Nhờ một số đặc tính độc đáo, chất hoạt động bề mặt perfluor được sử dụng rộng rãi ở Châu Âu và Hoa ỳ kể từ những năm 60-70 của thế kỉ 20. Do hiệu quả chữa cháy cao đối với cả chất rắn và chất lỏng phân cực dễ cháy nên chất tạo bọt chữa cháy này được sản xuất và sử dụng phổ biến ở nhiều nước, nhất là các nước đang phát triển. Tuy nhiên, sau quá trình chữa cháy các tác nhân này bị hấp thụ gần như hoàn toàn vào trong đất và nước mặt. Những chất này cực kỳ bền trong môi trường, không bị thủy phân, không phân hủy sinh học. Ví dụ điển hình nhất là hợp chất HĐBM perfluorooctylsulfonat (PFOS) được sử dụng rộng rãi trong AFFF cho đến năm 2005. Từ năm 2006, PFOS bị cấm sử dụng ở Liên minh Châu Âu do độc tính và khả năng tích tụsinh học của nó và đến năm 2009, quốc tế phân loại PFOS
vào nhóm chất gây ô nhiễm hữu cơ bền vững (POP). Sau đó PFOS được thay thế bằng polyfluorinat (PFC), tuy nhiên hợp chất này cũng không được chấp nhận vì nó
23
khó phân hủy và ảnh hưởng đến môi trường. Để cải thiện khả năng phân hủy sinh học và giảm độc tính của các chất HĐBM prefluor trong chất tạo bọt, trong suốt thập kỷ qua các nhà nghiên cứu đã có những cải tiến như [93]: 1) Khóa nhóm
sulfonat bằng các mảnh amidobetain; 2) Giảm số lượng nguyên tử C trong gốc perfluorinat từ C8-C10 xuống còn C4-C6; 3) ết hợp các nhánh hydrocarbon (- CH2-)nthành chất hoạt động bề mặt perfluor.
Các chất HĐBM fluor hóa được sử dụng trong AFFF được thực hiện theo quy trình telom hóa sạch hơn và không phân hủy thành các mảnh PFOS hoặc PFOA. Việc sử dụng các chất hóa học perfluoroalkyl C6 cho tất cả các chất HĐBM
fluor hóa của AFFF là một thách thức lớn và cần phải tìm ra các giải pháp hiệu quả
nâng cao hiệu suất, cải thiện chất tạo bọt chữa cháy.
Năm 2015. R. H. Hetzer và cộng sự thuộc Viện nghiên cứu Bundeswehr đã nghiên cứu chế tạo chất tạo bọt AFFF trên cơ sở chất HĐBM siloxan. ết quả nghiên cứu trình bày trong bảng 1.6 cho thấy chất tạo bọt mới này có khả năng dập tắt đám cháy trong 131 giây và chống cháy lại là 442 giây tốthơn so với mẫu trắng và chất tạo bọt lớp B. Mặc dù khả năng dập cháy và chống cháy lại kém hơn so với AFFF tuy nhiên đây là bọt chữa cháy không chứa chất HĐBM fluor hóa, do đó nó thân thiện và an toàn với môi trường. Mặt khác, trong thành phần của mẫu bọt chứa siloxan mang đi thử nghiệm chưa có các chất ổn định bọt và các thành phần phụ gia khác, do đó đây chưa phải là kết quả tối ưu. Trên thực tế, có nhiều chất phụ gia quan trọng trong AFFF, vai trò và tác dụng của các chất phụ gia đối với tính chất của AFFF chưa được nghiên cứu nhiều [93].
Bảng 1.6: So sánh thời gian dập tắt của chất tạo bọt siloxan
và chất tạo bọt thương mại [93]
TT Loại Thành phần Hàm lượng PFC Tạo màng nước Thời gian dập cháy 99% (s) Thời gian dập cháy 100% (s) Thời gian chống cháy lại 25% (s) 1 Chất HĐBM siloxan mới Chất HĐBM Siloxan (1,0 g/l) Alkyl glycoside (4,5g/l) PFC - free Có 111 131 442
24 2 Mẫu trắng Alkyl glycoside (4,5g/l) PFC - free Không 477 536 164 3 AFFF Dung dịch 3,0% Có PFC Có 81 136 745 4 Dung dịch 3,0% Có PFC Có 85 103 776 5 Chất tạo bọt lớp B Dung dịch 3,0% Có PFC Không 140 161 494 6 Dung dịch 3,0% PFC - free Không 149 169 392 7 Dung dịch 0,5% PFC - free Không 209 254 275
Năm 2016, Đại học ITMO phối hợp với công ty SOPOT (Nga) chế tạo ra một bọt chữa cháy dựa trên các hạt nanosilica vô cơ. ết quả cho thấy loại bọt chữa cháy này có khả năng tạo bọt nhanh và bền ở nhiệt độ cao, cải thiện khả năng chữa
cháy và ổn định cơ học. hi phun bọt chữa cháy vào đám cháy, các hạt nano silica
tạo ra một mạng lưới polymebám chặt vào vật thể đang cháy và làm mát bề mặt của chúng, giảm nhiệt độ bốc hơi của nhiên liệu. Màng polyme này có thể chịu được nhiệt độ trên 1000°C [94].
Năm 2016, tác giả A. V. Vinogradov và cộng sự [95] chế tạo thành công bọt lai silica mới có tính chất chữa cháy độc đáo. Sự hình thành các hạt sol-gel trong quá
trình tạo bọt của dòng chất lỏng với sức căng bề mặt thấp dẫn đến trạng thái ba pha bao gồm các chất HĐBM và nano silicađãthúc đẩy quá trình dập cháyhiệu quả hơn.
Nghiên cứucho thấy hầu hết chất tạo bọt đang sử dụng được làm từvật liệu hữu cơ
và có hiệu quả dập cháy giảm dần khi nhiệt độ tiếp cận 300o
C. Trong khi bọt chữa cháy mới tạo ra một lớp màng cứng và nhớt trên bề mặt vật liệu. Lớp màng này
không chỉ giúp ngăn cách nhiên liệu cháy với lửa, mà còn bảo vệ các vật liệu khỏi sự cháy lại. ết quả cũngcho thấy chất tạo bọt sol –gel có khả năng dập cháy hiệu quả gấp 50 lần so với nước thông thường và gấp15 lần so với các chất dập cháy tốt
25
Hình 1.10: Cơ chế hóa học cho sự hình thành bọt silica
Năm 2020, Youjie Sheng và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu về bọt chữa cháy thân thiện với môi trường dựa trên hỗn hợp các chất HĐBM hydrocarbon và silicon. ết quả cho thấy sức căng bề mặt của dung dịch bọt không có fluor thấp hơn AFFF và không hình thành màng nước trên bề mặt cyclohexane, mặc dù hệ số lan truyền dương. Bọt không chứa fluor có độ ổn định cao hơn nhưng tính lan truyền kém hơn so với AFFF truyền thống. Thử nghiệm với quymô nhỏ, hiệu suất chữa cháy và thời gian bán hủy của bọt không chứa fluor đáp ứng các yêu cầu của tiêu chuẩn GB15308-2006. Bọt chứa OFX-5211 cho hiệu quả chữa cháy và chống cháy lại tốt hơn AFFF. Bọt chứa Silok-2235 và Tegopren-6950 có hiệu suất chữa
cháy tốt hơn nhưng thời gian chống cháy lạikém hơn AFFF [96].
26
Từ các kết quả thu được nhóm tác giả đã đưa ra cơ chế chữa cháy và phân hủy bọt của bọt chữa cháy có chứa thành phần silicon như sau: Cơ chế chữa cháy của AFFF truyền thống là tạo lớp màng nước cách nhiệt giữa nhiên liệu lỏng với oxy, như mô tả trong hình 1.12.
Hình 1.12.So sánh cơ chế chữa cháy của bọt chứa silicon và bọt AFFF [96]
A: Bọt AFFF B: Bọt chứa silicon
Trong quá trình chữa cháy của AFFF, một lớp màng nước trên bề mặt nhiên liệu lỏng được tạo thành. Điều này được giải thích do AFFF có chứa chất HĐBM fluorocarbon làm giảm sức căng bề mặt của dung dịch xuống giá trị rất thấp. hi lớp màng nước phủ kín trên bề mặt nhiên liệu,chất lỏng từ bọt tiết ra quá nhiều sẽ bị chìm xuống đáy khay do giới hạn của sự lan truyền dẫn đến độ bền của lớp bọt giảm dần. Đối với các bọt có chứa silicon, cơ chế chữa cháy khác với AFFF và
được giải thích tại hình 1.14. Chất lỏng tiết ra từ bọt trong quá trình chữa cháy rất ít do tính ổn định cao được tạo nên bởi sự có mặt của chất HĐBM hydrocarbon và
một số thành phần chất ổn định bọt. Bọt có khả năng lan truyền nhanh chóng trên bề mặt nhiên liệu do tính chất của silicon. Với khả năng lan truyền nhanh và bao phủ toàn bộ khay nhiên liệu đang cháy, dẫn đến việc ngọn lửa được dập tắt nhanh chóng. Do đó có thể thấy bọt không chứa fluor có thể dập tắt đám cháy của nhiên liệu một cách hiệu quả. Kết quả nghiên cứu cho thấy hỗn hợp các chất HĐBM
hydrocarbon và silicon hứa hẹn được sử dụng rộng rãi để phát triển bọt chữa cháy thế hệ mới thân thiện với môi trường.