新規消火剤としてのサブミクロンフェロセン水分散液の提案およびその消火性能に及ぼす粒径影響〇小柴 佑介 a)a)

横浜国立大学理工学部化学・生命系学科

1. はじめに引火性液体等を取扱う危険物施設数は 1990 年代以降純減しているにも拘らず，火災件数は増加している．また，大学等でも可燃性の有機溶媒が多く用いられており，B 火災が発災すると大きな損害が生じる．従って，B 火災を効果的に消火できる消火剤が求められている．筆者らは，フェロセン (Fe(C5H5)2),Fec) が高温場で容易に活性鉄種を形成し，ラジカル再結合反応によって高い燃焼抑制効果を発現することを見いだしたため，Fec のミクロンオーダーの粒子を水中に分散させた Fec/水分散液(µFecD) を調製し，これが高い消火性能を有することを報告した [1]．消火剤において，粒径と消火性能の間には負の相関性があるため [2]，µFecD の Fec 粒径をさらに小さくすれば更なる高性能化が期待できる．
本報では，サブミクロンオーダーの Fec/水分散液 (sub-µFecD) を直接的に調製可能な貧溶媒晶析法を用いて調製するとともに，これの消火性能に及ぼす Fec 粒径の影響を評価することを目的とした．なお，データの一部は既に報告済みであるが [3]，追加データを足して報告する．
2. 方法
良溶媒にはその消火性能に及ぼす影響が明らかにされているエタノール (EtOH) [4] を，貧溶媒には消火剤の主成分であるイオン交換水を用いた．まず，初期 Fec 濃度が 500–2,000 ppm になるようにEtOH (10 vol%) に Fec を溶解させ，最終 Fec 濃度が 50–200 ppm になるように水を一気に投入してFec を晶析させた．温度は 5 または 25 °C とした (表 1)．調製した sub-µFecD 中の Fec の粒度分布を粒度分布測定装置 (SALD-2300，島津製作所) を用いて測定し，ザウター平均粒径 (D32) を算出した．
ζ 電位に関しては，レーザードップラー法および Smoluchowski 式を用いて評価した [5] (ELS-Z 2，大塚電子)．
本研究では，調製した sub-µFecD をプール火災に噴霧して消火性能を評価した．消火性能は，液特性のみならず噴霧特性にも影響されるため，消火実験を行う前に sub-µFecD の噴霧粒径を測定した．消火実験は，既報 [1] と同じ実験条件および装置で測定を行った (図 1)．燃料 (n-ヘプタン) に着火後，定常状態 (発熱速度：1.8 kW) になってから sub-µFecD を噴霧し (250 mL/min)，消火時間 (τ) および  50
µm の K 型熱電対を用いて気相温度を測定した．再現性を確認するために各試料に対して 10 回測定を実施するとともに，既存の強化液消火剤を用いた消火実験も行った．
3. 結果
バルブ

sub-µFecD の Fec 粒径を表 1 に示す．sub-µFecD-1 から 4 の D32 値はそれぞれ 410，705，419，1,083 nm であった．貧溶媒晶析法において粒径は様々な影

ポンプ

ノズル響を受けるが，この系においては温度の影響を強く受けて温度が低いほど D32 値が小さくなった [6]．なお，この系において Rosin–Rammler 式が適用できること
sub-µFecDが分かった (R2 ≥ .95，図 2)．また，D32 値が小さいほど ζ 電位の絶対値が大きヘプタン火災

く，妥当な結果であると言える (表 1)．
sub-µFecD-1～4 の噴霧粒径 (D32) を評価したところ，それぞれ 124，100，100，92 µm となった．従って，各 sub-µFecD の噴霧粒径には有意差が無く，消火特性

オイルパン
n-ヘプタン

図 1 消火実験装置

に及ぼす噴霧粒径を無視できる．
sub-µFecD を用いた消火実験に先立ち，純水のミストの消火性能を評価した．その結果，消火には至らなかったため，吹消えによる効果を排除できることを確認した．表 1 に sub-µFecD のみならず，比較対象である µFecD および市販されている強化液消火剤の消火時間も示す．強化液消火剤およびµFecD の消火時間はそれぞれ τ = 12.9 s および 5.5 s だったのに対し，sub-µFecD では τ = 約 2 s であった．従って，sub-µFecD は既存の強化液消火剤よりも高性能であった．一方で，一元配置分散分析を行ったところ，sub-µFecD-1～sub-µFecD-4 で有意差があるとは言えない結果となった (df = 3, F = 0.245,
p = .86 > .05)．この知見は予想とは異なったが，本研究の範囲内では Fec の D32 を 1.1 µm 以下にする必要は無いことと意味し，消火器用消火剤として実装する際のプロセス上の利点であるとも言える．subµFecD の消火性能に及ぼす Fec 粒径の影響が無いというこの結果は，Fec の高い分解性に起因している可能性が高い [7]．
表 1

sub-µFecD 調製条件および Fec 粒径 (D32)，ζ 電位，消火時間 (τ).
晶析温度 (°C)

Fec 濃度 (ppm)

D32 (nm)初期最終ζ 電位 (mV)τ (SD) (s)sub-µFecD-1

52000

200

410−42.7

2.0 (1.0)

sub-µFecD-225

1000

100705−28.6

2.0 (1.0)

sub-µFecD-3

5

1000

100419−35.3

2.2 (1.0)

sub-µFecD-4

25

500

50

1,083

−16.8

2.4 (1.7)

市販の強化液消火剤―――――12.9 (5.9)

µFecD

―

―

100

16,900―5.5 (4.9)

4. まとめ
貧溶媒晶析法を用いてサブマイクロンの Fec

液消火剤よりも高性能であるとともに Fec 粒径を 1.1 µm 以下にする必要は無いことを見いだし

10.1

積算ふるい上分布 (-)

た． 消火実験から，調製した sub-µFecD は強化

積算ふるい上分布 (-)

粒子を水中に分散させた sub-µFecD を調製しsub-µFecD-2

sub-µFecD-1
1R2 =0.95

0.1

R2 =0.96
0.01

0.01

た．

0.001

0.2

0.4

0.6

0.8

10.5

粒径 (m)

謝辞

参考文献
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]

Koshiba Y. et al., Fire Saf. J. 83 (2016) 90–98.
Ewing C.T. et al., Fire Technol. 31 (1995) 17–43.
Koshiba Y. et al., Case Stud. Therm. Eng. 28 (2021)
101459.
Koshiba Y. et al., J. Loss Prev. Process Ind. 62 (2019) 103973.
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Kim H.-J. et al., Chem. Eng. Res. Des. 97 (2015) 68–76.
Koshiba Y. et al., Fire Saf. J. 73 (2015) 48–54.

1

10.10.01

積算ふるい上分布 (-)

を受け実施された．

sub-µFecD-4

sub-µFecD-3
積算ふるい上分布 (-)

本研究は 19H02387 および 22K04614 の助成

1

粒径 (m)R2 =0.950.4

粒径 (m)0.60.80.1

R2 =0.970.010.001

1

粒径 (m)

図 2 各 sub-µFecD の Rosin–Rammler 線図