지난 호에서 이어지는 내용입니다.

 

(3) 폼 소화제

폼 소화제는 높은 소화 효과와 저렴한 비용, 낮은 오염 특성으로 인해 AㆍB급 화재 진압에 널리 사용돼 왔다. 폼은 발포 메커니즘에 따라 화학 폼과 기계 폼으로 나눌 수 있다. 

 

화학 폼은 수용액에서 황산알루미늄(Al2(SO4)3)과 탄산수소나트륨(NaHCO3)의 반응으로 생성된다. 부식 때문에 매우 제한적으로 사용된다. 기계 폼은 수용액과 압력 가스 또는 기타 기계적 방법을 혼합해 얻는다. 환경 오염이 적기 때문에 많은 연구자가 주목하고 있다. 

 

화재에 따라 적합하고 적응성 있는 폼은 다를 수 있다. 하지만 리튬이온 배터리 화재에 대한 폼 약제의 소화 원리는 비슷하다. 이는 [그림 1]에서 확인할 수 있다. 베이스 원료에 따라 적합한 기계 폼은 크게 세 종류로 나눌 수 있다.

 

▲ [그림 1] 리튬이온 배터리 화재 시 폼의 소화 원리

 

초기에 사람들은 A급 화재를 진압하기 위해 순수한 물을 사용했다. 그러나 대부분의 목재가 물을 흡수하지 못한다는 사실이 밝혀졌고 이에 따라 수자원이 낭비되는 결과를 낳았다. 일반적으로 연료를 순수한 물로 적시기 위해선 시간이 오래 걸리고 많은 양이 필요하다.

 

1970년대 중반 텍사스주 산불 방지 부서는 ‘텍사스 스노우 잡(Texas Snow Job)’이라는 종류의 폼 소화제를 개발했다. 이는 최초의 A급 폼이다. 이후 A급 폼은 구조물 화재를 진압하는 데 사용된다. 

 

A급 폼의 주요 성분은 탄화수소 계면활성제와 물이다. 이러한 계면활성제는 물의 표면 장력을 낮춰 고체 연료에 더 잘 침투하도록 돕는다. 사실 A급 폼의 주요 소화 메커니즘은 여전히 물의 냉각 능력에 의존한다. 물의 비율이 매우 높기 때문이다. 

 

A급 폼은 물의 표면적을 넓혀 액체인 물을 빠르게 증기로 변하게 만든다. 또 고체 연료와 산소 사이에 증기 장벽을 형성한다. 그러나 A급 폼 농축액에는 피부와 눈을 자극할 수 있는 유해 화학물질이 포함돼 있다. 금속을 부식시키고 환경을 오염시킬 수도 있다. 

 

A급 폼이 리튬이온 배터리 화재를 진압하는 데 효과적인지에 관한 몇 가지 연구가 있다. 예를 들어 스웨덴 국립 연구소(RISE)의 연구 결과에 따르면 A급 폼은 물보다 더 빠른 화재 제어 능력을 보였지만 냉각 효과는 순수한 물보다 덜 효과적이었다고 한다.

 

테스트에서는 폼의 품질이 배터리에서 발생하는 내부 압력과 싸우는 데 중요하다는 걸 확인했다. 

 

A급 폼과 비교했을 때 압축 공기 폼 시스템(CAFS)은 고품질의 폼이다. 이 폼은 물과 폼 농축액의 혼합물에 압축 공기를 더해 형성된다. CAFS 폼은 물과 폼의 비율에 따라 건조 CAFS 폼과 습식 CAFS 폼으로 나눌 수 있다. 습식 CAFS 폼은 더 많은 물을 포함하고 있어 건조 CAFS 폼보다 뛰어난 냉각 효과를 나타낸다.

 

AFFF(알킬폴리플루오로알킬화합물 기반 소화약제)는 유류 탱크 화재, 공항ㆍ군사 시설과 같은 액체 연료 화재 진화에 가장 일반적으로 사용되는 약제다. AFFF의 일반적인 제형에는 불소 계면활성제와 탄화수소 계면활성제, 공용매ㆍ용매가 포함된다. 

 

불소 계면활성제와 탄화수소 용액은 탄화수소 연료 표면에 수용성 이중막을 형성하는 데 도움이 되는 중요한 구성 요소다. 실제로 이 막은 두 가지 계면활성제의 비혼화성으로 인해 두 종류의 단층으로 구성된다. 

 

하나는 불소 계면활성제가 형성한 공기-물의 표면이고 다른 하나는 탄화수소 계면활성제가 흡착한 기름-물의 표면이다. 한편 불소 계면활성제는 물의 표면 장력을 효과적으로 감소시킬 수 있고 탄화수소 계면활성제는 탄화수소와 물 사이의 계면장력을 감소시켜 AFFF의 유동성을 향상시킬 수 있다. 

 

수용성막은 연료와 공기 사이에 수증기 장벽을 형성해 불타는 액체 연료를 식히고 재점화를 방지함으로써 B급 화재를 진압하는 데 필수다. 한편 이 차단막은 공기 중의 산소를 희석하고 인화성 액체를 격리하기도 한다. 

 

AFFF는 18650 타입 리튬코발트산화물(LiCoO₂) 배터리의 화염을 진압할 수 있다. 그러나 화재를 진압한 뒤 47초 후에 다시 불이 붙었다. AFFF의 주요 성분인 불소 계면활성제는 인체와 환경에 유해하다는 점에 유의해야 한다. PFOS와 그 전구체는 국제 스톡홀름 협약에서 지속성 유기 오염물질(POPs)로 지정됐다.

 

단백 폼(PF)은 가장 인기 있는 폼 소화제 중 하나다. 동물 또는 식물에서 분해된 단백질과 적합한 안정제, 방부제, 항동결제가 포함된다. PF는 저렴하고 생분해성이며 구조가 안정적인 데다가 우수한 내화 특성(good fire resistance)이 있어 액체 화재, 특히 석유 화학 탱크 화재에서 널리 사용된다. 

 

단백질 거품의 주요 성분인 가수 분해 단백질은 일종의 양성 계면활성제로서 물의 표면 장력을 감소시키고 액체막의 표면 점도와 탄성을 증가시킬 수 있다. 두껍고 안정적인 거품을 얻는 데도 도움이 된다. 

 

PF는 A급 폼보다 더 안정적이며 화염과 산소 사이에 장벽을 형성해 화재를 진압할 수 있다. PF는 격리나 냉각, 질식 작용을 통해 화재를 진압할 수 있다. 그러나 아는 한 PF로 리튬이온 배터리의 화재를 진압했다는 관련 내용은 아직 보고되지 않았다.

 

(4) 에어로졸 소화제

에어로졸 소화 기술은 1960년대에 발화 기술을 바탕으로 개발됐다. 에어로졸은 고체 매질에서 입자 크기가 5㎛ 이하인 가스 분산시스템이다. 이 소화제는 환경에 미치는 영향이 적고 독성이 낮으며 전도성이 없는 데다가 잔여물이 적다는 장점이 있다. 

 

또 에어로졸 생성에는 파이프라인이나 압력 용기가 필요하지 않아 장비나 항공기 화물 컨테이너, 연료 저장 탱크, UPS/배터리 셀, 장갑차 엔진룸 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 현재 에어로졸 소화제는 K형 제너레이션-Ⅰ(질산칼륨을 산화제로 사용)에서 S형 제너레이션-III(질산스트론튬을 산화제로 사용)로 발전했다.

 

▲ [그림 2] 리튬이온 배터리 화재에 대한 K형 에어로졸의 소화 원리

 

K형 에어로졸의 소화 메커니즘은 [그림 2]와 같이 주로 K가 화염 전파 라디칼(H•, O•, OH•)과 충돌해 산소 농도를 낮추고 CO2와 수증기를 생성하는 방식으로 작용한다. S형 에어로졸의 소화 메커니즘도 K형과 유사하며 주로 Sr이 화염 전파 라디칼과 충돌하면서 소화가 이뤄진다. 

 

일부 연구자는 각 물질에 크기 제한이 존재하며 입자 크기가 이 한계를 넘지 않으면 화염 소화 효과가 뚜렷하게 개선된다고 보고했다. 에어로졸 형성 물질(AFCs)의 입자 크기 분포 실험 결과에 따르면 K형과 S형 에어로졸의 입자 크기는 대부분 0.5㎛ 이하다. 

 

AFCs는 산화제(질산염, 염소산염 또는 퍼클로레이트 등)와 환원제(탄수화물, 카본블랙 등), 결합제(에폭시, 페놀 수지 등), 기능성 첨가제(스테아레이트, 나트륨 아지드 등)로 구성된다.

 

산화제는 AFCs에서 가장 중요한 성분 중 하나로 질산칼륨은 비용이 저렴하고 흡습성이 적어 AFCs에서 가장 적합한 산화제로 여긴다. 

 

그러나 K형 에어로졸 생성기에서 생성된 산화칼륨은 물과 접촉하면 수산화칼륨을 형성하게 된다. 이를 제때 청소하지 않으면 보호 장비가 알칼리로 부식될 수 있다. 따라서 질산칼륨을 기반으로 한 AFCs는 전자기기나 전기 장비엔 적합하지 않다. 

 

S형 에어로졸에서 생성되는 스트론튬 산화물(SrO)과 스트론튬 탄산염(SrCO3)은 물에 불용성으로 안정적이어서 부식이 적다. 그러나 S형 에어로졸은 분해 온도가 높고 반응 속도가 느려 그 사용에 제한이 있다.

 

에어로졸은 상대적으로 밀폐된 공간에서 리튬이온 배터리 화재를 빠르게 진압할 수 있지만 재발화 문제는 여전히 큰 도전 과제다. 

 

DNV-GL 보고서에 따르면 에어로졸은 리튬이온 배터리 화재를 진압할 수 있다. 물과 비교할 때 낮은 산소 수준을 오래 유지할 수 있다. 그러나 소화된 화재는 문을 열자 플래시오버가 발생했다. 

 

따라서 기체 소화제처럼 에어로졸은 밀폐된 장소에서만 효율적인 소화 능력을 발휘할 수 있다. 또 K형 에어로졸은 발열 반응으로 인해 고온의 부산물을 생성할 수 있어 배터리의 재발화 위험을 증가시킬 수 있다.

 

(5) 다양한 소화제 비교

▲ [표 1] 리튬이온 배터리 화재에 대한 다양한 소화약제의 소화 효과 요약

 

리튬이온 배터리 화재를 효과적으로 진압할 수 있는 기존의 소화제를 선별하기 위해 여러 비교 실험 연구가 수행됐다. 다양한 소화제의 리튬이온 배터리 화재에 대한 소화 효과는 [표 1]에서 확인할 수 있다. 

 

▲ [그림 3] (a) 할론, (b) 이산화탄소, (c) 헵타플루오로프로판, (d) Novec 1230, (e) 건조 분말, (f) 물, (g) 스프링클러, (h) 미스트, (i) F-500, (j) 폼 등 (k) 에어로졸의 성능에 대한 레이더 플롯

 

수용성 소화제는 기체 소화제보다 더 우수한 냉각 능력을 보였으며 재발화를 방지하는 데 더 효과적이었다. 위 분석을 통해 11가지 일반적인 소화제의 성능이 [그림 3]에 나타나 있다. 

 

소화제에 필요한 주요 특성은 점도와 절연성, 열용량, 습윤성, 생분해 가능성, 연기 흡수 능력, 비용이다. 기체 소화약제와 에어로졸 소화약제, 건조 분말의 절연 특성은 워터 미스트나 폼, 스프링클러, 물, F-500에 비해 더 우수하다. 

 

즉 기체 소화약제는 소화 과정에서 단락을 일으키지 않으며 배터리 모듈을 거의 손상시키지 않는다. 그러나 건조 분말은 잔류물이 많아서 배터리 모듈을 손상시킬 수 있다.

 

점도는 소화약제의 전달 능력을 평가하는 중요한 지표다. 수성 소화약제 중에서는 물의 점도가 가장 낮고 그 다음으로는 F-500과 폼이다. 높은 열용량은 배터리 온도를 낮추기 위한 가장 필수적인 특성 파라미터다. 

 

당연히 수성 소화약제는 냉각 능력이 뛰어나다. 수성 소화약제 중에서는 F-500의 내열성이 가장 높고 그다음으로는 물과 폼이다. 또 기체 소화약제와 건조 분말, 에어로졸은 냉각 능력이 떨어진다. 

 

다른 소화약제 중에서도 에어로졸의 냉각 능력이 가장 떨어지고 건조 분말, HFC-227ea, CO2, Novec 1230의 순서다. 습윤성은 배터리 팩의 표면을 적시는 소화약제의 지수다. 이러한 소화약제 중 F-500의 습윤성이 가장 우수하고 그다음으로 폼과 물의 습윤성이 우수하다.

 

▲ [표 2] 일반적인 소화약제의 소화 특성과 환경 영향

 

생분해성 기능은 환경 보호에 필수적인 지표로 순수한 물이 가장 뛰어나고 그 다음으로는 F-500, 폼의 순서다. [표 2]는 대표적인 소화약제의 환경 지수(독성, ODP, GWP, ALT9)를 요약한 것이다. 

 

기체 소화약제는 일반적으로 대기 오염을 유발한다. 심각한 수준에서 보통 수준까지의 오염 정도는 CO2, HFC-227ea, Novec 1230, 건조 분말, 에어로졸 순이다. 이러한 소화약제 중 할론이 가장 심각하다. 

 

소화약제의 비용은 소화약제의 적용 범위를 평가하는 중요한 지표다. 수성 소화약제가 가장 저렴하고 건조 분말, CO2, 에어로졸ㆍ할론, HFC-227ea, Novec 1230과 같은 기타 소화약제의 비용은 모두 매우 비싸다. 

 

소화약제의 연기 흡수율은 화재 시나리오의 가시성을 향상시키는 중요한 지표다. 이러한 소화약제 중 F-500의 연기 저감 능력이 가장 우수하며 폼, 미스트, 스프링클러, 물이 그 뒤를 잇는다. 

 

기체 소화약제는 연기를 흡수하는 능력이 매우 떨어지고 건조 분말과 에어로졸이 그 뒤를 따른다. 종합적인 비교를 통해 고려할 때, 수성 소화약제는 특히 배터리 온도를 낮추고 비용이 저렴하다는 점에서 리튬이온 배터리 화재 진화에 더 나은 성능을 지닌다. 

 

그러나 전기 전도성은 리튬이온 배터리 화재에 사용되는 수성 소화약제의 가장 큰 과제다. 기체 소화약제와 에어로졸은 단열 성능을 제외하고는 성능이 좋지 않다.

 

건조 분말은 단락 방지 성능이 우수하고 비용이 저렴하다. 그러나 건조 분말의 다른 성능은 모두 비슷하다. 한마디로 수성 소화약제는 리튬이온 배터리에 적합한 소화약제라고 할 수 있다.

 

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참고 자료

1. L.R. Summerlin, Chemical Demonstrations: A Sourcebook for Teachers, second ed., American Chemical Society, Washington, 1985.

2. A.K. Kim, G.P. Crampton, Fire Technol. 48 (2012) 549–564.

3. L. Su, L. Wang, Z.H. Wang, J. Zhang, Y.X. Tian, Y.G. Yan, Procedia Eng. 45 (2012) 663–668.

4. X.C. Fu, H.L. Ye, Z.M. Bao, T. Chen, G. Xue, Y.N. Hu, Fire Sci. Technol. 27 (2008) 590–592.

5. J. Stern, J. Gordon Routley, Class A Foam for Structural Firefighting, US Fire Administration, 1996.

6. P. Schlobohm, in: Biswell Symp. Fire Issues Solut. Urban Interface Wildl. Ecosyst., 1995, pp. 81–84.

7. US Forest Service, Foam vs Fire Class A Foam for Wildland Fires, 1993.

8. P. Andersson, M. Arvidson, F. Evegren, M. Jandali, F. Larsson, M. Rosengren, Lion Fire: Extinguishment and Mitigation of Fires  in Li-Ion Batteries at Sea, RISE Research Institutes of Sweden, 2018.

9. B. Weiner, L.W.Y. Yeung, E.B. Marchington, L.A. D’Agostino, S.A. Mabury, Environ. Chem. 10 (2013) 486–493.

10. Y.J. Sheng, N. Jiang, X.X. Sun, S.X. Lu, C.H. Li, Fire Technol. 54 (2018) 211–228.

11. W.J. Pan, M.G. Zhang, X.Y. Gao, S.F. Mo, J. Loss Prev. Process Ind. 63 (2020) 103997.

12. A.J. Laundess, M.S. Rayson, B.Z. Dlugogorski, E.M. Kennedy, Fire Technol. 48 (2012) 625–640.

13. K. Shinoda, T. Nomura, J. Phys. Chem. 84 (1980) 365–369.

14. Z.S. Xu, X. Guo, L. Yan, W.D. Kang, Case StudTherm. Eng. 17 (2020) 100578.

15. X.H. Jia, H.D. Bo, Y.H. He, Chem. Pap. 73 (2019) 1777–1784.

16. Y.H. He, Q. Sun, H. Xing, Y. Wu, J.X. Xiao, J. Dispers. Sci. Technol. 40 (2019) 319–331.

17. A.R. Sontake, S.M. Wagh, Chem. Eng. Sci. 2 (2014) 11–14.

18. B. Bo, Fire Sci. Technol. 33 (2014) 92–95.

19. W.D. Kang, L. Yan, F.X. Ding, X.S. Guo, Z. Xu, Case Stud. Therm. Eng. 16 (2019) 100557.

20. A. Bourgeois, J. Bergendahl, A. Rangwala, Chemosphere 131 (2015) 104–109.

21. G.J. Zhu, Spec. Petrochemicals (1993) 47–49.

22. A. Zaggia, L. Conte, G. Padoan, R. Bertani, J. Surfactants Deterg. 13 (2010) 33–40.

23. H.A. Alsaati, D. Ditzler, V. Burapatana, R.D. Tanner, Brazilian Arch.Biol. Technol. 46 (2003) 735–740.

24. I. Tureková, B. Karol, Res. Pap. Fac. Mater. Sci. Technol. Slovak Univ. Technol. 18 (2012) 111–120.

25. X.T. Zhang, M.H.S. Ismail, F.R.B. Ahmadun, N.B.H. Abdullah, C. Hee, Brazilian J. Chem. Eng. 32 (2015) 707–724.

26. H.M. Liu, in: 2015 2nd Int. Conf. Simul. Model. Methodol. Appl. (SMTA 2015), 2015, pp. 556–558.

27. Y. Spector, in: Halon Options Tech. Work. Conf., New Mexico, 1994, pp. 391–403.

28. M. Rohilla, A. Saxena, P.K. Dixit, G.K. Mishra, R. Narang, Fire Technol. 55 (2019) 2515–2545.

29. K. Kwon, Y. Kim, Korean J. Chem. Eng. 30 (2013) 2254–2258.

30. W. Polytechnic, in: Halon Options Tech. Work. Conf., Albuquerque, NM, USA, 1994, pp. 379–390.

31. C.J. Kibert, D. Dierdorf, Fire Technol. 30 (1994) 387–399.

32. C.T. Ewing, F.R. Faith, J.T. Hughes, H.W. Carhart, Fire Technol. 4 (1992) 35–51.

33. C.T. Ewing, F.R. Faith, J.T. Hughes, H.W. Carhart, Fire Technol. 25 (1989) 134–149.

34. J.J. Xu, P.Y. Guo, Q.L. Duan, X.C. Yu, L. Zhang, Y. Liu, Q.S. Wang, Appl.Therm. Eng. 171 (2020) 115057.

35. P. Russo, C. Di Bari, M. Mazzaro, A. De Rosa, I. Morriello, Chem. Eng. Trans. 67 (2018) 727–732.

36. H. Rao, Z. Huang, H. Zhang, S. Xiao, in: ICTIS 2015 – 3rd Int. Conf. Transp. Inf. Safety, Proc., 2015, pp. 865–870.

37. T. Maloney, Administration, Extinguishment of Lithium-Ion and Lithium-Metal Battery Fires, US Department of Transportation, 2017.

38. H. Davion, Testing of Aerosol Fire Extinguishing Agent for Li-Ion Battery Fires, New York, 2017.

 

경기 구리소방서_ 강경석 : youeks@naver.com

 

<본 내용은 소방 조직의 소통과 발전을 위해 베테랑 소방관 등 분야 전문가들이 함께 2019년 5월 창간한 신개념 소방전문 월간 매거진 ‘119플러스’ 2024년 12월 호에서도 만나볼 수 있습니다.>

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