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

Alkyl polyglucosides APGs

DuPont™ Capstone® fluorosurfactant DCF

Hoạt động bề mặt HĐBM

Hydroxyethyl cellulose HEC

Lauryl hydroxy sulfobetaine LHSB

Nonyl phenol ethoxylate NPE

Sức căng bề mặt SCBM

Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN

d

Hình 1.1. Mô hình cháy kiểu tam giác ........................................................................... 3

DANH MỤC HÌNH

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

1

ứng riêng của mình. Có thể nói đây là bí quyết riêng nên không được phổ biến rộng

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

2

này.

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

3

cháy sẽ xảy ra khi hỗn hợp được cấp nhiệt đến nhiệt độ cháy. Quá trình cháy là phản

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,

4

trong điều kiện kiểm soát tốt có thể dập tắt được chỉ bằng hiệu quả làm mát của nước.

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

5

tốt khi áp dụng cho các đám cháy thuộc loại A – là đám cháy liên quan đến vật liệu rắn

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

6

protein thủy phân với chất ổn định, chất bảo quản và các muối kim loại như các tác

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

7

dịch tạo bọt đồng thể.

- 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

Sản phẩm bọt chữa Phối Dung dịch bọt + Không khí + = cháy cuối cùng trộn

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

8

được hình thành sau khi phun ra, các bọt này lan toả nhanh chóng tạo thành một lớp

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

9

trường. Công nghệ này hiện nay được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới, trong đó có

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,

11

bông cellulose thường có sức căng bề mặt trong khoảng 45 - 48 dyn/cm [9]. Do đó để

dập tắt đám cháy, bọt loại A phải giảm sức căng bề mặt của nước xuống dưới 45

dyn/cm. Một số phương pháp có sẵn để xác định tốc độ ướt của bọt loại A tìm hiểu

thêm trong tài liệu tham khảo [10].

Hình 1.3. Đồ thị Zisman về sức căng bề mặt của một mẩu gỗ

b, Chất tạo bọt loại B

Đối với các nhiên liệu dễ cháy hydrocacbon – không phân cực, không thể chỉ dập

cháy bằng nước. Việc sử dụng nước với các đám cháy này có thể làm cho đám cháy

lan rộng hơn và cháy mạnh hơn. Với các nhiên liệu dễ cháy hydrocacbon phân cực có

thể dùng nước để dập tắt, tuy nhiên chỉ áp dụng cho các đám cháy nhỏ hoặc đám cháy

có nồng độ nhiên liệu loãng.

Bọt lan truyền trên bề mặt của nhiên liệu cháy có cấu trúc gắn kết tuy nhiên

chúng không bị trộn lẫn với nhau. Lớp bọt được tạo thành lan truyền nhanh chóng trên

bề mặt nhiên liệu từ 1 điểm ban đầu khi phun bọt. Chiều dày của lớp bọt có xu hướng

tăng lên theo thời gian. Chất tạo bọt chữa cháy có độ nở cao: được sử dụng 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 lấp đầy, lan tỏa nhanh trong khu vực

cháy, ngăn cản sự bốc hơi của nhiên liệu cháy tốt hơn. Bọt sử dụng cho các đám cháy

nhiên liệu loại B có thể được dập tắt các đám cháy loại A.

Chất tạo bọt chữa cháy có chức năng làm mát. Nhiệt độ của nhiên liệu lỏng cháy

không bao giờ vượt quá điểm sôi của nó. Nhiệt hấp thụ tại bề mặt của nhiên liệu lỏng

chủ yếu là do hơi nhiên liệu bốc ra khi cháy, nhiệt do hơi phát ra lớn hơn rất nhiều so

với nhiệt của nhiên liệu cháy. Do đó khi sử dụng bọt chữa cháy phun lên trên bề mặt của 12

nhiên liệu, nó sẽ có tác dụng như một đế tản nhiệt giúp làm mát nhiên liệu ở dưới nó.

Khi đó, sau khi chữa cháy xong nhiệt của bọt và nhiên liệu ở trạng thái cân bằng, bọt

ngăn cản quá trình bốc hơi của nhiên liệu do đó giảm thiểu được khả năng cháy lại.

Ngoài ra, bọt thường được phun lên các phần tử cấu trúc như đường ống, thành

thùng chứa để ngăn chặn các điểm nóng có thể làm bốc hơi nhiên liệu và gây ra cháy.

Lý do bọt được sử dụng trong các vật liệu có cấu trúc vậy là do chúng làm cho nước

có khả năng tạo bọt cho phép nước duy trì và bám vào các bề mặt thẳng đứng và nằm

ngang làm cho bề mặt của chúng luôn mát.

Tương tự như bọt loại A, thì trọng tâm được đặt ở vị trí giữa bề mặt bọt loại B

và bề mặt của nhiên liệu. Giữa bề mặt của bọt loại B và nhiên liệu là một màng nước

mỏng. Lớp màng có tác dụng 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. Ngoài ra, trong quá trình dập cháy, bọt còn cung cấp

một lượng nước như là một chức năng làm mát trên các nhiên liệu bằng cách tiết nước

từ trong các bong bóng bọt [2].

Hình 1.4. Tạo màng bọt trên nhiên liệu hydrocacbon

Đối với bọt chữa cháy, để tạo thành một lớp màng liên tục giữa lớp phủ bọt và bề

mặt nhiên liệu thì hệ số lan truyền (S) của dung dịch chất tạo bọt phải có giá trị dương

[11].

Hệ số lan truyền là số đo khả năng của một chất lỏng tự lan truyền qua bề mặt

của một chất lỏng khác, thể hiện sự khác biệt về năng lượng giữa lớp không bị bao phủ

và bề mặt nhiên liệu bị ướt hoàn toàn. Đo hệ số lan truyền được thực hiên bằng những

nhiên liệu như: cyclohexane hoặc heptane với các nhiên liệu dễ cháy như xăng. Hệ số

13

lan truyền có thể bị thay đổi tùy thuộc vào vị trí địa lý hoặc mùa.

Trong trường hợp nếu không có chất hoạt động bề mặt có chứa flo thì dung dịch

chất tạo bọt chữa cháy sẽ không làm ướt hoàn toàn được bề mặt của nhiên liệu

hydrocacbon, điều đó có nghĩa là S <0

Bọt không tạo màng cho phép hơi của nhiên liệu có thể trộn với không khí bên

trong các bọt nhỏ tạo thành môi trường dễ cháy hơn. Loại bọt này chỉ có thể dập tắt

đám cháy bằng cách cung cấp vật liệu cách nhiệt và chứa nhiên liệu bên trong (không

phải bên dưới) màng bọt.

Như đã đề cập ở trên, nhiên liệu hydrocacbon phân cực (tức là những nhiên liệu

có khả năng tan trong nước) có xu hướng làm giảm bọt. Khi nước trong bọt được giải

phóng chúng sẽ lan truyền nhanh trên bề mặt của nhiên liệu. Đồng thời các nhiên liệu

phân cực (hoặc thành phần phân cực hơn trong nhiên liệu như ethanol trong xăng như

hiện nay) sẽ khuếch tán vào cấu trúc bọt. Sự kết hợp này làm mất ổn định giao diện

không khí/nước bởi sự hòa tan của các chất hoạt động bề mặt (tăng hiệu quả nồng độ

mixen tới hạn, CMC và sức căng bề mặt). Khi bọt được giải phóng, trọng lực liên tục

kéo bọt sát bề mặt nhiên liệu, bọt bị vỡ ra liên tục cho đến khi chỉ còn trơ lại bề mặt

vật liệu. Quá trình này có thể xảy ra nhanh hơn với những bọt được sử dụng.

Sự suy giảm này được khắc phục bằng cách bổ sung các polyme có trọng lượng

phân tử cao. Các polyme hòa tan kết tủa khi tiếp xúc với nhiên liệu tan trong nước tạo

màng bảo vệ giữa nhiên liệu và bọt. Các màng này giống như một màng nhựa mỏng

hoặc mềm, màng đục tùy thuộc vào độ dày và loại nhiên liệu. Các màng này tạo thành

lớp màng mỏng trên bề mặt nhiên liệu tương tự như bề mặt hydrocacbon không phân

cực ngăn chặn sự truyền hơi nhiên liệu vào bọt.

Bọt loại B được sử dụng trực tiếp trên bề mặt của các nhiên liệu hydrocacbon

không phân cực nhưng sử dụng gián tiếp trên nhiên liệu phân cực. Nói cách khác nó

hữu ích trong thực tế khi sử dụng chất tạo bọt tạo màng nước bền rượu gián tiếp phun

lên trên bức tường của bể chứa nhiên liệu hoặc các bề mặt thẳng đứng sau đó bọt sẽ

trượt xuống và lan truyền nhẹ nhàng trên bề mặt nhiên liệu phân cực. Thử nghiệm này

làm giảm khả năng bọt xen vào nhiên liệu, cho phép các màng hình thành nguyên vẹn,

ổn định, không bị biến động quá mức. Ngoài ra, đối với các nhiên liệu hydrocacbon

không phân cực sử dụng chất tạo bọt tạo màng nước hoặc chất tạo bọt tạo màng nước

bền rượu được phóng ra từ các thiết bị lên các đám cháy lớn và được phun trực tiếp lên

14

bề mặt các nhiên liệu đang cháy để dập tắt đám cháy.

1.2.2.2. Phân loại theo độ nở của bọt [26]

Chất tạo bọt chữa cháy độ nở thấp: Độ nở từ 1 - 20 lần, sử dụng chủ yếu cho các

đảm cháy với diện tích cháy lớn và không gian cháy không kín (ngoài không khí). Có

tính chất lan tỏa 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 xảy ra 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 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 lấp đầy, lan tỏa nhanh trong khu vực

cháy, ngăn cản sự bốc hơi của nhiên liệu cháy tốt hơn. Có tác dụng chữa cháy đám

cháy ở trên cao và dưới mặt đất [2].

Ngoài ra, chất tạo bọt chữa cháy được phân loại theo thành phần của nó. Khả

năng hòa tan trong nước của các loại nhiên liệu là yếu tố đặc biệt quan trọng có liên

quan đến chất tạo bọt, một số chất tạo bọt nhanh chóng giảm hiệu quả dập cháy khi sử

dụng cho các nhiên liệu tan trong nước. Hầu hết các loại nhiên liệu là hydrocacbon đều

không hoặc ít có khả năng tan trong nước và được gọi đơn giản là hydrocacbon, hoặc

là nhiên liệu không phân cực. Nhiên liệu có khả năng hòa tan trong nước và các tính

chất của bọt bị ảnh hưởng bất lợi khi tiếp xúc được gọi là nhiên liệu phân cực.

Để phân biệt với chất tạo bọt có nguồn gốc thiên nhiên như chất tạo bọt chữa

cháy protein, thuật ngữ chất tạo bọt chữa cháy tổng hợp được sử dụng để chỉ các chất

tạo bọt chữa cháy có tác nhân tạo bọt là các chất hoạt động bề mặt được tổng hợp nhân

tạo trên cơ sở các chất tẩy rửa tổng hợp và hóa dầu khác. Chất tạo bọt chữa cháy tổng

hợp bao gồm tất cả bọt loại A và bọt loại B không protein (mặc dù vẫn có một số sản

15

phẩm protein). Một số hình ảnh về bọt theo độ nở:

Hình 1.5. Bọt chữa cháy có độ nở thấp

Hình 1.6. Bọt chữa cháy có độ nở trung bình

16

Hình 1.7. Bọt chữa cháy có độ nở cao

1.2.3. Thành phần chất tạo bọt

Sản phẩm chất tạo bọt chữa cháy nói chung về thành phần cơ bản là hỗn hợp

của các chất hoạt động bề mặt (HĐBM), các dung môi và các chất phụ gia. Những sản

phẩm này được trộn lẫn với nước với tỉ lệ nhất định về nồng độ. Dung dịch bọt chữa

cháy tạo thành được tạo bọt bởi phương pháp cơ học và bọt được bảo vệ trên bề mặt

của chất lỏng dễ cháy.

Chất tạo bọt chữa cháy có độ nở thấp gồm các thành phần với tỉ lệ như sau: các

chất HĐBM hydrocacbon chiếm tỉ lệ từ 5 – 30 %; các chất HĐBM flo hóa chiếm tỉ lệ

từ 5 – 20 %; chất trợ HĐBM từ 1 – 10 % và các chất phụ gia chiếm tỷ lệ từ 1 – 10 %.

Các chất HĐBM là thành phần chủ yếu và quan trọng nhất của một sản phẩm

chất tạo bọt tạo màng nước có độ nở thấp, chúng có nhiệm vụ là ngăn cách oxy khỏi

nguyên liệu cháy và tiết nước để giảm nhiệt đám cháy. Việc lựa chọn những chất

HĐBM dùng trong một sản phẩm chất tạo bọt chữa cháy tuỳ thuộc vào:

+ Nhiệt độ môi trường

+ Loại đám cháy

+ Mức độ tạo bọt

+ Hình thức của sản phẩm lỏng (1 %, 3 % hay 6 %) và các yếu tố khác

Hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự tạo bọt của chất tạo bọt chữa cháy là

sự hoà tan của các chất HĐBM và nồng độ mixen tới hạn.

Sản phẩm chất tạo bọt chữa cháy cần có sự kết hợp của nhiều loại chất HĐBM

khác nhau, như chất HĐBM flo hoá và chất HĐBM hydrocacbon. Sự lựa chọn này

được thực hiện tuỳ theo đám cháy dung môi phân cực hay không phân cực ... Các chất

HĐBM không phân ly là tốt nhất đối với nguyên liệu cháy là dung môi không phân

cực hơn là các chất HĐBM anion và ngược lại.

Việc lựa chọn các chất HĐBM hợp phần nhất thiết phải dựa trên các tiêu chí về

kinh tế và kỹ thuật. Tiêu chí về kinh tế chủ yếu là giá thành của các chất HĐBM, phụ

thuộc vào loại chất HĐBM (chất HĐBM cation thường đắt, loại anion thì có giá thành

rẻ hơn ...), ngược lại, tiêu chí kỹ thuật lại rất phức tạp, phụ thuộc từng loại đám cháy.

1.2.3.1. Chất hoạt động bề mặt

- Chất HĐBM flo hóa:

17

+ DuPont™ Capstone® fluorosurfactant 1440 (DCF)

Là chất hoạt động bề mặt flo hóa được sử dụng trong chất tạo bọt tạo màng

nước có khả năng tạo thành lớp màng nước trên bề mặt của các hydrocacbon. Thường

tồn tại ở dạng dung dịch màu vàng, có khả năng tan trong nước và butyl diglycol.

- Chất HĐBM hydrocacbon:

+ Chất hoạt động bề mặt không ion:

Alkyl polyglucosides (APGs)

Là chất hoạt động bề mặt không ion được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng

công nghiệp. Chúng có nguồn gốc từ đường do vậy có khả năng tan tốt trong nước.

APGs thường được sử dụng để tăng cường sự hình thành bọt trong các sản phẩm tẩy

rửa, bọt chữa cháy, có tính ổn định cao.Thường tồn tại ở trạng thái dung dịch nhớt.

Nonyl phenol ethoxylate (NPE)

Là chất hoạt động bề mặt không ion, tồn tại dạng chất lỏng trong suốt, không

màu, có độ sánh, có khả năng hòa tan trong nước và các dung môi phân cực. Có thể

tương hợp với các chất hoạt động bề mặt, dung môi hữu cơ, bền trong môi trường acid

loãng, kiềm và muối.

+ Chất hoạt động bề mặt lưỡng tính:

Lauryl hydroxy sulfobetaine (LHSB)

Là chất hoạt động bề mặt lưỡng tính, tồn tại ở dạng dung dịch màu vàng nhạt.

1.2.3.2. Chất trợ HĐBM

18

- Butyl diglycol

Là chất lỏng màu trắng, có khả năng tan trong nước và hòa tan được nhiều chất

HĐBM.

Ngoài ra có thể nghiên cứu sử dụng các chất trợ HĐBM sau:

- Alkoxide

- Secondary alcohol ethoxylate

- Polyoxyethylene sorbitan monooleate

- Polyoxylene rapeseedamide

1.2.3.3. Các chất phụ gia

Các chất phụ gia trong thành phần chất tạo bọt chữa cháy là những chất chống

đông, chống lắng; chất tăng độ nhớt, độ linh động; chất tạo màng tăng cường, tăng độ

bền bọt; chống chống oxy hóa, chống ăn mòn...

- Chất tăng độ bền bọt: Hydroxyethyl cellulose (HEC)

- Chất chống đông: Glycerin

- Chất điều chỉnh độ nhớt: Ure

1.2.4. Các tính chất của hệ chất tạo bọt trong dung dịch chữa cháy có độ nở thấp

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. Một vài đám cháy hydrocacbon lỏng điểm bốc

cháy cao chẳng hạn như dầu nhiên liệu, trong điều kiện kiểm soát tốt có thể dập tắt

được chỉ bằng hiệu quả làm mát của nước.

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 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 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.

Vì vậy bọt trong dung dịch chữa cháy có độ nở thấp thường được sử dụng cho

cả hai đám cháy nhiên liệu hydrocacbon điểm bốc cháy cao và điểm bốc cháy thấp bởi

vì nó tạo ra một lớp bọt trên bề mặt nhiên liệu có thể kiểm soát và dập tắt đám cháy nhanh

và hiệu quả hơn nước.

Chất lỏng không tan trong nước điểm bốc cháy cao, hoặc chất lỏng xăng dầu là

19

những chất có điểm cháy trên 55oC như dầu khí, một số loại dầu diezen, các loại dầu

nhiên liệu nặng, dầu bôi trơn nặng. Ở nhiệt độ bình thường môi trường xung quanh

chất lỏng có áp suất hơi thấp và do đó không tạo ra lượng hơi dễ cháy.

Cơ chế chính mà bọt trong dung dịch chữa cháy có độ nở thấp dập tắt các đám

cháy chất lỏng có điểm bốc cháy cao là làm mát bề mặt chất lỏng và giảm bức xạ nhiệt

từ ngọn lửa. Tác dụng cách ly không khí bên ngoài với đám cháy của bọt đóng vai trò

không đáng kể.

Chất lỏng không tan trong nước điểm bốc cháy thấp, hoặc chất lỏng như dầu mỏ

có điểm cháy dưới 21oC và 55oC tương ứng. Bao gồm chất lỏng dầu mỏ như xăng dầu

hàng không, benzen, dầu thô, hexan, toluen và xăng (có hoặc không có Chì), và chất

lỏng dầu mỏ như nhiên liệu máy bay phản lực, dung môi trắng. Chất lỏng có điểm cháy

thấp có thể tạo thành hơi dễ cháy dưới nhiệt độ thường và nồng độ gây cháy hoặc nổ

tích tụ ở tầng thấp vì hầu hết hơi của chúng nặng hơn không khí.

Việc sử dụng nước để dập tắt đám cháy chất lỏng có điểm bốc cháy thấp không

có hiệu quả bởi vì hơi nước sinh ra không đủ để làm mát nhiên liệu. Tuy nhiên, bằng

cách sử dụng nước có thể giảm đáng kể chiều cao ngọn lửa và cường độ bức xạ nhiệt.

Tuy nhiên, khi sử dụng nước cần đảm bảo rằng nhiên liệu không chảy tràn khỏi các

thùng chứa, bể chứa. Trường hợp nhiên liệu không được chứa trong các thùng, bể

tuyệt đối không được sử dụng nước phun lên bề mặt nhiên liệu vì nước sẽ đẩy nhiên liệu

xa hơn làm đám cháy lan rộng.

Bọt trong dung dịch chữa cháy có độ nở thấp khá hiệu quả đối với đám cháy chất

lỏng có điểm bốc cháy thấp bởi vì chúng giữ lượng hơi ngay phía trên bề mặt chất lỏng.

Lượng hơi bị giữ lại sẽ thiết lập trạng thái cân bằng với chất lỏng ngăn không cho hơi

sinh ra thêm nữa. Lớp màng bọt được hình thành trên bề mặt các chất lỏng loại B có thể

ngăn chặn được sự bay hơi.

Các lợi ích khác của việc sử dụng bọt trong dung dịch chữa cháy có độ nở thấp

trên các chất lỏng đó là chúng làm nguội bề mặt chất lỏng, giảm mức độ bốc hơi nhiên

liệu, ngăn bức xạ nhiệt từ bề mặt chất lỏng, giảm lượng oxy bởi sự tạo thành hơi nước

tại nơi tiếp xúc giữa bọt, ngọn lửa và bề mặt chất lỏng.

1.3. Phương pháp nghiên cứu tính chất chất tạo bọt

1.3.1. Phương pháp phân tích xác định độ nở và thời gian bán hủy

Phương pháp phân tích xác định độ nở và thời gian bán hủy theo TCVN 7278-

1: 2003. Độ nở là tỷ số giữa thể tích bọt tạo thành và thể tích dung dịch tạo bọt. Thời 20

gian tiết nước 50 % hay thời gian bán hủy là thời gian tiết 50 % lượng chất lỏng trong

bọt.

Cơ sở lý thuyết của phương pháp:

- Bình thu bằng chất dẻo, dung tích đã cho ± 1 %, được lắp với bộ phận xả đáy.

(Kích thước tính bằng milimet)

Hình 1.8. Bình thu để xác định độ nở và thời gian bán phân hủy

- Bộ phận thu chất tạo bọt chữa cháy hòa không khí, dùng để đo độ nở. Thép

không gỉ, nhôm và các vật liệu thích hợp làm bề mặt thu.

(Kích thước tính bằng milimet)

Hình 1.9. Bộ phận thu bọt để xác định độ nở và thời gian bán phân hủy

1.3.2. Phương pháp phân tích xác định sức căng bề mặt, hệ số lan truyền

Sức căng bề mặt là đại lượng đánh giá độ đàn hồi hay độ bền của mặt liên diện

21

giữa hai pha. Sức căng bề mặt và sức căng liên diện của dung dịch chất tạo bọt chữa

cháy tạo màng nước được đo bằng máy đo sức căng bề mặt tự động hoàn toàn KSV

CAM101 trong điều kiện nhiệt độ phòng. Độ nhớt động của các dung dịch bọt được đo

bằng máy BROOKFIELD DV-II+Pro.

Hệ số lan truyền là số đo khả năng của một chất lỏng tự lan truyền qua bề mặt

chất lỏng khác. Hệ số lây lan được xác định qua công thức:

S = σF - (σA + σI ) (1)

Trong đó S là hệ số lan truyền, σF là sức căng bề mặt của chất lỏng dưới, σA là

sức căng bề mặt của chất lỏng trên và δI là sức căng bề mặt liên diện giữa hai chất

lỏng. Đối với chất tạo bọt tạo màng nước, chất lỏng trên là dung dịch chất tạo bọt tạo

màng nước và chất lỏng dưới là cyclohexan (theo nhiều tiêu chuẩn để đánh giá hệ số

lan truyền của chất tạo bọt tạo màng nước). Khi S lớn hơn 0, dung dịch chất tạo bọt tạo

màng nước sẽ lan truyền ngay lập tức trên bề mặt của cyclohexan, điều đó có nghĩa là

dung dịch chất tạo bọt tạo màng nước cũng có thể lan trên bề mặt của nhiên liệu lỏng

thông thường, như dầu diesel, dầu hỏa hàng không… Điều này là do cyclohexan

thường cho thấy sức căng bề mặt thấp hơn so với nhiên liệu lỏng thông thường.

Phương pháp xác định:

+ Đo tỉ trọng của từng chất lỏng tương ứng khi đo SCBM

+ Chuẩn bị dung dịch chất HĐBM cần đo

+ Lắp thiết bị mao quản kim tiêm, bơm một lượng xyclohexan đủ lớn để có thể

đo SCBM được nhiều lần.

+ Xoay nút vặn theo chiều kim đồng hồ, đếm số giọt xyclohexan nổi lên, đọc số

vạch trên núm xoay thiết bị đo.

+ Tiến hành đo vài lần để hạn chế sai số.

+ Tính giá trị SCBM cho một giọt.

1.3.3. Phương pháp phân tích khả năng tương hợp và độ bền nhiệt

Các chất HĐBM có độ hòa tan rất kém hoặc không tan trong nước sẽ làm cho

dung dịch chất HĐBM trở nên đục, nghĩa là khả năng tương hợp của chất HĐBM này

với nước kém. Đặc biệt khi có sự hiện diện của các ion Mg2+, Ca2+ trong thành phần

nước sẽ khiến một số dung dịch chất HĐBM dễ trở nên đục. Do vậy, phải sử dụng

phối hợp những chất HĐBM này để tăng cường tính tan. Bên cạnh đó, một trong

22

những yêu cầu kỹ thuật quan trọng của chất HĐBM ứng dụng trong bọt chữa cháy là

phải bền nhiệt, cụ thể ở đây là phải phù hợp với điều kiện nhiệt độ cao của các đám

cháy [1]. Phương pháp xác định:

- Xác định tỉ lệ tương hợp của các chất HĐBM trong nước: Quan sát bằng mắt

độ đục của các dung dịch chất HĐBM theo thời gian ủ, nếu dung dịch trong suốt

chứng tỏ tương hợp tốt với nước.

- Đo pH và σ của các mẫu tại thời điểm ban đầu và sau mỗi tuần ủ ở nhiệt độ

80°C: Đo pH nhằm xác định sự thay đổi hoạt tính của hệ dung dịch chất HĐBM do

thủy phân theo thời gian ủ. Đo σ để xác định mức độ phân huỷ của các chất HĐBM

dưới tác động của H+ khi ủ ở nhiệt độ cao.

1.3.4. Phương pháp phân tích xác định thành phần và nồng độ của chất tạo bọt

Phương pháp tối ưu hóa thống kê dựa trên quy hoạch ma trận nhiều yếu tố là

phương pháp hữu hiệu nhất nhằm tìm kiếm hệ chất HĐBM thỏa mãn các yêu cầu kỹ

thuật đề ra. Thành phần khối lượng của các chất HĐBM được xem như là các biến

thực nghiệm và hàm mục tiêu sẽ là giá trị σ của hỗn hợp chất HĐBM được lựa chọn

dựa trên tiêu chí tương hợp tốt với nước và bền nhiệt. Thành phần và nồng độ tối ưu

của hệ chất HĐBM được xác định khi hàm mục tiêu σ đạt giá trị cực tiểu.

Phương pháp xác định:

- Tiến hành một số thí nghiệm thăm dò nhằm xác định miền giá trị của các biến

theo tiêu chí tương hợp tốt với nước và bền nhiệt.

- Xác định phương trình hồi quy theo quy hoạch ma trận yếu tố toàn phần bằng

phần mềm thống kê.

- Thu hẹp vùng khảo sát của các yếu tố để thực hiện quy hoạch tối ưu hóa theo

phương án quay bậc hai của Box – Hunter bằng phần mềm thống kê.

- Sử dụng phần mềm Minitab để vẽ mặt tối ưu và xác định thành phần của hệ

tối ưu.

- Các bước tiến hành tối ưu hóa bằng phần mềm như sau:

+ Nhập chương trình phối trộn hệ 3 cấu tử.

+ Nhập giá trị cận trên và cận dưới vào chương trình để truy xuất số liệu các thí

nghiệm cần khảo sát.

+ Từ số thí nghiệm ở đỉnh và ở tâm truy xuất ra số thí nghiệm chuẩn. Tiến hành

23

đo σ của các hệ này và nhập vào chương trình.

+ Chọn biến phụ thuộc (σ) và các biến độc lập (nồng độ khối lượng của các

chất HĐBM hợp phần).

+ Chọn mô hình phương trình bậc hai cho phương trình hồi quy.

+ Chọn Surface plot (fitted response) để vẽ mặt 3D thể hiện cực trị.

+ Chọn Trace Plot of Expected Responses để hiển thị giá trị thành phần của hệ

tối ưu.

1.4. Các nội dung nghiên cứu trong luận văn

Trên cơ sở tổng quan về phương pháp chữa cháy và công nghệ chữa cháy sử

dụng chất tạo bọt, luận văn xác định các nội dung cần nghiên cứu là:

- Phân tích các thông số kỹ thuật của các loại chất HĐBM, trợ HĐBM, phụ gia:

+ Độ nở, thời gian bán hủy chất HĐBM.

+ Độ nở, thời gian bán hủy chất trợ HĐBM.

+ Độ nở, thời gian bán hủy các chất phụ gia.

+ Sức căng bề mặt của từng chất HĐBM riêng phần.

- Xây dựng công thức tổ hợp của các hệ chất hoạt động bề mặt.

- Phân tích khả năng tương hợp và độ bền nhiệt của các hệ chất hoạt động bề mặt.

- Tối ưu hóa thống kê xác định thành phần và nồng độ tối ưu của hệ chất hoạt động bề

24

mặt.

Chương 2

THỰC NGHIỆM

2.1. Hóa chất và thiết bị

2.1.1. Hóa chất

Stt Tên hóa chất Viết tắt Nguồn gốc

1 DuPont™ Capstone® fluorosurfactant 1440 DCF Mỹ

2 Alkyl polyglucosides APGs Singapore

3 Nonyl phenol ethoxylate NPE Trung Quốc

Branched alkyl benzene sulfonate

Lauryl hydroxy sulfobetaine LHSB Indonesia 4

BAS Singapore 5

Ethoxylated Sulfate EOS Singapore 6

Propoxylated Sulfate POS Singapore 7

Butyl diglycol Singapore 8

9 Hydroxyethyl cellulose HEC Trung Quốc

10 Glycerin Trung Quốc

11 Ure Việt Nam

2.1.2. Thiết bị

Stt Tên thiết bị Nguồn gốc Nơi đặt máy

1 Máy đo pH Accument Research 60 Mỹ Phòng phát triển

công nghệ hóa Mỹ 2 Máy đo độ nhớt DV-II+Pro

học, Trung tâm Thụy Sĩ 3 Máy đo thời gian Gel hoá

25

phát triển công 4 Máy khuấy từ có gia nhiệt IKA-RH, máy nghệ cao, Viện khuấy từ (CB162/Biby) hàn lâm khoa học 5 Máy đo sức căng bề mặt Spinning Drop Mỹ công nghệ Việt Tensionmeter Nam

2.2. Nội dung thực nghiệm

2.2.1. Phân tích các thông số kỹ thuật của chất tạo bọt

2.2.1.1. Phân tích xác định độ nở và thời gian bán hủy

Phân tích xác định độ nở và thời gian bán hủy theo TCVN 7278-1: 2003. Độ nở

và thời gian bán hủy được xác định như sau: Cho một thể tích dung dịch tạo bọt cần

xác định vào bình thu khuấy lắc đều lên thể tích tạo thành bọt. Đo thể tích bọt tạo

thành và so sánh với thể tích dung dịch ban đầu ta xác định được độ nở. Sau đó để một

thời gian, khi bọt có thể tích lớn nhất thì bấm đồng hồ đo thời gian đến khi lượng nước

trong dung dịch đạt 50 % thể tích dung dịch tạo ban đầu thì đó là thời gian bán hủy.

2.2.1.2. Phân tích xác định sức căng bề mặt, hệ số lan truyền

Tiến hành xác định sức căng bề mặt (SCBM) bằng thiết bị đo SCBM dạng ống

mao quản kim tiêm:

- Xác định hệ số của ống mao quản: Đối với dụng cụ đo này SCBM được xác

định theo công thức: δ = A*ΔL*Δρ, với: δ là SCBM, mN/m

A: là hằng số ống mao quản

∆L: là số vạch theo micrometer để tạo thành một giọt

∆ρ: là hiệu số tỉ trọng của hai chất lỏng

Để xác định hằng số của ống mao quản ta dùng benzen có SCBM ranh giới với

nước bằng 34,94 mN/m ở 27oC. Khi đó đối với ống mao quản loại ống tiêm:

A = 34,94/[49,85*(0,996-0,868)] = 5,4758

- Phương pháp đo SCBM:

+ Đo tỉ trọng của từng chất lỏng tương ứng khi đo SCBM

+ Chuẩn bị dung dịch chất HĐBM cần đo

+ Lắp thiết bị mao quản kim tiêm, bơm một lượng xyclohexan đủ lớn để có thể

đo SCBM được nhiều lần.

+ Xoay nút vặn theo chiều kim đồng hồ, đếm số giọt xyclohexan nổi lên, đọc số

vạch trên núm xoay thiết bị đo.

+ Tiến hành đo vài lần để hạn chế sai số.

26

+ Tính giá trị SCBM cho một giọt.

+ SCBM được tính theo công thức trên, sử dụng hằng số A tương ứng với ống

mao quản.

- Hệ số lan truyền được xác định theo công thức: S = σF - (σA + σI ) (1)

Trong đó S là hệ số lan truyền, σF là sức căng bề mặt của chất lỏng dưới, σA là

sức căng bề mặt của chất lỏng trên và δI là sức căng bề mặt liên diện giữa hai chất

lỏng. Đối với chất tạo bọt tạo màng nước, chất lỏng trên là dung dịch chất tạo bọt tạo

màng nước và chất lỏng dưới là cyclohexan.

2.2.1.3. Phân tích xác định độ bền nhiệt

Quy trình tiến hành thí nghiệm:

- Sử dụng các Ampul chịu nhiệt

- Bơm dung dịch của chất HÐBM hay hỗn hợp chất HÐBM vào

- Ủ ampul trong bể điều nhiệt ở nhiệt độ thử cháy lại.

- Sau mỗi thời gian nhất định quan sát bằng mắt độ đục, đo SCBM và pH của các

dung dịch ủ đó. Qua kết quả đo và quan sát có thể đánh giá được độ bền nhiệt của hệ.

2.2.1.4. Phân tích xác định khả năng tương hợp

Thực nghiệm phân tích khả năng tương hợp của các hệ chất HĐBM với nước

có thể đồng thời xác định độ bền nhiệt của hệ với trình tự tiến hành như sau :

- Xác định tỉ lệ tương hợp của các chất HĐBM trong nước: Cho từ từ dung dịch

chất HĐBM đến khi hỗn hợp tan hoàn toàn trong nước thì dừng lại. Pha dung dịch hỗn

hợp có nồng độ tổng 1000 g/kg với tỉ lệ vừa xác định được. Bơm vào mỗi ampule chịu

nhiệt 50 ml dung dịch chất HĐBM, vặn kín nút các ampule và ủ ampule trong bể điều

nhiệt tại nhiệt độ 80°C. Quan sát bằng mắt độ đục của các dung dịch chất HĐBM theo

thời gian ủ, nếu dung dịch trong suốt chứng tỏ tương hợp tốt với nước.

- Đo pH và σ của các mẫu tại thời điểm ban đầu và sau mỗi tuần ủ ở nhiệt độ

80°C. Đo pH nhằm xác định sự thay đổi hoạt tính của hệ dung dịch chất HĐBM do

thủy phân theo thời gian ủ. Đo σ để xác định mức độ phân huỷ của các chất HĐBM

dưới tác động của H+ khi ủ ở nhiệt độ cao. Độ pH được đo bằng thiết bị Accument

27

Research 60 (Fisher Scientific, Mỹ).

Chương 3

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Phân tích xác định các thông số kỹ thuật của chất hoạt động bề mặt

3.1.1. Hệ một chất HĐBM

3.1.1.1. Độ nở, thời gian bán hủy của chất HĐBM flo hóa

Qua quá trình tìm hiểu về đặc tính thông số kỹ thuật của chất hoạt động bề mặt

flo hóa, thấy DuPont™ Capstone® fluorosurfactant 1440 (DCF) là phù hợp để phân

tích chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước. Đây là chất hoạt động bề mặt flo hóa dạng

lưỡng tính, dung dịch màu hổ phách, có khả năng tan trong nước, nhiều dung môi hữu

cơ và không gây độc hại môi trường, được dùng phổ biến tại các nước châu Á – Thái

Bình Dương. Theo nghiên cứu, hàm lượng chất HĐBM flo hóa sử dụng để chế tạo

chất tạo bọt đậm đặc 3 % là khoảng 6-12 % về khối lượng. Luận văn đã tiến hành phân

tích độ nở, thời gian bán hủy và hệ số lan truyền của dung dịch chất HĐBM DCF

trong nước. Kết quả phân tích được thể hiện trong bảng 3.1:

Bảng 3.1. Độ nở và thời gian bán hủy của dung dịch DCF

Nồng độ % 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35

Độ nở (lần) 3,4 3,9 4,4 4,8 5,2 5,7 6,4

Thời gian bán hủy 3:25 4:09 4:25 4:54 5:23 5:58 6:29 (phút:giây)

Sức căng bề mặt 16,4 16,2 16,1 15,7 15,5 15,3 15,1 (mN/m)

Sức căng bề mặt liên diện 3,2 2,8 2,7 2,6 2,4 2,1 2,0 (mN/m)

Hệ số lan truyền 5,5 5,9 6,3 6,8 7,5 7,7 8,1

Qua các giá trị về độ nở, thời gian bán hủy và hệ số lan truyền tính toán được,

có thể kết luận rằng chất HĐBM flo hóa DuPont™ Capstone® fluorosurfactant 1440

(DCF) phù hợp để chế tạo chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước. Khi tăng nồng độ

DCF thì các giá trị về độ nở, thời gian bán hủy bọt và hệ số lan truyền của dung dịch

cũng tăng. Trong khi đó, sức căng bề mặt của dung dịch giảm đáng kể. Tuy nhiên, do

giá thành của DCF khá cao nên cần sử dụng kết hợp các chất HĐBM hydrocacbon (có 28

giá thành rẻ hơn nhiều lần) để giảm chi phí sản phẩm đồng thời tìm ra được hệ tối ưu

các chất bề mặt sử dụng cho chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước.

3.1.1.2. Độ nở, thời gian bán hủy của chất HĐBM hydrocacbon

Để lựa chọn được chất HĐBM hydrocacbon với tỉ lệ hàm lượng phù hợp với yêu

cầu luận văn đặt ra thì chúng phải đạt được các tiêu chí về độ nở (từ 5,5-20 lần) và thời

gian bán hủy (≥ 4 phút). Vì vậy luận văn đã tiến hành phân tích độ nở và thời gian bán

hủy của các chất HĐBM này. Kết quả phân tích được thể hiện trong bảng 3.2:

Bảng 3.2. Độ nở và thời gian bán hủy của các chất HĐBM hydrocacbon

Độ nở Thời gian bán STT Chất HĐBM (lần) hủy (phút:giây)

1 Ethoxylated Sulfate (EOS) 3,3 2:12

2 Propoxylated Sulfate (POS) 3,7 2:45

3 Nonylphenol ethoxylates (NPE) 5,4 4:15

4 Lauryl hydoxysulfo betaine (LHSB) 5,5 4:21

5 Alkyl polyglucosides (APG) 5,7 4:03

6 Branched alkyl benzene sulfonate (BAS) 6,5 2:49

Từ bảng kết quả khảo sát độ nở và thời gian bán hủy của các chất HĐBM riêng

phần, thấy rằng các chất HĐBM có thời gian bán hủy (≥ 4 phút) và độ nở (≥ 5,5 lần)

đạt yêu cầu bao gồm: Alkyl polyglucosides (APG), Nonylphenol ethoxylates (NPE) và

Lauryl hydoxysulfo betaine (LHSB). Do vậy lựa chọn các chất HĐBM hydrocacbon

này cho các phân tích tiếp theo.

3.1.1.3. Sức căng bề mặt của từng chất HĐBM riêng phần

Tiến hành pha các chất HĐBM DCF, APG, NPE, LHSB trong nước với các

nồng độ khác nhau. Sự thay đổi sức căng bề mặt theo nồng độ của từng chất hoạt động

29

bề mặt được thể hiện trong bảng 3.3:

Bảng 3.3. Sức căng bề mặt của các chất HĐBM

Nồng độ % 0 0,035 0,04 0,045 0,05 0,055 0,06

SCBM DCF (mN/m) 73,4 16,6 16,4 16,2 15,9 15,4 15,3

SCBM APG (mN/m) 73,4 31,2 30,8 29,1 28,8 28,7 28,6

SCBM NPE (mN/m) 73,4 32,7 32,2 31,7 31,67 31,6 31,6

SCBM LHSB (mN/m) 73,4 33,7 33,4 32,7 32,67 32,6 32,6

Các chất HĐBM hydrocacbon có giá trị SCBM cao hơn so với chất HĐBM flo

hóa nên trong quá trình xây dựng hệ tổ hợp hợp trội hỗn hợp chất HĐBM luận văn

chọn DCF làm chất cơ bản. Mặt khác, do các chất HĐBM flo hóa có giá thành cao hơn

rất nhiều lần so với chất HĐBM thông thường nên việc phân tích kết hợp nhiều chất

HĐBM để tạo ra hệ tổ hợp hợp trội nhằm giảm hàm lượng chất HĐBM flo hóa là cần

thiết, đáp ứng cả về mặt kinh tế và kỹ thuật.

3.1.2. Hệ nhiều chất HĐBM

Như đã biết, chất HĐBM flo hóa DCF khi kết hợp với các chất HĐBM

hydrocacbon riêng lẻ: APG, NPE, LHSB đều cho kết quả tốt về sự tương hợp và bền

nhiệt khi sử dụng với nước. Mặt khác, đây đều là các chất tan trong nước, đặc biệt

APG là chất không những tan tốt trong nước mà còn có khả năng tạo bọt tốt hơn các

các chất HĐBM khác trong phạm vi phân tích. Do vậy, luận văn lựa chọn hỗn hợp

chất HĐBM DCF và APG là thành phần chính và phân tích với sự có mặt của các chất

NPE, LHSB trong sự có mặt của chất trợ HĐBM và phụ gia để xác định công thức tổ

hợp trội và khả năng bền nhiệt.

3.1.2.1. Hệ gồm 2 chất HĐBM

- Hệ gồm DCF : APG

Pha hỗn hợp DCF và APG theo các tỉ lệ khác nhau như trong các bảng dưới,

phân tích sự biến đổi pH và σ của hệ dung dịch theo thời gian ủ ở nhiệt độ 800C thu

30

được các kết quả như sau:

Bảng 3.4. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG (tỉ lệ: 1 : 1) theo thời gian ủ nhiệt

Thời gian ủ nhiệt ở 800C (h) Thông

số pH/σ 1 2 3 4 6 8

7,85 0,32 0,48 0,42 0,48 0,48 0,43 ΔpH

22,76 0,98 0,96 1,14 1,27 1,38 1,48 Δσ

Bảng 3.5. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG (tỉ lệ: 1 : 2) theo thời gian ủ nhiệt

Thời gian ủ nhiệt ở 800C (h) Thông

số pH/σ 1 2 3 4 6 8

7,77 0,31 0,38 0,32 0,38 0,38 0,33 ΔpH

22,64 0,77 0,92 0,95 1,28 1,18 1,35 Δσ

Bảng 3.6. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG (tỉ lệ: 1 : 3) theo thời gian ủ nhiệt

Thời gian ủ nhiệt ở 800C (h) Thông

số pH/σ 1 2 3 4 6 8

7,82 0,22 0,23 0,25 0,27 0,32 0,29 ΔpH

21,55 0,59 0,63 0,64 0,65 0,72 0,71 Δσ

Bảng 3.7. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG (tỉ lệ: 1 : 4) theo thời gian ủ nhiệt

Thời gian ủ nhiệt ở 800C (h) Thông

số pH/σ 1 2 3 4 6 8

7,79 0,23 0,26 0,29 0,22 0,24 0,25 ΔpH

21,28 0,68 0,72 0,82 0,76 0,83 0,91 Δσ

Từ các bảng số liệu có thể thấy rằng sự thay đổi về pH là không đáng kể, điều

này hoàn toàn đúng với thực tế là do APG và DCF không có sự phân ly ion vì chúng là

31

chất HĐBM nonion, sự thay đổi pH chủ yếu là do các thành phần phụ có trong các sản

phẩn chất HĐBM. Bắt đầu từ tỉ lệ DCF : APG = 1 : 3 thì độ tăng σ ở khoảng rất hẹp.

Điều này được giải thích là do APG có đặc tính kém bền bọt, do vậy chọn tỷ lệ DCF :

APG = 1 : 3 để phân tích tiếp ảnh hưởng của sự có mặt LHSB và NPE. Mặt khác, giá

trị SCBM của hỗn hợp thấp hơn nhiều so với giá trị SCBM của chất HĐBM không flo

hóa, vì vậy trong các phân tích sau này, luận văn sẽ chỉ xây dựng hệ tổ hợp chất

HĐBM với sự tham gia của chất HĐBM flo hóa DCF. Tuy nhiên, từ các kết quả khảo

sát thu được thấy rằng các hệ phối trộn từ 2 chất HĐBM chưa đạt yêu cầu về giảm σ

nên chuyển qua phân tích hệ 3 chất hoạt động bề mặt.

3.1.2.2. Hệ gồm 3 chất HĐBM

- Hệ gồm DCF : APG : LHSB

Từ kết quả đã thu được khi phân tích hệ 2 chất HĐBM đã lựa chọn tỷ lệ DCF :

APG = 1 : 3. Do vậy, cố định tỷ lệ này và thêm LHSB vào hỗn hợp với các tỷ lệ tương

ứng như các bảng dưới. Phân tích sự biến đổi pH và σ của hệ dung dịch theo thời gian

ủ ở nhiệt độ 800C thu được các kết quả như sau:

Bảng 3.8. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG : LHSB (tỉ lệ: 1 : 3 : 1) theo thời

gian ủ nhiệt

Thời gian ủ nhiệt ở 800C (h) Thông

số pH/σ 1 2 3 4 6 8

7,56 0,32 0,29 0,23 0,29 0,26 0,25 ΔpH

20,17 0,99 0,93 1,24 1,37 1,44 1,53 Δσ

Bảng 3.9. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG : LHSB (tỉ lệ: 1 : 3 : 2) theo thời

gian ủ nhiệt

Thời gian ủ nhiệt ở 800C (h) Thông

số pH/σ 1 2 3 4 6 8

7,37 0,27 0,28 0,25 0,27 0,28 0,25 ΔpH

32

19,65 0,66 0,62 0,73 0,71 0,70 0,67 Δσ

Bảng 3.10. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG : LHSB (tỉ lệ: 1 : 3 : 3) theo thời

gian ủ nhiệt

Thời gian ủ nhiệt ở 800C (h) Thông

số pH/σ 1 2 3 4 6 8

7,82 0,25 0,24 0,24 0,29 0,32 0,30 ΔpH

19,76 0,70 0,73 0,69 0,75 0,75 0,79 Δσ

Bảng 3.11. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG : LHSB (tỉ lệ: 1 : 3 : 4) theo thời

gian ủ nhiệt

Thời gian ủ nhiệt ở 800C (h) Thông

số pH/σ 1 2 3 4 6 8

7,28 0,24 0,27 0,29 0,26 0,24 0,28 ΔpH

19,28 0,67 0,74 0,72 0,77 0,73 0,81 Δσ

So với hệ 2 chất HĐBM (DCF, APG) thì hệ 3 chất HĐBM (có thêm LHSB) thì

có sự giảm SCBM ở thời điểm ban đầu (chưa ủ nhiệt), do vậy việc thêm LHSB tạo ra

tín hiệu khả quan trong việc làm giảm SCBM của hệ 3 chất HĐBM. Kết quả phân tích

sự biến thiên pH và SCBM của hệ 3 chất HĐBM cũng đã chỉ ra rằng ở tỷ lệ DCF :

APG : LHSB = 1 : 3 : 2 thì sự tăng SCBM và giảm pH là không đáng kể và ổn định,

do đó luận văn chọn tỷ lệ trên đối với hệ 3 chất HĐBM để làm cơ sở cho phân tích tiếp

theo.

- Hệ gồm DCF : APG : NPE

Tiếp tục phân tích sự biến đổi pH và σ của hệ dung dịch gồm 3 chất HĐBM

33

DCF; APG và NPE theo thời gian ủ ở nhiệt độ 800C thu được các kết quả như sau:

Bảng 3.12. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG : NPE (tỉ lệ: 1 : 3 : 1) theo thời gian

ủ nhiệt

Thời gian ủ nhiệt ở 800C (h) Thông

số pH/σ 1 2 3 4 6 8

7,24 0,20 0,23 0,22 0,20 0,25 0,24 ΔpH

18,15 0,66 0,60 0,73 0,68 0,69 0,70 Δσ

Bảng 3.13. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG : NPE (tỉ lệ: 1 : 3 : 2) theo thời gian

ủ nhiệt

Thời gian ủ nhiệt ở 800C (h) Thông

số pH/σ 1 2 3 4 6 8

7,35 0,23 0,22 0,20 0,26 0,27 0,25 ΔpH

18,03 0,66 0,61 0,78 0,81 1,06 1,20 Δσ

Bảng 3.14. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG : NPE (tỉ lệ: 1 : 3 : 3) theo thời gian

ủ nhiệt

Thời gian ủ nhiệt ở 800C (h) Thông

số pH/σ 1 2 3 4 6 8

7,30 0,24 0,25 0,22 0,23 0,22 0,26 ΔpH

18,14 0,67 0,72 0,81 0,92 1,15 1,26 Δσ

Bảng 3.15. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG : NPE (tỉ lệ: 1 : 3 : 4) theo thời gian

ủ nhiệt

Thời gian ủ nhiệt ở 800C (h) Thông

số pH/σ 1 2 3 4 6 8

7,24 0,22 0,23 0,24 0,21 0,24 0,26 ΔpH

34

18,26 0,97 0,90 1,24 1,35 1,44 1,52 Δσ

Giá trị SCBM của hệ 3 chất HĐBM này thấp hơn so với giá trị SCBM của hệ 3

chất HĐBM (DCF, APG, LHSB) cho nên việc sử dụng NPE là cần thiết bởi vì NPE có

kích thước phân tử nhỏ sẽ phân bố xem kẽ với các phân tử cồng kềnh của APG. Mặt

khác, sự biến thiên pH và SCBM đối với tỉ lệ 1 : 3 : 1 là ít nhất so với các tỷ lệ còn lại

trong cả quá trình ủ nhiệt, do vậy sử dụng NPE với tỉ lệ ngang bằng DCF để tiếp tục

phân tích hệ 4 chất HĐBM.

Mặt khác, từ các kết phân tích quả thu được khi phân tích hệ gồm 3 chất hoạt

động bề mặt cho thấy sự thay đổi pH và σ theo thời gian ủ cũng tương tự như hệ hai

cấu tử: pH giảm dần trong khi σ tăng dần (do sự thuỷ phân của các chất HĐBM khi ủ

trong điều kiện nhiệt độ cao và hệ ủ là hệ kín). Tuy nhiên ở các hệ ba cấu tử sự thay

đổi pH và σ chậm và đều hơn so với hệ hai cấu tử. Từ kết quả trên có thể thấy sự tác

động qua lại giữa các chất HĐBM đã làm cho hệ ổn định hơn. Sự ghép không đối

xứng các nhóm kỵ nước trong hỗn hợp có nhiều chất HĐBM khác nhau cho phép tập

hợp nhiều phân tử chất HĐBM trên bề mặt liên diện hơn là giữa các nhóm kỵ nước

của cùng một chất HĐBM, giá trị hệ số xếp chặt càng tiến gần đến 1. Các chất HĐBM

có thể hình thành micelle dạng tấm cho phép tăng tối đa độ hòa tan gần giống nhau của

pha nước và pha hydrocarbon. Từ đó giảm σ đến giá trị cực thấp [21]. Các hệ gồm ba

chất HĐBM sau 8 giờ ủ đều trong chứng tỏ hệ ba cấu tử có tính tương hợp với nước

tốt, tuy nhiên σ vẫn chưa đạt giá trị đủ thấp nên tiếp tục phân tích hệ 4 cấu tử để phân

tích tối ưu.

3.1.2.3. Hệ gồm 4 chất HĐBM

- Hệ gồm DCF : APG : LHSB : NPE

Phân tích sự biến đổi pH và σ của hệ dung dịch gồm 4 chất HĐBM: DCF :

APG : LHSB : NPE (tỉ lệ: 1 : 3 : 2 : 1) theo thời gian ủ ở nhiệt độ 800C thu được kết

quả trong bảng 3.16:

Bảng 3.16. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG : LHSB : NPE

theo thời gian ủ nhiệt

Thời gian ủ nhiệt ở 800C (h) Thông

số pH/σ 1 2 3 4 6 8

7,44 0,62 0,70 0,67 0,70 0,81 0,89 ΔpH

35

18,10 0,21 0,23 0,21 0,22 0,23 0,26 Δσ

Trong đó: Δσ - Độ tăng σ ở các thời điểm ủ nhiệt

ΔpH - Độ giảm pH ở các thời điểm ủ nhiệt

Qua các thí nghiệm phân tích sự tương hợp và độ bền nhiệt của các hỗn hợp

chất hoạt động bề mặt, thấy rằng hỗn hợp 4 chất HĐBM với tỷ lệ DCF : APG : LHSB

: NPE = 1 : 3 : 2 : 1 có khả năng tương hợp tốt, σ thấp và sự thay đổi σ không lớn sau

8h ủ nhiệt, do vậy lựa chọn hệ các chất này cho các phân tích tiếp theo.

3.1.2.4. Phân tích khả năng tạo bọt

Các hệ chất HĐBM tương hợp tốt với nhau và bền nhiệt để có thể ứng dụng

được trong việc chế tạo sản phẩm bọt chữa cháy thì nhất thiết phải đáp ứng được tiêu

chuẩn kỹ thuật của sản phẩm. Trong các tiêu chuẩn đó thì đáp ứng được về độ nở và

thời gian bán hủy sẽ xác định được hệ nào phù hợp với yêu cầu của quá trình phân

tích. Do vậy, cần tiến hành phân tích độ nở và thời gian bán hủy của hệ chất HĐBM

trên với nồng độ 3 % với tỷ lệ các chất HĐBM có mặt trong dung dịch lần lượt là DCF

: APG : LHSB : NPE = 1 : 3 : 2 : 1. Từ đó lựa chọn hệ chất HĐBM đạt giá trị độ nở và

thời gian bán hủy tốt nhất, kết quả cụ thể trong bảng 3.17:

Bảng 3.17. Phân tích độ nở, thời gian bán hủy của hệ chất HĐBM

Độ nở Thời gian bán hủy STT Hệ chất hoạt động bề mặt (lần) (phút:giây)

DCF : APG 6,8 3:50 1

DCF : APG : LHSB 6,4 3:57 2

DCF : APG : NPE 4,3 4:54 3

DCF : APG : LHSB : NPE 5,6 5:34 4

Qua kết quả phân tích độ nở và thời gian bán hủy của hệ các chất HĐBM nhận

thấy hệ 4 chất HĐBM với tỷ lệ DCF : APG : LHSB : NPE = 1 : 3 : 2 : 1 có độ nở và

thời gian bán hủy tốt nhất nên lựa chọn hệ này cho các phân tích tiếp theo.

3.1.3. Tối ưu hóa phối trộn các chất HĐBM

Tất cả các thí nghiệm phối trộn ở trên không thể đưa ra một hệ chất HĐBM tối

ưu mà chỉ là các thí nghiệm ban đầu để hỗ trợ cho bài toán tối ưu. Việc thực hiện cho

bài toán tối ưu hóa phối trộn hệ chất HĐBM bền nhiệt nhằm mục đích thu được các

36

kết quả là một hệ chất HĐBM tối ưu nhất trên tất cả các mặt:

- Tương hợp tốt và bền nhiệt

- Tỉ lệ giữa các chất HĐBM là phù hợp nhất

- Sức căng bề mặt liên diện là nhỏ nhất

- Đáp ứng tốt các tiêu chí kinh tế kỹ thuật của hệ chất HĐBM

Hàm mục tiêu của bài toán tối ưu này là sức căng bề mặt của dung dịch chất

HĐBM đạt giá trị nhỏ nhất. Từ các kết quả phân tích trên, hệ DCF; APG; LHSB và

NPE cho kết quả tốt nhất và được chọn để phân tích tối ưu. Bài toán qui hoạch tuyến

tính để tối ưu hoá được thực hiện nhờ sự hỗ trợ của công cụ máy tính và phần mềm

thống kê. Để đơn giản, trong hệ 4 chất HĐBM trên, LHSB và NPE được gộp lại thành

một nhóm (do sự có mặt của LHSB và NPE không làm thay đổi giá trị σ nhiều) để tiến

hành khảo sát bài toán tối ưu ba yếu tố (ba cấu tử) theo hai mức. Dựa trên tiêu chí về

kinh tế như đã trình bày ở trên, cố định tỉ lệ LHSB : NPE = 2 : 1.

3.1.3.1. Thí nghiệm theo quy hoạch ma trận yếu tố toàn phần

Qua các kết quả thí nghiệm lựa chọn hệ chất hoạt động bề mặt và thăm dò khả

năng tương hợp và tính bền nhiệt của hệ đã thu được, xác định hàm mục tiêu chính là

sức căng bề mặt .

Từ các kết quả phân tích lựa chọn chất HĐBM với tỷ lệ là DCF : APG : LHSB :

NPE = 1 : 3 : 2 : 1 được sử dụng để phân tích tối ưu. Tiến hành phân tích bài toán tối

ưu ba yếu tố (ba cấu tử) theo hai mức được lựa chọn như sau:

Khoảng biến thiên của các yếu tố phân tích:

- Yếu tố Z1 là nồng độ của DCF = 50 ÷ 100 g/kg

- Yếu tố Z2 là nồng độ của APG = 250 ÷ 350 g/kg

- Yếu tố Z3 là nồng độ của {LHSB: NPE = 2:1} = 220 ÷ 400 g/kg

Để thực hiện quy hoạch cần ít nhất N = 23 = 8 thí nghiệm của kế hoạch bậc một

hai mức tối ưu và 3 thí nghiệm tại tâm. Các kết quả thực nghiệm theo ma trận yếu tố

toàn phần và tính toán phương trình hồi quy, kiểm tra sự tương thích được trình bày

37

trong bảng 3.18:

Bảng 3.18. Kết quả tính toán σ của các thí nghiệm quy hoạch theo

ma trận yếu tố toàn phần

Z1, Z2, Z3, N σ thực nghiệm g/kg g/kg g/kg

1 50 250 220 17,37

2 100 250 220 17,01

3 50 350 220 17,35

4 100 350 220 17,55

5 50 250 400 18,05

6 100 250 400 17,12

7 50 350 400 18,07

8 100 350 400 17,45

9 75 300 310 17,44

10 75 300 310 17,35

11 75 300 310 17,38

Mỗi yếu tố biến thiên theo hai mức, sau khi mã hóa biến thực nghiệm Z thành

biến mã x thì mức trên là + 1, mức dưới là -1 [23]. Tiến hành tối ưu hóa hệ chất hoạt

động bề mặt trên phần mềm thống kê Minitab 16. Kết quả của quy hoạch tuyến tính

theo ma trận toàn phần 3 yếu tố 2 mức cho phương trình:

ŷ = 17,496 - 0,214x1 + 0,109x2 + 0,176x3 + 0,109x1x2 - 0,174x1x3.

Phương trình này tương thích với thực nghiệm. Như vậy, với qui hoạch ma trận

yếu tố toàn phần đã kiểm chứng kết quả thực nghiệm tương thích với phương trình lí

thuyết trong vùng phân tích được chọn ban đầu. Từ đó, có thể thu hẹp vùng phân tích

của các yếu tố để thực hiện quy hoạch tối ưu hoá theo phương án quay bậc hai của

Box – Hunter.

3.1.3.2. Thí nghiệm quy hoạch tối ưu hóa theo phương án quay bậc hai của Box-

Hunter

38

Từ số liệu ở bảng trên, chọn thí nghiệm số 2 với tỷ lệ phối trộn Z1 : Z2 : Z3 = 100

: 250 : 220 để tối ưu hóa theo phương án quay bậc hai của Box-Hunter. Tiếp tục thực

hiện 20 thí nghiệm khác nhau theo phương án quay để tìm điều kiện tối ưu cho hệ

dung dịch chất HĐBM. Chọn các khoảng giá trị của biến thực nghiệm tại miền dừng

như sau:

Z1: Nồng độ DCF biến thiên từ 80 ÷ 120 g/kg;

Z2: Nồng độ APG biến thiên từ 230 ÷ 270 g/kg,

Z3: Nồng độ {LHSB: NPE = 2 : 1} biến thiên từ 200 ÷ 240 g/kg

Thực hiện ba dãy thí nghiệm:

- Dãy thí nghiệm ma trận yếu tố toàn phần gồm 8 thí nghiệm;

- Dãy thí nghiệm ma trận ở các tay đòn gồm 6 thí nghiệm

- Dãy thí nghiệm ma trận ở tâm phương án 6 thí nghiệm.

Các kết quả được trình bày trong bảng 3.19:

Biến thực

Biến mã hóa

Hàm

N

mục tiêu

Z3

x0

x1

x2

x3

2 x1

2 x2

2 x3

Z1

Z2

80

230

200

17,44

+

+

-

-

-

+

+

1

120

230

200

17,33

+

+

-

+

-

+

+

2

80

270

200

17,51

+

+

+

-

-

+

+

3

120

270

200

17,31

+

+

+

+

-

+

+

4

80

230

240

17,39

+

+

-

-

+

+

+

5

120

230

240

17,37

+

+

-

+

+

+

+

6

80

270

240

17,33

+

+

+

-

+

+

+

7

120

270

240

17,25

+

+

+

+

+

+

+

8

250

17,43

0

0

0

0

66,36

220

+

-1,682

2,828

9

17,34

0

0

0

0

10

133,64

250

220

+ 1,682

2,828

17,29

0

+

0

0

0

100

216,36

220

-1,682

2,828

11

17,40

0

+

0

0

0

100

283,64

220

1,682

2,828

12

+

0

0

0

0

100

250

186,36

-1,682

2,828

17,59

13

+

0

0

0

0

100

250

253,64

1,682

2,828

17,25

14

39

Bảng 3.19. Kết quả thí nghiệm theo phương pháp quay bậc 2 Box – Hunter

15

100

250

220

+

0

0

0

0

0

0

17,09

16

100

250

220

+

0

0

0

0

0

0

17,12

17

100

250

220

+

0

0

0

0

0

0

17,05

18

100

250

220

+

0

0

0

0

0

0

17,09

19

100

250

220

+

0

0

0

0

0

0

17,13

20

100

250

220

+

0

0

0

0

0

0

17,06

Tiến hành tối ưu hóa hệ chất hoạt động bề mặt trên phần mềm thống kê Minitab

16 và kết quả của quy hoạch tối ưu hóa theo phương trình hồi quy tương thích với thực

2 +

nghiệm như sau:

2

ŷ = 17,074 - 0,041x1 - 0,06x3 - 0,019x1x2 + 0,026x1x3 - 0,029x2x3 + 0,086x1

2 + 0,098x3

0,072x2

Phương trình hồi quy trong tỷ lệ xích tự nhiên:

2

Ŷ = 42,81 - 5,324*10-2Z1 - 8,279*10-2Z2 - 0,1118*Z3 - 4,69*10-5Z1Z2 +

2 + 2,07*10-4 Z2

2 + 2,733*10-4Z3

6,56*10-5Z1Z3 - 7,19*10-5 Z2Z3 + 2,423*10-4Z1

a

b

c

Sử dụng phần mềm MINITAB 16 vẽ mặt tối ưu:

40

Hình 3.1. Đồ thị biểu diễn mặt mục tiêu σ theo các giá trị của nồng độ chất HĐBM

Hình 3.2. Các đường đồng mức biểu diễn giá trị SCBM theo nồng độ các chất HĐBM

Sau khi vẽ được mặt tối ưu ta thấy hàm đạt giá trị nhỏ nhất tại chính cực trị

riêng phần của nó:

Z1 = 103,74 g/kg

Z2 = 251,02 g/kg

Z3 = 225,1 g/kg

Thay các giá trị vào phương trình  = 17,06 mN/m.

Nồng độ tối ưu các chất là

DCF = 103,74 ≈ 104 g/kg

APG = 251,02 ≈ 251 g/kg

LHSB = 150,01 ≈ 150 g/kg

NPE = 74,94 ≈ 75 g/kg

Sau khi tối ưu hóa được thành phần hàm lượng của các chất HĐBM riêng phần

và tối ưu được quy trình chế tạo, hệ số lan truyền của các mẫu dung dịch tạo bọt tạo

41

màng nước đã được xác định, kết quả thu được trong bảng 3.20:

Bảng 3.20. Kết quả xác định hệ số lan truyền

SCBM SCBM SCBM Hệ số lan Lần thí

nghiệm truyền S γc γi γf

1 24,15 3,75 3,30 17,10

2 24,19 3,72 3,42 17,05

3 24,20 3,73 3,36 17,11

4 24,21 3,71 3,43 17,07

5 24,27 3,74 3,44 17,09

6 24,33 3,71 3,53 17,09

Trung bình 24,23 3,73 3,42 17,08

3.2. Phân tích xác định các thông số kỹ thuật chất trợ HĐBM và các phụ gia

3.2.1. Độ nở, thời gian bán hủy chất trợ HĐBM

Chất trợ HĐBM góp phần cải thiện hoạt tính của chất HĐBM, giúp ổn định và

tăng cường các chất HĐBM hợp phần. Một số phân tích cho thấy kết quả khi có mặt

của các chất trợ HĐBM thì bọt tạo thành sẽ có độ nở và thời gian bán hủy tốt hơn. Do

đó cần tiến hành phân tích độ nở bọt và thời gian bán hủy bọt của hỗn hợp chất HĐBM

khi có mặt của các chất trợ HĐBM riêng lẻ từ đó chọn ra chất trợ HĐBM tạo ra tính

chất tốt nhất cho dung dịch bọt tạo thành.

Sử dụng hệ chất HĐBM đã được tối ưu hóa để tạo mẫu chất tạo bọt tạm thời,

sau đó thêm các chất trợ HĐBM và tiến hành đo độ nở và thời gian bán hủy. Butyl

diglycol được thể hiện như là chất làm tăng cường bọt, làm cho thể tích bọt tăng lên và

bọt được bền hơn nên chọn sử dụng chất trợ HĐBM là butyl diglycol cho chất tạo bọt

tạo màng nước. Tuy nhiên hàm lượng chất trợ HĐBM phải được phân tích để phù hợp

với chất tạo bọt tạo màng nước 3 %.

Sử dụng hệ chất HĐBM đã được tối ưu hóa (gọi tắt là hệ N) để tạo mẫu chất tạo

bọt tạm thời, sau đó thêm chất trợ HĐBM với hàm lượng thay đổi từ 1 đến 7 % về

khối lượng.

42

Chế tạo 100 g chất tạo bọt gồm các thành phần: 58 % các chất HĐBM theo tỷ lệ

tối ưu, 1-7 % chất trợ HĐBM và nước để đủ 100 g về khối lượng. Các mẫu chất tạo

bọt này được đo độ nở và thời gian tiết nước, kết quả được trình bày trong bảng 3.21:

Bảng 3.21. Kết quả phân tích lựa chọn chất trợ HĐBM

Độ nở Thời gian bán hủy STT Chất trợ HĐBM (lần) (phút:giây)

N 5,6 3:34 1

N + 1% butyl diglycol 5,6 3:38 2

N + 2% butyl diglycol 5,6 3:42 3

N + 3% butyl diglycol 5,7 3:47 4

N + 4% butyl diglycol 5,8 3:52 5

N + 5% butyl diglycol 5,9 4:18 6

N + 6% butyl diglycol 5,8 4:19 7

N + 7% butyl diglycol 5,9 4:22 8

Kết quả đo độ nở và thời gian bán hủy của các mẫu tạo bọt khi có mặt chất trợ

HĐBM cho thấy, với các hàm lượng chất trợ HĐBM sử dụng đều làm tăng độ nở và

thời gian bán hủy bọt. Điều này có nghĩa là độ bền cơ học của bọt tăng lên và trong số

các hàm lượng chất trợ HĐBM phân tích, sử dụng 5 % butyl diglycol có khả năng làm

tăng độ nở cũng như thời gian bán hủy của bọt tốt nhất. Như vậy với kết quả trên thì

Butyl diglycol giúp cho hệ dung dịch bọt tạo thành có tính chất tốt nhất đáp ứng cho

chỉ tiêu kỹ thuật của bọt hình thành. Do vậy sử dụng 5 % butyl diglycol cho các phân

tích tiếp theo.

3.2.2. Độ nở, thời gian bán hủy các chất phụ gia

Các chất phụ gia có trong thành phần chất tạo bọt hầu như không làm ảnh

hưởng đến hoạt tính bề mặt của sản phẩm mà chỉ góp phần làm cho bọt có các đặc tính

vượt trội hơn đối với mỗi loại phụ gia thêm vào. Trong số các loại chất phụ gia luận

văn tập trung phân tích ảnh hưởng của chất làm tăng độ bền bọt, chất chống đông và

chất điều chỉnh độ nhớt đến một số tính chất của bọt.

3.2.2.1. Chất tăng độ bền bọt

43

Xác định ảnh hưởng của hydroxyethyl celluose (HEC) lên độ nở và thời gian

bán hủy của mẫu bọt giả định được thực hiện như sau: chế tạo 100 g mẫu bọt gồm 58 %

chất HĐBM theo tỷ lệ tối ưu, 5 % chất trợ HĐBM butyl diglycol, hàm lượng HEC thay

đổi từ 0 – 3,0 % và được đồng hóa cùng với nước. Kết quả phân tích độ nở và thời gian

bán hủy được trình bày trong bảng 3.22:

Bảng 3.22. Phân tích ảnh hưởng của HEC đến độ nở và thời gian bán hủy

Hàm lượng HEC (%) 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

Độ nở (lần) 5,6 5,6 5,7 5,7 5,8 5,8 5,9

Thời gian bán hủy 4:10 4:12 4:26 4:25 4:28 4:35 4:38 (phút:giây)

Kết quả thí nghiệm cho thấy khi hàm lượng HEC 1,0 % bắt đầu có sự tăng nhẹ

thời gian bán hủy nên chọn hàm lượng HEC là 1,0 % cho các phân tích tiếp theo.

3.2.2.2. Chất chống đông

Phân tích ảnh hưởng của glycerin đến nhiệt độ đông đặc của 100g mẫu giả

định: Glycerin với hàm lượng thay đổi từ 0 – 5 % được đồng hóa cùng với 58 % hỗn

hợp gồm hệ chất HĐBM đã tối ưu hóa, 5 % chất trợ hoạt động bề mặt và nước để

thành 100 g mẫu. Kết quả xác định độ nở, thời gian tiết nước, nhiệt độ đông đặc và độ

ổn định khi đông đặc và hóa lỏng của mẫu được trình bày trong bảng 3.23:

Bảng 3.23. Phân tích ảnh hưởng của glycerin đến nhiệt độ đông đặc

Hàm lượng 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 4 5 glycerin (%)

Độ nở (lần) 5,6 5,7 5,6 5,6 5,7 5,6 5,8 5,7 5,7

Thời gian bán

hủy 4:10 4:09 4:14 4:15 4:13 4:19 4:24 4:28 4:29

(phút:giây)

Nhiệt độ đông -2,4 -2,6 -2,8 -3,5 -4,4 -5,0 -5,6 -6,4 -6,8 đặc (oC)

Qua các thí nghiệm phân tích nhiệt độ đông đặc; độ ổn định khi đông đặc và

44

hóa lỏng của các mẫu chất tạo bọt giả định với sự có mặt của glycerin cho thấy các

mẫu bọt đã giảm nhiệt độ đông đặc khi hàm lượng glycerin tăng và sau khi hóa lỏng

thu được chất lỏng đồng nhất. Sự có mặt của glycerin cũng không làm thay đổi độ nở

và thời gian bán hủy nhiều. Khi hàm lượng glycerin ở mức 2,5 % thì nhiệt độ đông đặc

đạt -5,0oC, đây là mức an toàn trong điều kiện khí hậu Việt Nam. Do vậy, chọn

glycerin với hàm lượng 2,5 % làm chất chống đông để phân tích.

3.2.2.3. Chất điều chỉnh độ nhớt

Dựa trên các kết quả phân tích về chất tăng độ bền bọt (HEC) cũng như tham

khảo về thông số độ nhớt của một số sản phẩm tương tự trên thế giới, tiến hành phân

tích sự giảm độ nhớt của chất tạo bọt bằng sự có mặt của ure trên mẫu bọt giả định với

1,0 % HEC. Tiến hành phân tích 100 g các mẫu bọt với 58 % các chất HĐBM theo tỷ

lệ đã tối ưu, 1,0 % HEC, 0 – 4 % ure và lượng nước vừa đủ để thành 100 g dung dịch.

Kết quả được trình bày trong bảng 3.24:

Bảng 3.24. Phân tích ảnh hưởng Ure đến độ nhớt

Hàm lượng ure 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 (%)

Độ nở (lần) 5,8 5,8 5,9 5,8 5,9 5,9 5,8 5,8 5,9

Thời gian bán hủy 4:10 4:12 4:14 4:39 4:38 4:39 4:41 4:45 4:47 (phút:giây)

Độ nhớt (mm2/s) 89,7 77,5 75,6 69,7 67,5 65,6 50,5 49,4 48,6

Qua các thí nghiệm phân tích sự giảm độ nhớt của các mẫu chất tạo bọt chữa

cháy tạm thời có thể thấy rằng với hàm lượng ure bằng 1,5 % thì độ nhớt đạt theo yêu

cầu mong muốn và thời gian tiết nước cũng tăng lên đáng kể. Do vậy sẽ sử dụng kết quả

này để thực hiện trong các nội dung phân tích tiếp theo.

3.2.3. Phân tích xác định hệ số lan truyền

Sau khi tối ưu hóa được thành phần hàm lượng của các chất HĐBM riêng phần

và tối ưu được quy trình chế tạo, hệ số lan truyền của các mẫu dung dịch tạo bọt tạo

màng nước theo công thức: S = σc - σf - σi

Phân tích 100 g mẫu bọt theo công thức: 58 % hệ chất HĐBM đã tối ưu + 5 %

45

butyl diglycol + 2,5 % glycerin + 1,0 % HEC +1,5 % ure + 32 % nước. Lấy 3 % mẫu

chất tạo bọt này pha vào 97 % nước được dung dịch tạo bọt và xác định hệ số lan

truyền, kết quả phân tích hệ số lan truyền được trình bày trong bảng 3.25:

Bảng 3.25. Kết quả phân tích hệ số lan truyền

SCBM SCBM SCBM Hệ số lan Lần thí

truyền S nghiệm σc σf σi

24,31 17,24 3,93 3,14 1

24,27 17,20 3,96 3,11 2

24,17 17,12 3,96 3,09 3

24,25 17,19 3,95 3,11 Trung bình

Kết quả trung bình hệ số lan truyền của các mẫu chất tạo bọt tính toán được là

3,11 với giá trị này thì chất tạo bọt phân tích được gọi là chất tạo bọt tạo màng nước,

tức là bọt có khả năng tự lan truyền trên bề mặt chất lỏng khác.

3.3. Phân tích độ bền của hỗn hợp chất HĐBM với chất trợ HĐBM và các chất

phụ gia

Tiến hành phân tích 100 g các mẫu chất tạo bọt bao gồm 4 chất HĐBM với tỷ

lệ đã tối ưu hóa (gọi tắt là hệ N) với sự có mặt của các chất phụ gia (hàm lượng của

các chất phụ gia đã được phân tích ở trên) và 32 % nước. Các mẫu chất tạo bọt được ủ

đẳng nhiệt ở 150oC, xác định sự biến thiên pH và SCBM của các mẫu dung dịch theo

các mốc thời gian khác nhau, các kết quả thu được như sau:

Bảng 3.26. Biến thiên pH và σ của hệ N (DCF : APG : LHSB : NPE) + 5% Butyl

diglycol theo thời gian ủ nhiệt

Thời gian ủ nhiệt (h) Thông

số pH/σ 1 2 3 4 6 8

7,26 0,22 0,21 0,21 0,20 0,28 0,27 ΔpH

46

17,09 0,32 0,34 0,38 0,35 0,39 0,40 Δσ

Bảng 3.27. Biến thiên pH và σ của hệ N (DCF : APG : LHSB : NPE) + 2,5% Glycerin

theo thời gian ủ nhiệt

Thời gian ủ nhiệt (h) Thông

số pH/σ 1 2 3 4 6 8

7,34 0,31 0,33 0,32 0,31 0,28 0,31 ΔpH

17,82 0,24 0,23 0,26 0,23 0,24 0,22 Δσ

Bảng 3.28. Biến thiên pH và σ của hệ N (DCF : APG : LHSB : NPE) + 1,5% Ure theo

thời gian ủ nhiệt

Thời gian ủ nhiệt (h) Thông

số pH/σ 1 2 3 4 6 8

7,26 0,20 0,21 0,24 0,23 0,22 0,26 ΔpH

18,16 0,22 0,22 0,23 0,25 0,22 0,28 Δσ

Bảng 3.29. Biến thiên pH và σ của hệ N (DCF : APG : LHSB : NPE) + 1,0% HEC

theo thời gian ủ nhiệt

Thời gian ủ nhiệt (h) Thông

số pH/σ 1 2 3 4 6 8

7,18 0,24 0,23 0,27 0,25 0,27 0,29 ΔpH

17,70 0,26 0,23 0,21 0,25 0,24 0,27 Δσ

Bảng 3.30. Biến thiên pH và σ của hệ N (DCF : APG : LHSB : NPE) + 04 chất phụ gia

trên theo thời gian ủ nhiệt

Thời gian ủ nhiệt (h) Thông

số pH/σ 1 2 3 4 6 8

7,34 0,14 0,13 0,17 0,20 0,21 0,20 ΔpH

47

17,04 0,21 0,22 0,20 0,22 0,21 0,24 Δσ

Sự biến thiên pH và SCBM của hệ vật liệu khi có mặt từng phụ gia và các phụ

gia không lớn, điều này phù hợp với lý thuyết chung về chất phụ gia và giá trị SCBM

thay đổi nhỏ chứng tỏ hệ vật liệu nghiên cứu tương đối bền nhiệt, tính bền nhiệt này sẽ

được phân tích kỹ hơn bằng các thí nghiệm thử cháy theo tiêu chuẩn Việt Nam.

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 %

3.4.1. Phân tích thời gian khuấy và tốc độ khuấy đối với chất tạo bọt tạo màng nước

Tiến hành phân tích thời gian khuấy và tốc độ khuấy trên quy mô phòng thí

nghiệm. Cân các chất có khối lượng như sau: 1600 g Nước, 520 g DCF, 1255 g APG,

750 g LHSB, 375 g NPE, 50 g HEC, 75 g Ure, 125 g Glyxerin, 250 g Butyldiglycol.

Phối trộn các chất theo thứ tự Nước; DCF; LHSB; NPE; APG; Butyldiglycol;

Glyxerin; HEC; Urê tương ứng với thứ tự 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9 thành 5000 g dung

dịch ~ 5 lít hỗn hợp, tiến hành khuấy tới khi hệ đồng nhất, đo và ghi lại thời gian

khuấy trộn. Lấy chất tạo bọt thu được pha trộn với nước ngọt để tạo thành dung dịch

tạo bọt tạo màng nước và tiến hành đo các thông số như: thời gian bán hủy, sức căng

bề mặt. Kết quả thu được trong bảng 3.31:

Bảng 3.31. Kết quả phân tích thời gian khuấy và tốc độ khuấy

Tốc độ Thời gian Thời gian bán Sức căng Độ đồng

khuấy khuấy hủy bề mặt TT nhất của

dung dịch (V/ph) (Phút) (phút:giây) (mN/m)

50 1 360 Đồng nhất 5:48 17,2

100 2 179 Đồng nhất 5:41 17,1

150 3 86 Đồng nhất 5:39 17,0

4 180 40 Đồng nhất 5:45 16,8

200 5 41 Đồng nhất 5:41 17,1

Theo kết quả phân tích tốc độ khuấy, khi tốc độ khuấy tăng thì thời gian khuấy

giảm, khi tốc độ tăng đến 200 vòng/phút thì thời gian khuấy không giảm, để đảm bảo

sự ổn định cho thiết bị và tiết kiệm năng lượng tiêu hao trong quá trình chế tạo luận

văn lựa chọn thời gian khuấy là 40 phút, tốc độ khuấy là 180 vòng/phút để chế tạo chất

48

tạo bọt chữa cháy tạo màng nước.

Hình 3.3. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đối với chất tạo bọt tạo màng nước 3 %

3.4.2. Lập công thức phân tích chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước 3 %

Từ các kết quả phân tích tối ưu các thành phần, công thức chế tạo chất tạo bọt

chữa cháy tạo màng nước 3 % được lập như sau:

Nồng độ STT Thành phần (%)

DCF 1 10,4

APG 2 25,1

LHSB 3 15

NPE 4 7,5

HEC 5 1,0

Ure 6 1,5

Glycerin 7 2,5

Butyl diglycol 8 5,0

Nước 9 32

Sử dụng các công thức chế tạo chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước để phân

tích các mẫu bọt để kiểm tra các thông số kỹ thuật chính của công thức. Kết quả phân

49

tích thu được trong bảng 3.32:

Bảng 3.32. Kết quả phân tích thông số kỹ thuật chính của chất tạo bọt chữa cháy tạo

màng nước

Nồng độ 3 % STT Chỉ tiêu Lần 1 Lần 2 Lần 3

1 Độ nở (lần) 5,5 5,6 5,6

Thời gian bán hủy (phút:giây) 2 4:52 4:58 4:48

pH 3 7,0 6,9 6,9

4 Khối lượng riêng ở 250C (g/cm3) 1,042 1,045 1,044

5 Hiệu quả dập cháy (giây) 279 266 276

6 Mức chống cháy lại (giây) 392 367 387

Các kết quả kiểm tra thông số kỹ thuật chính của công thức chế tạo chất tạo bọt

chữa cháy tạo màng nước 3 % đều đạt yêu cầu cả về kỹ thuật và hiệu quả dập cháy

50

theo TCVN 7278 – 1 : 2003.

KẾT LUẬN

Dựa trên những kết quả đã phân tích được, tôi rút ra một số kết luận như sau:

1. Đã phân tích được hệ các chất hoạt động bề mặt có sự tương hợp tốt và bền

nhiệt bao gồm: chất hoạt động bề mặt flo hóa là DuPont™ Capstone®

fluorosurfactant 1440 (DCF), các chất hoạt động bề mặt hydrocacbon là Alkyl

polyglucosides (APG), Nonylphenol ethoxylates (NPE), Lauryl hydoxysulfo

betaine (LHSB). Trong đó hệ có khả năng tương hợp tốt và bền nhiệt là hệ chứa

4 chất hoạt động bề mặt với tỉ lệ DCF : APG : LHSB : NPE là 1 : 3 : 2 : 1 về

khối lượng.

2. Đã tối ưu hóa được hệ chất hoạt động bề mặt bền nhiệt với nồng độ các chất lần

lượt là DCF = 104 g/kg; LHSB = 150 g/kg; NPE = 75 g/kg; APG = 251 g/kg. Ở

nồng độ tối ưu của chất hoạt động bề mặt, sức căng bề mặt của hệ đạt giá trị tối

thiểu là 17,06 mN/m.

3. Đã phân tích, xây dựng được hệ chất hoạt động bề mặt bền nhiệt ứng dụng cho

việc chế tạo hệ dung dịch chữa cháy tạo bọt tạo màng nước 3 % có độ nở thấp

51

với thời gian khuấy 40 phút, tốc độ khuấy 180 V/ph.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Đặng Từng, Đào Quốc Hợp, Đắc Phong, Giáo trình Lý thuyết quá trình cháy, Tr

7, NXB Khoa học kỹ thuật, 2004.

2. T. Briggs. Foams for firefighting. in Foams: Theory, Measurements, and

Applications, R.K. Prud’homme and S.A. Khan, Surfactant Science Series 57,

Marcel Dekker, New York, 1996.

3. J.L. Bryan, Fire Suppression and Detection Systems, 2nd edn, Macmillan, New

York, 1982.

4. R. Karthikeyan, S. Balaji and P.K. Sehgal, Industrial applications of keratins: a

review. J. Sci. Ind. Res. , 2007, 66, 710–715.

5. Daizo Kubo, Yasuyoshi Fukuda, Protein foam fire-extinguishing chemical and an

aqueous foam solution, US 6495056B2, 2002.

6. Fire testing a new fluorine-

free AFFF based on a novel class of environmentally sound high performance

siloxane surfactants, Fire safety science, 2014, 11, 1261-1270.

7. J. R. Lugar, R. O. Foernsler, H. W. Carhart, et al., Fifth Quadripartite Conference

IEP ABCA-7, Dunfermline, October, 1978.

8. Hà Văn Vân, Nghiên cứu chế tạo chất tạo bọt chữa cháy xăng dầu độ nở thấp, Đề

tài NCKH cấp Bộ Công an, 2013.

9. D.J. Gardner, Application of the Lifshitz-van Der Waals acid-base approach to

determine wood surface tension components, Wood and Fiber Science, 1996, 28,

422–428.

10. US Department of Agriculture Forest Service, Specification 5100-307a,

Specification for Fire Suppressant Foam for Wildland Firefighting (Class A

Foam), June 1, 2007.

11. Hideo Ohtani, Yusuke Koshba, Fire extinguishing agent and fire extinguishing

method, US Patent, US 9782616 B2, 2017.

12. R.J. Farn, Chemistry and Technology of Surfactants. Blackwell Publishing,

Oxford, 2006.

13. R.A Falk, Perfluoralkyl anion/perfluoroalkyl cation ion pair complexes. US

52

patent 4,420,434, December 13, 1983.

14. L.B. Smolka and A. Belmonte, Charge screening effects on filament dynamics in

xanthan gum solutions. J. Non-Newtonian Fluid Mech., 137: 103, 2006.

15. K.P. Clark and R.A. Falk, Polysaccharide/perfluoroalkyl complexes. US patent

4,859,349, August 22, 1989.

16. J.L. Scheffey and C.P. Hanauska, Status Report on Environmental Concerns

Related to Aqueous Film Forming Foam (AFFF), Hughes Associates, Inc., 2002.

17. T. Cortina and S. Korzeniowski. AFFF industry in position to exceed

environmental goals, Asia Pacific Fire, July, 2008.

18. Tim Coope, Kenneth Moloy, Allison Yake, Viacheslava Petrov, Charles

Taylor, Ming Hung, Sheng Peng, Fluorinated sulfamido amphoteric surfactants,

Journal of Fluorine Chemistry, 161, 2014, 41–50.

19. Tiêu chuẩn TCVN 7278-1 : 2003 (ISO 7203 - 3 :1999), Chất chữa cháy - Chất

tạo bọt chữa cháy - Phần 1: Yêu cầu kỹ thuật đối với chất tạo bọt chữa cháy độ

nở thấp dùng phun lên bề mặt chất lỏng cháy không hòa tan được với nước.

20. Tiêu chuẩn TCVN 7278-2 : 2003 (ISO 7203- 2 :1995), Chất chữa cháy - Chất tạo

bọt chữa cháy - Phần 2: Yêu cầu kỹ thuật đối với chất tạo bọt chữa cháy độ nở

trung bình và cao dùng phun lên bề mặt chất lỏng cháy không hòa tan được với

nước.

21. Tiêu chuẩn TCVN 7278-3: 2003 (ISO 7203 - 3 :1999), Chất chữa cháy - Chất tạo

foam chữa cháy - Phần 3: Yêu cầu kỹ thuật đối với chất tạo bọt chữa cháy độ nở

thấp dùng phun lên bề mặt chất lỏng cháy hòa tan được với nước.

22. LASTFIRE, http://www.lastfire.co.uk, 2011.

23. K.P. Clark, M. Jacobson and C.H. Jho, Compositions for polar solvent fire

fighting containing perfluoroalkyl terminated co-oligomer concentrates and

polysaccharides, US patent 5,218,021, June 8, 1993.

24. L.R. DiMaio and P.J. Chiesa, Foam concentrate, US patent 5,225,095, July 6,

1993.

25. G. Garcia and P. Durual, Alcohol resistant film-forming fluoroprotein foam

concentrates. US patent 5,824,238, October 20, 1998.

26. Dennis P. Nolan , Chapter 19 – Methods of Fire Suppression, Handbook of Fire

and Explosion Protection Engineering Principles (Third Edition), For Oil, Gas,

53

Chemical and Related Facilities, 2014, 313–352.

CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN

1. Nguyễn Thị Ngoan, Lương Như Hải, Đỗ Sơn Hải, Vương Văn Trường, Tô

Phúc Du, Trương Thị Thảo, Lê Thị Thúy Hằng, Lê Văn Thụ, Nghiên cứu ảnh

hưởng của natri silicat đến tính chất bọt chữa cháy tạo màng nước, Tạp chí Hóa

học, số 57 (6E1,2), trang 59 – 63, 12 - 2019