Nghiên cứu quá trình pha chế dầu thủy lực vi nhũ trong khai thác than hầm lò

MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH LỜI MỞ ĐẦU …………………………………………………………………... 1 CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN 1.1 Giới Thiệu Chung Về Ngành Than …………………………………………… 3 1.2 Cột Thủy Lực Trong Khai Thác Hầm Lò ……………………………………... 6 1.3 Chất Lỏng Thủy Lực ………………………………………………………….. 8 1.3.1 Chức năng của dầu thủy lực ……………………………………………….... 8 ………. 12 1.3.2 Phân loại chất lỏng thủy lực ……………………………………………….... 9 1.3.3 Chất lỏng thủy lực cho hệ thống cột chống hầm lò ………………………... 10 1.4 Nhũ …………………………………………………………………………… 13 1.5 Vi Nhũ ………………………………………………………………………... 14 1.6 Dầu Thủy Lực Vi Nhũ ……………………………………………………….. 16 1.6.1 Dầu gốc …………………………………………………………………….. 17 1.6.2 Chất hoạt động bề mặt ……………………………………………………... 19 1.6.3 Các phụ gia ………………………………………………………………… 23 1.7 Công Nghệ Pha Chế ………………………………………………………….. 26 1.8 Tình Hình Nghiên Cứu Dầu Thủy Lực Vi Nhũ Ở Việt Nam ………………… 26 CHƯƠNG 2.THỰC NGHIỆM 2.1 Hệ Thống Thiết Bị Và Đơn Pha Chế Sản Suất Dầu Thủy Lực Vi Nhũ ……… 29 2.1.1 Mô hình thiết bị …………………………………………………………….. 29 2.1.2 Đơn pha chế ………………………………………………………………... 30 2.2 Khảo Sát Quá Trình Pha Chế ………………………………………………… 32 2.3 Quá Trình Pha Chế …………………………………………………………… 37 2.4 Kiểm Tra, Đánh Giá Và Thử Nghiệm Thực Tế Dầu Thủy Lực Vi Nhũ Pha Chế ………………………………………………………………….. 39 2.4.1 Các phương pháp phân tích kiểm tra các chỉ tiêu hóa lý ………………… 39 2.4.1.1 Xác định độ bền chống tách của dung dịch làm việc …………………….. 40 2.4.1.2 Xác định khả năng chống ăn mòn của dung dịch làm việc ………………. 40 2.4.1.3 Xác định khả năng chống ăn mòn kim loại trong nước muối ……………. 41 2.4.1.4 Xác định tính chất bọt của dung dịch làm việc …………………………... 41 2.4.1.5 Xác định khả năng bôi trơn của dung dịch làm việc ……………………... 42 2.4.1.6 Thử Nghiệm ứng dụng thực tế …………………………………………… 42 2.4.1.7 Xác định cỡ hạt phân bố của dầu thủy lực vi nhũ ………………………... 44 2.4.2 Kiểm Tra, Đánh Giá Các Thông Số Kỹ Thuật Của Dầu Thủy Lực Vi Nhũ Pha Chế ………………………………………………………………….. 44 2.4.3 Thử Nghiệm Ứng Dụng Thực Tế Trên Hệ Thống Bảo Áp Thủy Lực Tại Đơn Vị Khai Thác Hầm Lò ………………………………………………….. 46 KẾT LUẬN.......................................................................................................... 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………… 50 PHỤ LỤC ………………………………………………………………………. 52

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH

LỜI MỞ ĐẦU ……… 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới Thiệu Chung Về Ngành Than ……… 3

1.2 Cột Thủy Lực Trong Khai Thác Hầm Lò ……… 6

1.3 Chất Lỏng Thủy Lực ……… 8

1.3.1 Chức năng của dầu thủy lực ……… 8

……… 12

1.3.2 Phân loại chất lỏng thủy lực ……… 9

1.3.3 Chất lỏng thủy lực cho hệ thống cột chống hầm lò ……… 10

1.4 Nhũ ………

13 1.5 Vi Nhũ ……… 14

1.6 Dầu Thủy Lực Vi Nhũ ……… 16

1.6.1 Dầu gốc ……… 17

1.6.2 Chất hoạt động bề mặt ……… 19

1.6.3 Các phụ gia ……… 23

1.7 Công Nghệ Pha Chế ………

26

1.8 Tình Hình Nghiên Cứu Dầu Thủy Lực Vi Nhũ Ở Việt Nam ……… 26

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 2.1 Hệ Thống Thiết Bị Và Đơn Pha Chế Sản Suất Dầu Thủy Lực Vi Nhũ ……… 29

2.1.1 Mô hình thiết bị ………

29 2.1.2 Đơn pha chế ……… 30

2.2 Khảo Sát Quá Trình Pha Chế ………32

2.3 Quá Trình Pha Chế ………

37 2.4 Kiểm Tra, Đánh Giá Và Thử Nghiệm Thực Tế Dầu Thủy Lực

Vi Nhũ Pha Chế ……… 39

2.4.1 Các phương pháp phân tích kiểm tra các chỉ tiêu hóa lý ……… 39

2.4.1.1 Xác định độ bền chống tách của dung dịch làm việc ………

40 2.4.1.2 Xác định khả năng chống ăn mòn của dung dịch làm việc ………

40 2.4.1.3 Xác định khả năng chống ăn mòn kim loại trong nước muối ……….41

2.4.1.4 Xác định tính chất bọt của dung dịch làm việc ……… 41

2.4.1.5 Xác định khả năng bôi trơn của dung dịch làm việc ………

42 2.4.1.6 Thử Nghiệm ứng dụng thực tế ………42

2.4.1.7 Xác định cỡ hạt phân bố của dầu thủy lực vi nhũ ……… 44

2.4.2 Kiểm Tra, Đánh Giá Các Thông Số Kỹ Thuật Của Dầu Thủy Lực

Vi Nhũ Pha Chế ……… 44

2.4.3 Thử Nghiệm Ứng Dụng Thực Tế Trên Hệ Thống Bảo Áp Thủy Lực Tại Đơn Vị Khai Thác Hầm Lò ……… 46KẾT LUẬN

49TÀI LIỆU THAM KHẢO ……… 50

DANH MỤC BẢNG

1.3 Một số tính chất của các loại chất lỏng thủy lực chống cháy có chứa nước 111.4 Mối liên hệ giữa kích thước hạt và trạng thái cảm quan của nhũ 131.5 Giá trị HLB của một số chất hoạt động bề mặt thương mại 21

1.7 Chỉ tiêu chất lượng dầu thủy lực TL2A và TL2 27

2.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian và tốc độ khuấy đến sản phẩm dầu thủy lực vi nhũ 34

2.3 Chất lượng nước sạch tại Cẩm phả, Quảng Ninh và Cầu Diễn, Hà Nội 35

2.4 Yêu cầu chất lượng nước dùng pha chế dung dịch làm việc từ dầu thủy lực vi nhũ 37

2.5 Các phương pháp phân tích chỉ tiêu theo TCVN và các phương pháp tiêu chuẩn phổ biến 402.6 Thử nghiệm thực tế dầu thủy lực vi nhũ trên giá bảo áp 432.7 Các thông số chất lượng của dầu thủy lực vi nhũ pha chế 442.8 Kết quả thử nghiệm trên cột thủy lực đơn DZ-22 462.9 Kết quả thử nghiệm trên hệ thống giá bảo áp thủy lực 47

DANH MỤC HÌNH

1.1 Hình ảnh hệ thống cột chống thủy lực trong khai thác hầm lò 6

1.3 Mô hình tổng quát giá khung thủy lực di động 71.4 Nhũ tương dạng dầu trong nước và nước trong dầu 14

2.1 Hệ thống thiết bị sản xuất dầu thủy lực vi nhũ 292.2 Sơ bộ quy trình pha chế dầu thủy lực vi nhũ quy mô 200 lít/mẻ 33

2.3 Sơ đồ công nghệ quá trình pha chế dầu thủy lực vi nhũ quy mô 200 lít/mẻ 38

2.4 Giá bảo áp cột thủy lực dùng để thử nghiệm thực tế dung dịch làm việc 432.5 Thiết bị Zetasizer Nano Zs của Malvern 442.6 Phân bố kích thước hạt của dung dịch làm việc 5% pha từ dầu thủy lực vi nhũ pha chế 45

2.7 Phân bố kích thước hạt của dung dịch làm việc 5% pha từ dầu thủy lực vi nhũ nghiên cứu 46

LỜI MỞ ĐẦU

Trong công cuộc xây dựng và phát triển kinh tế xã hội, sự phát triển côngnghiệp luôn giữ vai trò trọng yếu, nó đóng vai trò chủ đạo trong cơ cấu kinh tế ỞViệt Nam chúng ta, Đảng và Nhà nước xác định chiến lược xây dựng một nền côngnghiệp hóa, hiện đại hóa khoa học kỹ thuật tiên tiến, thì việc phát triển ngành côngnghiệp càng được chú trọng

Trong các ngành công nghiệp nói chung ở nước ta, ngành công nghiệp khaithác than cũng là một ngành đóng vai trò quan trọng cung cấp nguyên liệu cho cácngành công nghiệp khác như: Nhiệt điện, luyện kim đen, giấy, đạm, xi măng…Chính vì vậy mà ngành than được Đảng và Nhà nước đặc biệt quan tâm, sớm đầu

tư để phát triển

Tại Quảng Ninh, trữ lượng than tìm kiếm thăm dò đạt khoảng 3,5 tỷ tấn(chiếm khoảng 67% trữ lượng than đang khai thác trên cả nước) Trong đó cókhoảng hơn 45% sản lượng than khai thác sử dụng công nghệ khai thác hầm lò.Một trong những phương tiện không thể thiếu trong công tác khai thác hầm lò làcác giá đỡ và cột chống hầm lò được vận hành nhờ dầu thủy lực gốc nước

Dầu thủy lực gốc nước này ngoài các tính năng thiết yếu đối với hệ thốngthủy lực như tính chịu nén, tính bôi trơn còn cần thêm một số yêu cầu để phù hợpvới điều kiện môi trường làm việc như: có độ bền và ổn định cao, không gây nguy

cơ cháy nổ, không bị vi sinh vật phân hủy, chống ăn mòn kim loại và không tácđộng tới môi trường Hàng năm, nước ta sử dụng hàng nghìn tấn dầu thủy lực loạinày vào công nghiệp khai thác than hầm lò Tuy nhiện, số lượng này chủ yếu đượcnhập khẩu từ Trung Quốc và một số nước tư bản

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và yêu cầu ngày càng tốt hơn

về dầu thủy lực: độ bền cần được nâng cao, thời gian sử dụng dài, thay thế và cảithiện một số tính năng,…các nhà khoa học đã nghiên cứu và ứng dụng các loại dầu

vi nhũ để đáp ứng tốt các điều kiện này Năm 2002, Trung Quốc ban hành tiêuchuẩn MT 76-2002 quy định chất lượng dầu vi nhũ sử dụng trong ngành khaikhoáng, tới cuối năm 2011 bắt đầu chào bán sản phẩm dầu vi nhũ đến các công tythan tại Quảng Ninh và đạt hiệu quả rất tốt nhưng với giá thành sản phẩm rất cao,gấp 2-3 lần so với dầu thủy lực truyền thống đang sử dụng Vì vậy đòi hỏi yêu cầu

nghiên cứu và sản xuất ra loại dầu vi nhũ phục vụ cho các ngành khai khoáng nóichung và ngành khai thác than nói riêng là rất cần thiết và cấp thiết.

Sau một thời gian dài học tập tại trường, được sự chỉ dạy nhiệt tình của thầy

cô giáo trong ngành Lọc Hóa dầu trường Đại học Mỏ Địa Chất, em đã kết thúckhóa học và đã tích lũy được vốn kiến thức nhất định Được sự đồng ý của nhàtrường và thầy cô giáo trong khoa, em được giao đề tài tốt nghiệp: “Nghiên cứuquá trình pha chế dầu thủy lực vi nhũ trong khai thác than hầm lò”

Bằng sự cố gắng của bản thân và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình chu đáo củathầy giáo PGS.TS Đinh Văn Kha và các anh chị trong Trung tâm nghiên cứu triểnkhai công nghệ hóa học, em đã hoàn thành đồ án đúng thời hạn Do thời gian làm

đồ án có hạn và trình độ còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Emrất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như các bạn sinhviên để bài đồ án này được hoàn thiện hơn nữa

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Đinh Văn Kha, các thầy côgiáo trong ngành Lọc hóa dầu trường Đại học Mỏ Địa Chất cùng toàn thể các anhchị trong Trung tâm nghiên cứu triển khai công nghệ hóa học đã tạo điều kiện giúp

đỡ em trong thời gian qua.!

Hà nội, ngày 29 tháng 12 năm 2016

Sinh viên thực hiện

Lê Bá Cường

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Giới Thiệu Chung Về Ngành Than

Ngành than Việt Nam đã có lịch sử khai thác trên 176 năm, với 80 nămtruyền thống vẻ vang, từ cuộc bãi công ngày 12/11/1936 của hơn 3 vạn thợ mỏ đãgiành thắng lợi rực rỡ Trãi qua những năm tháng khó khăn cùng thử thách gay gắttrong những năm đầu bước vào thời kỳ đổi mới thập niên 90 Ngày 10/10/1994,Tổng công ty Than Việt Nam được thành lập, với những chiến lược kinh doanh đangành, công ty đã từng bước tháo gỡ khó khăn, trì trệ thời bao cấp, xây dựng mụctiêu chiến lược đúng đắn cho sự phát triển Đến ngày 26/12/2005, Thủ tướng chínhphủ quyết định thành lập Tập đoàn Công nghiệp Than-Khoáng Sản Việt Nam (tênviết tắt: TKV) Trãi qua những giai đoạn phát triển, hiện nay TKV có khoảng 30

mỏ và các điểm khai thác lộ thiên, trong đó có 5 mỏ có công suất từ 1 triệu đến 3triệu tấn/năm Có khoảng 20 mỏ khai thác hầm lò, trong đó có 7 mỏ có công suất

từ 1 triệu tấn/năm trở lên đó là: Mạo Khê, Vàng Danh, Nam Mẫu, Hà Lầm, MôngDương, Khe Chàm, Dương Huy Theo TKV trữ lượng than tại Việt Nam rất lớn:riêng ở Quảng Ninh có khoảng 10,5 tỷ tấn, trong đó đã tìm kiếm thăm dò 3,5 tỷ tấnchủ yếu là than antraxit Khu vực Đồng bằng sông Hồng dự báo khoảng 210 tỷ tấn,các mỏ than ở các tỉnh khác khoảng 400 triệu tấn Riêng than bùn là khoảng 7 tỷphân bố ở cả 3 miền

Công nghệ khai thác than chủ yếu có 2 loại là khai thác mỏ lộ thiên và khaithác hầm lò Trong đó khai thác mỏ lộ thiên có độ an toàn lao động và điều kiệnsản xuất tốt hơn, năng suất lao động cao hơn, thời gian và chi phí xây dựng ít hơn,tuy nhiên, việc khai thác lộ thiên lại phụ thuộc và chịu ảnh hưởng trực tiếp vàođiều kiện khí hậu: mưa, nắng, gió, bão…, dễ ảnh hưởng xấu tới môi trường như:làm thay đổi bề mặt địa hình, gây bụi, gây ồn, làm ô nhiễm nguồn nước, khôngkhí….Khai thác hầm lò được sử dụng với các mỏ nằm sâu dưới lòng đất, phần lớncác khâu công nghệ khai thác thực hiện trong các đường lò dưới lòng đất nên mức

độ và phạm vi ảnh hưởng tới môi trường thấp hơn so với khai thác lộ thiên, chủyếu là làm thay đổi mực nước ngầm, giảm tài nguyên nguồn nước, nhưng vì vậy

mà nguy cơ tại nạn lao động cũng cao hơn do khả năng sập các đường hầm lò

Ngày nay, để đảm bảo độ an toàn cao nhất, người ta đã sử đụng các cộtchống thủy lực, giá đỡ thủy lực thay vì các loại cột chống gỗ như: giá thủy lực di

động XDY1T2/Hh/Lr, cột thủy lực đơn xà hộp, cột thủy lực đơn bơm dung dịchngoài DZ-22 và xà hộp DHFBC-2600, cột thủy lực đơn kết hợp với xà sắt DHJB-1200…Để vận hành được cột chống thủy lực cần loại dầu thủy lực gốc nước dạngnhũ tương với nồng độ 3-5% trong nước nên rất kinh tế và giảm thiểu ô nhiễm môitrường Cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, chất lượng và chủng loại củacác loại dầu này được cải tiến và nâng cao không ngừng.

 Tình Hình Khai Thác Và Sử Dụng Than

Than đá là một loại nhiên liệu hóa thạch được hình thành ở các hệ sinh tháiđầm lầy nơi xác thực vật được nước và bùn lưu giữ không bị oxi hóa và phân hủybởi vi sinh vật và cả ở những cánh rừng bị cháy được vùi lấp Than đá là sản phẩmcủa quá trình biến chất, là các lớp đá có màu đen hoặc đen nâu có thể đốt cháyđược Thành phần chính của than đá là cacbon, ngoài ra còn có các yếu tố khác,chủ yếu là hidro, lưu huỳnh, oxi, nito Than đá được sử dụng nhiều trong sản xuất

và đời sống Than đá là nguồn nhiên liệu sản xuất điện năng lớn nhất thế giới.Trước đây, than đá dung làm nhiên liệu cho máy hơi nước, đầu máy xe lửa Sau đó,than làm nhiên liệu cho nhà máy nhiệt điện, ngành luyện kim Gần đây than còndung cho ngành hóa học tạo ra các sản phẩm như dược phẩm, chất dẻo, sợi nhântạo Than chì dùng làm điện cực Than có tính chất hấp phụ chất độc nên người tagọi là than hoạt tính có khả năng giữ trên bề mặt các chất khí, chất hơi, chất tantrong dung dịch Dùng nhiều trong việc máy lọc nước, làm trắng đường, mặt nạphòng độc…

Than Việt Nam có thể chia làm 4 loại: than antraxit, than bùn, than bitum,than lignit:

• Than antraxit: có trữ lượng và tiềm năng lớn của Việt Nam, được phân bố

gần như khắp miền Bắc và miền Trung nước ta, chủ yếu thuộc các mỏ ở bểthan Quảng Ninh, và rải rác ở các mỏ thuộc các tỉnh :Quán Triều (TháiNguyên), Sườn Giữa (Quảng Nam)…

• Than bùn: nằm rải rác từ Bắc vào Nam, nhưng chủ yếu tập trung ở đồng

bằng sông Cửu Long với 2 mỏ than lớn là U Minh Thượng và U Minh Hạ

• Than bitum: chủ yếu tập trung ở các mỏ: mỏ Làng Cẩm và Phấn Mễ (Thái

Nguyên), mỏ Khe Bố (Nghệ An), mỏ Đồi Hoa (Hòa Bình), mỏ Suối Bàng

và Mường Lựm (Sơn La) …

• Than lignit: phân bố chủ yếu ở bể than Đồng bằng sông Hồng, mỏ than Na

Dương (Lạng Sơn), và một số mỏ khác nhưng hầu hết là các mỏ nhỏ , trữlượng không lớn

Theo báo cáo của Tập đoàn công nghiệp Than – Khoáng Sản Việt Nam(TKV): năm 2012, sản lượng than nguyên khai sản xuất đạt 44,06 triệu tấn, thansạch 39,6 triệu tấn, than tiêu thụ 39,38 triệu tấn; năm 2014 sản lượng than nguyênkhai là 37,5 triệu tấn, tiêu thụ được 35,5 triệu tấn than sạch; năm 2015 sản lượngthan nguyên khai là 37,6 triệu tấn, than tiêu thụ trên 35,5 triệu tấn; năm 2016 sảnlượng than nguyên khai đạt 34,8 triệu tấn

Bộ Công Thương đã thăm dò, khảo sát trữ lượng tài nguyên than Việt Nam

dự tính đến ngày 31/12/2015 khoảng 48,88 tỷ tấn Cũng theo tính toán của BộCông Thương, nhu cầu sử dụng than năm 2020 đạt khoảng 86,4 triệu tấn, năm

2025 là khoảng 121,5 triệu tấn và năm 2030 khoảng 156,6 triệu tấn Trong đó nhucầu lớn nhất đó là nhiệt điện, với sử dụng của năm 2020 khoảng 64,1 triệu tấn, năm

2025 khoảng 96,5 triệu tấn và năm 2030 khoảng 131 triệu tấn Với mục tiêu pháttriển ngành than đến năm 2020, xét đến 2030 là xây dựng ngành than Việt Namthành ngành công nghiệp phát triển, có sức cạnh tranh cao, có trình độ công nghệtiên tiến so với khu vực ở tất cả các khâu thăm dò, khai thác, sang tuyến, chế biến,

sử dụng than, đáp ứng đủ than cho nhu cầu trong nước, đặc biệt là than cho sảnxuất điện Bộ Công Thương định hướng trong quy hoạch khai thác gồm: quy hoạchcác mỏ có quy mô nhỏ thành mỏ có quy mô lớn; phát triển sản lượng khai tháctheo hướng bền vững, hiệu quả, quy hoạch đổ thải theo hướng sử dụng tối đa bãithải trong; đầu tư một số dự án thử nghiệm tại bể than sông Hồng để lựa chọn côngnghệ hợp lí

Để thực hiện được mục tiêu phát triển ngành than, với việc khai thác hầm lòđang trở thành xu hướng tất yếu bởi lẽ các mỏ lộ thiên hiện không còn nhiều, thìnhu cầu về dầu thủy lực sử dụng cho các hệ thống cột chống thủy lực trong khaithác hầm lò là rất quan trọng

l1 l2

cả Trung quốc) hoàn toàn từ Trung Quốc Đến năm 2008 bắt đầu nhập và thửnghiệm sử dụng các hệ thống giá khung thủy lực

Hình 1.2: Kết cấu của cột chống thủy lực

Cột chống thủy lực có các tính năng nổi bật như:

Phần đầu cột chống Q1 Q2

Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật cột chống thủy lực

Model Áp suất làm việc (Mpa) Tải trọng (kN)

Chiều cao Min- max(mm)

Khối lượng (kg)

3 Xylanh tiến gương

4 Xylanh nâng hạ mái trước

Hiện nay, 100% cột chống thủy lực đơn đã nội địa hóa hoàn toàn do công ty

chế tạo máy Việt Nam thuộc Tập đoàn Vinacomin sản xuất Từ năm 2008, Tập

đoàn cũng phối hợp với Công ty TNHH Huy Việt, Cảnh Tân, Trung Quốc nghiên

cứu sản xuất và nội địa hóa các loại khung giá di động phù hợp với điều kiện vùng

mỏ Việt Nam trên cơ sở các loại khung giá tương ứng của Trung Quốc Với nhiệm

vụ đẩy mạnh cớ giới hóa hầm lò, việc các cột chống, khung giá thủy lực di động

được đưa vào trong khai thác ngày càng nhiều, điều này đặt ra yêu cầu một lượng

lớn chất lỏng thủy lực để vận hành chúng Những năm gần đây, các Xí nghiệp

thuộc tập đoàn Vinacomin đã tiến hành nghiên cứu pha chế các loại dầu thủy lực

dần thay thế các sản phẩm dầu nhũ thủy lực của Trung Quốc, nhưng vẫn đang ápdụng theo tiêu chuẩn MT 76-2002 của Trung Quốc.

1.3 Chất Lỏng Thủy Lực

• Chức năng của dầu thủy lực:

- Truyền tải lực: Đây là chức năng chính của dầu thủy lực Sử dụng dầu thủylực để truyền lực là phương pháp hiệu quả và kinh tế

- Bôi trơn các bộ phận thiết bị: Dầu thủy lực bôi trơn có tác dụng làm giảm

ma sát và ăn mòn, kéo dài tuổi thọ của thiết bị

- Làm môi trường truyền nhiệt: Đây là chức năng rất cần thiết để đảm bảotrong quá trình hoạt động, nhiệt độ của hệ thống không tăng lên quá cao ảnhhưởng tới hiệu quả làm việc hay có thể khiến hệ thống bị ăn mòn, dừng hoạtđộng

- Giảm chấn do sự thay đổi áp suất đột ngột

- Làm môi trường kín bề mặt các bộ phận, chi tiết của hệ thống thủy lực, giảmthiểu sự rò rỉ, và tránh cho hệ thống tiếp xúc bụi bẩn và các tác nhân bênngoài

• Yêu cầu của dầu thủy lực:

- Hàng không: Hệ thống điều khiển bộ phận hạ cánh máy bay

- Hàng hải: Thiết bị thay đổi hướng, điều khiển tuabin; cần cẩu

1.3.2 Phân loại chất lỏng thủy lực

Theo hệ thống phân loại ISO 6743/4 có rất nhiều loại chất lỏng thủy lực tùytheo thành phần cấu tạo của chúng (bảng 1.2)

Bảng 1.2: Phân loại các chất lỏng thủy lực

HH Dầu khoáng tinh chế không có phụ gia

HL Dầu khoáng tinh chế có phụ gia ức chế oxy hóa và ức chế gỉ

HM HL thêm phụ gia chống mài mòn

HR HL thêm phụ gia cai thiện chỉ số độ nhớt

HV HM thêm phụ phụ gia cải thiện chỉ số độ nhớt

HG HM có tính chất chống kẹt dính khi trượt

HS Chất tổng hợp có tính chất chống cháy đặc biệt

HF Chất lỏng chống cháy, các chữ cái thêm vào sau chữ HF sẽ đặc trưng cho từng loại riêng nhưng vẫn thuộc nhóm HFHFAE Nhũ tương dầu trong nước có chứa tối đa 20% khối lượng dầuHFAS Chất lỏng thủy lực tổng hợp có chứa tối thiểu 80% nước trongdung dịch

HFB Nhũ tương nước trong dầu chứa tối đa 60% khối lượng dầu khoáng

HFC Dung dịch chứa tối thiểu là 35% nước trong các polymer tan trong nướcHFD Những chất lỏng chống cháy không phải gốc nước

HFDR HFD có thành phần chủ yếu là este của axitphosphoric

HFDS HFD có thành phần chủ yếu là các hợp chất chứa halogenHFDT Hỗn hợp của HFDR và HFDS

HFDU HFD khác HFDR, HFDS, HFDT

Nước được biết đến là chất lỏng thủy lực đầu tiên, được sử dụng bởi người

Ai Cập cổ Từ những năm 1920, các chất lỏng thủy lực dạng dầu bắt đầu được sửdụng phổ biến thay thế cho nước do nhiều ưu điểm hơn như: nhiệt độ sôi cao hơn,hao hụt ít, bôi trơn tốt, độ bền và ổn định cao, chịu nén tốt, có khả năng chống ănmòn kim loại

1.3.3 Chất lỏng thủy lực cho hệ thống cột chống hầm lò.

Chất lỏng thủy lực (CLTL) là thành phần thiết yếu đóng vai trò quan trọngtrong việc vận hành các hệ thống thủy lực, đảm bảo sự hoạt động ổn định của các

thiết bị máy móc sử dụng trong đời sống và sản xuất Tùy theo điều kiện khai thác,môi trường làm việc cụ thể, cũng như tùy theo cấu tạo của thiết bị mà hệ thốngthủy lực được sử dụng cũng cần phù hợp Hệ thống thủy lực có thể là tĩnh hayđộng, có thể làm việc trong không gian kín hoặc không gian mở hay làm việc ởnhiệt độ âm Điều này dẫn đến các chất lỏng thủy lực sử dụng trong hệ thống thủylực cũng khác nhau.

Trước đây, dầu thủy lực trên nền dầu khoáng được sử dụng rộng rãi trongkhai thác hầm lò Vào năm 1956 tại Macxinel – Bỉ, đã xảy ra vụ cháy lớn vớinguyên nhân là do dầu thủy lực bị bắt cháy khi có sự cố sinh tia lửa điện trong khiđường dẫn dầu thủy lực bị rò rỉ trong hầm lò làm 267 người thiệt mạng Từ đó, vì lí

do an toàn, tránh các rủi ro nguy hiểm có thể xảy ra trong hệ thống thủy lực xuấtphát từ sự rò rỉ trong hệ thống thủy lực khi vận hành, hoặc do sự quá nhiệt của hệthống khi chịu áp suất cao và sự tự bốc cháy của dầu, người ta bắt buộc phải dùngchất lỏng thủy lực chống cháy (CLTLCC) trong khai thác hầm lò

• Các CLTLCC (dung dịch làm việc) cần phải đáp ứng một số yêu cầu kỹthuật như:

- Độ đặc càng thấp càng tốt

- Hệ số nén nhỏ

- Độ nhớt không quá thấp, làm sao đảm bảo duy trì màng bôi trơn

- Độ nhớt ít thay đổi theo nhiệt độ và áp suất

- Không bị thay đổi tính chất theo thời gian

- Tính chống cháy tốt

- Tương thích với các gioăng phớt của hệ thủy lực

- Dễ tách khí

- Ít tạo bọt

- Không bị đông đặc ở nhiệt độ thấp

• CLTLCC thông thường được chia làm 2 nhóm lớn:

- Chất lỏng thủy lực chống cháy không nước (hàm lượng nước ≤ 0,1% khối

lượng): là các CLTL thuộc nhóm HFD (bảng 1.2) Đại diện cho phân nhómnày là các silicon, polyclobiphenyl, este của axit phosphoric Do giá thànhcao và độ bôi trơn không nổi trội nên silicon không được sử dụng nhiều Cácbiphenyl được polyclo hóa (có hàm lượng clo cao từ 35÷50%) là CLCC rất

tốt, nhưng độ độc cao nên không còn xuất hiện trên thị trường Este của axitphosphoric được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và trong các lĩnh vựcđòi hỏi kỹ thuật cao như hàng không, quân đội Tuy nhiên, hiện nay việc sửdụng chúng đã giảm nhiều do chúng ít tương thích với dầu khoáng, không antoàn với môi trường và rất đắt Khả năng chống mài mòn rất tốt, nhưngchúng tương đối độc hại với người sử dụng, nếu bị chảy tràn thì biện pháp

xử lí cũng rất phức tạp; khi phân hủy nhiệt thường sinh khí độc hại, dễ bịthủy phân tạo axit ăn mòn; tỷ trọng của chúng nặng hơn nước nên khi thải

bỏ hoặc bị lẫn vào hệ thống nước thải thì xử lí rất khó khăn.Ngoài ra cònCLTLCC nhóm HFDU (polyol este), chúng có độ an toàn môi trường và antoàn sức khỏe nhất hiện nay Chúng có khả năng phân hủy sinh học và dễ xử

lý do có tỷ trọng tương tự dầu gốc khoáng Khi bị thủy phân, khi phân hủynhiệt hoặc bị đốt cháy chúng tạo ra các sản phẩm không độc hại

- Chất lỏng thủy lực chống cháy có nước: Các CLTLCC nhóm HFA, HFB và

HFC chứa một lượng nước lớn ở dạng nhũ tương hay dung dịch thuộc loạinày Hàm lượng nước cao đảm bảo cho khả năng cháy thấp , các chất lỏngnày không những được dùng trong các ứng dụng yêu cầu khả năng cháy thấp

mà còn được dùng trong trường hợp khi có sự mất mát lớn do rò rỉ, giá thànhcác chất lỏng này rẻ hơn so với các CLCC không chứa nước, trong trườnghợp ứng dụng không cho phép sự có mặt của dầu khoáng

Bảng 1.3: Một số tính chất của các loại CLTLCC có chứa nước

Các tính chất

HFAE Nhũ tương dầu trong nước

HFB Nhũ tương nước trong dầu

HFC Dung dịch polyme

Nhiệt độ tự bốc cháy Tùy thuộc vào quy trình kiểm tra nhưng cao hơn củadầu khoáng, có thể trên 500°C trên bề mặt nóngKhả năng phân hủy

sinh học

Tốt với nguyênliệu đầu phù hợp

Như dầukhoáng

Trung bình tớikém

Gây ăn mòn kim loại Nhỏ không đáng kể

Truyền nhiệt, làm

Hàm lượng nước Tối thiểu 80% ≈ 75% Tối thiểu 35%

HFB: CLTLCC loại HFB là dung dịch nhũ nước trong dầu được phát triển

để thay thế cho dầu thủy lực gốc khoáng trong các hệ thống thủy lực dễ có khảnăng bắt cháy do chúng đáp ứng về độ nhớt và khả năng chống cháy Ngày nayngười ta ít dùng loại này do chúng đòi hỏi loại dầu đặc chủng, tính chất nhiệt độthấp của chúng không được tốt do nước có thể bị đóng băng Hệ thống thủy lực khichuyển đổi dùng sang HFB cũng đòi hỏi bơm đặc chủng đắt tiền hoặc ít nhất cũngphải thay đổi tốc độ bơm và áp suất làm việc của hệ thống Ngoài ra, thành phầncủa chúng dễ thay đổi trong quá trình sử dụng do việc mất nước nên không thuậntiện khi sử dụng Chúng có thể bị tách thành 2 lớp và đánh mất hoàn toàn khả nănglàm việc

HFC: là CLTLCC thường được dùng thay thế cho dầu thủy lực gốc khoáng

trong các ứng dụng ở nơi dễ xảy ra cháy Các chất lỏng HFC điển hình là hỗn hợpcủa glycol, ete glycol tan trong nước và polyglycol có các phụ gia chống oxy hóa

và chống gỉ Hàm lượng nước tối thiểu là 35% đóng vai trò chống cháy, do nănglượng để bay hơi nước là rất lớn nên khả năng bắt cháy và lan tỏa đám cháy củaHFC là rất nhỏ Trong quá trình sử dụng, nhũ tương luôn được kiểm tra và làmsạch; đặc biệt cần dùng chất diệt khuẩn cho hệ để đảm bảo thời gian sử dụng củanhũ

HFA: Trong số các loại CLTL thì HFA là thích hợp cho các hệ thống thủy

lực dùng trong khai thác hầm lò với điều kiện cần phải thải bỏ lien tục và các hệthống thủy lực dùng trong cán thép với kim loại được nấu chảy, do ưu điểm đápứng được yêu cầu chống cháy rất cao, an toàn với môi trường Chúng đủ đáp ứng

về mặt bôi trơn, chống ăn mòn mài mòn và chịu áp đến 300atm Tuy nhiên, chúng

có độ nhớt thấp Để sử dụng chất lỏng thủy lực loại này, hệ thống cần có loại bơm

và hệ thống van đặc chủng đắt tiền do vậy chỉ dùng cho các hệ thống đã được chỉđịnh dùng loại HFA, không thể chuyển đổi thay thế cho dầu thủy lực nền dầukhoáng được HFA được chia thành 2 loại HFA-E và HFA-S:

- HFA-E: là nhũ tương chứa 1÷5% khối lượng dầu trong nước Nhũ tạo thành

là do các chất hoạt động bề mặt (HĐBM) có đuôi hydrocacbon ái dầu baobọc lấy hạt dầu và có đầu phân cực ái nước hướng ra dung dịch nước tạothành hạt nhũ dầu trong nước Tùy theo kích thước của hạt nhũ tạo thành các

hệ nhũ có màu khác nhau trắng sữa hoặc xanh (bảng 1.4)

- HFA-S: là dung dịch chứa đến 20% dầu tổng hợp và ≥ 80% là nước, do vậy

còn được gọi là chất lỏng thủy lực nền nước HWBF (high-water- basedfluids) Các CLTL loại này thuộc thế hệ mới, có tính thân thiện môi trườngnhưng giá thành khá cao, khó triển khai sử dụng trong điều kiện kinh tế và

kỹ thuật ở Việt Nam

Bảng 1.4: Mối liên hệ giữa kích thước hạt và trạng thái cảm quan của nhũ

Kích thước hạt nhũ Trạng thái, cảm quan của nhũ

0,05÷0,1µm Nhũ có độ trong vừa phải, có ánh xám

<0,05µm Dung dịch trong suốt(vi nhũ, siêu vi nhũ)

1.4 Nhũ

- Là một hệ phân tán cao của hai hay nhiều chất lỏng không trộn lẫnvào nhau, một trong hai có mặt dưới dạng những giọt nhỏ của pha bịphân tán, pha còn lại dưới dạng pha liên tục

- Phân loại: Trong phần lớn trường hợp một trong hai pha của nhũtương là nước thì người ta phân biệt hai trường hợp: Nhũ tương nướctrong dầu W/O (còn gọi là nhũ tương nghịch: môi trường phân tán làdầu) và nhũ tương dầu trong nước O/W (nhũ tương thuận: môi trườngphân tán là nước) Hình 1.4

Hình 1.4: Nhũ tương dạng dầu trong nước và nước trong dầu

Ngoài ra, nhũ tương còn được phân loại theo nồng độ gồm: nhũ tương

loãng, nhũ tương đặc và nhũ tương đậm đặc Nhũ tương loãng: là loại

nhũ tương chỉ có khoảng 0,1% thể tích là pha phân tán,hạt nhũ tươnghình cầu có bán kính hạt khoảng cm, vì nồng độ nhỏ nên nhũ tương

loại này tương đối bền, không cần chất nhũ hóa Nhũ tương đặc: pha

phân tán chiếm tới 74% thể tích hệ, kích thước hạt tương đối lớn 1µm và lớn hơn, loại nhũ tương này kém bền, dễ sa lắng hoặc nổi,

0,1-muốn duy trì phải đưa vào chất nhũ hóa Nhũ tương đậm đặc: pha

phân tán chiếm hơn 74% thể tích hệ, loại nhũ tương này không thể salắng, chỉ có thể tồn tại khi có mặt chất nhũ hóa

- Nhũ tương là một hệ không bền vững vì giữa bề mặt phân pha dầu vànước tồn tại một dạng năng lượng bề mặt (năng lượng tự do Gibbs);các hạt nhũ tương tự ý liên kết lại với nhau lại thành tập hợp và cuốicùng hệ tách thành hai lớp dầu và nước Vì vậy người ta thêm các chấthoạt động bề mặt làm giảm sức ép bề mặt giữa hai pha dầu và nước,

do đó làm giảm động lực của sự phân pha, ổn định nhũ Hầu như cácloại nhũ đều đục do ánh sáng bị tán xạ khi gặp các hạt nhũ phân tán.Khi đường kính hạt nhũ giảm xuống khoảng 0,1µm trở xuống, nhũ sẽgần như trong suốt đến trong suốt, khi đó sẽ gọi là vi nhũ

1.5 Vi Nhũ

Chất lỏng vi nhũ được khám phá khá sớm và đưa ra lần đầu tiên vào nhữngnăm 40 của thế kỷ XX, do hai nhà khoa học Hoar và Schulman đưa ra sau khi haiông tình cờ hòa nhũ tương sữa vào hexanol, phát hiện thấy hệ nhũ tương có độ

phân tán rất cao, kích thước hạt nhũ khác thường, nhỏ hơn rất nhiều so với hạt nhũtương thông thường và ông gọi đó là “microemulsion”.

Một hệ vi nhũ có thể được định nghĩa đơn giản như sau: “ Hệ vi nhũ là hệphân tán vi dị thể, gồm pha dầu và pha nước phân tán đồng nhất vào nhau và được

ổn định bởi phân tử các chất hoạt động bề mặt trên bề mặt phân cách hai pha, cótính đẳng hướng về mặt quang học (tức là trong suốt hoặc trong mờ, ánh sáng cóthể dễ dàng đi qua), ổn định về mặt nhiệt động học giống một dung dịch lỏng”.Quan sát bằng kính hiển vi, một vi nhũ trông như một dung dịch đồng thể, nhưng ởkích thước phân tử nó lại là hệ dị thể

Như vậy thành phần cơ bản của vi nhũ gồm có hai pha dầu và nước, cácchất hoạt động bề mặt:

- Pha dầu: gồm những chất lỏng không phân cực như dầu lạc, dầu đậutương, dầu hướng dương, triglyceride mạch cacbon no trung bình, axitoleic…và các chất hòa tan vào chúng như: methanol, terpen, tinh dầu

- Pha nước: gồm những chất lỏng không phân cực hay dùng trong bàochế như: nước, ethanol, propyle glycol…và các chất dễ hòa tan vàochúng

- Chất hoạt động bề mặt (chất nhũ hóa): là các chất có khả năng làmgiảm sức căng bề mặt pha, qua đó giúp hình thành và ổn định hệ vinhũ Phân tử chất hoạt động bề mặt gồm 2 phần: phần ưa nước vàphần ưa dầu, tính chất hoạt động bề mặt phụ thuộc vào hai phần này

- Ngoài ra có thể có thêm chất đồng điện hóa: là thành phần cho thêmvào, có vai trò quan trọng trong việc hình thành vi nhũ tương

Bản chất của sự tương tác giữa dầu và nước là lực đẩy, sự hiện diện của cácphân tử chất hoạt động bề mặt làm thay đổi cân bằng giữa các lực này thành lựchấp dẫn Tác dụng ổn định của các chất hoạt động bề mặt được tạo ra do sự hìnhthành các dạng vi cấu trúc khác nhau khiến cho tương tác dầu-nước ổn định Cấutrúc bên trong của một vi nhũ ở một nhiệt độ cho trước được quyết định bởi tỉ lệhợp phần của nó Cấu trúc này gồm cả những giọt nano nhỏ hình cầu đơn kíchthước hoặc 1 pha chuyển tiếp Khi các phân tử chất hoạt động bề mặt có một nồng

độ nhất định, đồng thời:

- Ở nồng độ cao của nước, cấu trúc bên trong của vi nhũ bao gồmnhững droplet dầu trong pha tiếp giáp nước (hình thành hạt micelles-mixen thuận).

- Với sự tăng nồng độ dầu, một mặt phân pha không có hình dạng xácđịnh được hình thành

- Ở nồng độ dầu cao, mặt phân pha chuyển thành cấu trúc của mộtdroplet nước trong pha tiếp giáp dầu (reverse micelles-mixen nghịch),cũng được gọi là một vi nhũ nước/dầu

Giá trị kích thước của những droplet khác nhau từ 10nm đến 100nm phụ thuộc vàoloại chất hoạt động bề mặt Nó cũng chỉ ra rằng hệ rất nhạy cảm với nhiệt độ, đặcbiệt với trường hợp chất hoạt động bề mặt không ion Việc tăng nhiệt độ sẽ phá hủycác hạt dầu trong khi những hạt nước bị phá hủy khi giảm nhiệt độ Về cơ bản, hệ

vi nhũ cũng giống như nhũ tương thông thường được phân loại thành nước trongdầu và dầu trong nước

Hình 1.5: Cấu tạo hạt mixen

a Mixen thuận(dầu trong nước) b Mixen ngịch( nước trong dầu) 1.6 Dầu Thủy Lực Vi Nhũ

Đã có nhiều nghiên cứu về dầu nhũ thủy lực nhằm nâng cao chất lượng, cảithiện đặc tính và tìm ra các loại dầu thủy lực mới ưu việt hơn Từ khi chất lỏng vinhũ được đưa ra, các nhà khoa học đã có nhiều nghiên cứu cụ thể hơn về nó Tớinhững năm 1970, bắt đầu có những thử nghiệm ứng dụng thực tế đầu tiên của hệ vinhũ và tới những năm 1980, dầu thủy lực hệ vi nhũ bắt đầu được nghiên cứu thửnghiệm trong khai khoáng Các hệ vi nhũ này nhìn trong suốt hoặc trong vừa phải

có kích thước hạt vô cùng nhỏ cỡ ≤100nm (khi ≤ 10nm thì gọi là hệ siêu vi nhũ) và

có nhiều tính chất ưu việt hơn hẳn nhũ tương thông thường, đặc biệt là khả năng

bôi trơn trên các bề mặt kim loại và độ bền nên được sử dụng nhiều trong các ứngdụng: làm dung dịch khoan để tăng cường khả năng thu hồi dầu trong khai thácdầu mỏ, trong tổng hợp xúc tác, trong tổng hợp thuốc, ứng dụng trong y khoa,trong công nghiệp khai khoáng… Hiện nay, trên thế giới đang có xu hướng ứngdụng các loại dầu thủy lực dạng vi nhũ này vào trong các hệ thống khai thác hầm

lò, và hầu hết các ngành khai khoáng tại các nước công nghiệp phát triển đều đã sửdụng loại dầu thủy lực hệ vi nhũ hoặc siêu vi nhũ này

Cũng như tất cả các loại dầu thủy lực nói chung, dầu vi nhũ thủy lực cóthành phần gồm: dầu gốc, chất hoạt động bề mặt và các phụ gia Dầu gốc là cácloại dầu khoáng tinh chế, dầu tổng hợp, dầu động thực vật hoặc các chất béo đãbiến tính bằng các quá trình sunfonat hóa, oxi hóa hoặc hydro hóa Chất hoạt động

bề mặt là các chất có khả năng làm giảm sức căng bề mặt pha, qua đó giúp hìnhthành hệ vi nhũ Phụ gia là các chất được thêm vào để nâng cao các tính chất riêngbiệt vốn có hoặc bổ sung các tính chất sẵn có nhằm mục đích thu được sản phẩmđạt yêu cầu

1.6.1 Dầu gốc

Dầu gốc là dầu thu được sau quá trình chế biến, xử lý tổng hợp bằng các quátrình xử lý vật lý và hóa học Dầu gốc dùng pha chế dầu thủy lực gồm ba loại: dầugốc khoáng, dầu tổng hợp hoặc dầu động thực vât

a. Dầu gốc khoáng

Dầu gốc khoáng là dầu được chưng cất từ dầu mỏ sau khi đã tách ra cácthành phần không mong muốn, chủ yếu thu được từ quá trình chưng cất chânkhông sản phẩm đáy của tháp chưng cất khí quyển Dầu gốc khoáng có nhiều ưuđiểm như: bôi trơn tốt, đặc tính độ nhớt-áp suất tốt, phù hợp khi sử dụng ở nhiệt độcao, tương hợp với các kim loại và làm kín, hạn chế ăn mòn tốt nên thường được

sử để làm dầu bôi trơn cho các thiết bị thủy lực Nhược điểm của nó là dễ cháy nổ,

dễ bị phân hủy sinh học, ảnh hưởng xấu tới sức khỏe con người và môi trường khi

bị rò rỉ ra ngoài nên quá trình pha chế CLTLCC cần lựa chọn dầu gốc khoáng thíchhợp

Dầu gốc khoáng được sử dụng pha chế trong dầu thủy lực chống cháy là cácdầu tinh chế, thường là dầu parafinic hoặc naphtenic trong phân đoạn chưng cất

chân không cặn mazut với khoảng nhiệt độ sôi 350-500°C Các hợp chấthydrocacbon thơm bị hạn chế sử dụng do có thể tạo ra các hydrocacbon thơm đavòng gây bệnh ung thư.

b. Dầu tổng hợp

Dầu gốc khoáng được sử dụng rộng rãi với nhiều ưu điểm tốt, tuy nhiêntrong một vài trường hợp các thiết bị hoạt động đòi hỏi các đặc tính vật lý và hóahọc đặc biệt mà tính chất dầu gốc khoáng không đủ để đáp ứng Ngày nay, để đápứng yêu cầu ngày càng cao đó, người ta bắt đầu quan tâm đến dầu gốc tổng hợpnhiều hơn Dầu gốc tổng hợp là dầu được tạo ra bằng các quá trình chế biến hóahọc từ những hợp chất ban đầu, do đó nó có những tính chất được định ra từ trước

Dầu tổng hợp có khả năng chịu được các điều kiện làm việc khắc nghiệt hơnrất nhiều lần so với dầu gốc khoáng như: bền với các tác nhân oxi hóa (do đó tuổithọ dầu cao hơn), khoảng nhiệt độ làm việc rộng hơn (khoảng từ -55°C đến320°C), chỉ số độ nhớt vượt trội ( cho phép độ nhớt ít biến đổi ngay cả khi nhiệt độlàm việc thay đổi mạnh, vì vậy đảm bảo quá trình bôi trơn), chống cháy tốt, ít tiêuhao hơn Nhược điểm lớn nhất của dầu tổng hợp là cần nhiều công đoạn tổng hợphóa học phúc tạp và không sản xuất được số lượng lớn như dầu gốc khoáng, do đógiá thành dầu gốc tổng hợp cao hơn dầu gốc khoáng thường từ 5-100 lần, ngoài racòn không có các tính năng đa dạng được như dầu gốc khoáng vì trong hỗn hợp chỉ

có mặt của một số cấu tử thực hiện một loại chức năng riêng biệt nào đó

Thành phần của dầu gốc tổng hợp chủ yếu bao gồm các thành phần:

- Hydrocacbon tổng hợp oligomer olefin (polyalphaolefin, polubutylen),ankyl của hydrocacbon thơm, hydrocacbon no mạch vòng

- Các este hữu cơ như các este diaxit, este polyol của axit béo

- Polyglucol chủ yếu là các polyme của etylen , propylene oxit có trọnglượng phân tử cao hoặc cả hai

- Este photphat chủ yếu là các este ankyl/aryl photphat

Độ bền và khả năng chống cháy phụ thuộc vào bản chất dầu gốc, có thể sắpxếp theo thứ tự: hệ glycol-nước > este photphat > polyol ete > dầu gốc khoáng.Các este bậc 3 của axit phosphoric với ancol, phenol được ứng dụng nhiều làm dầutổng hợp, dầu thủy lực chống cháy do có đặc tính chống ăn mòn và chống cháy tốt

trơn rất tốt và khả năng tương hợp tốt nên este phosphat có thể trộn được với cácphụ gia, các loại dầu tổng hợp và dầu khoáng tuy nhiên lại không tương hợp vớicao su, vecni, nhựa,… Hiện nay, các este của axit béo cũng được sử dụng trong dầuthủy lực do đặc tính bền nhiệt và an toàn với con người và môi trường Ngoài ra,người ta còn sử dụng các rượu như trimetylpropan(TMP), neopentyl glycol (NPG)hoặc pentaary-thritol để tổng hợp các este polyol, các este polyol này có độ bềnnhiệt và bền thủy phân, và vì có nguồn gốc tự nhiên nên phân hủy sinh học tốt,không ảnh hưởng tới môi trường

c. Dầu động thực vật

Bản chất của dầu gốc động thực vật là este của rượu và axit béo, có nguồn

gốc từ dầu lanh, dầu dừa, dầu lạc, dầu cọ, dầu thầu dầu, mỡ động vật,…

Các este của các axit béo cũng được sử dụng trong dầu thủy lực do đặc tínhbền nhiệt, có khả năng phân hủy sinh học, an toàn với môi trường và con người.Thành phần axit béo của dầu thực vật bao gồm axit palmitic, axit steric, axit oleic,axit linoleic và các axit khác, có cấu trúc mạch thẳng, phân tử chứa từ 8-22 cacbon.Dầu động thực vật rất dễ bị phân hủy do vi sinh vật, đặc biệt trong trường hợpnguồn nước không đảm bảo và không ổn định tại các mỏ, dẫn đến dầu thủy lực đặc

dễ bị tách lớp trong quá trình lưu chứa, bảo quản Vì vậy, chúng chủ yếu đượcdùng để phối trộn với dầu khoáng hoặc dầu tổng hợp để đạt được một số chức năng

nhất định Ngày nay, người ta thường sử dụng dầu khoáng hay dầu tổng hợp do

tính chất ưu việt, sản phẩm đa dạng phong phú và giá thành rẻ

1.6.2 Chất hoạt động bề mặt

Chất hoạt động bề mặt đóng vai trò chất nhũ hóa là thành phần không thểthiếu được của các loại dầu thủy lực và dầu thủy lực vi nhũ Chúng quyết định độbền nhũ và dạng nhũ tạo thành là nhũ dầu trong nước hay nhũ nước trong dầu.Phân tử chất hoạt động bề mặt gồm có 2 đầu: đầu ưa nước- đầu ưa dầu, nên nó cókhả năng hấp phụ lên bề mặt phân chia pha giữa chất phân tán và môi trường phântán, làm giảm sức căng bề mặt giữa hai pha Phần ưa dầu chứa gốc hydrocacbonmạch đủ dài từ 8-21 nguyên tử cacbon, tùy theo phần ưa nước mà chất hoạt động

bề mặt được chia làm 3 loại: loại anion, loại cation và loại không ion Ngoài ra còncòn chất hoạt động bề mặt lưỡng tính

Chất hoạt động bề mặt anion: Chất hoạt động bề mặt mà khi hòa tan vào

nước phân ly ra ion hoạt động bề mặt âm, chiếm phân lớn kích thước toàn bộ phân

tử hay chính là mạch hydrocacbon khá dài, và ion thứ hai không có tính hoạt động

bề mặt Đó là chất hoạt động bề mặt anion Có khả năng hoạt động bề mặt mạnhnhất so với các loại khác Làm tác động tẩy rửa chính trong khi phối liệu, khả nănglấy dầu cao, tạo bọt to nhưng kém bền, bị thụ động hóa hay mất khả năng tẩy rửatrong nước cứng, nước cứng tạm thời, các ion kim loại nặng (Fe, Cu) Đại diện làcác muối của kim loại kiềm với axit mạch dài, thường không no (hỗn hợp của axitoleic, axit béo, axit naphtenic,…) và các sunfonamit

Chất hoạt động bề mặt cation: Chất hoạt động bề mặt mà khi hòa tan vào

nước phân ly ra ion hoạt động bề mặt dương, chiếm phần lớn kích thước toàn bộphân tử hay chính là mạch hydrocacbon khá dài, và ion thứ hai không có tính hoạtđộng bề mặt Đó là chất hoạt động bề mặt cation Có khả năng hoạt động bề mặtkhông cao, êm dịu với da, tẩy dầu ít, không dùng với mực đích tạo bọt, làm bềnbọt, tạo nhũ tốt Các chất hoạt động bề mặt cation quan trọng là các muối amonimạch akyl dài

Chất hoạt động bề mặt không ion: Các chất hoạt động bề mặt khi hòa tan

vào trong nước không phân ly thành ion gọi là chất hoạt động bề mặt không ion.Đây là loại có khả năng hoạt động bề mặt không cao Êm dịu với da, lấy dầu ít, làmbền bọt và tạo nhũ tốt, ít chịu ảnh hưởng của nước cứng và PH của môi trường.Các chất nhũ hóa quan trọng loại này hầu hết chứa các gốc polyetylenoxit (gốc nàycho khả năng hòa tan trong nước và các tính chất hoạt động bề mặt) Ví dụ là cácakyl-, ankyaryl-, axyl-, ankylamoni-, axylamoni-poluglucol và các mono-,dietanolamin được axylat hóa có mạch dài

Chất hoạt động bề mặt lưỡng tính: Những chất hoạt động bề mặt mà tùy

theo môi trường là axit hay bazo mà có hoạt tính cation với axit hay anion vớibazo, hay nói cách khác là chất hoạt động bề mặt có các nhóm lưỡng cực vừa tíchđiện âm vừa tích điện dương (amin, este) ở PH thấp chúng là chất hoạt động bềmặt cation và là anion ở PH cao Ví dụ: dodecyl dimetylamin oxit, cocoaminopropyl betain,

Chất hoạt động bề mặt dạng anion và không ion hiện được sử dụng nhiềunhất trong sản xuất CLTLCC ( nhũ thuận dầu trong nước), chất lỏng gia công kim

loại Phụ thuộc vào cấu trúc phân tử, tính ưa nước- ưa dầu của chất hoạt động bềmặt mà khi tạo nhũ, có thể tạo nhũ tương ngịch hoặc nhũ tương thuận Đặc trưngcho khả năng ưa dầu- ưa nước và tính tương quan giữa hai khả năng này là mộtthông số “ độ cân bằng ưa kỵ nước” (viết tắt là HLB), có giá trị trong khoảng từ 0đến 40 Có thể tính toán chỉ số HLB theo phương pháp Davies bằng công thức sau:

HLB = 7 + Ʃ HLB các nhóm ưa nước – Ʃ HLB các nhóm kị nước

HLB của một số nhóm ưa nước: -SO4Na [38,7], -COONa [19,1], -N (amine) [9,4],-COOH [2,1], -OH (tự do) [1,9], -O- [1,3], -(CH2CH2O)- [0,33]

HLB của một số nhóm kỵ nước: -CH, -CH2, -CH3, =CH [0,475], (CH2CH2CH2O)- [-0,15]

-Giá trị HLB có thể được dùng để tiên đoán các tính chất hoạt động bề mặtcủa chất: HLB < 10 có thể hòa tan dầu (không thể hòa tan nước), HLB > 10 có thểhòa tan nước (không thể hòa tan dầu) Giá trị HLB từ 7-11 là chất nhũ hóa hệ nướctrong dầu Giá trị HLB từ 12-16 là chất nhũ hóa hệ dầu trong nước Giá trị HLB từ11-14 là tác nhân thấm ướt, từ 12-15 là tác nhân tẩy rửa, từ 16-20 là chất trợ tan (cóthể hòa tan các chất kỵ nước vào dung dịch nước)

Bảng 1.5: Giá trị HLB của một số chất HĐBM thương mại

T

T

6 Sorbitan monostearat, N.F., (Span® 60) 4.7

7 Sorbitan monopalmitat, N.F., (Span® 40) 6.7

9 Polyoxyetylen sorbitan tristearat (Tween® 65) 10.5

10 Polyoxyetylen sorbitan trioleat (Tween® 85) 11.0

15 Polysorbat 40, N.F., (Tween® 40) 15.6

Khả năng nhũ hóa của một chất hoạt động bề mặt phụ thuộc nhiều yếu tố,đặc biệt phụ thuộc vào bản chất môi trường phân tán và chất phân tán Mỗi chấtphân tán đòi hỏi chất nhũ hóa có giá trị HLB thích hợp Giá trị đó được ký hiệu làRHLB

Bảng 1.6: Giá trị RHLB của một số chất

T

Giá trị RHLB Nhũ tương nghịch

ổn định hệ phân tán, ngăn cản sự sa lắng của các hạt nhũ, chống tách, tăng khảnăng hòa tan Các chất này thường là một ancol, etanolamin, amin, axit béo vàmuối kiềm của axit béo Trong các hệ vi nhũ các tác nhân này chiếm khoảng 0,5-5% và thường có tác dụng ức chế ăn mòn và giảm cực áp

Phụ gia là các chất hữu cơ, vô cơ, hoặc nguyên tố được thêm vào có tácdụng cải thiện một hay nhiều tính chất hoặc bổ sung các tính chất của dầu gốc Mỗiloại phụ gia hầu như có một chức năng nhất định, nhưng cũng có nhiều phụ gia cóthể đảm nhiệm nhiều chức năng khác nhau Các loại phụ gia khác nhau có thể hỗtrợ lẫn nhau, gây hiệu ứng tương hỗ hoặc hiệu ứng đối kháng làm tăng hiệu quảhoặc cũng có thể giảm hiệu quả của phụ gia Phần lớn các loại dầu thủy lực cầnnhiều loại phụ gia khác nhau để thỏa mãn tất cả các yêu cầu tính năng đề ra Vìvậy, trong quá trình lựa chọn phụ gia đòi hỏi phải có sự khảo sát kĩ tác dụng tương

hỗ qua lại giữa các phụ gia cũng như cơ chế hoạt động của từng loại phụ gia riêngbiệt và tính hòa tan của chúng để khắc phục những hiệu ứng không mong muốn cóthể xảy ra và việc tổng hợp các phụ gia đạt được tính năng tối ưu trong dầu

Các loại phụ gia phải đạt được một số yêu cầu sau:

- Dễ hòa tan trong dầu

- Không ảnh hưởng đến tác dụng nhũ hóa của dầu (trừ phụ gia đồnghoạt đồng bề mặt nếu có)

- Không bị phân hủy bởi nước hoặc kim loại

- Không gây ăn mòn kim loại

- Không bị bốc hơi ở điều kiện làm việc

- Không độc hoặc ít độc, rẻ tiền, dễ kiếm

Sau đây là những chủng loại phụ gia định hướng sử dụng cho dầu thủy lực vinhũ:

a. Phụ gia ức chế oxi hóa

Hầu hết các hợp phần của dầu thủy lực đều xảy ra quá trình oxy hóa dùnhanh hay chậm Tốc độ của quá trình oxy hóa chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tốnhư bản chất dầu gốc, nhiệt độ, hiệu ứng xúc tác của kim loại, nồng độ oxy Quátrình oxy hóa xảy ra theo 3 giai đoạn: giai đoạn khơi mào, giai đoạn phát triểnmạch và giai đoạn tắt mạch

- Giai đoạn khơi mào: xảy ra chậm, cần năng lượng

RH + O2 → 2R ̽ + H2O2

- Giai đoạn phát triển mạch: xảy ra nhanh, phản ứng chuỗi

R ̽ + O2 → ROO ̽ROO ̽ + RH → ROOH + R ̽ROOH → RO ̽ + HO ̽