Διερεύνηση της αντιπυρικής δράσης διαφόρων χημικών πρόσθετων για την κατάσβεση δασικών πυρκαγιών σε ζώνες μείξεως δάσους-κατοικιών

Abstract

In the present work the forest fire retardancy of various inorganic chemical additives on forest fuels collected from wildland-urban interface areas was studied. The minerals hydromagnesite and huntite were examined as new forest fire retardant materials, whereas DAP, MAP, AS and various commercial were studied as means of comparison. As far as forest material is concerned, the following species were examined: Pinus halepensis Mill. (Aleppo pine), Cistus incanus L. (Pink rockrose) and Phillyrea latifolia L. (Mock privet). For the forest fire retardancy evaluation, criteria were used which were derived from analytical and laboratory techniques. Regarding thermal analysis conducted in nitrogen atmosphere conditions (pyrolysis), the above minerals were found to decrease the pyrolysis rate of forest fuels cellulose, increase the net mass residue of forest fuels and shift the thermal decomposition temperature of forest fuels lignin to lower values. Regarding thermal analysis conducted in air atmosphere conditions (combustion), the minerals provoked decrease in the combustibility of forest fuels and increase in their sustainability. Huntite and the natural huntite-hydromagnesite mixture present higher fire retardancy effectiveness than pure hydromagnesite in relation to the decrease in maximum weight loss rate values, whereas with regard to the shifts of DTG and the increase in pyrolysis net mass residue, hydromagnesite presents higher efficiency. On the basis of limiting oxygen index tests, the minerals were found to decrease the pilot ignitability of forest fuels, by increasing their LOI value. Regarding this criterion, the best performance was shown by hydromagnesite, but huntite adheres better to the foliage of forest fuels. From the flame spread tests (in horizontal and inclined plane), the above minerals decrease the ignitability and combustibility of forest fuels and increase their sustainability. Based on flame spread rate, maximum flame height and mean flame intensity measurements, hydromagnesite exhibits the best retardancy performance among minerals, whereas the huntite-hydromagnesite mixture is more effective regarding combustion duration of forest material. Regarding the fire retardancy of minerals hydromagnesite and huntite, it was found that the highest overall retardancy performance can be obtained by using their mixtures. Comparing the performance of minerals with that of DAP, MAP, AS and the commercial retardants, it was found that the minerals are overall less effective than them. However, the acidic compounds produced by the thermal decomposition of these ammonium salts have been reported to cause serious environmental problems. Moreover, the extraction of hydromagnesite and huntite minerals from Greek mines in large quantities, with relatively low cost, supports their potential for commercial forest fire retardant use.

Στην παρούσα εργασία διερευνήθηκε η επιβραδυντική δράση διαφόρων χημικών πρόσθετων για την κατάσβεση δασικών πυρκαγιών σε ζώνες μίξης δάσους-κατοικιών. Ως νέα επιβραδυντικά υλικά εξετάστηκαν τα ορυκτά υδρομαγνησίτης και χουντίτης, ενώ ως μέτρο σύγκρισης, τα DAP, MAP, AS και εμπορικά μίγματά τους. Εξετάστηκαν τα ακόλουθα δασικά είδη: Pinus halepensis Mill. (Χαλέπιος πεύκη), Cistus incanus L. (λαδανιά) και Phillyrea latifolia L. (Φιλλίκι). Χρησιμοποιήθηκαν κριτήρια επιβραδυντικής δράσης που προέκυψαν από διάφορες αναλυτικές και εργαστηριακές τεχνικές: Από τη θερμική ανάλυση σε ατμόσφαιρα N2 (πυρόλυση) προέκυψε ότι τα παραπάνω ορυκτά επιφέρουν μείωση στο ρυθμό πυρόλυσης της κυτταρίνης της δασικής ύλης, αύξηση στο καθαρό υπόλειμμα μάζας της και μετατόπιση της θερμοκρασίας αποικοδόμισης της λιγνίνης της δασικής ύλης προς χαμηλότερες τιμές. Από τη θερμική ανάλυση σε ατμόσφαιρα αέρα (καύση) προέκυψε ότι τα ορυκτά μειώνουν την καυσιμότητα της δασικής ύλης και αυξάνουν τη διατηρησιμότητά της. Το φυσικό μίγμα χουντίτη-υδρομαγνησίτη και ο χουντίτης παρουσιάζουν αποτελεσματικότερη επιβραδυντική απόδοση στη μείωση των μέγιστων ρυθμών απώλειας βάρους, ενώ στη μετατόπιση των DTG κορυφών και την αύξηση του καθαρού υπολείμματος μάζας της πυρόλυσης επιδρά καλύτερα ο υδρομαγνησίτης. Από τις δοκιμασίες ελαχίστου οξυγόνου (LOI) προέκυψε ότι τα ορυκτά επιφέρουν ελάττωση στην πιλοτική αναφλεξιμότητα της δασικής ύλης, καθώς αυξάνουν το δείκτη LOI της. Ως προς το κριτήριο αυτό, την καλύτερη επιβραδυντική δράση εμφανίζει ο υδρομαγνησίτης, αλλά ο χουντίτης επικολλάται σε μεγαλύτερα επί τοις % ποσοστά στο φύλλωμα της δασικής ύλης. Από τις δοκιμασίες διάδοσης φλόγας (σε οριζόντιο και κεκλιμένο επίπεδο), τα παραπάνω ορυκτά επιφέρουν μείωση στην αναφλεξιμότητα της δασικής ύλης, μείωση στην καυσιμότητά της και αύξηση στην διατηρησιμότητά της. Ως προς το ρυθμό διάδοσης, το μέγιστο ύψος και τη μέση ένταση της φλόγας, ο υδρομαγνησίτης επιδεικνύει καλύτερη επιβραδυντική απόδοση από τα υπόλοιπα ορυκτά, ενώ το φυσικό μίγμα χουντίτη-υδρομαγνησίτη πλεονεκτί ως προς τη διάρκεια καύσης της δασικής ύλης. Τα πειράματα στο φούρνο “κύβου” έδειξαν ότι τα ορυκτά επιδρούν στην αναφλεξιμότητα, το ενεργειακό περιεχόμενο και τη διατηρησιμότητα της καύσης της δασικής ύλης. Σε ό,τι αφορά τη δράση των ορυκτών υδρομαγνησίτη και χουντίτη, η «συνολικά βέλτιστη» επιβραδυντική δράση των ορυκτών αυτών μπορεί να επιτευχθεί με χρήση μιγμάτων τους. Συγκρίνοντας την επιβραδυντική απόδοση των ορυκτών με εκείνη των DAP, MAP, AS και των εμπορικών επιβραδυντών, συνολικά τα ορυκτά είναι λιγότερο αποτελεσματικά από τα κοινά επιβραδυντικά μέσα. Εντούτοις, τα όξινα παράγωγα των θερμικών διασπάσεων των αμμωνιακών αλάτων έχουν αναφερθεί ότι προξενούν περιβαλλοντικά προβλήματα. Το γεγονός αυτό σε συνδυασμό με το σχετικά χαμηλό κόστος της φυσικής εξόρυξης των ορυκτών υδρομαγνησίτη και χουντίτη από ελληνικά ορυχεία ενισχύει σε σημαντικό βαθμό το ενδεχόμενο της εμπορικής χρησιμοποίησής τους ως επιβραδυντικών δασικών πυρκαγιών.