Ngày nay, vật liệu có kích thước nano đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học do những tính chất vật lý và hóa học đặc biệt cũng như những ứng
17
dụng tiềm năng trong nhiều lĩnh vực công nghệ (hóa học, luyện kim, gốm sứ, y
dược, lý sinh học, y sinh học, ...). Trong đó, có nhiều công trình nghiên cứu về hạt nano chứa silic ứng dụng trong lĩnh vực phòng cháy chữa cháy [33, 48, 57, 59].
Khả năng hấp phụ các hạt nano trên giao diện lỏng-lỏng (dầu/nước) và khí- lỏng (không khí/nước) đã được nghiên cứu. Trong nhiều trường hợp, các hạt nano có vai trò giống như các chất HĐBM khi được hấp phụ trên các giao diện này. Tính
ưa dầu hoặc ưa nước của các hạt nano có thểđược xác định thông qua tính dính ướt của chúng qua bằng cách đo góc tiếp xúc với giao diện lỏng-lỏng. Sự khác biệt quan trọng giữa chất HĐBM và các hạt nano là các hạt nano có khả năng hấp phụ mạnh
hơn trên bề mặt giao diện.
Gần đây, nhiều công trình nghiên cứu và ứng dụng hạt nano SiO2 (Polysilicon Nanoparticle - PN) trong bọt chữa cháy được tiến hành với nhiều kết quả khả quan.
Trong đó, nghiên cứu lớp vật liệu sol-gel, với tính chất chữa cháy độc đáo ngày càng được quan tâm. Vật liệu hỗn hợp sol-gel từlâu được biết đến là chất hấp phụ vật liệu hữu cơ như polyme, thuốc nhuộm, phân tử sinh học…[62]. Mesoporous silica được sử dụng trong các trường hợp này do khảnăng giữ nguyên cấu trúc sau khi xử lý với nhiệt [63-66] và thường ở dạng xốp (có vô số các khoang rỗng li ti bên trong). Chúng mang lại nhiều lợi ích hơn so với các polyme tổ hợp do các hạt nano silica có thể dễ
dàng tách khỏi nhau, tương tác với các chất HĐBM, không độc hại và có thể phân hủy sinh học. Quá trình hình thành bọt nano silica trong vòi phun được trình bày như
hình 1.7.
Hình 1.7. Quá trình hình thành bọt silica [95]
Các chất HĐBM fluor hóa và dẫn xuất siloxan đều là những chất có khả năng giảm sức căng bề mặt của dung dịch xuống giá trị thấp. Tuy nhiên, khi chất
18
siloxan được xác định là hợp chất tiềm năng sử dụng trong công thức AFFF và
được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu của luận án. Kết quả nghiên cứu [47] trình bày trong bảng 1.5 cho thấy, chất HĐBM siloxan làm giảm sức căng bề mặt của
nước xuống giá trị thấp (20 mN/m), chỉ đứng sau chất fluor hóa (15 mN/m) và tốt
hơn các chất HĐBM hydrocarbon (28 mN/m). Hệ số lan truyền của siloxan đạt giá trị dương (5 mN/m), do đó, nó có khả năng nổi lên và lan truyền trên bề mặt nhiên liệu lỏng. Vì vậy, siloxan có thể phù hợp cho công thức bọt chữa cháy.
Bảng 1.5: Sức căng bề mặt nhỏ nhất và hệ số lan truyền của các dung dịch
ở nhiệt độ phòng [47] Chất HĐBM Sức căng bề mặt nhỏ nhất Hệ số lan truyền trên Cyclohexan Phù hợp cho AFFF Chất HĐBM fluor hóa 15 mN/m + 10 mN/m Có Siloxan 20 mN/m + 5 mN/m Có thể Alkyl 28 mN/m - 3 mN/m Không
Nước tinh khiết 73 mN/m - 48 mN/m Không
Tác động sinh học của siloxan thấp hơn so với chất HĐBM fluor hóa bởi phần kỵnước của siloxan không chứa các liên kết C-F bền vững và không phân hủy sinh học. Trong chất HĐBM siloxan nhóm siloxan cùng tên tạo thành phần kỵ nước. Nhóm này chủ yếu gồm các liên kết silicon-methyl và silicon-oxy. Các liên kết này dễ bị phân hủy trong tự nhiên như liên kết silicon-oxy có thể bị thủy phân bởi nước và các vi sinh vật tạo thành các sản phẩm hữu cơ trong tự nhiên [47].
Nhiều cơ chếđược đề xuất để giải thích sựổn định của bọt chứa hỗn hợp các chất HĐBM và hạt nano silica [67]; các cơ chếđó bao gồm năng lượng gắn kết hạt [68], áp suất mao quản cực đại của kết tụ [69, 70], sự sắp xếp hạt trên lớp màng và vùng khoảng cách giữa các bong bóng bọt [71], và tương tác phân tử [72]. Binks và cộng sựđề xuất rằng các hạt nano silica được hấp phụ vào bề mặt phân cách không khí/chất lỏng. Quá trình này là không thểđảo ngược [73, 74] do năng lượng (E) cần thiết đểđẩy các hạt nano silica khỏi bề mặt phân cách không khí/lỏng rất cao. Năng lượng E phụ thuộc vào góc tiếp xúc được hình thành khi hạt nano silica hấp phụ
trên bề mặt phân cách không khí/chất lỏng. Năng lượng gắn/tách rời có thể được
19
E = πR2 σaw(1 ± cos θ)2
Trong đó R là bán kính hạt, θ là góc tiếp xúc, và σaw là sức căng bề mặt không khí/chất lỏng. Tuy nhiên, Vatanparast và các cộng sự đã chứng minh được các nano silica ưa nước không có xu hướng hấp phụ tại bề mặt phân cách không khí/chất lỏng [109]. Việc bổ sung các chất HĐBM, đặc biệt là chất fluor hóa giúp làm giảm sức căng bề mặt của hỗn hợp. Phương trình trên cho thấy việc thêm chất
HĐBM dẫn đến kết quả E thấp. Do đó, sự thay đổi độ ổn định của bọt do thêm các hạt nano silica không thểđược giải thích bằng cơ chếnăng lượng gắn hạt.
Một cơ chế khác cũng được đề xuất để giải thích sự ổn định màng của bọt chứa các hạt nano silica là tương tác phân tử. Carn và cộng sự chỉ ra rằng sự hình thành các hạt mixen do tương tác giữa các hạt nano silica và chất HĐBM cation làm
tăng độ nhớt màng lỏng. Do đó, làm giảm tốc độ thoát nước và tăng cường độ ổn
định của bọt [72]. Nguyen và Schulze [76]; Kim và cộng sự [77] cho rằng các phân tử chất HĐBM có thểđược hấp phụ lên bề mặt của các nano silica để tạo thành một lớp đơn phân tử, giúp tăng cường tính kỵ nước của các hạt nano silica và làm cho chúng hoạt động tốt hơn trên bề mặt. Do đó, các hạt nano này có thể bị hấp phụ
mạnh tại bề mặt phân cách không khí/chất lỏng và làm ổn định các bong bóng. Tuy nhiên, các kết quả này chỉ chứng minh được sựtương tác giữa các hạt nano silica và chất HĐBM làm tăng tốc độthoát nước của bọt và đóng cặn khi ở nồng độ thấp. Do
đó, việc tăng độổn định của bọt không thểdo tương tác phân tử.
Một số nghiên cứu cho thấy hạt nano silica có xu hướng hình thành các cấu trúc phân lớp trong màng nước mỏng, dẫn đến sự chậm vỡ của các bong bóng bọt [78-80]. Singh và cộng sự thông qua kính hiển vi phát hiện ra rằng các hạt nano silica tồn tại ở vùng không gian khoảng cách giữa các bong bóng bọt và làm chậm
quá trình thoát nước bọt [74]. Các cơ chế giải thích tính ổn định và bền bọt của bọt chữa cháy có thành phần nano silica cũng được đề xuất trong một số nghiên cứu
tương tự [72, 79].