Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Phân tích thành phần hóa học, tính chất của hệ chất tạo bọt trong dung dịch chữa cháy 3 % có độ nở thấp

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:63

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của Luận văn nhằm phân tích xác định thành phần hóa học, tính chất của hệ chất tạo bọt trong dung dịch chữa cháy tạo màng nước 3% có độ nở thấp là rất quan trọng và cần thiết, tiến tới việc sản xuất tại Việt Nam các vật liệu dập cháy hiệu quả này. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Phân tích thành phần hóa học, tính chất của hệ chất tạo bọt trong dung dịch chữa cháy 3 % có độ nở thấp

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TÔ PHÚC DU PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN HÓA HỌC, TÍNH CHẤT CỦA HỆ CHẤT TẠO BỌT TRONG DUNG DỊCH CHỮA CHÁY 3 % CÓ ĐỘ NỞ THẤP LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Thái Nguyên – 2020
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TÔ PHÚC DU PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN HÓA HỌC, TÍNH CHẤT CỦA HỆ CHẤT TẠO BỌT TRONG DUNG DỊCH CHỮA CHÁY 3 % CÓ ĐỘ NỞ THẤP Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số: 8.44.01.18 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. TRƯƠNG THỊ THẢO 2. TS. LÊ VĂN THỤ Thái Nguyên – 2020
LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, sâu sắc của mình tới TS. Trương Thị Thảo và TS. Lê Văn Thụ, đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn, dìu dắt tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa Hóa học, các thầy cô giáo và các cán bộ nhân viên phòng thí nghiệm trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên và Trung tâm phát triển công nghệ cao, Viện Hàn lâm khoa học Việt Nam đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện luận văn này. Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã luôn động viên, ủng hộ và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong quá trình thực hiện nhưng trong bản luận văn này không tránh khỏi những sai sót và khiếm khuyết. Tôi rất mong nhận được các ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn đồng nghiệp để bản luận văn được đầy đủ và hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận văn Tô Phúc Du a
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. a MỤC LỤC ....................................................................................................................... b DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................................... d DANH MỤC HÌNH ........................................................................................................ e DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................. f MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 Chương 1: TỔNG QUAN ............................................................................................... 3 1.1. Cháy và các phương pháp chữa cháy ....................................................................... 3 1.1.1. Nguyên nhân hình thành đám cháy ....................................................................... 3 1.1.2. Phân loại đám cháy ................................................................................................ 4 1.1.3. Các phương pháp chữa cháy.................................................................................. 5 1.2. Công nghệ chữa cháy sử dụng chất tạo bọt .............................................................. 9 1.2.1. Giới thiệu chung .................................................................................................... 9 1.2.2. Phân loại chất tạo bọt .......................................................................................... 10 1.2.3. Thành phần chất tạo bọt ...................................................................................... 17 1.2.4. Các tính chất của hệ chất tạo bọt trong dung dịch chữa cháy có độ nở thấp ...... 17 1.3. Phương pháp nghiên cứu tính chất chất tạo bọt ..................................................... 20 1.3.1. Phương pháp phân tích xác định độ nở và thời gian bán hủy ............................. 20 1.3.2. Phương pháp phân tích xác định sức căng bề mặt, hệ số lan truyền .................. 21 1.3.3. Phương pháp phân tích khả năng tương hợp và độ bền nhiệt ............................. 22 1.3.4. Phương pháp phân tích xác định thành phần và nồng độ của chất tạo bọt ......... 23 1.4. Các nội dung nghiên cứu trong luận văn ................................................................ 24 Chương 2: THỰC NGHIỆM ......................................................................................... 25 2.1. Hóa chất và thiết bị ................................................................................................. 25 2.1.1. Hóa chất ............................................................................................................... 25 2.1.2. Thiết bị ................................................................................................................. 25 2.2. Nội dung thực nghiệm ............................................................................................ 26 2.2.1. Phân tích các thông số kỹ thuật của chất tạo bọt ................................................. 26 Chương 3: KẾT QUẢ THẢO LUẬN ........................................................................... 28 3.1. Phân tích xác định các thông số kỹ thuật của chất hoạt động bề mặt .................... 28 b
3.1.1. Hệ một chất HĐBM............................................................................................. 28 3.1.2. Hệ nhiều chất HĐBM .......................................................................................... 30 3.1.3. Tối ưu hóa phối trộn các chất HĐBM ................................................................. 36 3.2. Phân tích xác định các thông số kỹ thuật chất trợ HĐBM và các phụ gia ............. 42 3.2.1. Độ nở, thời gian bán hủy chất trợ HĐBM ........................................................... 42 3.2.2. Độ nở, thời gian bán hủy các chất phụ gia .......................................................... 43 3.2.3. Phân tích hệ số lan truyền .................................................................................... 45 3.3. Phân tích độ bền của hỗn hợp chất HĐBM với chất trợ HĐBM và các chất phụ gia ....................................................................................................................................... 45 3.4. Xây dựng và tối ưu hóa quy trình kỹ thuật chế tạo hệ dung dịch chữa cháy tạo bọt tạo màng nước 3 % ........................................................................................................ 48 3.4.1. Phân tích thời gian khuấy và tốc độ khuấy đối với chất tạo bọt tạo màng nước. 48 3.4.2. Lập công thức phân tích chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước 3 % ................. 49 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 52 CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN c
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT APGs Alkyl polyglucosides DCF DuPont™ Capstone® fluorosurfactant HĐBM Hoạt động bề mặt HEC Hydroxyethyl cellulose LHSB Lauryl hydroxy sulfobetaine NPE Nonyl phenol ethoxylate SCBM Sức căng bề mặt TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam d
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Mô hình cháy kiểu tam giác ........................................................................... 3 Hình 1.2. Mô tả quá trình hình thành bọt chữa cháy ....................................................... 8 Hình 1.3. Đồ thị Zisman về sức căng bề mặt của một mẫu gỗ ...................................... 12 Hình 1.4. Tạo màng bọt trên nhiên liệu hydrocacbon .................................................. 13 Hình 1.5. Bọt chữa cháy có độ nở thấp ........................................................................ 16 Hình 1.6. Bọt chữa cháy có độ nở trung bình ............................................................... 16 Hình 1.7. Bọt chữa cháy có độ nở cao .......................................................................... 16 Hình 1.8. Bình thu để xác định độ nở và thời gian bán phân hủy ................................ 21 Hình 1.9. Bộ phận thu bọt để xác định độ nở và thời gian bán phân hủy .................... 21 Hình 3.1. Đồ thị biểu diễn mặt mục tiêu σ theo các giá trị của nồng độ chất HĐBM ..40 Hình 3.2. Các đường đồng mức biểu diễn giá trị σ theo nồng độ các chất HĐBM .. ... 41 Hình 3.3. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đối với chất tạo bọt tạo màng nước 3% ........ 49 e
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. NFPA phân loại nhiên liệu dễ cháy .............................................................. 11 Bảng 3.1. Độ nở và thời gián bán hủy của dung dịch DCF........................................... 28 Bảng 3.2. Kết quả khảo sát độ nở và thời gian bán hủy của các chất HĐBM hydrocacbon ................................................................................................. 29 Bảng 3.3. Sức căng bề mặt của các chất HĐBM........................................................... 30 Bảng 3.4. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG (tỉ lệ: 1:1) theo thời gian ủ nhiệ .... ..31 Bảng 3.5. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG (tỉ lệ: 1:2) theo thời gian ủ nhiệ .... ..31 Bảng 3.6. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG (tỉ lệ: 1:3) theo thời gian ủ nhiệ .... ..31 Bảng 3.7. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG (tỉ lệ: 1:4) theo thời gian ủ nhiệt .... .31 Bảng 3.8. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG : LHSB (tỉ lệ: 1:3:1) theo thời gian ủ nhiệt .......................................................................................................... 32 Bảng 3.9. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG : LHSB (tỉ lệ: 1:3:2) theo thời gian ủ nhiệt .......................................................................................................... 32 Bảng 3.10. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG : LHSB (tỉ lệ: 1:3:3) theo thời gian ủ nhiệt .................................................................................................. 33 Bảng 3.11. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG : LHSB (tỉ lệ: 1:3:4) theo thời gian ủ nhiệt .................................................................................................. 33 Bảng 3.12. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG : NPE (tỉ lệ: 1:3:1) theo thời gian ủ nhiệt .......................................................................................................... 34 Bảng 3.13. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG : NPE (tỉ lệ: 1:3:2) theo thời gian ủ nhiệt .......................................................................................................... 34 Bảng 3.14. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG : NPE (tỉ lệ: 1:3:3) theo thời gian ủ nhiệt .......................................................................................................... 34 Bảng 3.15. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG : NPE (tỉ lệ: 1:3:4) theo thời gian ủ nhiệt .......................................................................................................... 34 Bảng 3.16. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG : LHSB : NPE theo thời gian ủ nhiệt.................................................................................... 35 Bảng 3.17. Phân tích độ nở, thời gian bán hủy của hệ chất HĐBM ............................ 36 Bảng 3.18. Kết quả tính toán σ của các thí nghiệm quy hoạch theo ma trận yếu tố toàn phần ............................................................................. 38 Bảng 3.19. Kết quả thí nghiệm theo phương pháp quay bậc 2 Box – Hunter............... 39 f
Bảng 3.20. Kết quả xác định hệ số lan truyền ............................................................... 42 Bảng 3.21. Kết quả phân tích lựa chọn chất trợ HĐBM .............................................. 43 Bảng 3.22. Phân tích ảnh hưởng của HEC đến độ nở và thời gian bán hủy ................ 44 Bảng 3.23. Phân tích ảnh hưởng của glycerin đến nhiệt độ đông đặc .......................... 44 Bảng 3.24. Phân tích ảnh hưởng Ure đến độ nhớt ....................................................... 45 Bảng 3.25. Kết quả phân tích hệ số lan truyền .............................................................. 46 Bảng 3.26. Biến thiên pH và σ của hệ N (DCF : APG : LHSB : NPE) + 5 % Butyl diglycol theo thời gian ủ nhiệt ..................................................................... 46 Bảng 3.27. Biến thiên pH và σ của hệ N (DCF : APG : LHSB : NPE) + 2,5 % Glycerin theo thời gian ủ nhiệt..................................................................... 47 Bảng 3.28. Biến thiên pH và σ của hệ N (DCF : APG : LHSB : NPE) + 1,5 % Ure theo thời gian ủ nhiệt.................................................................................... 47 Bảng 3.29. Biến thiên pH và σ của hệ N (DCF : APG : LHSB : NPE) + 1,0 % HEC theo thời gian ủ nhiệt.................................................................................... 47 Bảng 3.30. Biến thiên pH và σ của hệ N (DCF : APG : LHSB : NPE) + 4 chất phụ gia trên theo thời gian ủ nhiệt ...................................................................... 47 Bảng 3.31. Kết quả phân tích thời gian khuấy và tốc độ khuấy .................................... 48 Bảng 3.32. Kết quả kiểm tra thông số kỹ thuật chính của chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước ................................................................................................... 50 g
MỞ ĐẦU Từ xa xưa, con người đã biết dùng nước để dập tắt các đám cháy rừng, cháy nhà, cháy thuyền bè... vốn được làm từ các vật liệu tự nhiên như gỗ, tre nứa, cỏ, lá... cho đến ngày nay, nước vẫn là chất chữa cháy chủ yếu với khả năng làm mát tốt và giá thành rẻ. Tuy nhiên, ngày nay, với khoa học kỹ thuật phát triển, các vật liệu quen thuộc trong cuộc sống và sản xuất không phải chỉ là gỗ tre nứa nữa mà là kim loại, nhựa, là rất nhiều các chất lỏng nhiên liệu khác như xăng, dầu …, thì nước không còn là vật liệu dập nửa duy nhất hiệu quả nữa, nhất là với đám cháy xăng, dầu hay các chất lỏng dễ cháy khác bởi vì nước có tỷ trọng lớn hơn chất lỏng dễ cháy nên khi dùng nước dập cháy, nó nhanh chóng chìm xuống dưới bề mặt của nhiên liệu mà không có bất kỳ tác động đáng kể nào trên đám cháy. Vì vậy đòi hỏi những vật liệu dập lửa mới phù hợp hơn. Để kiểm soát được đám cháy cần nhiều biện pháp tổng thể kết hợp trong đó, việc trang bị đầy đủ và phù hợp chất tạo bọt chữa cháy, phương tiện chữa cháy là một trong những biện pháp vô cùng quan trọng và hiệu quả nhất hiện nay. Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ, bọt chữa cháy đã phát triển thành nhiều loại để đáp ứng cho từng mục đích chữa cháy cho các đám cháy cụ thể. Chất tạo bọt chữa cháy được ứng dụng để dập tắt đám cháy và 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... 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. Các loại chất tạo bọt được sử dụng phổ biến hiện nay là chất tạo bọt chữa cháy sử dụng nước biển, chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước sử dụng nước ngọt, nước biển và chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu. Trên thế giới, các sản phẩm này đã được tập trung nghiên cứu từ rất lâu, trong đó nổi trội là các nước phát triển có nền khoa học công nghệ cao như: Anh, Pháp, Mỹ… Hiện nay, có thể nói các sản phẩm này đã được nghiên cứu đến mức tối ưu về hiệu quả dập cháy và rất đa dạng về chủng loại sản phẩm theo tính chất của đám cháy và yêu cầu của người sử dụng. Các sản phẩm bọt chữa cháy của nước ngoài thông thường được sản xuất và cung cấp bởi các công ty lớn và các tập đoàn đa quốc gia. Mỗi một nhà cung cấp khác nhau đều có một quy trình công nghệ và dây chuyền thiết bị sản xuất đồng bộ tương ứng riêng của mình. Có thể nói đây là bí quyết riêng nên không được phổ biến rộng 1
rãi, do vậy không thể biết được cụ thể quy trình công nghệ và cách chế tạo sản xuất sản phẩm. Bên cạnh đó, ở Việt Nam việc nghiên cứu, sản xuất các sản phẩm bọt chữa cháy còn hạn chế, phần lớn chúng ta vẫn phải nhập khẩu của nước ngoài các sản phẩm phục vụ cho công tác phòng cháy chữa cháy. Đặc biệt là dòng sản phẩm bọt chữa cháy tạo màng nước. Do đó, để việc nghiên cứu, chế tạo sản phẩm bọt chữa cháy có khả năng ứng dụng cao, rộng rãi là vấn đề thiết yếu. Việc tìm kiếm các giải pháp phù hợp để xây dựng hệ chất HĐBM bền nhiệt và có độ đậm đặc cao hiện là một yêu cầu cấp thiết của việc sản xuất chất tạo bọt chữa cháy ở nước ta hiện nay. Ngoài ra, giá thành của một số loại chất tạo bọt chữa cháy hiện nay ngày càng cao, trong khi đó nhu cầu sử dụng trong nước khá lớn . Vì vậy, phân tích xây dựng hệ chất HĐBM bền nhiệt, ứng dụng trong sản xuất chất tạo bọt thành công sẽ là tiền đề thuận lợi để Việt Nam chủ động sản xuất chất tạo bọt chữa cháy thế hệ mới phù hợp với xu thế chung của thế giới, tự sản xuất trong nước được một số vật liệu, sản phẩm chữa cháy mới với tính năng ưu việt trong những năm sắp tới. Do đó, việc nghiên cứu, phân tích xác định thành phần hóa học, tính chất của hệ chất tạo bọt trong dung dịch chữa cháy tạo màng nước 3% có độ nở thấp là rất quan trọng và cần thiết, tiến tới việc sản xuất tại Việt Nam các vật liệu dập cháy hiệu quả này. 2
Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Cháy và các phương pháp chữa cháy 1.1.1. Nguyên nhân hình thành đám cháy Quá trình cháy là những quá trình lý – hóa học phức tạp của phản ứng giữa chất cháy và chất oxi hóa tạo thành sản phẩm cháy. Tương tự như đối với chất cháy khác: gỗ, cao su, vải… quá trình cháy đối với các chất cháy là sản phẩm của dầu mỏ có bản chất là những phản ứng hóa học có tỏa nhiệt và phát sáng. Để cho cho đám cháy có thể hình thành, nhất thiết phải hội tụ đủ ba yếu tố, đó là: chất cháy, chất oxi hóa và nguồn nhiệt. Trong đó chất cháy ở đây là nhiên liệu: xăng dầu, dung môi hữu cơ... và chất oxi hóa là oxi và nguồn nhiệt [1]. Khi hội tụ đủ ba yếu tố cần thiết nói trên, sự cháy sẽ xảy ra khi ba yếu tố được tiếp xúc với nhau, với điều kiện: - Nồng độ của chất cháy và chất oxi hóa phải ở trong phạm vi nồng độ bốc cháy - Nguồn nhiệt phải đáp ứng được yêu cầu nung nóng được hỗn hợp chất cháy và chất oxi hóa – hỗn hợp cháy tới một nhiệt độ nhất định là nhiệt độ tự bốc cháy của hỗn hợp. Để dễ hình dung, sự cháy có thể được mô tả trực quan bằng mô hình dưới đây: Hình 1.1. Mô hình cháy kiểu tam giác Từ mô hình có thể nhận thấy, khi nhiên liệu cháy được cung cấp một nguồn nhiệt nhất định thì nhiên liệu sẽ được nung nóng và bốc hơi, hơi nhiên liệu kết hợp với O2 có trong không khí với vai trò là chất oxi hóa sẽ tạo thành hỗn hợp chất cháy, đám cháy sẽ xảy ra khi hỗn hợp được cấp nhiệt đến nhiệt độ cháy. Quá trình cháy là phản 3
ứng oxi hóa giữa chất cháy và O2 sẽ tạo ra nhiệt lượng lớn tiếp tục cấp nhiệt cho quá trình bốc cháy của nhiên liệu cho đến khi hết nhiên liệu. 1.1.2. Phân loại đám cháy Ở Châu Âu và Mỹ việc phân định các đám cháy được quy định trong các tiêu chuẩn về sản phẩm bọt chữa cháy BS EN 2 : 1992; NFPA 11, EN 13565-2 như sau [8]: Loại A: Bao gồm các đám cháy vật liệu rắn, các chất hữu cơ tự nhiên, khi cháy thường phát sáng và tạo ra than hồng. Loại B: Bao gồm đám cháy chất lỏng hay chất rắn hóa lỏng Loại C: Đám cháy khí đốt Loại D: Đám cháy kim loại Cháy điện không có trong hệ thống phân loại này nhưng có trong hệ thống phân loại của Mỹ. Những nguyên tắc chung của việc chữa cháy, đặc biệt liên quan đến chữa cháy bằng bọt, đã được xem xét cho từng loại đám cháy. 1.1.2.1. Đám cháy loại A Đám cháy loại A là những đám cháy có liên quan đến các chất rắn thông thường chứa cacbon hữu cơ như gỗ, vải, giấy, cao su, nhựa... Với các đám cháy như vậy chỉ cần sử dụng nước mà không cần sử dụng thêm các vật liệu khác để dập cháy. Việc sử dụng nước trong các trường hợp này chủ yếu để làm lạnh, giảm nhiệt các chất rắn dễ cháy nhờ sự bay hơi. Hơi nước sinh ra ngăn cản sự tiếp xúc của vật liệu cháy với oxy ngoài môi trường làm cho đám cháy nhanh được dập tắt. Nước tinh khiết có sức căng bề mặt cao do đó khả năng thâm nhập vào một số vật liệu rắn xốp giảm và làm ẩm chậm vật liệu dễ cháy đặc biệt là các vật liệu có bề mặt kỵ nước. 1.1.2.2. Đám cháy loại B Đám cháy loại B là những đám cháy có liên quan đến chất lỏng dễ cháy, chất rắn hóa lỏng, dầu, mỡ, hắc ín, dầu sơn nhũ và sơn mài... Sự cháy của chúng xuất hiện hoàn toàn ở trạng thái hơi, trên bề mặt của chất lỏng. Dựa theo mục đích chữa cháy, chất lỏng loại B có thể chia thành 3 loại: - Chất lỏng loại B không tan trong nước điểm bốc cháy cao - Chất lỏng loại B không tan trong nước điểm bốc cháy thấp - Chất lỏng loại B tan trong nước Một vài đám cháy hydrocacbon lỏng điểm bốc cháy cao chẳng hạn như dầu, trong điều kiện kiểm soát tốt có thể dập tắt được chỉ bằng hiệu quả làm mát của nước. 4
Tuy nhiên, hầu hết những vụ cháy hydrocacbon điểm bốc cháy thấp chẳng hạn như xăng, dầu không thể dập tắt đám cháy nếu chỉ dùng nước, nguyên nhân là do nước thường có khối lượng riêng nặng hơn nhiều so với hydrocacbon lỏng. Do đó, khi dùng nước để chữa cháy, nó ngay lập tức chìm xuống dưới bề mặt nhiên liệu mà không có bất kỳ tác dụng dập cháy nào. Trong thực tế, việc sử dụng nước để đối phó với các đám cháy này còn có thể làm bề mặt đám cháy tăng và lan rộng đến khu vực khác. 1.1.2.3. Đám cháy loại C Đám cháy loại C là những đám cháy bao gồm khí và khí hóa lỏng. Trong những năm gần đây các loại khí hóa lỏng dễ cháy trở thành một nguồn nhiên liệu quan trọng trong thương mại và công nghiệp. Điểm sôi của các loại khí hóa lỏng khá thấp, do đó trong trường hợp bị đổ thì chúng có thể bị bay hơi nhanh chóng. Do lượng hơi tạo thành lớn hơn, tính nổi thấp hơn của nguồn hơi lạnh, cho nên sự phát tán của chúng khó giải quyết hơn việc tràn chất lỏng dễ cháy như xăng. Trong điều kiện không có gió, và nơi có mặt đất dốc và có rãnh, nguồn hơi của có thể di chuyển một quãng đường dài. Nguồn hơi khí hóa lỏng được biết đến có thể di chuyển 1500 m từ một hồ bị chảy tràn chất lỏng trong khi duy trì nồng độ vượt quá giới hạn khả năng bốc cháy. 1.1.2.4. Đám cháy loại D Đám cháy loại D là những đám cháy bao gồm những kim loại dễ cháy như Mg, Ti, Zn, Na, K và Li. Bọt chữa cháy không nên sử dụng với những kim loại phản ứng với nước như Na, K cũng không dùng với những hóa chất khác có phản ứng với nước như Triethyl alumane và phosphorous pentoxide. Những đám cháy kim loại khác được xử lý như đám cháy loại A, nhưng nhìn chung việc sử dụng những phương tiện khác phù hợp hơn bọt hoặc nước. 1.1.2.5. Đám cháy điện Bọt chữa cháy không thích hợp để sử dụng cho đám cháy trên các thiết bị điện được cấp điện. Có thể sử dụng những phương tiện chữa cháy khác. Đám cháy trên các thiết bị điện nhưng không có dòng điện chạy qua thì được xử lý riêng như đám cháy loại A hoặc B. 1.1.3. Các phương pháp chữa cháy Trước khi có sự xuất hiện của bọt chữa cháy thì nước đóng vai trò là một trong những vật liệu chữa cháy thông dụng và phổ biến. Nước mang lại hiệu quả dập cháy tốt khi áp dụng cho các đám cháy thuộc loại A – là đám cháy liên quan đến vật liệu rắn 5
dễ cháy: như gỗ, cao su, bông sợi… Với các đám cháy này chỉ cần sử dụng nước mà không cần thêm vật liệu khác để dập cháy. Việc sử dụng nước trong các trường hợp này chủ yếu để làm lạnh, giảm nhiệt các chất rắn dễ cháy nhờ sự bay hơi. Hơi nước sinh ra ngăn cản sự tiếp xúc của vật liệu cháy với oxy ngoài môi trường làm cho đám cháy nhanh được dập tắt. Nước có sức căng bề mặt cao do đó khả năng thâm nhập vào một số vật liệu rắn xốp giảm và làm ẩm chậm vật liệu dễ cháy đặc biệt là các vật liệu có bề mặt kỵ nước. Tuy nhiên, khi áp dụng cho các đám cháy khác, đặc biệt là các đám cháy xăng dầu và các sản phẩm từ quá trình cracking dầu mỏ thì nước hoàn toàn không có khả năng dập cháy được, thâm chí còn làm tăng thêm cường độ, sự lan tỏa của đám cháy. Cụ thể, để dập tắt một đám cháy loại B (chất lỏng dễ cháy, chất rắn hóa lỏng, dầu, mỡ, hắc ín...) thì cần thiết phải có một vật liệu chữa cháy có khả năng chịu nhiệt, hình thành lớp chất chữa cháy bao phủ lên trên bề mặt nhiên liệu. Tuy nhiên, hầu hết các nhiên liệu hydrocacbon lỏng đều có khối lượng riêng nhỏ hơn 1,0, do đó khi sử dụng nước để dập cháy, nó gần như không có tác dụng giảm nhiệt của đám cháy và cường độ của ngọn lửa bởi vì nước có khối lượng riêng xấp xỉ 1,0 nên nó bị chìm xuống bên dưới bề mặt nhiên liệu này, nguy hiểm hơn là nó có khả năng làm cho nhiên liệu lan nhanh chóng. Do đó, đám cháy phát triển nhanh và rộng hơn. Bột khô như KHCO3 và ure thường được sử dụng để dập tắt các đám cháy loại B, tuy nhiên các sản phẩm này lại không thể bảo vệ, ngăn cản khả năng cháy lại sau khi đám cháy được dập tắt. Ngoài ra, bột cũng không có khả năng lan truyền nhanh trên bề mặt nhiên liệu mà phải dùng tay rắc trực tiếp đến tất cả khu vực cháy, gây ra hạn chế đối với các đám cháy lớn. Hơn nữa, việc sử dụng bột khô trong các đám cháy đòi hỏi các nhân viên cứu hỏa phải tiếp cận gần với các đám cháy, điều này gây ra sự mất an toàn và nguy hiểm. Do vậy, cần có sản phẩm thay thế trong công tác chữa cháy các đám cháy này [2]. Chất tạo bọt chữa cháy được các nhà khoa học trên thế giới tập trung nghiên cứu và được ứng dụng từ năm 1902. Các chất tạo bọt trong thời kỳ đầu tiên được trộn với bột vô cơ trong nước có chứa xà phòng tự nhiên để sản xuất CO2 [3]. Một số bọt khác được chế tạo từ vật liệu protein thủy phân, keratin từ các sản phẩm phụ trong các lò mổ, xưởng làm da, chúng tan trong nước nhờ các phương pháp khác nhau nhưng mục đích đều phá hủy liên kết disulfit [4]. Đối với một số bọt, cô đặc bằng cách trộn protein thủy phân với chất ổn định, chất bảo quản và các muối kim loại như các tác 6
nhân tạo phức [24, 25]. Những chất tạo bọt là protein tự nhiên; protein động vật hoặc thực vật ngày nay vẫn còn được sử dụng rộng rãi. Các chất bọt chữa cháy protein được cho thêm chất hoạt động bề mặt được flo hóa tạo thành chất tạo bọt chữa cháy floprotein [5]. Không giống như các chất chữa cháy thông thường khác, chất tạo bọt chữa cháy đóng vai trò làm mát bề mặt nhiên liệu cháy, hạn chế nguồn cấp oxi cho đám cháy thông qua sự bốc hơi của nước do nhiệt độ cao của đám cháy. Chất tạo bọt chữa cháy được sử dụng cho các đám cháy là các chất rắn hoặc các vật liệu lỏng dễ cháy để dập tắt đám cháy đang diễn ra và ngăn chặn sự cháy lại. Một tính năng quan trọng của hầu hết các bọt chữa cháy là khả năng lan truyền, bao phủ một cách tự nhiên trên bề mặt của vật liệu cháy, tạo thành một lớp màng hơi ngăn chặn sự tiếp xúc của vật liệu cháy với oxy trong môi trường bên ngoài. Khả năng này có được là do các loại chất hoạt động bề mặt được flo hóa. Chất tạo bọt trên cơ sở hỗn hợp của chất hoạt động bề mặt hydrocacbon và chất hoạt động bề mặt được flo hóa có khả năng tạo màng nước trên bề mặt một số nhiên liệu cháy được gọi là chất tạo bọt tạo màng nước. Được sử dụng tốt cho đám cháy là chất lỏng dễ cháy không phân cực như xăng, dầu… Một số bọt chữa cháy có độ bền chống phân huỷ khi sử dụng trên bề mặt rượu hoặc dung môi phân cực được gọi là chất tạo bọt chữa cháy bền rượu. Các chất tạo bọt gọi là chất tạo bọt chữa cháy bền rượu tạo màng nước được sử dụng cho chất cháy hòa tan hoặc không hòa tan được với nước (ví dụ: isopropyl alcohol, methanol, ethanol, methyl ethyl ketone, ethyl acetate, acetone, methyl t-butyl ether...) do khả năng hoạt động mạnh mẽ, các chất tạo bọt này ngày càng được sử dụng rộng rãi. Ngoài ra, chất tạo bọt chữa cháy cũng được sử dụng trong trường hợp có sự dò rỉ hóa chất dễ bay hơi để ngăn chặn sự bốc hơi của vật liệu cháy (xăng, axeton, metanol, etanol…) và các hóa chất bay hơi độc hại, giúp cho công tác khắc phục sự cố hóa chất nhanh chóng và an toàn [6-7]. Dung dịch chất tạo bọt được kết hợp với nước và không khí theo tỷ lệ phối trộn tùy thuộc vào chủng loại bọt và thiết bị công nghệ phun để tạo bọt. Sự đảo trộn cơ học là một yếu tố cơ bản cho quá trình tạo thành bọt chữa cháy theo hai hướng sau: - Sản phẩm chất tạo bọt đậm đặc phải được trộn với nước để hình thành ra dung dịch tạo bọt đồng thể. 7
- Dung dịch tạo bọt phải được kết hợp với không khí với một tỉ lệ trộn hợp lý để tạo ra sản phẩm bọt chữa cháy cuối cùng theo công thức: Phối Sản phẩm bọt đậm đặc + Nước + = Dung dịch bọt trộn Phối Sản phẩm bọt chữa Dung dịch bọt + Không khí + = trộn cháy cuối cùng Hình 1.2. Mô tả quá trình hình thành bọt chữa cháy + Bước đầu tiên, pha loãng sản phẩm bọt đậm đặc với nước theo một tỷ lệ phần trăm cụ thể, tỷ lệ pha loãng đặc trưng cho một sản phẩm bọt được đưa ra khi sử dụng trong một ứng dụng cụ thể, thông thường tỷ lệ này là 6 %, 3 %, hoặc 1 %. Xu hướng ngày nay là phát triển các sản phẩm chất tạo bọt có tỷ lệ thấp tạo điều kiện thuận lợi trong việc vận chuyển và bảo quản sản phẩm. + Bước thứ hai: phối trộn dung dịch bọt thu được ở trên không khí (hút không khí) để tạo thành sản phẩm bọt chữa cháy cuối cùng. Các yếu tố như bảo quản, tỷ lệ và khả năng pha trộn của bọt đậm đặc với các nguồn nước sẵn có, phương thức trộn không khí vào bọt và phun lên bề mặt nhiên liệu là những yếu tố quan trọng đối với một sản phẩm chất tạo bọt. Sự hiểu biết cơ bản về các tính chất vật lý và hóa học của bọt chữa cháy là rất cần thiết để cung cấp sản phẩm đáng tin cậy và có hiệu quả cao với chi phí hợp lý. Bọt chữa cháy phá vỡ các chuỗi phản ứng bằng cách ngăn cản sự tiếp xúc của nhiên liệu lỏng với sức nóng của ngọn lửa (hoặc các nguồn bắt lửa khác), sự bay hơi của nhiên liệu và không khí tiếp xúc với bề mặt nhiên liệu lỏng. Thông thường, một chất lỏng dễ cháy chỉ có hơi trên bề mặt các nhiên liệu khi trộn với oxy ở một tỷ lệ đủ, là dễ cháy. Như vậy dung dịch chất tạo bọt chữa cháy dập tắt đám cháy do màng nước được hình thành sau khi phun ra, các bọt này lan toả nhanh chóng tạo thành một lớp 8
màng nổi trên bề mặt hầu hết các nhiên liệu hydrocacbon ngăn chặn hơi nhiên liệu bốc lên và ngăn cách oxy với hơi nhiên liệu. Lớp bọt bên trên lớp màng có tác dụng cung cấp bổ sung cho lớp màng được bền theo thời gian đồng thời cũng có tác dụng ngăn cách oxy khỏi đám cháy và ngăn ngừa ngọn lửa bắt cháy lại. Tất cả các khả năng này được tạo thành bởi độ nở của bọt. 1.2. Công nghệ chữa cháy sử dụng chất tạo bọt 1.2.1. Giới thiệu chung Công nghệ chữa cháy sử dụng chất tạo bọt chữa cháy chủ yếu được sử dụng trên các loại xe chữa cháy chuyên dụng và các hệ thống chữa cháy cố định chuyên biệt. Một số công nghệ chữa cháy tiên tiến trên thế giới hiện nay bao gồm [8]: - Phương pháp phun bọt chữa cháy hòa không khí: chất tạo bọt chữa cháy được hòa trộn vào nước theo tỉ lệ 1 %; 3 % và 6 %. Dưới áp lực phun 4-6 atm, dung dịch bọt chữa cháy được trộn với không khí tại đầu lăng rồi phun vào đám cháy. Đây là công nghệ cũ, đã có từ rất lâu trên thế giới, hiện nay công nghệ này không còn đáp ứng yêu cầu chữa cháy hiện đại. - Chữa cháy công nghệ cao: Sử dụng công nghệ khí động học tiên tiến, sương – nước được tạo thành bằng cách kết hợp động năng khí nén với nước bên trong vòi phun được thiết kế đặc biệt. Hệ thống chữa cháy công nghệ cao là hệ thống chữa cháy thân thiện với môi trường. Nhờ có khối lượng nhẹ và có tính linh động cao, chữa cháy nhanh, được dùng phổ biến cho lực lượng cứu hộ, các trung tâm thương mại, các ngành công nghiệp, bến cảng, cơ sở lọc hóa dầu, giàn khoan xa bờ, trạm xăng… - Công nghệ chữa cháy bằng xung lực: Công nghệ chữa cháy bằng xung lực xuất xứ từ New Zeland và được ứng dụng rộng rãi trên 60 quốc gia. Công nghệ chữa cháy bằng xung lực dựa trên nguyên tắc bắn một lượng nước nhỏ ở vận tốc khoảng 120 m/s vào vị trí đám cháy, có tác dụng làm mát, hấp thụ nhiệt tối đa, làm giảm nhiệt độ từ 1000oC xuống 40oC trong vài giây. Thiết bị chữa cháy sử dụng công nghệ chữa cháy bằng xung lực được sử dụng khá hiệu quả ở những khu di tích lịch sử, nhà máy điện hạt nhân, giàn khoan dầu, bến cảng, bãi tàu, căn cứ hải quân, quân đội… - Công nghệ chữa cháy bằng hệ thống phun bọt khí nén: Với ưu thế nhỏ, gọn, công nghệ chữa cháy bằng hệ thống phun bọt khí nén tiêu thụ ít nước, ít chất tạo bọt, thao tác dễ, hiệu quả chữa cháy cao hơn xe chữa cháy thường và thân thiện với môi trường. Công nghệ này hiện nay được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới, trong đó có 9
Việt Nam. Hiệu quả cứu hỏa của 1 xe chữa cháy theo công nghệ bằng hệ thống phun bọt khí nén với hệ thống bọt khí nén sẽ gấp 17 lần 1 xe chữa cháy thông thường. Xuất phát từ công nghệ chữa cháy bằng hệ thống phun bọt khí nén, trên thế giới hiện nay đã nghiên cứu phát triển thêm một số công nghệ đặc thù mang bản chất bằng hệ thống phun bọt khí nén như: + Hệ thống chữa cháy mặt sàn tích hợp: dùng lắp đặt trên các tàu chiến chở máy máy, sân đỗ trực thăng… + Xe phun bọt khí nén hạng nặng: được lắp đặt trên các xe tải hạng nặng để phun bọt khí nén phục vụ chữa cháy nhà cao tầng. Có thể chữa cháy cho các toà nhà cao trên 40 tầng. + Hệ thống chữa cháy bọt khí nén tích hợp: Dùng cho hệ thống chữa cháy cố định để làm tăng hiệu quả dập cháy đối với các bể chữa nhiên liệu lỏng dễ cháy. + Hệ thống chữa cháy bọt khí nén tự động: Dùng để chữa cháy chất lỏng dễ cháy trong môi trường thương mại, công nghiệp và nguy hại. - Công nghệ chữa cháy Một- Bảy: Từ năm 2005, ở Đức, Pháp, Mỹ và các nước tiên tiến trên thế giới bắt đầu sử dụng xe chữa cháy với công nghệ 1-7. Công nghệ mới này được hiểu như là 1 giọt nước được biến thành 7 hạt bọt có kích thước đồng đều nhau. Bọt hình thành có diện tích bao phủ bề mặt cháy cực lớn, do thể tích dung dịch tăng gấp 8 lần, độ bám dính cũng rất tốt, khả năng làm ẩm gấp 10 lần so với công nghệ cũ, nó có thể giữ ẩm từ 20 phút đến 10 giờ. Khả năng thấm sâu vào tác nhân gây cháy cũng cực kỳ nhanh. Công nghệ này này cho phép bắn xa cực đại lên đến 300 m. Khác với công nghệ chữa cháy cũ, chất tạo bọt chữa cháy được trộn và nén tự động với tỷ lệ chính xác cố định, tạo ra lớp bọt có kích thước đồng đều, rất mịn và đồng nhất. Do đó khả năng dập cháy vượt trội so với công nghệ chữa cháy cũ. Ưu điểm vượt trội về tiết kiệm chất chữa cháy, sử dụng ít nước và thời gian chữa cháy nhanh, đạt hiệu quả tối đa với độ an toàn cao nhất. Nó có thể sử dụng trong tất cả các loại đám cháy, đặc biệt là chữa cháy điện. Chất tạo bọt chữa cháy sử dụng cho công nghệ này là chất tạo bọt đặc chủng với tỉ lệ pha trộn thấp (0,3 – 0,6 %) và chỉ đạt hiệu cao khi được phun bằng thiết bị đồng bộ do công ty GIMAEX nghiên cứu phát triển. 1.2.2. Phân loại chất tạo bọt Có nhiều cách để phân biệt chất tạo bọt khác nhau đang tồn tại song song. Việc phân loại được các nhà nghiên cứu, sản xuất phân biệt dựa trên tính chất của sản 10
phẩm, mục đích ứng dụng và đôi khi dựa trên thiết bị công nghệ đi kèm với sản phẩm khi triển khai chữa cháy. 1.2.2.1. Phân loại theo nhiên liệu cháy Các vật liệu dễ cháy thường được gọi là "nhiên liệu”, nó có thể là một chất rắn (như gỗ, vật liệu khô hoặc cỏ, giấy...) dễ cháy hoặc một hydrocacbon lỏng dễ cháy điển hình (ví dụ, dung môi, xăng, dầu thô). Việc lựa chọn các bọt chữa cháy phụ thuộc chủ yếu vào nhiên liệu cháy gặp phải. Tại Hoa Kỳ, Hiệp hội Quốc gia Phòng cháy chữa cháy và các tổ chức khác, phân loại các loại nhiên liệu dễ cháy như bảng 1.1. [1] Chất tạo bọt chữa cháy được áp dụng cho loại A và loại B. Bảng 1.1. NFPA phân loại theo nhiên liệu dễ cháy Loại Loại nhiên liệu A Chất dễ cháy thông thường B Chất lỏng dễ cháy C Thiết bị điện D Kim loại dễ cháy a, Chất tạo bọt loại A Chất tạo bọt chữa cháy loại A phát triển vào giữa những năm 1980 để chữa cháy rừng. Nó thường được dùng để làm tăng độ ẩm của các chất nền nhiên liệu. Việc sử dụng chất tạo bọt này tốt khi dập tắt đám cháy trên bề mặt các vật liệu không thấm nước hay cấu trúc rỗng, xốp ví dụ như gỗ, cỏ, cao su, nhựa... do khả năng làm giảm sức căng bề mặt của nước và làm mát bề mặt vật liệu cháy do đó ngọn lửa nhanh chóng được dập tắt. Chất tạo bọt chữa cháy loại A thường được sử dụng phổ biến với các đám cháy trên các đồng cỏ, rừng, khu vực trên không. Các bọt màu trắng lan truyền và bám vào bề mặt của nhiên liệu trong khu vực đang cháy dưới sự điều khiển của lính cứu hỏa. Chất tạo bọt chữa cháy loại A hiệu quả nhất khi nó làm ướt được hoàn toàn bề mặt nhiên liệu chất rắn và thâm nhập vào tất cả các cấu trúc rỗng. Để làm được điều này, bọt loại A phải làm giảm sức căng bề mặt của nước thấp hơn sức căng bề mặt của chất dễ cháy (σc). Để xác định σc sử dụng phương pháp vẽ đồ thị Zisman. Các loại gỗ, bông cellulose thường có sức căng bề mặt trong khoảng 45 - 48 dyn/cm [9]. Do đó để 11