Nghiên cứu xây dựng hệ chất hoạt động bề mặt bền nhiệt ứng dụng trong công nghệ sản xuất chất tạo bọt chữa cháy TT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ  NGUYỄN THỊ NGOAN NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT BỀN NHIỆT ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CHẤT TẠO BỌT CHỮA CHÁY Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã số : 9.52.03.01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÓA HỌC HÀ NỘI – 2021 Cơng trình hồn thành tại: Học viện Khoa học Công nghệ – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: TS Lê Văn Thụ TS Nguyễn Thị Mùa Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sỹ, họp Học viện Khoa học Công nghệ-Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam vào hồi ngày tháng năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Học viện Khoa học Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính chấp thiết luận án Hỏa hoạn mối đe dọa lớn người Những hậu quả, thiệt hại người tài sản cháy nổ gây lớn Cháy xảy đâu tất lĩnh vực Nước thường sử dụng để dập tắt đám cháy rừng, cháy nhà, cháy thuyền bè Ngày nay, chất chữa cháy chủ yếu với khả làm mát tốt giá thành rẻ Tuy nhiên, nước không hiệu với đám cháy xăng, dầu hay chất lỏng dễ cháy khác nước có tỷ trọng lớn nhiên liệu Đám cháy có nguồn gốc từ nhiên liệu lỏng có đặc điểm tốc độ cháy nhanh, thời gian dài nguy xạ nhiệt mạnh, dẫn đến thiệt hại nghiêm trọng cho mơi trường xung quanh Do đó, việc nghiên cứu chế tạo chất chữa cháy hiệu quả, dập tắt nhanh chóng có ý nghĩa vơ quan trọng Ngày với phát triển vượt bậc khoa học công nghệ, bọt chữa cháy phát triển thành nhiều loại để đáp ứng cho mục đích chữa cháy cho đối tượng cháy cụ thể Chất tạo bọt chữa cháy sử dụng để dập tắt đám cháy ngăn cản cháy lại vụ cháy chất rắn, chất lỏng dễ cháy, 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 loại chất chữa cháy sử dụng rộng rãi thị trường Ở nước ta, việc nghiên cứu, sản xuất sản phẩm bọt chữa cháy hạn chế, chủ yếu nhập Đặc biệt dòng sản phẩm bọt chữa cháy tạo màng nước (Aqueous film forming foam – AFFF) chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu (Alcohol resistant aqueous film-forming foam concentrate AR-AFFF) Vì vậy, việc nghiên cứu, chế tạo sản phẩm bọt chữa cháy đáp ứng nhu cầu sử dụng đồng thời giúp chủ động sản xuất nước việc làm cần thiết Do đó, việc thực đề tài luận án: "Nghiên cứu xây dựng hệ chất hoạt động bề mặt bền nhiệt ứng dụng công nghệ sản xuất chất tạo bọt chữa cháy" có tính thời sự, có ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn Mục tiêu nghiên cứu luận án - Xây dựng hệ chất hoạt động bề mặt bền nhiệt từ số chất hoạt động bề mặt, phù hợp với điều kiện nhiệt độ cao đặc tính đối tượng cháy; - Tối ưu hóa hệ chất hoạt động bề mặt bền nhiệt xây dựng được, ứng dụng sản xuất chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước (AFFF) chất tạo bọt tạo màng nước bền rượu (AR-AFFF) đạt TCVN; - Đánh giá khả ứng dụng số hợp chất chứa silic nhằm nâng cao hiệu dập cháy cho bọt chữa cháy tạo màng nước AFFF Các nội dung nghiên cứu luận án - Nghiên cứu phân tích, đánh giá, lựa chọn chất hoạt động bề mặt phù hợp với điều kiện khắc nghiệt đám cháy (nhiệt độ cao, xạ nhiệt mạnh, thời gian cháy dài…) nhằm nâng cao hiệu dập tắt đám cháy; - Nghiên cứu tính chất lý hóa, tính tương hợp tính bền nhiệt hệ chất chọn; - Nghiên cứu tối ưu hóa tỷ lệ phối trộn chất hoạt động bề mặt phù hợp với bọt chữa cháy AFFF AR-AFFF cho giá trị sức căng bề mặt nhỏ nhất; - Nghiên cứu sử dụng phối hợp chất hoạt động bề mặt bền nhiệt với số hợp chất chứa silic nhằm nâng cao hiệu dập cháy bọt chữa cháy tạo màng nước AFFF CHƯƠNG TỔNG QUAN Phần tổng quan gồm phần chính: Phần tổng quan chất tạo bọt chữa cháy: giới thiệu chung bọt chữa cháy tạo màng nước AFFF bọt tạo màng nước bền rượu AR-AFFF Phần nghiên cứu, tìm hiểu thành phần bọt chữa cháy ứng dụng số hợp chất chứa silic bọt chữa cháy Phần giới thiệu vai trò nguyên lý dập cháy bọt chữa cháy Phần trình bày tình hình nghiên cứu chất tạo bọt chữa cháy giới Việt Nam CHƯƠNG THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Hóa chất thiết bị 2.2 Phương pháp phân tích đánh giá 2.2.1 Phương pháp xác định tính chất hóa lý chất tạo bọt chữa cháy Xác định thông số: - Sức căng bề mặt liên diện - Sức căng bề mặt hệ số lan truyền - Độ nhớt - Độ nở thời gian bán hủy - Giá trị pH - Nhiệt độ đơng đặc 2.2.2 Phương pháp xác định tính ổn định bọt Kỹ thuật sử dụng hai ống tiêm dùng để tạo bọt đánh giá độ ổn định bọt, điều kiện thí nghiệm ban đầu giống hệt 2.2.3 Phương pháp xác định tương hợp độ bền nhiệt Khảo sát tương hợp – bền nhiệt phương pháp ủ đẳng nhiệt 150°C thời gian 8h Quan sát độ đục, đo SCBM pH dung dịch ủ 2.2.4 Phương pháp quy hoạch hóa thực nghiệm tối ưu hóa Thiết kế ma trận kế hoạch thực nghiệm theo mơ hình kế hoạch tâm xoay bậc Box – Hunter Thành phần nồng độ tối ưu hệ chất HĐBM xác định hàm mục tiêu σ đạt giá trị cực tiểu 2.3.5 Phương pháp thử nghiệm đánh giá kết Đánh giá hiệu dập cháy dung dịch bọt chế tạo theo tiêu chẩn TCVN – 7278:2003 2.3 Thực nghiệm Tiến trình nghiên cứu chung để chế tạo hệ chất tạo bọt chữa cháy sau: Nghiên cứu lựa chọn chất hoạt động bề mặt fluor hóa hydrocarbon Xác định tính chất bọt thử nghiệm dập cháy Xác định khả tương hợp bền nhiệt hỗn hợp chất hoạt động bề mặt Tối ưu hóa phối trộn chất HĐBM Lập công thức chế tạo chất tạo bọt chữa cháy Nghiên cứu lựa chọn chất trợ hoạt động bề mặt chất phụ gia 2.3.1 Chế tạo bọt chữa cháy tạo màng nước 2.3.2 Phân tán hợp chất chứa silic chất tạo bọt AFFF 2.3.3 Chế tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước AFFF 3.1.1 Nghiên cứu lựa chọn chất hoạt động bề mặt Bảng 3.1: Kết khảo sát độ nở thời gian bán hủy chất HĐBM hydrocarbon Độ nở STT Chất HĐBM (lần) Branch alkyl benzen sulfonat (BAS) 6,2 Thời gian bán hủy (phút:giây) 2:48 Ethoxylat sulfat (EOS) 3,1 2:02 Propoxylat Sulfat (POS) 3,8 2:56 Alkyl polyglucosid (APG) 5,8 4:01 Nonylphenol ethoxylat (NPE) 5,5 4:11 Lauryl hydoxysulfo betain (LHSB) 5,4 4:19 Kết cho thấy chất HĐBM BAS có độ nở tương đối cao (6,2 lần) nhiên thời gian bán hủy lại thấp so với yêu cầu (chỉ đạt phút 48 giây) Tương tự với EOS POS thời gian bán hủy đạt nhỏ phút Do đó, lựa chọn APG, NPE LHSB có độ nở lớn lần thời gian bán hủy lớn phút, đáp ứng tiêu chuẩn cho nghiên cứu SCBM (mN/m) Sức căng bề mặt (mN/m) 16,5 3,5 16 15,5 2,5 15 14,5 14 0,035 1,5 0,04 0,045 0,05 0,055 Sức căng bề mặt liên diện (mN/m) SCBM liên diện (mN/m) 17 0,06 Nồng độ DCF (%) Hình 3.1 Ảnh hưởng nồng độ DCF đến sức căng bề mặt nước Bảng 3.2: Độ nở thời gián bán hủy dung dịch DuPont™ Capstone® fluorosurfactant 1440 (DCF) Nồng độ % 0,03 0,035 0,04 0,045 0,05 0,055 0,06 Độ nở (lần) 3,2 3,7 4,2 4,8 4,2 5,6 6,3 Thời gian bán hủy (phút:giây) 3:23 4:07 4:23 4:52 5:21 5:56 6:28 Hệ số lan truyền 5,4 5,8 6,1 6,6 7,4 7,6 8,0 Kết hình 3.1 bảng 3.2 cho thấy chất HĐBM fluor hóa DCF phù hợp để nghiên cứu chế tạo chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn sức căng bề mặt chất HĐBM theo nồng độ Kết cho thấy chất HĐBM hydrocarbon có khả làm giảm sức căng bề mặt nước xuống khoảng 28 – 33 mN/m Trong chất fluor hóa giảm sức căng bề mặt nước xuống 15-16 mN/m thấp nhiều so với chất HĐBM hydrocarbon Mặt khác, liên kết C-F bền nên DCF có khả bền điều kiện nhiệt độ cao Do đó, q trình xây dựng hệ tổ hợp hợp trội hỗn hợp chất HĐBM, luận án chọn DCF làm thành phần hệ chất HĐBM 3.1.2 Xác định khả tương hợp bền nhiệt hỗn hợp chất HĐBM Sau trình nghiên cứu đánh giá khả tương hợp bền nhiệt hỗn hợp 2, chất hoạt động thấy hệ gồm chất hoạt động có khả giảm sức căng bề mặt hệ xuống giá trị thấp Sự thay đổi pH sức căng bề mặt sau ủ nhiệt thay đổi không đáng kể chứng tỏ hệ bền nhiệt Tỷ lệ DCF : APG : LHSB : NPE nghiên cứu 1:3:2:1 Bảng 3.10 Khảo sát độ nở, thời gian bán hủy hệ chất HĐBM STT Hệ chất HĐBM Độ nở (lần) Thời gian bán hủy (phút:giây) DCF : APG DCF : APG : LHSB DCF : APG : NPE DCF : APG : LHSB : NPE 6,6 6,2 4,2 5,4 3:46 3:59 4:51 5:36 3.1.3 Tối ưu hóa phối trộn chất HĐBM Phương trình hồi quy tỷ lệ xích tự nhiên: Ŷ = 42,81 - 5,324*10-2Z1 - 8,279*10-2Z2 - 0,1118*Z3 - 4,69*10-5Z1Z2 + 6,56*10-5Z1Z3 - 7,19*10-5 Z2Z3 + 2,423*10-4Z12 + 2,07*10-4 Z22 + 2,733*10-4Z32 a b c Hình 3.3: Đồ thị biểu diễn hàm mục tiêu σ theo nồng độ chất HĐBM Hình 3.4: Các đường đồng mức biểu diễn giá trị σ theo nồng độ chất HĐBM Nồng độ tối ưu chất tính tốn DCF = 103,74 ≈ 104 g/kg APG = 251,02 ≈ 251 g/kg LHSB = 150,01 ≈ 150 g/kg NPE = 74,94 ≈ 75 g/kg Sức căng bề mặt đạt giá trị thấp σ = 17,06 mN/m 3.1.4 Nghiên cứu lựa chọn chất trợ hoạt động bề mặt chất phụ gia Sự biến thiên pH SCBM hệ chất hoạt động bề mặt có 5,0% butyl diglycol, 2,5% glycerin, 1,5% Ure 1,0% HEC thay đổi nhỏ chứng tỏ hệ vật liệu nghiên cứu tương đối bền nhiệt, tính bền nhiệt nghiên cứu kỹ thí nghiệm thử cháy theo tiêu chuẩn Việt Nam 3.1.5 Nghiên cứu khảo sát thứ tự đồng hóa Qua thí nghiệm khảo sát thứ tự đồng hóa chất HĐBM riêng phần thấy chất hoạt động bề mặt lưỡng tính LHSB cần đồng hóa trước với chất HĐBM fluor hóa sau đến chất hoạt động nonion cuối Kết xác định thơng số kỹ thuật sản phẩm chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước 0,5% đạt yêu cầu kỹ thuật hiệu dập cháy theo TCVN 7278 – : 2003 3.2 Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu 3.2.1 Nghiên cứu lựa chọn chất hoạt động bề mặt Khảo sát độ nở thời gian bán hủy chất HĐBM hyrocarbon với nồng độ 0,05 % Các kết thu được, thể bảng sau: Bảng 3.25: Độ nở thời gian bán hủy chất HĐBM hydrocarbon Độ nở Thời gian bán STT Chất hoạt động bề mặt (lần) hủy (giây) Branch alkyl benzen sulfonat 4,8 212 Sodium laury ether sunfat 6,2 342 Sodium lauryl sulfate 7,6 252 Aryl sulfat 5,1 208 Alkylphenol ethoxylat 4,1 271 Nonylphenol ethoxylat 4,4 245 Lauryl hydoxysulfo betain 4,0 285 Kết cho thấy có chất HĐBM hydrocarbon Sodium lauryl ether sunfat (SLES); Sodium lauryl sulfat (SLS); Alkylphenol ethoxylat (APE); Nonylphenol ethoxylat (NPE) Lauryl hydoxysulfo betain (LHSB) có thời gian bán hủy độ nở đạt yêu cầu Lựa chọn sử dụng chất hoạt động bề mặt fluor hóa fluoroalkyl betaine (FB) để thực nghiên cứu cho việc chế tạo chất tạo bọt chữa cháy bền rượu Khảo sát tương hợp chất HĐBM hydrocarbon chất HĐBM fluor hóa theo tỷ lệ 1:4, 1:3, 1:2, 1:1, 3:1, 2:1 với nồng độ tổng 0,2% nước ủ nhiệt độ 150°C 8h Kết trình bày bảng 3.27: Bảng 3.27: Sự tương hợp hỗn hợp chất HĐBM Tỷ lệ Hỗn hợp FB : SLES FB : SLS 1:4 Trong Trong Nhận xét 1:2 1:1 Trong Trong Trong Trong 1:3 Trong Trong 11 2:1 Trong Đục 3:1 Trong Đục FB : APE Trong Trong Trong Trong Đục Đục FB : NPE Trong Trong Trong Trong Trong Trong FB : LHSB Đục Đục Đục Đục Đục Đục Các hỗn hợp phối trộn với nồng độ tổng 0,2% Kết cho thấy hỗn hợp FB : SLS; FB : APE FB : LHSB sau 8h ủ nhiệt thấy dung dịch bị đục Điều chứng tỏ hỗn hợp có độ tương hợp độ bền nhiệt Hỗn hợp FB : SLES FB : NPE sau 8h ủ nhiệt dung dịch thu hồn tồn Do nhóm nghiên cứu xác định chất HĐBM Sodium laury ether sunfat (SLES) Nonylphenol ethoxylates (NPE) cho nghiên cứu Chất tạo bọt bền rượu việc sử dụng kết hợp polyme tan nước, không tan rượu fluor hóa việc vơ quan trọng Lựa chọn sản phẩm polyme fluor hóa Partially fluorinated acrylic copolymer (PFAC) – thành phần làm tăng khả bền nhiệt bong bong bọt điều kiện nhiệt độ cao dung môi phân cực, để tiến hành nghiên cứu Khảo sát thay đổi sức căng bề mặt theo nồng độ chất hoạt động bề mặt lựa chọn cho kết biểu diễn hình Hình 3.6: Đồ thị biểu diễn SCBM chất HĐBM theo nồng độ Các chất HĐBM hydrocarbon có giá trị sức căng bề mặt cao so với chất HĐBM fluor hóa nên trình xây dựng hệ vật liệu hợp trội lựa chọn chất HĐBM fluor hóa FB làm thành phần 12 3.2.2 Xác định khả tương hợp bền nhiệt hỗn hợp chất HĐBM Sau trình nghiên cứu đánh giá khả tương hợp bền nhiệt hỗn hợp 2, chất hoạt động thấy hệ gồm chất hoạt động có khả giảm sức căng bề mặt hệ xuống giá trị thấp, thay đổi pH sức căng bề mặt sau q trình ủ nhiệt thay đổi khơng đáng kể chứng tỏ hệ bền nhiệt Tỷ lệ FB : SLES : NPE : PFAC nghiên cứu : : : 3.2.3 Tối ưu hóa phối trộn chất HĐBM Phương trình hồi quy tỷ lệ xích tự nhiên: Ŷ = 52,27 - 5,66*10-2Z1 - 0,1546Z2 - 0,1003Z3 +8,1*10-5 Z1Z2-8,44*10-5 Z1Z3+ 1,31*10-4 Z2Z3 + 1,706*10-4 Z12+1,94*10-4 Z22+3,076*10-4 Z32 Hình 3.7: Đồ thị biểu diễn mặt mục tiêu σ theo nồng độ chất HĐBM Hình 3.8: Các đường đồng mức biểu diễn giá trị σ theo nồng độ chất HĐBM 13 Nồng độ tối ưu chất tính tốn là: FB = 111,21 ≈ 111 g/kg SLES = 22 ,8 ≈ 227 g/kg NPE= 113,44 ≈ 113 g/kg PFAC = 105,78 ≈ 10 g/kg Sức căng bề mặt nồng độ tối ưu đạt giá trị thấp 17,5 mN/m 3.2.4 Nghiên cứu lựa chọn pol me tạo bền rượu chất phụ gia Tương tự chất tạo bọt tạo màng nước, sử dụng thành phần phụ gia hệ chất tạo bọt áp dụng cho nghiên cứu chất tạo bọt bền rượu Kết cho thấy với hệ tối ưu nồng độ chất phụ gia 1, % xanthan gum 5% butyl diglycol, 3% glycerin, 2,5% ure, 1,2% HEC hệ bền nhiệt tốt 3.2.5 hảo sát thứ tự phối trộn Qua thí nghiệm khảo sát thứ tự đồng hóa chất HĐBM riêng phần thấy hai chất hoạt động bề mặt fluor hóa FB PFAC cần đồng hóa trước sau đến chất hoạt động bề mặt anion SLES cuối chất hoạt động bề mặt nonion NPE Bảng 3.43: Kết khảo sát thứ tự đồng hóa Thứ tự đồng hóa FB + Δt Trạng thái H2O ( C) dung dịch A SLES NPE PFAC 0,2 - B SLES PFAC NPE 0,3 - C NPE SLES PFAC 0,1 - D NPE PFAC SLES 0,3 - E PFAC SLES NPE 0,1 +++ F PFAC NPE SLES 0,2 ++- Trong đó: +++: dung dịch hồn tồn bọt tạo thành ++-: dung dịch có nhiều bọt nhỏ -: dung dịch nhiều bọt, lâu vỡ Tiếp tục nghiên cứu thành phần phối trộn phụ gia, dựa thông số thời gian bán hủy, thời gian khuấy trộn sức căng bề mặt Tại 14 thứ tự khuấy trộn; Butyldiglycol; Glyxerin; Hydroxyethyl cellulose + Xanhthan gum; rê tương ứng với thứ tự 1; 2; 3; cho thời gian khuấy ngắn 30 phút Do vậy, thứ tự phối liệu chất qua trình chế tạo sản phẩm bọt tạo màng nước bền rượu xắp xếp theo thứ tự sau: Nước, FB, PFAC, SLES, NPE, Butyldiglycol; Glyxerin; Hydroxyethyl cellulose + Xanhthan gum; Urê 3.2.6 hảo sát th i gian khuấ tốc độ khuấ Theo kết tốc độ khuấy, tốc độ khuấy tăng thời gian khuấy giảm, tốc độ tăng đến 200 vịng/phút thời gian khuấy giảm khơng đáng kể, để đảm bảo an tồn cho thiết bị tiết kiệm lượng tiêu tốn q trình chế tạo Do lựa chọn thời gian khuấy 180 vòng/phút để sản xuất chất tạo bọt chữa cháy bền rượu Từ kết khảo sát nồng độ tối ưu thành phần chế tạo, thứ tự đồng hóa thời gian khuấy trộn, xác định công thức chế tạo chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu 1% trình bày bảng 3.4 Bảng 3.46 Công thức chế tạo chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu STT Thành phần Fluoroalkyl betaine (FB) Sodium laury ether sunfate (SLES) Nonyl phenol ethoxylate (NPE) Partially fluorinated acrylic copolymer (PFAC) Hydroxyethyl cellulose (HEC) Xanthan gum Urea Glycerin Butyl diglycol Nồng độ (%) 11,1 22,7 11,3 10,6 1,2 1,6 2,5 3,0 5,0 Sử dụng công thức để chế tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu, sau kiểm tra thơng số kỹ thuật sản phẩm Kết trình bày bảng 3.47 sau: 15 Bảng 3.4 Kết kiểm tra thông số kỹ thuật chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu Nồng độ 1% STT Ch tiêu Lần Lần Độ nở (lần) 5,6 5,5 Thời gian bán hủy (phút:giây) 4:28 4:37 pH 7,4 7,3 Khối lượng riêng 25 C (g/cm ) 1,032 1,030 Hiệu dập cháy (giây) 168 155 Mức chống cháy lại (giây) 651 659 Kết xác định thơng số kỹ thuật sản phẩm chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu 1% đạt yêu cầu kỹ thuật hiệu dập cháy theo TCVN 7278 – : 2003 3.3 Nghiên cứu sử dụng số hợp chất chứa silic nâng cao đặc tính bọt chữa cháy 3.3.1 Ảnh hưởng số hợp chất chứa silic đến tính chất dung dịch AFFF Khi thêm hợp chất natri silicat, gel silica siloxan vào dung dịch hỗn hợp chất hoạt động bề mặt tương tác với chất hoạt động bề mặt làm thay đổi sức căng bề mặt dung dịch Hình 3.12 Ảnh hưởng hàm lượng hợp chất chứa silic đến SCBM dung dịch AFFF 16 3.3.2 Ảnh hưởng số hợp chất chứa silic đến độ ổn định bọt Các mẫu dung dịch sau tạo bọt cách sử dụng ống tiêm cho lọ thủy tinh Ký hiệu mẫu số dung dịch bọt AFFF có chứa natri silicat nồng độ 1%; mẫu số dung dịch bọt AFFF có chứa gel silica nồng độ 1,5%; mẫu số dung dịch bọt AFFF có chứa siloxan nồng độ 1,5% Tất nồng độ khối lượng mẫu số mẫu dung dịch AFFF đối chứng Vào thời điểm ban đầu mẫu bọt có thể tích Thời điểm ban đầu Sau phút Sau 10 phút Sau 15 phút Sau 20 phút Sau 25 phút Hình 3.14 Các mẫu bọt tạo thành kỹ thuật ống tiêm Thể tích bọt bốn mẫu bọt giảm dần theo thời gian lượng chất lỏng thoát ngày nhiều Sau phút đầu thấy lượng nước tiết mẫu nhiều mẫu 4, chiều cao bọt mẫu không thay đổi Sau 10 phút, mẫu số có lượng nước nhiên chiều cao bọt giảm thấp so với mẫu 2, Đến phút thứ 15 thấy mẫu số có giảm chiều cao bọt mẫu số 1, lượng bọt không thay đổi so với thời điểm ban đầu Sau 25 phút, mẫu số khơng cịn bọt, mẫu số lượng bọt bắt đầu giảm bớt, bọt bên có kích thước to so với bọt mẫu Điều chứng tỏ hạt nano silica có khả làm bền bọt so với AFFF thông thường Tuy thời gian bán hủy nhanh so với AFFF bọt tạo thành lại 17 bền Trong mẫu dung dịch bọt AFFF có chứa natri silicat với nồng độ 1% có bọt bền phút phút 10 phút 20 phút Hình 3.15 Sự thay đổi hình thái bong bóng bọt theo thời gian Hình 3.15 cho thấy thay đổi hình thái bong bóng bọt theo thời gian Trong mẫu dung dịch AFFF có chứa % natri silicat; mẫu dung dịch AFFF có chứa 1,5% gel silica mẫu dung dịch AFFF thông thường Kết cho thấy hạt nano silica có ảnh hưởng đáng kể đến trình tạo bọt bền bọt Sự ảnh hưởng nano silica đến độ ổn định bọt giải thích khơng có hạt nano silica, bọt ổn định hỗn hợp chất HĐBM hydrocarbon fluor hóa Khi bổ sung hạt nano silica với nồng độ thấp, phá hủy cân hấp phụ làm giảm số lượng chất HĐBM mặt phân cách Do làm chậm trình bán hủy màng bọt, dẫn đến độ ổn định bọt Khi nồng độ hạt nano silica tăng lên, chúng kết tụ màng bọt vùng khoảng cách bong bóng, làm chậm q trình nước bọt Khi nồng độ nano silica tăng 18 cao, hạt nano silica lấp đầy lớp màng khoảng cách bọt, dẫn đến q trình nước bán hủy chậm lại, bọt có độ ổn định cao 3.4 Thử nghiệm 3.4.1 Thử nghiệm theo qu mô nhỏ 3.4.1.1 Thử nghiệm quy mô nhỏ chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước Để đánh giá tính bền nhiệt hệ bọt chữa cháy nghiên cứu, tiến hành thử nghiệm hiệu dập cháy theo phương pháp phun mạnh phun nhẹ Kết thử nghiệm theo quy mô 0,6 m2 phương pháp phun mạnh phun nhẹ trình bày bảng 3.49 Bảng 3.49: Kết thử nghiệm xác định thời gian dập cháy bọt tạo màng nước theo quy mô thử nghiệm Thời gian dập cháy (giây) Lần thử Thời gian cháy lại STT Phun mạnh Phun nhẹ nghiệm (≥ 300 giây) (≤ 180 giây) (≤ 300 giây) Lần 79 90 409 Lần 75 101 419 Lần 78 94 413 Trung bình 77 95 414 Kết thử nghiệm cho thấy khả dập cháy mẫu chất tạo bọt với quy mô nhỏ, thời gian dập cháy tương đối nhanh 77 giây phương pháp phun mạnh, phương pháp phun nhẹ 95 giây Điều chứng minh khả tương hợp bền nhiệt hỗn hợp chất HĐBM phụ gia Thời gian cháy lại 414 giây đạt so với TCVN 7278 3.4.1.2 Thử nghiệm quy mô nhỏ chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu Kết thử nghiệm hiệu dập cháy theo quy mô 0,25 m2 chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu trình bày bảng 3.50 Bảng 3.50: Kết thử nghiệm hiệu dập cháy chất tạo bọt STT chữa cháy tạo màng nước bền rượu Kết uả thử nghiệm Lần Thời gian dật cháy Thời gian cháy lại kiểm tra (≤ 180 giây) (≥ 600 giây) Lần 75 767 19 Lần Lần Trung bình Kết thử nghiệm cho thấy, 71 68 71 hiệu dập cháy chất 754 759 760 tạo bọt tạo màng nước bền rượu với thời gian dập cháy 71 giây đạt tiêu chuẩn TCVN 72783:2003, thời cháy lại giây cao so với tiêu chuẩn 160 giây tiêu chuẩn Do chứng minh hệ chất HĐBM xây dựng tương hợp bền nhiệt tốt 3.4.2 Thử nghiệm theo tiêu chuẩn Việt Nam Việc thử nghiệm, đánh giá chất lượng sản phẩm chất tạo bọt chữa cháy theo Tiêu chuẩn Việt Nam bước quan trọng nhóm nghiên cứu chứng minh tính thực tiễn đề tài việc áp dụng sản phẩm cho cơng tác phịng cháy chữa cháy Kết thử nghiệm phun mạnh TT Tên chất tạo bọt chữa cháy Tỷ lệ pha trộn Thời gian dập tắt đám cháy Theo TCVN 7278-1 : 2003 Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước 0,5% với nước 150 giây Hiệu dập cháy: cấp I (≤ 180s) Kết thử nghiệm phun nhẹ Tên chất Thời gian tạo bọt Tỷ lệ pha TT dập tắt chữa trộn đám cháy cháy Chất tạo bọt chữa 0,5% với 232 giây cháy nước AFFF Thời gian cháy lại Theo TCVN 7278-1 : 2003 TCVN 7278-3 : 2003 - Hiệu dập cháy: cấp I (≤ 300 giây) 525 giây - Mức chống cháy lại: D (≥ 300 giây) - Hiệu dập cháy: Chất tạo 1% với cấp AR I (≤ 180 giây) bọt chữa 165 giây 716 giây nước - Mức chống cháy lại: AR-AFFF B (≥ 00 giây) 3.4.3 Thử nghiệm theo qu mô nhỏ chất tạo bọt chữa chá tạo màng nước AFFF có chứa natri silicat 20 Thử nghiệm đánh giá hiệu dập cháy chất tạo bọt AFFF có chứa thành phần natri silicat tiến hành 75s 60s 100s 130s Hình 3.18: Thử nghiệm hiệu dập cháy dung dịch bọt AFFF có chứa natri silicat 300s 0s 630 s 540s Hình 3.19: Thử nghiệm chống cháy lại dung dịch bọt AFFF có chứa natri silicat Kết thu thời gian dập cháy sản phẩm 3s thời gian chống cháy lại 585s 21 KẾT LUẬN Từ kết nghiên cứu nhận được, kết luận số điểm sau: Với chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước AFFF: Đã lựa chọn hệ chất hoạt động bề mặt gồm DuPont™ Capstone® fluorosurfactant 1440, Alkyl polyglucosides, Lauryl hydoxysulfo betaine, Nonylphenol ethoxylates với nồng độ tối ưu hóa chất 104 g/kg; 251 g/kg; 150 g/kg 75 g/kg đảm bảo bền nhiệt tương hợp tốt Tại nồng độ tối ưu chất hoạt động bề mặt, sức căng bề mặt hệ đạt giá trị thấp 17,0 mN/m Đã xác định thứ tự phối trộn tối ưu sau: Nước; DuPont™ Capstone® fluorosurfactant 1440; Lauryl hydoxysulfo betaine; Nonylphenol ethoxylates; Alkyl polyglucosides; Butyldiglycol; Glyxerin; Hydroxyethyl cellulose; Urea thời gian khuấy 40 phút, tốc độ khuấy 180 vòng/phút Với chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu AR-AFFF: Đã lựa chọn hệ chất hoạt động bề mặt có tương hợp tốt bền nhiệt bao gồm Fluoroalkyl betaine, Sodium laury ether sunfat, Nonylphenol ethoxylates, Partially fluorinated acrylic copolymer với nồng độ tối ưu hóa chất 111 g/kg; 227 g/kg; 113 g/kg 106 g/kg Tại nồng độ tối ưu chất hoạt động bề mặt, sức căng bề mặt hệ đạt giá trị thấp 17,56 mN/m Đã xác định thứ tự phối trộn tối ưu sau: Nước; Fluoroalkyl betaine; Partially fluorinated acrylic copolymer; Sodium laury ether sunfat; Nonylphenol ethoxylates; Butyldiglycol; Glyxerin; Hydroxyethyl cellulose; Xanthan gum; Ureaa thời gian khuấy 50 phút, tốc độ khuấy 180 vòng/phút Đã nghiên cứu, khảo sát số hợp chất chứa silic nâng cao đặc tính bọt chữa cháy Các hợp chất có khả nâng cao hiệu dập cháy tính ổn định cho sản phẩm bọt chữa cháy, có tiềm lớn việc phát triển sản phẩm bọt thân thiện với mơi trường Trong hợp chất natri silicat hàm lượng 1% có hiệu vượt trội Đã tiến hành thử nghiệm thực tế sản phẩm bọt chữa cháy chế tạo Kết 22 cho thấy với phương pháp phun mạnh thời gian dập cháy chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước AFFF 150 giây Với phương pháp phun nhẹ thời gian dập tắt đám cháy thời gian chống cháy lại AFFF 232 giây 525 giấy; AR-AFFF 165 giây 716 giây, kết đáp ứng TCVN 7278 Đã thử nghiệm chất tạo bọt AFFF chứa 1% natri silicat với thời gian dập cháy theo phương pháp phun nhẹ 63 giây thời gian chống cháy lại 585 giây, hiệu dập cháy tốt so với AFFF thơng thường 23 NHỮNG ĐĨNG GĨP MỚI CỦA LUẬN ÁN Luận án nghiên cứu chất hoạt động bề mặt bền nhiệt có ý nghĩa khoa học cho ngành kỹ thuật hóa học, góp phần làm rõ vai trị chúng khả làm giảm sức căng bề mặt, tăng độ bền nhiệt, độ tương hợp, khả tạo bọt… chất tạo bọt chữa cháy; Đã lựa chọn tối ưu hóa 02 hệ chất hoạt động bề mặt bền nhiệt, giúp chủ động việc chế tạo chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước (AFFF) chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu (AR-AFFF) đáp ứng TCVN 7278; Đã xác định vai trị tích cực hợp chất chứa silic (natri silica, gel silica, siloxan) thành phần chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước (AFFF) làm tăng hiệu chữa cháy sản phẩm 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Nguyen Thi Ngoan, Luong Nhu Hai, Do Son Hai, Vuong Van Truong, Nguyen Thi Mua, Le Van Thu, Study and selection of surfactant systems to use for manufacture aqueous film-forming foam concentrate (AFFF), Vietnam Journal of Chemistry, 56(3E1,2), 266-271, 2018 Nguyễn Thị Ngoan, Lương Như Hải, Đỗ Sơn Hải, Trần Văn Chức, Vũ Đình Ly, Lê Văn Thụ, Tối ưu hóa hệ chất hoạt động bề mặt bền nhiệt sử dụng bọt chữa cháy tạo màng nước (AFFF), Hội nghị nhà khoa học trẻ lần thứ IV – Hanoi, 2018 Nguyen Thi Ngoan, Luong Nhu Hai, Do Son Hai, Vu Dinh Ly, Pham Thi Luu, Tran Van Chuc, Nguyen Thi Mua, Le Van Thu, Study and selection of surfactant systems to use for manufacture alcohol resistant aqueous filmforming foam concentrate (AR-AFFF), Vietnam Journal of Chemistry, 57(2e1,2), 149-154, 2019 Nguyen Thi Ngoan, Nguyen Van Thao, Luong Nhu Hai, Đo Son Hai, Vu Dinh Ly, Tran Van Chuc, Truong Hoang Son, Nguyen Thi Mua, Le Van Thu, Optimization of the surfactant systems for aqueous film-forming foam concentrates (AFFF), Vietnam Journal of Chemistry, 57(2e1,2), 316-321, 2019 Nguyen Thi Ngoan, Luong Nhu Hai, Do Son Hai, Vuong Van Truong, To Phuc Du, Truong Phuong Thao, Le Thi Thuy Hang, Le Van Thu, Study on the effects of sodium silicate to properties for aqueous film-forming foam concentrate, Vietnam Journal of Chemistry, 57(6E1,2), 59-63, 2019 Nguyen Thi Ngoan, Luong Nhu Hai, Do Son Hai, Nguyen Thi Mua, Le Van Thu, Optimization of the surfactant system for using in alcohol resistant aqueous film-forming foam concentrate (AR-AFFF), Vietnam Journal of Chemistry, 58(5E1,2), 126-130, 2020 Nguyen Thi Ngoan, Luong Nhu Hai, Do Son Hai, Nguyen Thi Mua, Le Van Thu, Study on the effects of foam stabilizers for aqueous film-forming foam concentrate, Vietnam Journal of Chemistry, 58(5E1,2), 131-135, 2020 25 ... tạo bọt? ?? chất tạo bọt chữa cháy; Đã lựa chọn tối ưu hóa 02 hệ chất hoạt động bề mặt bền nhiệt, giúp chủ động việc chế tạo chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước (AFFF) chất tạo bọt chữa cháy tạo. .. mặt bền nhiệt từ số chất hoạt động bề mặt, phù hợp với điều kiện nhiệt độ cao đặc tính đối tượng cháy; - Tối ưu hóa hệ chất hoạt động bề mặt bền nhiệt xây dựng được, ứng dụng sản xuất chất tạo bọt. .. hoạt động bề mặt bền nhiệt ứng dụng công nghệ sản xuất chất tạo bọt chữa cháy" có tính thời sự, có ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn Mục tiêu nghiên cứu luận án - Xây dựng hệ chất hoạt động bề mặt