Ở Việt Nam đã có một số công trình nghiên cứu về vật liệu chống cháy,
27
bọt chữa cháy, đặc biệt là các dòng sản phẩm chất lượng cao như chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước, chất tạo bọt chữa cháy bền rượu… có ít công trình nghiên cứu một cách chuyên sâu và đầy đủ để tạo ra sản phẩm tiên tiến, bắt kịp xu thế chung của thế giới.
Năm 1992, Trần Văn Tân và cộng sự nghiên cứu thành công quy trình sản xuất chất tạo bọt chữa cháy hòa không khí 6% (chất tạo bọt chữa cháy xăng dầu độ
nở thấp, thành phần chứa chất HĐBM hydrocarbon) sử dụng nước ngọt để chữa
cháy các đám cháy nhóm A và nhóm B. Các sản phẩm này có chất lượng tương đương với chất tạo bọt chữa cháy PO1 của Liên Xô. Năm 2006, Cảnh sát Phòng cháy chữa cháy Công an tỉnh Hà Tây đã sử dụng chất tạo bọt chữa cháy hoà không khí 6% này để dập cháy thành công 1 xe chở gas bị cháy, trước đó đã dùng nước, bình bột cầm tay và bình CO2 để dập nhưng không có hiệu quả, tránh được nguy cơ
nổ khí gas rất nguy hiểm. Hiện nay, chất tạo bọt chữa cháy này vẫn được một số đơn vị đưa vào sử dụng, tuy nhiên, so với thế giới, sản phẩm này chưa đáp ứng
được nhu cầu chữa cháy hiện đại và không tương thích với trang thiết bị mới của lực lượng phòng cháy, chữa cháy [97].
Năm 2013, Hà Văn Vân và cộng sự chế tạo được chất tạo bọt chữa cháy
xăng dầu độ nở thấp, đạt được một số kết quả nhất định như khả năng chữa cháy
các đám cháy xăng, dầu tốt. Tuy nhiên, kết quả còn nhiều hạn chếnhư: độ đậm đặc thấp (6%); khảnăng chống cháy lại chưa đạt TCVN 7278-1 : 2003 [98].
Năm 2014, Trung tâm Phát triển Công nghệ cao và Viện K thuật Hoá –
Sinh và Tài liệu nghiệp vụ đã phối hợp nghiên cứu thăm dò chất tạo bọt tạo màng
nước độ nở thấp thế hệ mới và bước đầu đã tạo ra hệ vật liệu đáp ứng các chỉ tiêu chữa cháy xăng dầu. Kết quảlà đã xây dựng được hệ vật liệu tạo màng nước gồm
HĐBM mặt sodium polyoxyethylen alkylete sulfat (chất HĐBM hydrocarbon) và chất hoạt động fluor hóa perfluoroalkyl betain với tỉ lệ hàm lượng là 15% và 5%.
Đã tìm được chất trợ HĐBM, các chất phụ gia cho độ bền cơ học, độ bền nhiệt cao
hơn: butyl diglycol, glyxerin, carboxymethyl cellulose, coconut oil fatty acid mono ethanol amid, polyethylen glycol, Guar gum. Đã thử nghiệm khả năng chữa cháy
xăng dầu đối với các mẫu bọt theo 2 quy mô: quy mô nhỏ (phòng thí nghiệm) đạt
được cả về thời gian dập cháy và thời gian chống bắt cháy lại; quy mô trung bình chỉ đạt được tiêu chí dập cháy, không đạt tiêu chí chống cháy lại. Do vậy, cần có
28
những nghiên cứu thêm về hệ vật liệu các chất HĐBM, lựa chọn được các chất trợ HĐBM và các chất phụ gia để chế tạo được sản phẩm có độ bền nhiệt tốt đáp ứng
được TCVN về bọt chữa cháy [99].
Từ năm 2016 đến năm 2019, luận án tiến hành các nghiên cứu trong khuôn khổ đề tài cấp Nhà nước của Trung tâm phát triển công nghệ cao, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam do TS. Đỗ Sơn Hải làm chủ nhiệm. Luận án đã
nghiên cứu và góp phần chế tạo thành công 05 hệ chất tạo bọt chữa cháy thế hệ mới là chất tạo bọt chữa cháy sử dụng nước biển 3%; Chất tạo bọt chữa cháy sử dụng
nước biển 1%; Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước 0,5%; Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu 3% và Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu 1% [100].
Quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài cho thấy một số hợp chất có khả năng nâng cao các tính chất của chất tạo bọt chữa cháy, độ bền nhiệt cũng như là
hiệu quả dập cháy. Do vậy, luận án đã tiếp tục tiến hành các nghiên cứu sử dụng các hợp chất này và thu được nhiều kết quả khả quan.
29
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Hóa chất và thiết bị
2.1.1. Hóa chất
Các hóa chất sử dụng trong luận án được liệt kê ở bảng 2.1
Bảng 2.1. Hóa chất thí nghiệm
Hóa chất Chỉ tiêu kỹ thuật Xuất xứ
DuPont™ Capstone® fluorosurfactant
1440 (DCF) 24 - 26% DuPont, M
Fluoroalkyl betain (FB) 26,2% DuPont, M
Branch alkyl benzen sulfonat (BAS) 98,9% Sigma-Aldrich, Singapore
Sodium lauryl sulfat (SLS) 99,3% Sigma-Aldrich,
Singapore Sodium lauryl ether sulfat (SLES) 65,3% Sigma-Aldrich,
Singapore
Aryl sulfat (AS) 98,8% Sigma-Aldrich,
Singapore
Alkyl polyglucosid (APG) 60,7% Sigma-Aldrich,
Singapore
Nonyl phenol ethoxylat (NPE) 60 % XiLong,Trung
Quốc
Alkylphenol ethoxylat (NP9) 98,4%, Sigma-Aldrich, Singapore Lauryl hydroxy sulfobetain (LHSB) 30% Indonesia
Ethoxylat Sulfat (EOS) 98% Sigma-Aldrich,
Singapore
Propoxylat Sulfat (POS) 98% Sigma-Aldrich,
Singapore Partially fluorinat acrylic copolyme
(PFAC) 35% DuPont, M
Xanthan gum 99,2 % Sigma-Aldrich,
Singapore
Butyl diglycol 99,2% Sigma-Aldrich,
Singapore
Natri silicat Na2O: 10-12%,
SiO2: 26-30% Việt Nam Gel silica (Ludox HS40) SiO2 40%. Sigma-Aldrich,
Singapore
30
Hydroxyethyl cellulose 99,3% XiLong,Trung
Quốc Glycerin 99,7% XiLong,Trung Quốc Urea 71% Việt Nam Một số hóa chất khác 2.1.2. Thiết bị
Một số thiết bịđược sử dụng trong luận án:
- Máy phân tích bọt Ross Miles RMFA, Viện hoa học và Công nghệ, Bộ
Công an;
- Thiết bị đo độ nhớt BROOKFIELD DV-II+Pro, Trung tâm Phát triển công nghệ cao;
- Bểđiều nhiệt chương trình hóa nhiệt độ TC100 Brookfield (M ), Viện hoa học và Công nghệ, Bộ Công an;
- Thiết bị đo sức căng bề mặt tựđộng hoàn toàn KSV CAM101, Học viện thuật Quân sự;
- Thiết bị đo SCBM liên diện Spinning Drop Interfacial Tesionmeter, Model 500, Temco.Inc (M ), Viện hoa học và Công nghệ, Bộ Công an;
- Thiết bị đo pH HQ11D của hãng HACH, Viện hoa học và Công nghệ, Bộ
Công an;
- Máy xác định nhiệt độ đông đặc Linetronic Technologies - NEWLAB 300/2-
SA, Thụy Sĩ, Viện hoa học và Công nghệ, Bộ Công an;
- ính hiển vi Digital Microscope USB 1000X, Trung tâm Phát triển công nghệ cao;
- Bể rung siêu âm, Trung tâm Phát triển công nghệ cao;
- Máy khuấy từ, Trung tâm Phát triển công nghệ cao;
- Một số thiết bị và dụng cụ phòng thí nghiệm khác.
2.2. Phương pháp phân tích đánh giá
2.2.1. Phương pháp xác định tính chất hóa lý của chất tạo bọt chữa cháy
2.2.1.1. Xác định sức căng bề mặt liên diện 2 pha cyclohexan –nước
Tiến hành xác định sức căng bề mặt liên diện giữa hai pha cyclohexan - nước bằng thiết bịđo SCBM dạng ống mao quản kim tiêm.
31
- Xác định hệ số của ống mao quản: Đối với dụng cụđo này SCBM được xác
định theo công thức: σI = A*ΔL*Δρ Với: σI là SCBM liên diện, mN/m A: là hằng sốống mao quản ∆L: là số vạch theo micromet để tạo thành một giọt ∆ρ: là hiệu số tỉ trọng của hai chất lỏng
Đểxác định hằng số của ống mao quản dùng benzen có SCBM ranh giới với
nước bằng 34,94 mN/m ở 27oC. hi 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 cyclohexan đủ lớn để có thểđo SCBM được nhiều lần.
+ Xoay nút vặn theo chiều kim đồng hồ, đếm số giọt cyclohexan nổi lên
(thường lấy 5 giọt), 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.
+ SCBM được tính theo công thức trên, sử dụng hằng số A tương ứng với
ống mao quản.
2.2.1.2. Xác định sức căng bề mặt và hệ số lan truyền
Đặc tính tạo màng của chất tạo bọt tạo màng nước AFFF là một tham số
quan trọng, nó được đặc trưng bằng hệ số lan truyền (S) [101]. Hệ số lan truyền
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 cyclohexan, σA là sức căng bề mặt của dung dịch bọt chữa cháy và σI là sức căng bề mặt liên diện giữa hai chất lỏng.
32
Hình 2.1: Minh họa sức căng bề mặt để tính toán hệ số lan truyền [48]
Khi S lớn hơn 0, dung dịch bọt chữa cháy sẽ có khảnăng lan truyền trên bề
mặt của cyclohexan. Do đó, dung dịch bọt chữa cháy cũng có thể lan trên bề mặt của nhiên liệu lỏng như dầu diesel, dầu hỏa… vì cyclohexan có sức căng bề mặt thấp hơn so với nhiên liệu lỏng thông thường. Ngược lại, khi S nhỏ hơn 0, dung
dịch bọt chữa cháy ít hoặc không có khả năng lan truyền trên bề mặt của cyclohexan.
Sức căng bề mặt của dung dịch chất tạo bọt chữa cháy được đo bằng máy đo
sức căng bề mặt tự động hoàn toàn SV CAM101 trong điều kiện nhiệt độ phòng,
mỗi thí nghiệm được lặp lại ba lần.
2.2.1.3. Xác định độ nhớt
Độ nhớt động của các dung dịch bọt được đo bằng máy BROO FIELD DV-
II+Pro. Mỗi thí nghiệm được lặp lại ba lần.
2.2.1.4. Xác định độ nở và thời gian bán hủy
Độ nở hay còn gọi là khả năng tạo bọt là một trong những đặc tính cơ bản nhất của bọt chữa cháy. Phương pháp Ross-Miles được sử dụng để đo khả năng tạo bọt của dung dịch chất hoạt động bề mặt và độổn định của bọt được tạo ra, dựa trên
phép đo chiều cao [102 -104]. Cách xác định khả năng tạo bọt được trình bày như
hình 2.2. Khoảng cách từ van tháo của bình cầu đến bề mặt của bộ phân tán được
đặt là 1 m. Chu trình nước duy trì nhiệt độ không đổi. Bọt trong bình cầu (200 ml)
được cho vào ống thủy tinh hình trụ có sẵn 50 ml dung dịch bọt bên trong. Chiều cao bọt tăng dần cho đến khi cho hết 200 ml. Chiều cao bọt ban đầu và sau khi thả
hết 200 ml trên bình cầu xuống được đo và ghi chép lại để xác định đặc trưng cho
khảnăng tạo bọt. Thời gian bán hủy được xác định bằng thời gian để bọt tiết ra 100 ml dung dịch bọt kể từ thời điểm thả hết 200 ml dung dịch.
33
Hình 2.2. Sơ đồđo khả năng tạo bọt [105]
Độ nở và thời gian bán hủy được đo trên máy phân tích bọt Ross Miles RMFA. Các phép đo được thực hiện 3 lần và lấy giá trị trung bình.
2.2.1.5. Xác định giá trị pH
pH của dung dịch được xác định trên thiết bị đo pH HQ11D của hãng
HACH.
2.2.1.6. Xác định nhiệt độđông đặc
Nhiệt độ đông đặc được đo bằng máy Linetronic Technologies - NEWLAB 300/2-SA, Thụy Sĩ
2.2.2. Phương pháp xác định tính ổn định của bọt
K thuật sử dụng hai ống tiêm đã được dùng để tạo bọt và đánh giá độ ổn
định của bọt, các điều kiện thí nghiệm ban đầu giống hệt nhau. Việc thiết lập k thuật ống tiêm kép bao gồm hai ống tiêm (thểtích = 60 ml) được nối với nhau bằng một đoạn ống ngắn có đường kính 5 mm (hình 2.3). Ống tiêm đầu tiên chứa khí, trong khi ống tiêm còn lại chứa chất tạo bọt chữa cháy. Bọt được tạo ra bằng cách
34
đẩy chất lỏng và khí liên tục qua ống nối. Dung dịch được đi qua ống 30 lần, thể
tích của bọt chữa cháy và chất khí lần lượt là 20 và 40 ml. Các k thuật tương tựđã được sử dụng trong các nghiên cứu trước đây [103, 106, 107]. Hai ống tiêm được tách ra sau khi tạo bọt, và ống tiêm chứa bọt được đặt úp trên bàn. Quá trình tiết
nước của bọt chữa cháy được ghi lại và tốc độ thoát nước của bọt được xác định. Một lượng bọt nhất định được lấy ra và quan sát dưới kính hiển vi với độphóng đại 40 lần. Thực hiện mỗi phút một lần để phân tích sự phân bốkích thước bong bóng
và độ bền của bọt.
Hình 2.3. Sơ đồ xác định độổn định bọt [105]
2.3.3. Phương pháp xác định sựtương hợp và độ bền nhiệt
Các chất HĐBMthường có độ hòa tan kém hoặc không tan trong nước, nước sẽ làm cho dung dịch chất HĐBM trở nên đục, nghĩa là khả năng tương hợp của chúng kém, ngược lại nếu dung dịch trong suốt chứng tỏ tương hợp tốt. Đồng thời một yêu cầu k thuật quan trọng của chất HĐBM ứng dụng trong bọt chữa cháy là phải bền nhiệt, phù hợp với điều kiện nhiệt độ cao của các đám cháy. Do đó, luận án
35
khảo sát sự tương hợp – bền nhiệt bằng phương pháp ủ đẳng nhiệt ở 150°C trong thời gian 8h [108] với trình tự tiến hành như sau:
- Xác định tỉ lệ tương hợp của các chất HĐBM
- Sử dụng các ống nghiệmchịu nhiệt;
- Bơm vào mỗi ống 50 ml dung dịch chất HĐBM, vặn kín nút các ống nghiệm;
- Ủ ống nghiệmtrong bể điều nhiệt ở 150°C.
- Sau mỗi thời gian nhất định quan sát bằng mắt độ đục, đo SCBM và pH của
các dung dịch ủ đó.
2.3.4. Phương pháp quy hoạch hóa thực nghiệm và tối ưu hóa
Sau khi lựa chọn được thành phần chính của bọt chữa cháy và khảo sát ảnh
hưởng của chúng tới sức căng bề mặt. Tiếp tục tiến hành thiết kế ma trận kế hoạch thực nghiệm theo mô hình kế hoạch tâm xoay bậc 2 của Box – Hunter. Thành phần và nồng độ tối ưu của hệ chất HĐBM được xác định khi hàm mục tiêu σ đạt giá trị
cực tiểu.
Trước hết giải bài toán tối ưu theo các bước sau [26]:
- 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 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)
36
- 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.
2.3.5. Phương pháp thử nghiệm đánh giá kết quả
2.3.5.1. Thiết bị thử nghiệm
- Bộ thiết bị phun bọt theo tiêu chuẩn (gồm: máy bơm theo tiêu chuẩn, bồn chứa có dung tích 100 lít, lăng phun bọt tiêu chuẩn có lưu lượng 11,4 lít/phút ở áp suất 6,3 ± 0,3bar, các thiết bịđấu nối, đường ống…).
- hay đốt: hình tròn bằng thép dày 2,5 mm, chiều cao 250 mm, có đường kính 2,4 m, diện tích: 4,52 m2
- Khay cháy lại: hình tròn bằng thép dày 2,5 mm, đường kính 300 mm, chiều cao 250 mm.
- Tấm chắn cách nhiệt, chắn gió, chắn nóng đảm bảo điều kiện thử nghiệm và vấn đề an toàn trong khi thử, kích thước 4000 x 2500 mm
- Thiết bị đo tốc độ gió; thiết bị đo nhiệt độ môi trường; thiết bị đo nhiệt độ đám cháy; bộ quần áo amiang cách nhiệt chuyên dụng chịu được nhiệt độ cao; bộ
quần áo chuyên dụng...
- Xe chữa cháy chuyên dụng, hệ thống bơm cấp nước, các loại bình chữa
cháy đảm bảo an toàn cho quá trình thử nghiệm...
- Các thiết bị chiết xuất, đong, đo định mức chất lỏng...