Bước 1: Nghiên cứu lựa chọn chất HĐBM hydrocarbon và fluor hóa
Nghiên cứu về thành phần của chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu trong chương 1 cho thấy hàm lượng các chất HĐBM fluor hóa chiếm 5 – 15
44
%, các chất HĐBM hydrocarbon chiếm 5 – 25 % trong công thức bọt đậm đặc tương ứng với nồng độ 0,05 – 0,15 % và 0,05 – 0,25 % trong dung dịch bọt AR-AFFF 1 %
sử dụng khi phun.
Pha 100 g mỗi dung dịch với nồng độ branched alkyl benzen sulfonat (BAS) 0,05%, Sodium laury ether sunfat (SLES) 0,05%, Sodium lauryl sulfat (SLS) 0,05%, Aryl sulfat (AS) 0,05%, Alkylphenol ethoxylat (APE) 0,05%, Nonylphenol ethoxylat (NPE) 0,05% và Lauryl hydoxysulfo betain (LHSB) 0,05% (nồng độ khối lượng) cùng nước. huấy với tốc độ 80 vòng/phút trong 20 phút tại nhiệt độ phòng. Lấy các mẫu dung dịch thu được đem xác định độ nở và thời gian bán hủy. Lựa chọn các chất đáp ứng được các tiêu chí về độ nở (từ 5,5-20 lần) và thời gian bán hủy (≥ 4
phút) cho các nghiên cứu tiếp theo.
Tiến hành pha 100 g dung dịch bằng cách cho từ từ chất HĐBM fluor hóa fluoroalkyl betain (FB) vào cốc có sẵn nước bên trong với hàm lượng thay đổi trong khoảng 0,005 –0,2% khối lượng. huấy với tốc độ 80 vòng/phút trong 20 phút tại nhiệt độ phòng. Sau đó lấy mẫu thu được xác định các giá trị độ nở, thời gian bán hủy, sức căng bề mặt, sức căng bề mặt liên diện.
Tiếp tục tiến hành khảo sát sự tương hợp của các chất HĐBM fluor hóa và chất HĐBM hydrocarbon được tiến hành bằng cách phối trộn FB với các chất HĐBM hydrocarbon SLES, SLS, APE, NPE và LHSB theo các tỷ lệ 1:4, 1:3, 1:2, 1:1, 2:1, 3:1 với nồng độ tổng là 0,2% trong nước. Dung dịch thu được, được khảo sát khả năng bền nhiệt tại nhiệt 150°C trong 8h. Sau 8h ủ nhiệt quan sát bằng mắt độ đục của dung dịch. Nếu dung dịch trong hoàn toàn chứng tỏ các chất HĐBM trong hệ tương hợp tốt với nhau. Ngược lại, nếu dung dịch đục thì các chất HĐBM không tương hợp.
Bước 2: Xác định khả năng tương hợp và bền nhiệt của hỗn hợp các chất hoạt
động bề mặt
Xác định tỉ lệ tương hợp và bền nhiệt của hỗn hợp 2 chất HĐBM FB và SLES: Pha 100 g hỗn hợp dung dịch FB : SLES với các tỉ lệ tương ứng khác nhau lần lượt là 1:1; 1:2; 1:3 và 1:4 bằng cách cho từ từ SLES vào dung dịch FB. huấy đều hỗn hợp thu được trong 30 phút, tốc độ khuấy 80 vòng/phút tại nhiệt độ phòng. Bơm vào mỗi ống nghiệmchịu nhiệt 50 g dung dịch chất HĐBM, vặn kín nút và ủ trong bể điều nhiệt tại nhiệt độ 150°C trong 8h.
45
Xác định tỉ lệ tương hợp và bền nhiệt của hỗn hợp 3 chất hoạt động bề mặt: Pha 100 g hỗn hợp dung dịch FB : SLES : NPE với các tỉ lệ tương ứng khác nhau lần lượt là 1:3:1; 1:3:2; 1:3:3 và 1:3:4. Tiếp tục pha 100 g hỗn hợp dung dịch FB : SLES : NPE với các tỉ lệ tương ứng khác nhau lần lượt là 1:2:1; 1:2:2; 1:2:3 và 1:2:4. huấy đều các hỗn hợp thu được trong 30 phút, tốc độ khuấy 80 vòng/phút
tại nhiệt độ phòng. Bơm vào mỗi ống nghiệm chịu nhiệt 50 g dung dịch chất HĐBM, vặn kín nút và ủ trong bể điều nhiệt tại nhiệt độ 150°C trong 8h.
Xác định tỉ lệ tương hợp và bền nhiệt của hỗn hợp 4 chất hoạt động bề mặt: Pha 100 g hỗn hợp dung dịch FB : SLES : NPE : PFAC với tỉ lệ tương ứng là 1:2:2:1. huấy đều hỗn hợp trong 30 phút, tốc độ khuấy 80 vòng/phút tại nhiệt độ phòng. Bơm vào mỗi ống nghiệm chịu nhiệt 50 g dung dịch chất HĐBM, vặn kín nút và ủ trong bể điều nhiệt tại nhiệt độ 150°C trong 8h.
Tất cả các mẫu dung dịch trên sau mỗi thời gian nhất định quan sát bằng mắt độ đục, đo SCBM và pH của các dung dịch ủ tại thời điểm đó. Qua kết quả đo và quan sát có thể đánh giá đuợc độ bền nhiệt của hệ, nếu dung dịch trong suốt chứng tỏ các thành phần trong hệ tương hợp tốt.
- pH của bọt đậm đặc cần đạt là gần trung tính hoặc gần bazơ, tức là có giá trị trong khoảng từ 6,0 đến 8,5. Nếu pH nằm ngoài khoảng giá trị này thì chất tạo bọt có thể bị phân hủy do quá trình thủy phân hoặc tách lớp. Đo SCBM để xác định mức độ phân huỷ của các chất HĐBM dưới tác động của H+khi ủ ở nhiệt độ cao.
Bước 3: Tối ưu hóa phối trộn các chất HĐBM
Từ các kết quả nghiên cứu chọn tỷ lệ FB : SLES : NPE : PFAC = 1:2:1:1 để
nghiên cứu tối ưu. Trong 4 chất hoạt động bề mặt này, SLES và NPE được kết hợp thành một nhóm do SLES và NPE ít làm thay đổi sức căng bề mặt của dung dịch so với hai chất còn lại, tỷ lệSLES : NPE được cốđịnh là 2: 1.
Bài toán tối ưu được lập dựa trên phương trình hồi quy xác định bằng
phương pháp quy hoạch thực nghiệm là hàm mô tả sự phụ thuộc của sức căng bề
mặt vào các nhân tố: nồng độ FB biến thiên từ 80÷120 g/kg; nồng độ {SLES : NPE = 2:1} biến thiên từ 320 ÷ 380 g/kg và nồng độ PFAC biến thiên từ 80 ÷ 120 g/kg.
Mô hình toán học được chọn biểu diễn sự phụ thuộc của sức căng bề mặt vào các nhân tố được mã hóa dưới dạng phương trình đa thức bậc hai được tiến hành
46
thích của dữ liệu theo mô hình và dữ liệu thực nghiệm được thực hiện.
Ma trận thực nghiệm được thiết kế theo mô hình Box-Hunter với sự hỗ trợ
của phần mềm Minitab. Các thí nghiệm đầu vào được khảo sát ở các cấp độ khác
nhau và được mã hóa như trong bảng 2.3
Bảng 2.3: Các mức tối ưu hóatrong hệ chất tạo bọt chữa cháy
tạo màng nước bền rượu
Biến nghiên cứu Mã hóa Đơn vị Mức tối ưu -α -1 0 +1 +α Nồng độ (FB) x1 g/kg 66,36 80 100 120 133,64 Nồng độ{SLES : NPE} x2 g/kg 299,55 320 350 380 400,45 Nồng độ PFAC x3 g/kg 66,36 80 100 120 133,64
Bước 4: Nghiên cứu lựa chọn chất trợ HĐBM và các chất phụ gia
- Chế tạo hệ chất HĐBM đậm đặc (gọi tắt là hệ AR1): Cho 11,1 g FB vào cốc 500 ml khuấy nhẹ để tránh tạo bọt, tiếp tục cho từ từ 22,7 g SLES vào khuấy chậm đến tan hết. Cho từ từ vào dung dịch 11,3 g NPE khuấy chậm rồi cho thêm tiếp 10,6 g PFAC khuấy chậm cho đến khi dung dịch đồng nhất thu được hệ AR1.
- Nghiên cứu lựa chọn polyme tạo bền rượu: Chế tạo 100 g các mẫu bọt bằng cách cho xanthan gum vào hệ AR1 với nồng độ thayđổi từ 0,8 – 2,4 % khối lượng,
sau đó cho thêm nước để đủ 100 g dung dịch khuấy chậm trong 30 phút. Lấy các mẫu chất tạo bọt này được đo độ nở và thời gian bán hủy. Từ kết quả thu được lựa chọn hàm lượng xanthan gum thích hợp dùng cho các nghiên cứu tiếp theo.
- Lựa chọn chất trợ HĐBM: Chế tạo 100g các mẫu bọt bằng cách cho butyl
diglycol vào hệ AR1 với nồng độ thay đổi từ 1-7 % khối lượng, sau đó cho thêm nước để đủ 100g dung dịch khuấy chậm trong 30 phút. Lấy các mẫu chất tạo bọt
này được đo độ nở và thời gian bán hủy. Từ kết quảthu được lựa chọn hàm lượng
butyl diglycol thích hợp dùng cho các nghiên cứu tiếp theo.
- Lựa chọn chất tăng độ bền bọt: Chế tạo 100g các mẫu bọt bằng cách cho
vào hệ AR1 đã có 5% chất trợ HĐBM butyl diglycol, hàm lượng hydroxyethyl
cellulose (HEC) thay đổi từ 0,8 –1,8% và được đồng hóa cùng với nước để đủ 100g dung dịch khuấy chậm trong 30 phút. Lấy các mẫu chất tạo bọt này được đo độ nở
và thời gian tiết nước. Lựa chọn hàm lượng HEC thích hợp.
47
glycerin vào hệ AR1 đã có 5% chất trợ HĐBM butyl diglycol và 1,2% HEC. Hàm
lượng glycerin thay đổi từ 0 – 4% được đồng hóa cùng với với nước để đủ 100g dung dịch khuấy chậm trong 30 phút. Lấy các mẫu chất tạo bọt này được đo độ nở và thời gian tiết nước. Lựa chọn hàm lượng glycerin thích hợp.
- Lựa chọn chất điều chỉnh độ nhớt: Chế tạo 100g các mẫu bọt bằng cách cho Urea vào hệ N đã có 5% chất trợ HĐBM butyl diglycol; 1,2% HEC và 3.0%
glycerin. Hàm lượng Ureathay đổi từ 0 – 5% và lượng nước được thêm vào vừa đủ để thành 100g dung dịch. Lấy các mẫu chất tạo bọt này được đo độ nở và thời gian tiết nước. Lựa chọn hàm lượng Urea thích hợp.
Xác định độ bền của hỗn hợp chất HĐBM với chất trợ HĐBM và các phụ gia: Tiến hành chế tạo 100 g các mẫu chất tạo bọt bao gồm hệ AR1 với sự có mặt của 1,6 g xanthan gum; 5,0 g butyl diglycol; 3,0 g glycerin; 2,5 g Urea; 1,2 g HEC
và 31g nước. Lấy 1% mẫu chất tạo bọt này pha vào 99% nước được dung dịch tạo bọt, ủ đẳng nhiệt ở 150°C, xác định sự biến thiên pH và SCBM của các mẫu dung dịch theo các mốc thời gian khác nhau.
Chú ý: trong quá trình khuấy nếu thấy nhiều bọt tạo thành có thể cho thêm một vài giọt ethanol để giảm bớt lượng bọt trong mẫu.
Bước 5: Lập công thức chế tạo chất tạo bọt chữa cháy
hảo sát thời gian khuấy và tốc độ khuấy
- Cách tiến hành cân các chất khối lượng như sau: 1550g Nước; 555g FB;
1135g SLES; 565g NPE; 530g PFAC; 250g butyldiglycol; 150g glyxerin; 80g xanhthan gum + 60g HEC; 125g Urea và phối trộn các hóa chất theo thứ tự Nước;
FB; SLES; NPE; PFAC; butyldiglycol; glyxerin; hydroxyethyl cellulose + xanhthan gum; Urea tương ứng với thứ tự phối trộn 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9, thành 5000g dung dịch tiến hành khuấy đến khi hệ đồng nhất và ghi đo thời gian khuấy trộn. Lấy dung dịch chất tạo bọt vừa chế tạo pha trộn với nước để tạo thành dung dịch bọt 1% và tiến hành đo các thông số như: Thời gian bán phân hủy, sức căng bề mặt.
Từ các kết quả khảo sát nồng tối ưu các thành phần chế tạo, thiết lập công thức chế tạo chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu.
Bước 6: Xác định các tính chất của bọt và thử nghiệm dập cháy
48
gian bán hủy được xác định theo TCVN 7278-3:2003 đã được ban hành.
Tiến hành thử nghiệm đánh giá hiệu quả dập cháy đối với bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu theo phương pháp phun nhẹ.
- Đối với chất tạo bọt bền rượu 1% thử nghiệm với các quy mô: + Quy mô 1:
Diện tích khay thử: 0,25m2
Sốlượng nhiên liệu cháy: 9 lít aceton
Lưu lượng phun bọt: 5 lít/phút
+ Quy mô 2 (đúng theo quy mô TCVN)
Diện tích khay thử: 1,7 m2
Sốlượng nhiên liệu cháy: 125 lít aceton
49
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước (AFFF)
3.1.1. Nghiên cứu lựa chọn các chất HĐBM
Chất HĐBM hydrocarbon sử dụng để chế tạo chất tạo bọt tạo màng nước phải đáp ứng được các tiêu chí về độ nở (5,5-20 lần) và thời gian bán hủy (≥ 4 phút). Tiến hành khảo sát độ nở và thời gian bán hủy của các chất HĐBM hydrocarbon với nồng độ 0,05 %,kết quả khảo sát được trình bày tạibảng 3.1.
Bảng 3.1: ết quả khảo sát độ nở và thời gian bán hủy của các chất HĐBM hydrocarbon
STT Chất HĐBM Độ nở
(lần)
Thời gian bán hủy (phút:giây)
1 Branch alkyl benzen sulfonat (BAS) 6,2 2:48
2 Ethoxylat sulfat (EOS) 3,1 2:02
3 Propoxylat sulfat (POS) 3,8 2:56
4 Alkyl polyglucosid (APG) 5,8 4:01
5 Nonylphenol ethoxylat (NPE) 5,5 4:11
6 Lauryl hydoxysulfo betain (LHSB) 5,4 4:19
Kết quả cho thấy chất HĐBM BAS có độ nở tương đối cao (6,2 lần) tuy nhiên thời gian bán hủy lại thấp hơn so với yêu cầu (chỉ đạt 2 phút 48 giây). Tương tự với EOS và POS thời gian bán hủy chỉ đạt nhỏ hơn 3 phút. Do đó, lựa chọn các chất HĐBM hydrocarbon là APG, NPE và LHSB có các thông số về độ nở lớn hơn 5 lần và thời gian bán hủy lớn hơn 4 phút, đáp ứng được tiêu chuẩn cho các nghiên cứu tiếp
theo.
Sự kết hợp giữa các chất HDBM fluor hóa và hydrocarbon mang lại hiệu quả tối ưu hơn so với việc sử dụng đơn lẻ từng chất [104]. Do đó, tiếp tục lựa chọn thêm chất HĐBM fluor hóa. Sử dụng DuPont™ Capstone® fluorosurfactant 1440 (DCF) cho
việc chế tạo chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước. Đây là chất HĐBM fluor hóa
dạng lưỡng tính, và không gây độc hại môi trường.
Nghiên cứu về thành phần của chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước đậm đặc trong Chương 1 cho thấy hàm lượng các chất HĐBM fluor hóa chiếm tỉ lệ 5 –
50
dung dịch bọt AFFF 0,5% khi phun. Do đó, chọn nồng độ DCF thay đổi từ 0,035 – 0,06% để khảo sát sự ảnh hưởng của nó đến sức căng bề mặt của dung dịch nước. Kết quả được trình bày tại hình 3.1.
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 14 14,5 15 15,5 16 16,5 17 0,035 0,04 0,045 0,05 0,055 0,06 SCBM (mN/m) SCBM liên diện (mN/m) Sứ c că ng b ề m ặt (m N /m ) Sứ c că ng b ề m ặt liê n di ện (m N /m ) Nồng độ DCF(%)
Hình 3.1. Ảnh hưởng của nồng độ DCF đến sức căng bề mặt của nước
Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của nồng độ DCF đến sức căng bề mặt của
nước cho thấy chất HĐBM fluor hóa có khả năng giảm mạnh sức căng bề mặt của
nước xuống giá trị thấp. Với nồng độ 0,035% DCF đã làm giảm sức căng bề mặt của nước từ 72 mN/m xuống còn 16,6 mN/m. Khi tiếp tục tăng nồng độ DCF từ
0,035% lên 0,06% thì sức căng bề mặt và sức căng bề mặt liên diện của nước giảm dần. Tại nồng độ 0,06% sức căng bề mặt giảm còn 15,3 mN/m và sức căng liên diện giảm còn 2,2 mN/m. Kết quả khảo sát các tính chất về độ nở, thời gian bán hủy và hệ số lan truyền của dung dịch trong nước có chứa DCF được trình bày tạibảng 3.2.
Bảng 3.2: Độ nở và thời gián bán hủy của dung dịch DuPont™ Capstone®
fluorosurfactant 1440 (DCF)
STT Nồng độ DCF (%)
Độ nở (lần)
Thời gian bán hủy
(phút:giây) Hệ số lan truyền
1 0,03 3,2 3:23 5,4
2 0,035 3,7 4:07 5,8
3 0,04 4,2 4:23 6,1
51
5 0,05 4,2 5:21 7,4
6 0,055 5,6 5:56 7,6
7 0,06 6,3 6:28 8,0
Kết quả cho thấy khi nồng độ DCF tăng thì độ nở cũng tăngđiều này chứng tỏ DCF có khả năng tạo bọt tốt. Truy nhiên, khi so sánh với các chất HĐBM hydrocarbon ở cùng nồng độ 0,05% thì độ nở của chất fluor hóa thấp hơn. Chứng tỏ rằng chất HĐBM fluor có khả năng tạo bọt kém hơn so với các chất HĐBM
hydrocarbon. Điều này được giải thích là do DCF có độ nhớt lơn hơn các chất hydrocarbon và do độ hấp phụ trên bề mặt của các chất fluor hóa. Tuy nhiên, thời gian bán hủy của DCF lại cao hơn so với các chất hydrocarbon, điều này cho thấy mặc dù khả năng tạo bọt của DCF thấp hơn tuy nhiên các bọt tạo thành bền và ổn định hơn. Mặt khác, hệ số lan truyền của dung dịch dương chứng tỏ dung dịch có khả năng nổi lên và lan truyền trên bề mặt của nhiên liệu cháy (cyclohexan).
Sau khi lựa chọn được chất HĐBM hydrocarbon (APG, NPE, LHSB) và chất HĐBM fluor hóa (DCF) tiến hànhxác định sức căng bề mặt của từng chất trong nước với các nồng độ thay đổi từ 0 – 0,06 % khối lượng. Sự thay đổi sức căng bề mặt (σ) theo nồng độ của từng chất HĐBMđược trình bày tại hình 3.2:
0 20 40 60 80 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 DCF (mN/m) APG (mN/m) NPE (mN/m) LHSB (mN/m) Nồng độ (%) Sứ c că ng b ề m ặt (m N/ m ) Hình 3.2.Đồ thị biểu diễn sức căng bề mặt của các chất HĐBM