Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Hóa học: Nghiên cứu xây dựng hệ chất hoạt động bề mặt bền nhiệt ứng dụng trong công nghệ sản xuất chất tạo bọt chữa cháy

Chia sẻ: ViSteveballmer ViSteveballmer | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:130

Thêm vào BST

Báo xấu

40
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án trình bày các nội dung chính sau: Xây dựng hệ các chất hoạt động bề mặt bền nhiệt từ một số chất hoạt động bề mặt, phù hợp với điều kiện nhiệt độ cao và đặc tính của từng đối tượng cháy; Tối ưu hóa hệ chất hoạt động bề mặt bền nhiệt xây dựng được, ứng dụng trong sản xuất chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước (AFFF) và chất tạo bọt tạo màng nước bền rượu (AR-AFFF) đạt TCVN; Đánh giá khả năng ứng dụng một số hợp chất chứa silic nhằm nâng cao hiệu quả dập cháy cho bọt chữa cháy tạo màng nước AFFF.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Hóa học: Nghiên cứu xây dựng hệ chất hoạt động bề mặt bền nhiệt ứng dụng trong công nghệ sản xuất chất tạo bọt chữa cháy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- NGUYỄN THỊ NGOAN NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT BỀN NHIỆT ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CHẤT TẠO BỌT CHỮA CHÁY LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC Hà Nội – 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- NGUYỄN THỊ NGOAN NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT BỀN NHIỆT ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CHẤT TẠO BỌT CHỮA CHÁY Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã sỗ: 9.52.03.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. Lê Văn Thụ 2. TS. Nguyễn Thị Mùa Hà Nội – 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Văn Thụ và TS. Nguyễn Thị Mùa. Các số liệu trình bày trong luận án là trung thực và chưa được công bố ở bất kỳ một công trình nào khác. NGHIÊN CỨU SINH Nguyễn Thị Ngoan
LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện luận án nghiên cứu sinh, tôi đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ, động viên từ thầy cô, bạn bè và gia đình để tôi có thêm động lực và sức mạnh hoàn thành tốt bản luận án Tiến sĩ này. Với lòng kính trọng và biết ơn, tôi xin chân thành cảm ơn TS. Lê Văn Thụ và TS. Nguyễn Thị Mùa, đã luôn tận tình hướng dẫn, định hướng kịp thời, chỉ bảo, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Trung tâm Phát triển công nghệ cao, cùng toàn thể đồng nghiệp Phòng Phát triển công nghệ hóa học đã tạo điều kiện thuận lợi về môi trường khoa học chuyên nghiệp, cơ sở vật chất và các thủ tục hành chính thuận lợi trong quá trình nghiên cứu và học tập. Tôi xin gửi lời cảm ơn Học viện khoa học và Công nghệ đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ từ đề tài: “Nghiên cứu công nghệ sản xuất 05 hệ chất tạo bọt chữa cháy thế hệ mới phục vụ công tác phòng cháy, chữa cháy” - Mã số ĐTĐLCN 35/16. Cuối cùng, tôi xin gửi lòng biết ơn đến gia đình đã luôn tin tưởng và là nguồn động lực to lớn để tôi hoàn thành luận án này.! Hà Nội, ngày tháng năm 2021 NGHIÊN CỨU SINH Nguyễn Thị Ngoan
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC .................................................................................................................. i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT........................................ iv DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................v DANH MỤC HÌNH ............................................................................................... viii MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .....................................................................................3 1.1. Tổng quan về chất tạo bọt chữa cháy ...............................................................3 1.1.1. Giới thiệu chung về chất tạo bọt chữa cháy............................................... 3 1.1.2. Chất tạo bọt tạo màng nước ....................................................................... 5 1.1.3. Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu ...................................... 7 1.2. Thành phần của chất tạo bọt chữa cháy ...........................................................8 1.2.1. Chất hoạt động bề mặt ............................................................................. 10 1.2.2. Chất trợ HĐBM và các polyme bền rượu ................................................ 15 1.2.3. Các chất phụ gia....................................................................................... 16 1.2.4. Ứng dụng một số hợp chất chứa silic trong bọt chữa cháy ..................... 16 1.3. Vai trò và nguyên lý dập cháy của bọt chữa cháy ..........................................19 1.3.1. Nguyên nhân hình thành đám cháy chất lỏng.......................................... 19 1.3.2. Nguyên lý dập cháy của bọt chữa cháy ................................................... 20 1.4. Tình hình nghiên cứu chất tạo bọt chữa cháy trên thế giới và Việt Nam ......22 1.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới .......................................................... 22 1.4.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam ......................................................... 26 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .............29 2.1. Hóa chất và thiết bị .........................................................................................29 2.1.1. Hóa chất ................................................................................................... 29 2.1.2. Thiết bị ..................................................................................................... 30 2.2. Phương pháp phân tích đánh giá ....................................................................30 2.2.1. Phương pháp xác định tính chất hóa lý của chất tạo bọt chữa cháy ........ 30 2.2.2. Phương pháp xác định tính ổn định của bọt ............................................ 33 i
2.3.3. Phương pháp xác định sự tương hợp và độ bền nhiệt ............................. 34 2.3.4. Phương pháp quy hoạch hóa thực nghiệm và tối ưu hóa......................... 35 2.3.5. Phương pháp thử nghiệm đánh giá kết quả ............................................. 36 2.3. Thực nghiệm ...................................................................................................38 2.3.1. Chế tạo bọt chữa cháy tạo màng nước ..................................................... 39 2.2.2. Phân tán các hợp chất chứa silic trong chất tạo bọt AFFF ...................... 43 2.2.3. Chế tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu ..................................... 43 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................49 3.1. Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước (AFFF) .............................................49 3.1.1. Nghiên cứu lựa chọn các chất HĐBM ..................................................... 49 3.1.2. Xác định khả năng tương hợp và bền nhiệt của hỗn hợp các chất HĐBM ..................................................................................................... 52 3.1.3. Tối ưu hóa phối trộn các chất HĐBM ..................................................... 57 3.1.4. Nghiên cứu lựa chọn chất trợ HĐBM và chất phụ gia ............................ 62 3.1.5. Khảo sát thứ tự đồng hóa ......................................................................... 67 3.1.6. hảo sát thời gian khuấy và tốc độ khuấy ............................................... 70 3.2. Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu ...........................................71 3.2.1. Nghiên cứu lựa chọn các chất HĐBM ..................................................... 71 3.2.2. Xác định khả năng tương hợp và bền nhiệt của hỗn hợp các chất HĐBM ..................................................................................................... 74 3.2.3. Tối ưu hóa phối trộn các chất HĐBM ..................................................... 78 3.2.4. Nghiên cứu lựa chọn polyme tạo bền rượu và chất phụ gia .................... 83 3.2.5. Khảo sát thứ tự đồng hóa ......................................................................... 86 3.2.6. hảo sát thời gian khuấy và tốc độ khuấy ............................................... 88 3.3. Nghiên cứu sử dụng một số hợp chất chứa silic trong nâng cao đặc tính bọt chữa cháy........................................................................................................90 3.3.1. Ảnh hưởng của một số hợp chất chứa silic đến tính chất dung dịch AFFF ........................................................................................................ 90 3.3.2. Ảnh hưởng của một số hợp chất chứa silic đến độ ổn định bọt .............. 95 3.4. Thử nghiệm ....................................................................................................99 3.4.1. Thử nghiệm theo quy mô nhỏ .................................................................. 99 ii
3.4.2. Thử nghiệm theo Tiêu chuẩn Việt Nam ................................................ 101 3.4.3. Thử nghiệm theo quy mô nhỏ chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước AFFF có chứa natri silicat ............................................................ 102 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN.....................................................104 KẾT LUẬN ............................................................................................................105 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ..............107 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................108 PHỤ LỤC iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT AE Alkylphenol ethoxylate AFFF Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước AOPF Amine oxide partially fluorinated surfactant AOS Alpha-Olefine Sulfonate APG Alkyl polyglucosides AR-AFFF Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu AS Aryl sulfate BAS Branched alkyl benzene sulfonate BPF Betaine Partially Fluorinated CAFS Hệ thống phun bọt khí nén CMC Nồng độ mixen tới hạn DCF DuPont™ Capstone® fluorosurfactant FB Fluoroalkyl betaine FFFP Bọt chữa cháy protein HĐBM Hoạt động bề mặt HEC Hydroxyethyl cellulose LHSB Lauryl hydroxy sulfobetaine NPE Nonyl phenol ethoxylate PCCC Phòng cháy chữa cháy PFAC Partially fluorinated acrylic copolymer PFOA Perfluorooctanoic acid PFOS Perfluorooctanyl sulfonate S Hệ số lan truyền SCBM Sức căng bề mặt SLES Sodium laury ether sunfate SLS Sodium lauryl sulfate TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam σ Sức căng bề mặt σA Sức căng bề mặt của dung dịch bọt chữa cháy σF Sức căng bề mặt của cyclohexan σI Sức căng bề mặt liên diện giữa hai chất lỏng iv
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Công thức lõi của chất tạo bọt tạo màng nước ......................................9 Bảng 1.2: Công thức lõi của chất tạo bọt tạo màng nước bền rượu ......................9 Bảng 1.3: Một số đuôi kỵ nước và đầu ưa nước quan trọng của chất HĐBM ....11 Bảng 1.4: Chất hoạt động fluor hóa sử dụng trong chế tạo chất tạo bọt chữa cháy.............................................................................................14 Bảng 1.5: Sức căng bề mặt nhỏ nhất và hệ số lan truyền của các dung dịch ở nhiệt độ phòng ..................................................................................18 Bảng 1.6: So sánh thời gian dập tắt của chất tạo bọt siloxan và chất tạo bọt thương mại...........................................................................................23 Bảng 2.1: Hóa chất thí nghiệm ............................................................................29 Bảng 2.2: Các mức tối ưu hóa trong hệ chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước .41 Bảng 2.3: Các mức tối ưu hóa trong hệ chất tạo bọt chữa cháytạo màng nước bền rượu...............................................................................................46 Bảng 3.1: ết quả khảo sát độ nở và thời gian bán hủy của các chất HĐBM hydrocarbon .......................................................49 Bảng 3.2: Độ nở và thời gián bán hủy của dung dịch DuPont™ Capstone® fluorosurfactant 1440 (DCF) ..............................................................50 Bảng 3.3. Giá trị pH và σ của hệ DCF : APG tại thời điểm ban đầu ..................52 Bảng 3.4. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG theo thời gian ủ nhiệt ...........53 Bảng 3.5: Giá trị pH và σ của hệ DCF : APG : LHSB tại thời điểm ban đầu .....54 Bảng 3.6. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG : LHSB theo thời gian ủ nhiệt .....................................................................................................54 Bảng 3.7. Giá trị pH và σ của hệ DCF : APG : NPE tại thời điểm ban đầu ........55 Bảng 3.8. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG : NPE theo thời gian ủ nhiệt .55 Bảng 3.9. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG : LHSB : NPE với tỉ lệ 1 : 3 : 2 : 1 theo thời gian ủ nhiệt ........................................................56 Bảng 3.10. hảo sát độ nở, thời gian bán hủy của hệ chất HĐBM.......................56 Bảng 3.11. ết quả tính toán σ của các thí nghiệm quy hoạch theo ma trận yếu tố toàn phần ..................................................................................58 Bảng 3.12. ết quả thí nghiệm theo phương pháp quay bậc 2 Box – Hunter .......59 v
Bảng 3.13: ết quả xác định hệ số lan truyền của hệ chất HĐBM bọt chữa cháy tạo màng nước.............................................................................62 Bảng 3.14: Ảnh hưởng của hydroxyethyl cellulose đến độ nở và thời gian bán hủy ................................................................................................64 Bảng 3.15: Ảnh hưởng của glycerin đến nhiệt độ đông đặc ..................................65 Bảng 3.16: Ảnh hưởng Urea đến độ nhớt ..............................................................65 Bảng 3.17: Giá trị pH và σ của hệ DCF : APG : LHSB : NPE và các chất phụ gia tại thời điểm ban đầu ..............................................................66 Bảng 3.18: Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG : LHSB : NPE và các chất phụ gia theo thời gian ủ nhiệt .....................................................................66 Bảng 3.19: ết quả xác định hệ số lan truyền của hệ tạo bọt chữa cháy tạo màng nước ....................................................................67 Bảng 3.20: ết quả khảo sát thứ tự đồng hóa hệ AFFF ........................................68 Bảng 3.21. ết quả khảo sát thứ tự phối trộn các nguyên liệu ..............................68 Bảng 3.22. ết quả khảo sát thời gian khuấy và tốc độ khuấy..............................70 Bảng 3.23. Công thức chế tạo chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước ..................70 Bảng 3.24: Thông số k thuật chính của chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước .71 Bảng 3.25: Độ nở và thời gian bán hủy của các chất HĐBM hydrocarbon ..........72 Bảng 3.26: Độ nở và thời gian bán hủy của dung dịch FB ....................................72 Bảng 3.27: Sự tương hợp của các hỗn hợp chất HĐBM .......................................73 Bảng 3.28. Giá trị pH và σ của hệ FB : SLES tại thời điểm ban đầu ....................75 Bảng 3.29. Biến thiên pH và σ của hệ FB : SLES theo thời gian ủ nhiệt .............75 Bảng 3.30: Giá trị pH và σ của hệ FB : SLES : NPE tại thời điểm ban đầu .........76 Bảng 3.31: Biến thiên pH và σ của hệ FB : SLES : NPE theo thời gian ủ nhiệt ...76 Bảng 3.32: Biến thiên pH và σ của hệ FB : SLES : NPE : PFAC theo thời gian ủ nhiệt ..........................................................................................77 Bảng 3.33: Biến thiên pH và σ của hệ FB : SLES : NPE : PFAC theo thời gian ủ nhiệt ..........................................................................................77 Bảng 3.34: hảo sát độ nở, thời gian bán hủy của hệ chất HĐBM.......................78 Bảng 3.35: ết quả tính toán σ của các thí nghiệm quy hoạch theo ma trận yếu tố toàn phần .....................................................................79 vi
Bảng 3.36: ết quả thí nghiệm theo Box – Hunter của hệ chất HĐBM dùng cho chế tạo AR-AFFF ................................................................80 Bảng 3.37. ết quả xác định hệ số lan truyền của hệ chất HĐBM bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu .............................................................83 Bảng 3.38: hảo sát thời gian bán hủy khi có mặt xanthan gum ..........................84 Bảng 3.39: hảo sát độ nở và thời gian tiết nước của hệ AR1 khi có mặt xanthan gum ......................................................................84 Bảng 3.40. Giá trị pH và σ của các mẫu bọt bền rượu tại thời điểm ban đầu .......85 Bảng 3.41. Biến thiên pH và σ của các mẫu bọt bền rượu theo thời gian ủ nhiệt .85 Bảng 3.42: ết quả xác định hệ số lan truyền .......................................................86 Bảng 3.43: ết quả khảo sát thứ tự đồng hóa ........................................................86 Bảng 3.44: ết quả khảo sát thứ tự phối trộn các chất trong bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu............................................................................87 Bảng 3.45: ết quả khảo sát thời gian khuấy và tốc độ khuấy của bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu .............................................................89 Bảng 3.46: Công thức chế tạo chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu ..89 Bảng 3.47: ết quả kiểm tra thông số k thuật chính của chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu .............................................................90 Bảng 3.48: Ảnh hưởng của các hợp chất chứa silic đến dung dịch AFFF ............94 Bảng 3.49: ết quả thử nghiệm xác định thời gian dập cháy của bọt tạo màng nước theo quy mô nhỏ. ......................................................................100 Bảng 3.50: ết quả thử nghiệm hiệu quả dập cháy chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu..........................................................................100 Bảng 3.51: ết quả thử nghiệm đối với phun mạnh ............................................101 Bảng 3.52: ết quả thử nghiệm đối với phun nhẹ ...............................................101 vii
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Bọt được ổn định bằng chất hoạt động bề mặt ........................................4 Hình 1.2: Bọt chữa cháy tạo màng nước chữa cháy bể xăng dầu và trạm xăng dầu .....................................................................................5 Hình 1.3: Dung dịch bọt được tạo từ 6% chất tạo bọt đậm đặc – 94% nước ..........6 Hình 1.4: Hình ảnh mô tả cách tạo màng bọt lan tỏa trên đám cháy hydrocarbon lỏng [26] .............................................................7 Hình 1.5: Cơ chế dập cháy của bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu đối với nhiên liệu .....................................................................................8 Hình 1.6: Bọt chứa chất HĐBM fluor hóa trên bề mặt nhiên liệu ........................13 Hình 1.7. Quá trình hình thành bọt silica ..............................................................17 Hình 1.8: Mô hình cháy kiểu tam giác ..................................................................20 Hình 1.9. Mô tả quá trình hình thành bọt chữa cháy .............................................21 Hình 1.10: Cơ chế hóa học cho sự hình thành bọt silica .........................................25 Hình 1.11. Thử nghiệm bọt chữa cháy có chứa Silok-2235 ....................................25 Hình 1.12. So sánh cơ chế chữa cháy của bọt chứa silicon và bọt AFFF ...............26 Hình 2.1: Minh họa sức căng bề mặt để tính toán hệ số lan truyền ......................32 Hình 2.2. Sơ đồ đo khả năng tạo bọt .....................................................................33 Hình 2.3. Sơ đồ xác định độ ổn định bọt ...............................................................34 Hình 3.1. Ảnh hưởng của nồng độ DCF đến sức căng bề mặt của nước ..............50 Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn sức căng bề mặt của các chất HĐBM theo nồng độ ...51 Hình 3.3: Đồ thị biểu diễn hàm mục tiêu σ theo nồng độ chất HĐBM.................60 Hình 3.4: Các đường đồng mức biểu diễn giá trị σ theo nồng độ các chất HĐBM ...................................................................................................61 Hình 3.5. Ảnh hưởng của nồng độ butyl diglycol đến hệ chất HĐBM .................63 Hình 3.6: Đồ thị biểu diễn SCBM của các chất HĐBM theo nồng độ .................74 Hình 3.7: Đồ thị biểu diễn hàm mục tiêu σ theo nồng độ chất HĐBM.................81 Hình 3.8: Các đường đồng mức biểu diễn giá trị σ theo nồng độ các chất HĐBM ...................................................................................................82 Hình 3.9. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đối với chất tạo bọt bền rượu .................89 Hình 3.10. Ảnh hưởng của hàm lượng hợp chất chứa silic đến SCBM của dung dịch nước ......................................................................................91 viii
Hình 3.11: Hạt silica tại giao diện không khí/nước .................................................92 Hình 3.12. Ảnh hưởng của hàm lượng hợp chất chứa silic đến SCBM của dung dịch AFFF ..............................................................................92 Hình 3.13. Tương tác phân tử tại mặt phân cách không khí/chất lỏng ...................94 Hình 3.14. Các mẫu bọt tạo thành bằng k thuật 2 ống tiêm ..................................95 Hình 3.15. Sự thay đổi hình thái bong bóng bọt theo thời gian ..............................97 Hình 3.16. Cấu trúc bong bóng còn lại sau 2 giờ ....................................................98 Hình 3.17. Cơ chế ảnh hưởng của nồng độ nano đến ổn định bọt ..........................99 Hình 3.18: Thử nghiệm hiệu quả dập cháy của dung dịch bọt AFFF có chứa natri silicat ..............................................................................102 Hình 3.19: Thử nghiệm chống cháy lại của dung dịch bọt AFFF có chứa natri silicat ..............................................................................103 ix
MỞ ĐẦU Hỏa hoạn là mối đe dọa lớn với con người. Tại Việt Nam, theo thống kê của Cục cảnh sát phòng cháy chữa cháy và cứu nạn cứu hộ, năm 2020 cả nước xảy ra 535.4 vụ cháy, làm 89 người chết, bị thương 184 người và thiệt hại tài sản ước tính 416,15 tỷ đồng; cháy rừng xảy ra 306 vụ, gây thiệt hại 1.094,15 ha rừng… [1]. Những hậu quả thiệt hại về con người và tài sản do cháy nổ gây ra rất lớn. Cháy có thể xảy ra ở bất kì đâu, trong tất cả các lĩnh vực. Nước thường được sử dụng để dập tắt các đám cháy rừng, cháy nhà, cháy thuyền bè... được làm từ các vật liệu tự nhiên như gỗ, tre nứa, cỏ, lá... Ngày nay, nó vẫn là chất chữa cháy chủ yếu với khả năng làm mát tốt và giá thành rẻ [2]. Tuy nhiên, nước không hiệu quả với đám cháy xăng, dầu hay các chất lỏng dễ cháy khác do nước có tỷ trọng lớn hơn các nhiên liệu này [3-4]. Đám cháy có nguồn gốc từ nhiên liệu lỏng có tốc độ cháy nhanh, thời gian dài và bức xạ nhiệt mạnh, có thể dẫn đến thiệt hại nghiêm trọng cho môi trường xung quanh [5-10]. Do đó, việc nghiên cứu, chế tạo chất chữa cháy hiệu quả, dập tắt nhanh chóng có ý nghĩa vô cùng quan trọng. Với sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ, bọt chữa cháy đã được nghiên cứu thành nhiều loại đáp ứng cho từng mục đích khác nhau. Chất tạo bọt chữa cháy được ứng dụng để dập tắt đám cháy, ngăn cản sự cháy lại trong các vụ cháy chất rắn, chất lỏng dễ cháy, hơi khí nén, cháy trạm biến áp, nhà xưởng, tàu thuyền chở nhiên liệu...[11] Với tính chất dập cháy nhanh, phổ biến nên bọt chữa cháy hiện nay là loại chất chữa cháy được sử dụng rộng rãi nhất trên thị trường. Ở nước ta, việc nghiên cứu, sản xuất các sản phẩm bọt chữa cháy còn hạn chế, chủ yếu là nhập khẩu. Đặc biệt là dòng sản phẩm bọt chữa cháy tạo màng nước (Aqueous film forming foam concentrate – AFFF) và chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu (Alcohol resistant - aqueous film forming foam concentrate AR-AFFF). Vì vậy, nghiên cứu chế tạo các sản phẩm bọt chữa cháy đáp ứng nhu cầu sử dụng và chủ động sản xuất trong nước là việc làm hết sức cần thiết. Các sản phẩm bọt chữa cháy này là một hỗn hợp phức tạp với thành phần chính là các chất hoạt động bề mặt (HĐBM) hydrocarbon và fluorocarbon. Hai dòng chất HĐBM này đều có những ưu, nhược điểm riêng. Việc nghiên cứu sử dụng phối hợp các chất HĐBM với các phụ gia để chế tạo bọt chữa cháy hiệu năng cao cần được tiến hành. 1
Do đó, việc thực hiện đề tài luận án: "Nghiên cứu xây dựng hệ chất hoạt động bề mặt bền nhiệt ứng dụng trong công nghệ sản xuất chất tạo bọt chữa cháy" có tính thời sự, có ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn. Mục đích của luận án: - Xây dựng hệ các chất hoạt động bề mặt bền nhiệt từ một số chất hoạt động bề mặt, phù hợp với điều kiện nhiệt độ cao và đặc tính của từng đối tượng cháy; - Tối ưu hóa hệ chất hoạt động bề mặt bền nhiệt xây dựng được, ứng dụng trong sản xuất chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước (AFFF) và chất tạo bọt tạo màng nước bền rượu (AR-AFFF) đạt TCVN; - Đánh giá khả năng ứng dụng một số hợp chất chứa silic nhằm nâng cao hiệu quả dập cháy cho bọt chữa cháy tạo màng nước AFFF. Để thực hiện được các mục tiêu trên, các nội dung nghiên cứu cụ thể sau đây đã được triển khai thực hiện: - Nghiên cứu phân tích, đánh giá, lựa chọn chất hoạt động bề mặt phù hợp với điều kiện khắc nghiệt của đám cháy (nhiệt độ cao, bức xạ nhiệt mạnh, thời gian cháy dài…) nhằm nâng cao hiệu quả dập tắt đám cháy; - Nghiên cứu các tính chất lý hóa, tính tương hợp và tính bền nhiệt của các hệ chất được chọn; - Nghiên cứu tối ưu hóa tỷ lệ phối trộn các chất hoạt động bề mặt phù hợp với bọt chữa cháy AFFF và AR-AFFF và cho giá trị sức căng bề mặt nhỏ nhất; - Nghiên cứu sử dụng phối hợp chất hoạt động bề mặt bền nhiệt với một số hợp chất chứa silic nhằm nâng cao hiệu quả dập cháy của bọt chữa cháy tạo màng nước AFFF. 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về chất tạo bọt chữa cháy 1.1.1. Giới thiệu chung về chất tạo bọt chữa cháy Bọt chữa cháy là sản phẩm đang được sử dụng phổ biến cho các đám cháy chất rắn hoặc nhiên liệu lỏng. Nó cũng được dùng trong trường hợp ngăn sự bay hơi và cháy lại của nhiên liệu cháy (xăng, axeton, metanol, etanol…) [12-15]. Trên cơ sở các số liệu về nhu cầu sử dụng chất tạo bọt chữa cháy, các sản phẩm thường được sử dụng là: + Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước (AFFF): là bọt chữa cháy được chế tạo từ hỗn hợp chất HĐBM hydrocarbon và fluor hóa có khả năng tạo màng nước trên bề mặt của một số nhiên liệu cháy. Sử dụng hiệu quả cho đám cháy chất lỏng không phân cực như: xăng, dầu… + Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu (AR-AFFF): là bọt chữa cháy có độ bền chống phân huỷ khi sử dụng trên bề mặt rượu hoặc dung môi phân cực khác, được sử dụng cho chất cháy hòa tan được với nước. + Chất tạo bọt chữa cháy sử dụng nước biển: Được sử dụng để chữa cháy các công trình trên biển, giàn khoan… Luận án này tập trung nghiên cứu chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước và chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu là hai loại bọt chữa cháy được sử dụng phổ biến ở các nước trên thế giới. Có hai thông số chính để đánh giá đặc tính và hiệu quả của dung dịch bọt chữa cháy là khả năng tạo bọt và độ ổn định của bọt. Khả năng tạo bọt được định nghĩa là độ nở của dung dịch khi bọt được tạo thành, dựa vào đó có thể chia ra thành các loại: - Chất tạo bọt chữa cháy độ nở thấp: Độ nở từ 1 - 20 lần, sử dụng chủ yếu cho các đám cháy với diện tích cháy lớn và không gian cháy mở (ngoài không khí). Có khả năng lan truyền nhanh, giúp dập nhanh đám cháy. Thường sử dụng cho các thiết bị chữa cháy di động như bình phun bọt chữa cháy, các xe chữa cháy… - Chất tạo bọt chữa cháy có độ nở trung bình: Độ nở từ 20-200 lần: được sử dụng nhiều trong các đám cháy ở khu vực kín, không gian cháy trung bình giúp dập cháy nhanh và ngăn cản sự bốc hơi của nhiên liệu cháy. - Chất tạo bọt chữa cháy có độ nở cao: Độ nở lớn hơn 200 lần: được sử dụng 3
cho đám cháy có hóa chất: thuốc trừ sâu, tạo lớp phủ lên hóa chất dễ bốc hơi và những đám cháy xảy ra trong khu vực kín, với không gian lớn như: trạm sửa chữa, bảo dưỡng máy bay, hầm mỏ, xưởng đóng tàu… có tác dụng bao phủ, lan tỏa nhanh trong khu vực cháy, ngăn cản sự bốc hơi của nhiên liệu cháy tốt hơn. Chất tạo bọt độ nở cao được sử dụng để chữa cháy ở trên cao và dưới mặt đất [16]. Độ ổn định của bọt chữa cháy được đánh giá qua thời gian bán hủy và các đặc tính của bọt (như thể tích bọt) thay đổi theo thời gian [17]. Do vậy, nó phụ thuộc vào các thay đổi của thể tích và lượng nước tiết ra từ bọt. Dung dịch có sức căng bề mặt và độ nhớt thấp hơn thường có khả năng tạo bọt cao hơn [18, 19]. Độ ổn định bọt phụ thuộc vào các chất HĐBM có trong thành phần chất tạo bọt được biểu diễn như hình 1.1. Các chất HĐBM có khả năng cải thiện tính đàn hồi của lớp màng bong bóng vì vậy làm cho bọt bền hơn, tồn tại được lâu hơn [20]. Một số nghiên cứu đã chứng minh rằng các hạt nano cũng có tác dụng ổn định bọt do hấp thụ tại giao diện lỏng và không khí [21] . Hình 1.1. Bọt được ổn định bằng chất hoạt động bề mặt [22] Tại Việt Nam, bọt chữa cháy phải đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) 7278 : 2003 [23] với các chỉ tiêu: - Độ nở từ 5,5 đến 20 lần; - Thời gian bán hủy: ≥ 4 phút; - pH dung dịch: 6,5 – 8; - Tỷ trọng ở 25°C: 1,02 - 1,06 g/cm3; - Hệ số lan truyền: > 0. 4
1.1.2. Chất tạo bọt tạo màng nước Chất tạo bọt tạo màng nước (AFFF) được nghiên cứu và phát triển từ năm 1960 là chất chữa cháy hiệu quả cao, sử dụng cho các đám cháy là chất lỏng dễ cháy không tan trong nước như xăng, dầu…[24]. Ứng dụng của bọt chữa cháy tạo màng nước trong một số đám cháy thể hiện như hình 1.2. Hình 1.2: Bọt chữa cháy tạo màng nước chữa cháy bể xăng dầu và trạm xăng dầu [9] AFFF được sử dụng trong các ứng dụng dân sự trên toàn thế giới, với độ đậm đặc là 1%, 3% hoặc 6%. Dung dịch bọt đậm đặc được trộn với nước theo tỷ lệ nhất định, thực hiện trong một hệ thống phối trộn tạo thành dung dịch bọt nước như sau: - Nồng độ 6%: 6 phần bọt trong 94 phần nước; - Nồng độ 3%: 3 phần bọt trong 97 phần nước; - Nồng độ 1%: 1 phần bọt trong 99 phần nước. Bọt chữa cháy 1% về cơ bản đậm đặc hơn 6 lần so với bọt 6% và bọt 3% đặc gấp đôi bọt 6%. Đặc tính chữa cháy của dung dịch bọt được tạo ra từ các bọt đậm đặc có nồng độ 1%, 3% và 6% của một nhà sản xuất hầu như giống nhau. 5
Hình 1.3: Dung dịch bọt được tạo từ 6% chất tạo bọt đậm đặc – 94% nước Việc hạ nồng độ phần trăm chất tạo bọt xuống thấp hơn là cần thiết để tạo ra bọt chữa cháy hiệu quả cao. Sử dụng chất tạo bọt chữa cháy 3% thay vì bọt 6% có thể giảm một nửa không gian lưu trữ, bảo quản, như vậy sẽ giảm trọng lượng và chi phí vận tải, trong khi khả năng chữa cháy tương đương nhau. Dung dịch bọt sau khi được phun ra sẽ tạo thành các bọt nhỏ, các bọt này sẽ lan truyền nhanh chóng để tạo thành một lớp màng nước nổi trên bề mặt hầu hết các nhiên liệu hydrocarbon. Tính chất lan truyền này có được là do thành phần chất hoạt động bề mặt fluor hóa trong AFFF nhờ đặc tính giảm sức căng bề mặt của dung dịch xuống giá trị thấp (15-20 mN/m). Nhờ vậy, dung dịch nước lan rộng nhanh chóng trên bề mặt của chất lỏng hydrocarbon. Lớp màng được hình thành này bao gồm cả lớp bọt và màng nước. Nó có tác dụng ngăn chặn hơi nhiên liệu bốc lên và ngăn cách oxy với hơi nhiên liệu, làm mát và cuối cùng là dập tắt ngọn lửa được biểu diễn như hình 1.4. Đặc tính tạo màng cho thấy ngay khi các bong bóng bọt đã mất thì lớp màng nước được hình thành từ dung dịch bọt vẫn tồn tại bao phủ trên bề mặt chất lỏng hydrocarbon [25]. Do đó, việc tìm kiếm các chất HĐBM tập trung vào các yếu tố quan trọng là khả năng làm giảm sức căng bề mặt và tạo màng nước trên một loại nhiên liệu nhất định. 6
Hình 1.4: Hình ảnh mô tả cách tạo màng bọt lan tỏa trên đám cháy hydrocarbon lỏng [26] Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước AFFF đậm đặc chủ yếu gồm các chất HĐBM và các thành phần tăng độ bền của bọt như glycol ether, ethylen hoặc propylen glycol. Sức căng bề mặt giảm xuống giá trị thấp, bọt được ổn định và bền hơn khi sử dụng phối hợp chất hoạt động bề mặt fluor hóa và chất hoạt động bề mặt hydrocarbon. Các chất HĐBM fluor hóa được sử dụng trong tất cả trong các công thức AFFF hiện tại. 1.1.3. Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu Mặc dù AFFF được sử dụng phổ biến cho các đám cháy chất lỏng dễ cháy, tuy nhiên nó lại không có hiệu quả đối với đám cháy của nhiên liệu dễ cháy tan trong nước như: ancol, keton có mạch hydrocarbon thấp và este do bọt dễ bị hoà tan và bị phân hủy bởi nhiên liệu [27]. Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đã nghiên cứu và chế tạo ra sản phẩm chất tạo bọt chữa cháy với tên gọi là bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu (kí hiệu AR-AFFF) [28]. Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu điển hình cũng có thành phần chính tương tự như chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bao gồm: một hoặc nhiều chất hoạt động bề mặt đã được fluor hoá; một hoặc nhiều chất hoạt động bề mặt hydrocarbon; các dung môi như glycol hoặc glycol ete và các tác nhân phụ gia khác như tác nhân tạo phức, đệm pH, các tác nhân chống ăn mòn... [29-31]. Ngoài ra, nó còn có thêm thành phần quan trọng giúp chất tạo bọt chữa cháy không bị tan trong các dung môi phân cực đó là polyme tan trong nước. Cơ chế dập cháy của bọt 7