Các chất phụ gia có trong thành phần chất tạo bọt hầu như không làm ảnh hưởng đến hoạt tính bề mặt của sản phẩm mà chỉ góp phần làm cho bọt có các đặc tính vượt trội hơn đối với mỗi loại phụ gia thêm vào. Trong số các loại chất phụ gia luận văn tập trung phân tích ảnh hưởng của chất làm tăng độ bền bọt, chất chống đông và chất điều chỉnh độ nhớt đến một số tính chất của bọt.
3.2.2.1. Chất tăng độ bền bọt
bán hủy của mẫu bọt giả định được thực hiện như sau: chế tạo 100 g mẫu bọt gồm 58 % chất HĐBM theo tỷ lệ tối ưu, 5 % chất trợ HĐBM butyl diglycol, hàm lượng HEC thay đổi từ 0 – 3,0 % và được đồng hóa cùng với nước. Kết quả phân tích độ nở và thời gian bán hủy được trình bày trong bảng 3.22:
Bảng 3.22. Phân tích ảnh hưởng của HEC đến độ nở và thời gian bán hủy
Hàm lượng HEC (%) 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
Độ nở (lần) 5,6 5,6 5,7 5,7 5,8 5,8 5,9 Thời gian bán hủy
(phút:giây) 4:10 4:12 4:26 4:25 4:28 4:35 4:38
Kết quả thí nghiệm cho thấy khi hàm lượng HEC 1,0 % bắt đầu có sự tăng nhẹ thời gian bán hủy nên chọn hàm lượng HEC là 1,0 % cho các phân tích tiếp theo.
3.2.2.2. Chất chống đông
Phân tích ảnh hưởng của glycerin đến nhiệt độ đông đặc của 100g mẫu giả định: Glycerin với hàm lượng thay đổi từ 0 – 5 % được đồng hóa cùng với 58 % hỗn hợp gồm hệ chất HĐBM đã tối ưu hóa, 5 % chất trợ hoạt động bề mặt và nước để thành 100 g mẫu. Kết quả xác định độ nở, thời gian tiết nước, nhiệt độ đông đặc và độ ổn định khi đông đặc và hóa lỏng của mẫu được trình bày trong bảng 3.23:
Bảng 3.23. Phân tích ảnh hưởng của glycerin đến nhiệt độ đông đặc
Hàm lượng glycerin (%) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 4 5 Độ nở (lần) 5,6 5,7 5,6 5,6 5,7 5,6 5,8 5,7 5,7 Thời gian bán hủy (phút:giây) 4:10 4:09 4:14 4:15 4:13 4:19 4:24 4:28 4:29 Nhiệt độ đông đặc (oC) -2,4 -2,6 -2,8 -3,5 -4,4 -5,0 -5,6 -6,4 -6,8 Qua các thí nghiệm phân tích nhiệt độ đông đặc; độ ổn định khi đông đặc và hóa lỏng của các mẫu chất tạo bọt giả định với sự có mặt của glycerin cho thấy các
mẫu bọt đã giảm nhiệt độ đông đặc khi hàm lượng glycerin tăng và sau khi hóa lỏng thu được chất lỏng đồng nhất. Sự có mặt của glycerin cũng không làm thay đổi độ nở và thời gian bán hủy nhiều. Khi hàm lượng glycerin ở mức 2,5 % thì nhiệt độ đông đặc đạt -5,0oC, đây là mức an toàn trong điều kiện khí hậu Việt Nam. Do vậy, chọn glycerin với hàm lượng 2,5 % làm chất chống đông để phân tích.
3.2.2.3. Chất điều chỉnh độ nhớt
Dựa trên các kết quả phân tích về chất tăng độ bền bọt (HEC) cũng như tham khảo về thông số độ nhớt của một số sản phẩm tương tự trên thế giới, tiến hành phân tích sự giảm độ nhớt của chất tạo bọt bằng sự có mặt của ure trên mẫu bọt giả định với 1,0 % HEC. Tiến hành phân tích 100 g các mẫu bọt với 58 % các chất HĐBM theo tỷ lệ đã tối ưu, 1,0 % HEC, 0 – 4 % ure và lượng nước vừa đủ để thành 100 g dung dịch. Kết quả được trình bày trong bảng 3.24:
Bảng 3.24. Phân tích ảnh hưởng Ure đến độ nhớt
Hàm lượng ure
(%) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Độ nở (lần) 5,8 5,8 5,9 5,8 5,9 5,9 5,8 5,8 5,9 Thời gian bán hủy
(phút:giây) 4:10 4:12 4:14 4:39 4:38 4:39 4:41 4:45 4:47 Độ nhớt (mm2/s) 89,7 77,5 75,6 69,7 67,5 65,6 50,5 49,4 48,6
Qua các thí nghiệm phân tích sự giảm độ nhớt của các mẫu chất tạo bọt chữa cháy tạm thời có thể thấy rằng với hàm lượng ure bằng 1,5 % thì độ nhớt đạt theo yêu cầu mong muốn và thời gian tiết nước cũng tăng lên đáng kể. Do vậy sẽ sử dụng kết quả này để thực hiện trong các nội dung phân tích tiếp theo.
3.2.3. Phân tích xác định hệ số lan truyền
Sau khi tối ưu hóa được thành phần hàm lượng của các chất HĐBM riêng phần và tối ưu được quy trình chế tạo, hệ số lan truyền của các mẫu dung dịch tạo bọt tạo màng nước theo công thức: S = σc - σf - σi
Phân tích 100 g mẫu bọt theo công thức: 58 % hệ chất HĐBM đã tối ưu + 5 % butyl diglycol + 2,5 % glycerin + 1,0 % HEC +1,5 % ure + 32 % nước. Lấy 3 % mẫu
chất tạo bọt này pha vào 97 % nước được dung dịch tạo bọt và xác định hệ số lan truyền, kết quả phân tích hệ số lan truyền được trình bày trong bảng 3.25:
Bảng 3.25. Kết quả phân tích hệ số lan truyền
Lần thí nghiệm SCBM σc SCBM σf SCBM σi Hệ số lan truyền S 1 24,31 17,24 3,93 3,14 2 24,27 17,20 3,96 3,11 3 24,17 17,12 3,96 3,09 Trung bình 24,25 17,19 3,95 3,11
Kết quả trung bình hệ số lan truyền của các mẫu chất tạo bọt tính toán được là 3,11 với giá trị này thì chất tạo bọt phân tích được gọi là chất tạo bọt tạo màng nước, tức là bọt có khả năng tự lan truyền trên bề mặt chất lỏng khác.
3.3. Phân tích độ bền của hỗn hợp chất HĐBM với chất trợ HĐBM và các chất
phụ gia
Tiến hành phân tích 100 g các mẫu chất tạo bọt bao gồm 4 chất HĐBM với tỷ lệ đã tối ưu hóa (gọi tắt là hệ N) với sự có mặt của các chất phụ gia (hàm lượng của các chất phụ gia đã được phân tích ở trên) và 32 % nước. Các mẫu chất tạo bọt được ủ đẳng nhiệt ở 150oC, xác định sự biến thiên pH và SCBM của các mẫu dung dịch theo các mốc thời gian khác nhau, các kết quả thu được như sau:
Bảng 3.26. Biến thiên pH và σ của hệ N (DCF : APG : LHSB : NPE) + 5% Butyl diglycol theo thời gian ủ nhiệt
Thông số
Thời gian ủ nhiệt (h)
pH/σ 1 2 3 4 6 8
ΔpH 7,26 0,22 0,21 0,21 0,20 0,28 0,27
Bảng 3.27. Biến thiên pH và σ của hệ N (DCF : APG : LHSB : NPE) + 2,5% Glycerin theo thời gian ủ nhiệt
Thông số
Thời gian ủ nhiệt (h)
pH/σ 1 2 3 4 6 8
ΔpH 7,34 0,31 0,33 0,32 0,31 0,28 0,31
Δσ 17,82 0,24 0,23 0,26 0,23 0,24 0,22
Bảng 3.28. Biến thiên pH và σ của hệ N (DCF : APG : LHSB : NPE) + 1,5% Ure theo thời gian ủ nhiệt
Thông số
Thời gian ủ nhiệt (h)
pH/σ 1 2 3 4 6 8
ΔpH 7,26 0,20 0,21 0,24 0,23 0,22 0,26
Δσ 18,16 0,22 0,22 0,23 0,25 0,22 0,28
Bảng 3.29. Biến thiên pH và σ của hệ N (DCF : APG : LHSB : NPE) + 1,0% HEC theo thời gian ủ nhiệt
Thông số
Thời gian ủ nhiệt (h)
pH/σ 1 2 3 4 6 8
ΔpH 7,18 0,24 0,23 0,27 0,25 0,27 0,29
Δσ 17,70 0,26 0,23 0,21 0,25 0,24 0,27
Bảng 3.30. Biến thiên pH và σ của hệ N (DCF : APG : LHSB : NPE) + 04 chất phụ gia trên theo thời gian ủ nhiệt
Thông số
Thời gian ủ nhiệt (h)
pH/σ 1 2 3 4 6 8
ΔpH 7,34 0,14 0,13 0,17 0,20 0,21 0,20
Sự biến thiên pH và SCBM của hệ vật liệu khi có mặt từng phụ gia và các phụ gia không lớn, điều này phù hợp với lý thuyết chung về chất phụ gia và giá trị SCBM thay đổi nhỏ chứng tỏ hệ vật liệu nghiên cứu tương đối bền nhiệt, tính bền nhiệt này sẽ được phân tích kỹ hơn bằng các thí nghiệm thử cháy theo tiêu chuẩn Việt Nam.
3.4. Xây dựng và tối ưu hóa quy trình kỹ thuật chế tạo hệ dung dịch chữa cháy tạo bọt tạo màng nước 3 % tạo bọt tạo màng nước 3 %
3.4.1. Phân tích thời gian khuấy và tốc độ khuấy đối với chất tạo bọt tạo màng nước
Tiến hành phân tích thời gian khuấy và tốc độ khuấy trên quy mô phòng thí nghiệm. Cân các chất có khối lượng như sau: 1600 g Nước, 520 g DCF, 1255 g APG, 750 g LHSB, 375 g NPE, 50 g HEC, 75 g Ure, 125 g Glyxerin, 250 g Butyldiglycol. Phối trộn các chất theo thứ tự Nước; DCF; LHSB; NPE; APG; Butyldiglycol; Glyxerin; HEC; Urê tương ứng với thứ tự 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9 thành 5000 g dung dịch ~ 5 lít hỗn hợp, tiến hành khuấy tới khi hệ đồng nhất, đo và ghi lại thời gian khuấy trộn. Lấy chất tạo bọt thu được pha trộn với nước ngọt để tạo thành dung dịch tạo bọt tạo màng nước và tiến hành đo các thông số như: thời gian bán hủy, sức căng bề mặt. Kết quả thu được trong bảng 3.31:
Bảng 3.31. Kết quả phân tích thời gian khuấy và tốc độ khuấy
TT Tốc độ khuấy (V/ph) Thời gian khuấy (Phút) Độ đồng nhất của dung dịch Thời gian bán hủy (phút:giây) Sức căng bề mặt (mN/m) 1 50 360 Đồng nhất 5:48 17,2 2 100 179 Đồng nhất 5:41 17,1 3 150 86 Đồng nhất 5:39 17,0 4 180 40 Đồng nhất 5:45 16,8 5 200 41 Đồng nhất 5:41 17,1
Theo kết quả phân tích tốc độ khuấy, khi tốc độ khuấy tăng thì thời gian khuấy giảm, khi tốc độ tăng đến 200 vòng/phút thì thời gian khuấy không giảm, để đảm bảo sự ổn định cho thiết bị và tiết kiệm năng lượng tiêu hao trong quá trình chế tạo luận văn lựa chọn thời gian khuấy là 40 phút, tốc độ khuấy là 180 vòng/phút để chế tạo chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước.
Hình 3.3. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy đối với chất tạo bọt tạo màng nước 3 %
3.4.2. Lập công thức phân tích chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước 3 %
Từ các kết quả phân tích tối ưu các thành phần, công thức chế tạo chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước 3 % được lập như sau:
STT Thành phần Nồng độ (%) 1 DCF 10,4 2 APG 25,1 3 LHSB 15 4 NPE 7,5 5 HEC 1,0 6 Ure 1,5 7 Glycerin 2,5 8 Butyl diglycol 5,0 9 Nước 32
Sử dụng các công thức chế tạo chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước để phân tích các mẫu bọt để kiểm tra các thông số kỹ thuật chính của công thức. Kết quả phân tích thu được trong bảng 3.32:
Bảng 3.32. Kết quả phân tích thông số kỹ thuật chính của chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước
STT Chỉ tiêu Nồng độ 3 %
Lần 1 Lần 2 Lần 3
1 Độ nở (lần) 5,5 5,6 5,6
2 Thời gian bán hủy (phút:giây) 4:52 4:58 4:48
3 pH 7,0 6,9 6,9
4 Khối lượng riêng ở 250C (g/cm3) 1,042 1,045 1,044 5 Hiệu quả dập cháy (giây) 279 266 276 6 Mức chống cháy lại (giây) 392 367 387
Các kết quả kiểm tra thông số kỹ thuật chính của công thức chế tạo chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước 3 % đều đạt yêu cầu cả về kỹ thuật và hiệu quả dập cháy theo TCVN 7278 – 1 : 2003.
KẾT LUẬN
Dựa trên những kết quả đã phân tích được, tôi rút ra một số kết luận như sau: 1. Đã phân tích được hệ các chất hoạt động bề mặt có sự tương hợp tốt và bền
nhiệt bao gồm: chất hoạt động bề mặt flo hóa là DuPont™ Capstone® fluorosurfactant 1440 (DCF), các chất hoạt động bề mặt hydrocacbon là Alkyl polyglucosides (APG), Nonylphenol ethoxylates (NPE), Lauryl hydoxysulfo betaine (LHSB). Trong đó hệ có khả năng tương hợp tốt và bền nhiệt là hệ chứa 4 chất hoạt động bề mặt với tỉ lệ DCF : APG : LHSB : NPE là 1 : 3 : 2 : 1 về khối lượng.
2. Đã tối ưu hóa được hệ chất hoạt động bề mặt bền nhiệt với nồng độ các chất lần lượt là DCF = 104 g/kg; LHSB = 150 g/kg; NPE = 75 g/kg; APG = 251 g/kg. Ở nồng độ tối ưu của chất hoạt động bề mặt, sức căng bề mặt của hệ đạt giá trị tối thiểu là 17,06 mN/m.
3. Đã phân tích, xây dựng được hệ chất hoạt động bề mặt bền nhiệt ứng dụng cho việc chế tạo hệ dung dịch chữa cháy tạo bọt tạo màng nước 3 % có độ nở thấp với thời gian khuấy 40 phút, tốc độ khuấy 180 V/ph.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Đặng Từng, Đào Quốc Hợp, Đắc Phong, Giáo trình Lý thuyết quá trình cháy, Tr 7, NXB Khoa học kỹ thuật, 2004.
2. T. Briggs. Foams for firefighting. in Foams: Theory, Measurements, and Applications, R.K. Prud’homme and S.A. Khan, Surfactant Science Series 57, Marcel Dekker, New York, 1996.
3. J.L. Bryan, Fire Suppression and Detection Systems, 2nd edn, Macmillan, New York, 1982.
4. R. Karthikeyan, S. Balaji and P.K. Sehgal, Industrial applications of keratins: a review. J. Sci. Ind. Res. , 2007, 66, 710–715.
5. Daizo Kubo, Yasuyoshi Fukuda, Protein foam fire-extinguishing chemical and an aqueous foam solution, US 6495056B2, 2002.
6. Fire testing a new fluorine-
free AFFF based on a novel class of environmentally sound high performance siloxane surfactants, Fire safety science, 2014, 11, 1261-1270.
7. J. R. Lugar, R. O. Foernsler, H. W. Carhart, et al., Fifth Quadripartite Conference IEP ABCA-7, Dunfermline, October, 1978.
8. Hà Văn Vân, Nghiên cứu chế tạo chất tạo bọt chữa cháy xăng dầu độ nở thấp, Đề tài NCKH cấp Bộ Công an, 2013.
9. D.J. Gardner, Application of the Lifshitz-van Der Waals acid-base approach to determine wood surface tension components, Wood and Fiber Science, 1996, 28, 422–428.
10. US Department of Agriculture Forest Service, Specification 5100-307a, Specification for Fire Suppressant Foam for Wildland Firefighting (Class A Foam), June 1, 2007.
11. Hideo Ohtani, Yusuke Koshba, Fire extinguishing agent and fire extinguishing method, US Patent, US 9782616 B2, 2017.
12. R.J. Farn, Chemistry and Technology of Surfactants. Blackwell Publishing, Oxford, 2006.
13. R.A Falk, Perfluoralkyl anion/perfluoroalkyl cation ion pair complexes. US patent 4,420,434, December 13, 1983.
14. L.B. Smolka and A. Belmonte, Charge screening effects on filament dynamics in xanthan gum solutions. J. Non-Newtonian Fluid Mech., 137: 103, 2006.
15. K.P. Clark and R.A. Falk, Polysaccharide/perfluoroalkyl complexes. US patent 4,859,349, August 22, 1989.
16. J.L. Scheffey and C.P. Hanauska, Status Report on Environmental Concerns Related to Aqueous Film Forming Foam (AFFF), Hughes Associates, Inc., 2002. 17. T. Cortina and S. Korzeniowski. AFFF industry in position to exceed
environmental goals, Asia Pacific Fire, July, 2008.
18. Tim Coope, Kenneth Moloy, Allison Yake, Viacheslava Petrov, Charles Taylor, Ming Hung, Sheng Peng, Fluorinated sulfamido amphoteric surfactants, Journal of Fluorine Chemistry, 161, 2014, 41–50.
19. Tiêu chuẩn TCVN 7278-1 : 2003 (ISO 7203 - 3 :1999), Chất chữa cháy - Chất tạo bọt chữa cháy - Phần 1: Yêu cầu kỹ thuật đối với chất tạo bọt chữa cháy độ nở thấp dùng phun lên bề mặt chất lỏng cháy không hòa tan được với nước. 20. Tiêu chuẩn TCVN 7278-2 : 2003 (ISO 7203- 2 :1995), Chất chữa cháy - Chất tạo
bọt chữa cháy - Phần 2: Yêu cầu kỹ thuật đối với chất tạo bọt chữa cháy độ nở trung bình và cao dùng phun lên bề mặt chất lỏng cháy không hòa tan được với nước.
21. Tiêu chuẩn TCVN 7278-3: 2003 (ISO 7203 - 3 :1999), Chất chữa cháy - Chất tạo foam chữa cháy - Phần 3: Yêu cầu kỹ thuật đối với chất tạo bọt chữa cháy độ nở thấp dùng phun lên bề mặt chất lỏng cháy hòa tan được với nước.
22. LASTFIRE, http://www.lastfire.co.uk, 2011.
23. K.P. Clark, M. Jacobson and C.H. Jho, Compositions for polar solvent fire fighting containing perfluoroalkyl terminated co-oligomer concentrates and polysaccharides, US patent 5,218,021, June 8, 1993.
24. L.R. DiMaio and P.J. Chiesa, Foam concentrate, US patent 5,225,095, July 6,
1993.
25. G. Garcia and P. Durual, Alcohol resistant film-forming fluoroprotein foam concentrates. US patent 5,824,238, October 20, 1998.
26. Dennis P. Nolan , Chapter 19 – Methods of Fire Suppression, Handbook of Fire and Explosion Protection Engineering Principles (Third Edition), For Oil, Gas, Chemical and Related Facilities, 2014, 313–352.
CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN
1. Nguyễn Thị Ngoan, Lương Như Hải, Đỗ Sơn Hải, Vương Văn Trường, Tô
Phúc Du, Trương Thị Thảo, Lê Thị Thúy Hằng, Lê Văn Thụ, Nghiên cứu ảnh
hưởng của natri silicat đến tính chất bọt chữa cháy tạo màng nước, Tạp chí Hóa học, số 57 (6E1,2), trang 59 – 63, 12 - 2019