение электропроводности;

ожоги чувствительной растительности;

засоление почвы;

высокую стоимость;

коррозионные проблемы.

Для первичных испытаний разумно начинать с 3%, затем сравнить варианты 4% и 5%.

4. Биоразлагаемая матрица

Основной загуститель

Предпочтительна гидроксиэтилцеллюлоза или карбоксиметилцеллюлоза.

Она должна обеспечить:

удержание воды на вертикальной растительности;

медленное стекание;

стабильное распыление;

отсутствие длинных полимерных нитей;

возможность промывки оборудования водой.

Ксантановая камедь

Используется в небольшой дозировке для:

предотвращения осаждения каолина;

устойчивости смеси при хранении;

сохранения вязкости при механическом воздействии.

Слишком высокая концентрация сделает смесь непригодной для дроновых форсунок.

5. Минеральный защитный блок

Каолин

После испарения части воды оставляет светлый минеральный слой.

Функции:

уменьшение прямого нагрева;

ограничение контакта топлива с воздухом;

снижение воспламеняемости поверхности;

визуальный контроль нанесения.

Вермикулит

Вермикулит способен удерживать воду между слоями и формировать теплоизолирующий остаток.

Его количество следует ограничивать, поскольку он:

повышает вязкость;

абразивно воздействует на насос;

может оседать;

требует форсунок увеличенного проходного сечения.

6. Смачиватель

Сухая хвоя, листья и кора часто плохо смачиваются обычной водой.

Смачиватель должен:

снижать поверхностное натяжение;

помогать воде проникать в подстилку;

улучшать покрытие восковых листьев;

работать при очень низкой концентрации.

Требования:

отсутствие PFAS;

отсутствие фтора;

низкая острая водная токсичность;

быстрое биоразложение;

отсутствие стойких метаболитов;

отсутствие сильного пенообразования в баке.

Важно: обозначение «фторсвободный» ещё не означает экологически безопасный. EPA отмечает, что некоторые фторсвободные пены содержат высокие концентрации углеводородных ПАВ, которые также могут быть токсичны для водных организмов и млекопитающих.

7. Три рекомендуемые опытные версии

Формула A — DREVO BioFire Mist

Для быстрого тушения травяных и малых поверхностных очагов.

Характеристики:

низкая вязкость;

пригодность для средней капли;

быстрое смачивание;

минимальный минеральный остаток;

сравнительно низкая солевая нагрузка.

Формула B — DREVO BioFire Gel

Основная рекомендуемая версия.

Назначение:

нанесение на сухую траву;

защита кустарников;

обработка валежника;

создание временной влажной полосы;

подавление повторного возгорания.

Формула C — DREVO BioFire Eco-Light

Для чувствительных природных зон, где приоритетом является минимальная солевая нагрузка.

Эта версия будет менее эффективна химически, но потенциально мягче для почвы и растительности.

8. Вариант без синтетического ПАВ

Для особо чувствительных зон можно испытать смесь без поверхностно-активного вещества:

вода;

бикарбонат калия;

гидроксиэтилцеллюлоза;

ксантан;

каолин;

вермикулит.

Недостатки:

хуже смачиваются хвоя и восковые листья;

медленнее проникновение;

возможное скатывание капель;

потребуется более крупная норма нанесения.

Такой вариант следует обязательно включить в сравнительные испытания.

9. Что лучше не включать в базовую формулу

Фосфат аммония

Эффективен как длительный антипирен, но в природной среде создаёт нагрузку азотом и фосфором.

Не рекомендуется для базовой экологической формулы возле:

ручьёв;

родников;

болот;

питьевых водосборов;

редких растительных сообществ.

Лесная служба США разделяет долговременные ретарданты, пены и водные усилители и оценивает их по отдельным требованиям к эффективности и экологическому риску.

Хлориды

Не рекомендуются из-за:

коррозии;

засоления;

воздействия на растительность;

высокой электропроводности.

Бура и борная кислота

Могут подавлять горение, но обладают фитотоксичностью при повышенном внесении и способны накапливаться в почве.

Силикат натрия

Создаёт хороший минеральный слой, но:

сильно щелочной;

может повреждать растительность;

быстро затвердевать;

блокировать оборудование;

вносить натрий.

PFAS-содержащие компоненты

Должны быть полностью исключены из концепции из-за стойкости и экологических рисков.

10. Технология приготовления опытной партии

Порядок смешивания

Заполнить бак водой приблизительно на 70–75%.

Запустить умеренное перемешивание.

Медленно диспергировать целлюлозный загуститель.

Оставить смесь для полной гидратации.

Добавить предварительно диспергированный ксантан.

Растворить бикарбонат калия в отдельной части воды.

Ввести раствор бикарбоната в основной бак.

Постепенно добавить каолин.

Добавить вермикулит при непрерывном перемешивании.

Ввести цитрат калия.

Последним добавить смачиватель.

Довести смесь водой до требуемой массы.

Проверить pH, вязкость, электропроводность и осаждение.

Пропустить через фильтр, соответствующий форсункам.

Не следует добавлять сухой загуститель сразу в концентрированный солевой раствор: возможно образование комков и неполная гидратация.

11. Требуемые физические параметры

Для дронового нанесения необходимо установить не просто состав, а рабочие характеристики.

Низковязкая версия

свободно перекачивается;

наносится средней каплей;

не образует нитей;

быстро промывает форсунки.

Гелевая версия

Должна быть псевдопластичной:

вязкая в спокойном состоянии;

разжижается в насосе и форсунке;

восстанавливает вязкость после попадания на поверхность.

Ключевые испытания:

динамическая вязкость;

предел текучести;

восстановление структуры;

размер частиц;

скорость осаждения;

пенообразование;

замораживание и оттаивание.

12. Форсунки и фильтрация

Для смеси с каолином и вермикулитом нужны:

мембранный или химически стойкий насос;

постоянное медленное перемешивание;

увеличенный диаметр канала форсунки;

фильтр, не удаляющий полезный минеральный компонент;

система обратной промывки;

отдельный контур промывочной воды.

Слишком мелкий аэрозоль не рекомендуется:

его унесёт ветер;

часть воды испарится в воздухе;

минеральные частицы могут попасть в дыхательную зону;

покрытие окажется неравномерным.

Для склонов предпочтительнее направленная средняя или крупная капля.

13. Возможная норма нанесения

Точную норму можно определить только огневыми испытаниями.

Для первых сравнительных тестов можно исследовать:

лёгкое покрытие;

среднее покрытие;

полное смачивание поверхности;

повторное нанесение после частичного высыхания.

Следует измерять не только литры на гектар, а:

массу средства на квадратный метр;

массу KHCO₃ на квадратный метр;

толщину влажного слоя;

продолжительность удержания воды;

процент покрытой поверхности.

14. Обязательные лабораторные серии

Серия 1. Концентрация KHCO₃

0%;

1,5%;

3%;

4%;

5%.

Это покажет, насколько химическая добавка улучшает результат по сравнению с одним гелем.

Серия 2. Загуститель

0,2%;

0,35%;

0,5%;

0,7%.

Серия 3. Минеральный остаток

без минералов;

каолин;

каолин + вермикулит.

Серия 4. Смачиватель

без ПАВ;

минимальная концентрация;

удвоенная концентрация.

15. Показатели огневого испытания

Для каждого состава измеряются:

время прекращения открытого пламени;

максимальная температура;

скорость охлаждения;

расход смеси;

глубина проникновения;

продолжительность удержания воды;

повторное воспламенение через 5, 15, 30 и 60 минут;

образование дыма;

остаточное тление;

состояние поверхности после высыхания.

Отдельно испытываются:

сухая трава;

хвоя;

листья;

кустарниковые ветви;

древесина;

лесная подстилка;

тлеющий пень.

16. Экологические испытания

До применения в природе необходимо проверить:

острую водную токсичность;

воздействие на водоросли;

воздействие на беспозвоночных;

прорастание местных семян;

рост корней;

почвенное дыхание;

микробиологическую активность;

электропроводность почвы;

изменение pH;

вымывание калия;

потребление кислорода при разложении загустителя.

Даже квалифицированные пожарные химикаты могут представлять риск для водных организмов при прямом попадании концентрата или больших объёмов рабочей смеси в малый водоток.

17. Итоговая рекомендуемая стартовая формула

Для первого лабораторного прототипа предлагается:

DREVO BioFire Gel P1

вода — 91,5%;

бикарбонат калия — 4,0%;

гидроксиэтилцеллюлоза — 0,4%;

ксантановая камедь — 0,1%;

каолин — 2,5%;

микронизированный вермикулит — 0,8%;

цитрат калия — 0,65%;

фторсвободный смачиватель — 0,05%.

Общая сумма: 100%.

Это не готовый сертифицированный продукт, а разумная отправная точка для исследований.

Итоговый принцип

Наиболее перспективный состав — не вещество, которое пытается поглотить кислород открытой атмосферы, а водный биоразлагаемый гель с ограниченным количеством калиевого бикарбоната и минерального наполнителя.

Он должен действовать через:

быстрое охлаждение;

глубокое смачивание;

удержание воды;

локальное выделение пара и CO₂;

ингибирование химии пламени;

образование временного минерального покрытия;

предотвращение повторного возгорания.

Перед полевым применением состав обязан пройти независимые огневые, токсикологические, экологические и технические испытания.

DREVO BioFire HydroGel

Биоразлагаемый гидрогель для локального тушения природных пожаров и защиты растительности.

Основные принципы

В отличие от обычной воды гидрогель:

удерживает в 20–100 раз больше воды по собственной массе (в зависимости от выбранной полимерной системы);

медленнее испаряется;

удерживается на листьях, хвое и древесине;

постепенно отдаёт влагу;

снижает температуру поверхности;

уменьшает вероятность повторного воспламенения;

после разложения не должен оставлять стойких пластиковых частиц.

Предлагаемая концепция состава

1. Вода (90–97%)

Главный огнетушащий компонент.

Функции:

охлаждение;

испарение;

пропитка растительности;

питание гидрогеля.

2. Биоразлагаемый гидрогель (1–3%)

Основа системы.

Перспективные материалы:

карбоксиметилцеллюлоза (CMC);

гидроксиэтилцеллюлоза (HEC);

альгинат натрия;

пектин;

ксантановая камедь;

гуаровая камедь;

другие природные полисахариды.

Лучшим вариантом может стать гибридная система из нескольких биополимеров, обеспечивающая хорошее удержание воды при приемлемой вязкости.

3. Минеральный теплоизоляционный компонент (0,5–2%)

Например:

каолин;

микронизированный вермикулит;

бентонит.

Назначение:

уменьшение нагрева;

защита поверхности;

удержание воды.

4. Калиевый блок (0,5–2%)

Вместо больших количеств солей лучше использовать умеренное количество калиевых соединений, например бикарбонат калия.

Он обеспечивает дополнительное подавление пламени при сохранении основной роли воды и гидрогеля.

5. Биологический смачиватель (0,02–0,1%)

Для улучшения проникновения в сухую подстилку.

Требования:

отсутствие PFAS;

быстрое биоразложение;

минимальная токсичность для водных организмов.

Как работает

Этап 1

Гель покрывает растительность.

Этап 2

Вода быстро охлаждает поверхность.

Этап 3

Гидрогель удерживает оставшуюся влагу.

Этап 4

При нагревании вода постепенно испаряется, поглощая большое количество тепла.

Этап 5

Минеральные компоненты уменьшают повторный нагрев.

Этап 6

После дождей и под действием микроорганизмов гидрогель постепенно разлагается.

Дополнительные преимущества

Такой состав можно использовать не только во время пожара.

Он подходит для:

защиты молодых лесных культур;

обработки противопожарных полос;

защиты отдельных деревьев;

уменьшения пересыхания почвы;

поддержки мхов и лишайников;

транспортировки полезных микроорганизмов.

Версия для проекта DREVO

DREVO BioFire HydroGel Forest

Для лесов.

более густой;

лучше удерживается на хвое и стволах.

DREVO BioFire HydroGel Grass

Для травянистых склонов.

менее вязкий;

быстро покрывает большую площадь.

DREVO BioFire HydroGel Drone

Для распыления беспилотниками.

Особенности:

низкая вязкость для насосов;

отсутствие осаждения;

стабильность при вибрации;

регулируемый размер капли.

DREVO BioFire HydroGel Root

Для защиты молодых посадок.

Работает одновременно как:

противопожарная защита;

влагонакопитель;

средство уменьшения поливов.

Перспективное развитие

Наиболее интересным направлением может стать «живой гидрогель» (Living HydroGel) — биоразлагаемая матрица, которая после тушения пожара не просто исчезает, а становится носителем для восстановления экосистемы. В неё потенциально можно включать:

споры микоризных грибов;

азотфиксирующие и почвообразующие бактерии;

семена местных трав и мхов;

биостимуляторы роста природного происхождения;

древесный биоуголь (biochar) в мелкодисперсной форме.

В таком случае после ликвидации пожара гидрогель постепенно превращается в часть почвы и способствует её восстановлению, объединяя противопожарную защиту и экологическую рекультивацию. Это хорошо вписывается в философию проекта DREVO Living Mountains, где каждая инженерная система должна одновременно снижать риски и ускорять восстановление природной среды.

DREVO Cloud & Mist System