Trên cơ sở tổng quan về phương pháp chữa cháy và công nghệ chữa cháy sử dụng chất tạo bọt, luận văn xác định các nội dung cần nghiên cứu là:
- Phân tích các thông số kỹ thuật của các loại chất HĐBM, trợ HĐBM, phụ gia:
+ Độ nở, thời gian bán hủy chất HĐBM. + Độ nở, thời gian bán hủy chất trợ HĐBM. + Độ nở, thời gian bán hủy các chất phụ gia.
+ Sức căng bề mặt của từng chất HĐBM riêng phần.
- Xây dựng công thức tổ hợp của các hệ chất hoạt động bề mặt.
- Phân tích khả năng tương hợp và độ bền nhiệt của các hệ chất hoạt động bề mặt. - Tối ưu hóa thống kê xác định thành phần và nồng độ tối ưu của hệ chất hoạt động bề mặt.
Chương 2 THỰC NGHIỆM 2.1. Hóa chất và thiết bị
2.1.1. Hóa chất
Stt Tên hóa chất Viết tắt Nguồn gốc
1 DuPont™ Capstone® fluorosurfactant 1440 DCF Mỹ
2 Alkyl polyglucosides APGs Singapore
3 Nonyl phenol ethoxylate NPE Trung Quốc
4 Lauryl hydroxy sulfobetaine LHSB Indonesia
5 Branched alkyl benzene sulfonate BAS Singapore
6 Ethoxylated Sulfate EOS Singapore
7 Propoxylated Sulfate POS Singapore
8 Butyl diglycol Singapore
9 Hydroxyethyl cellulose HEC Trung Quốc
10 Glycerin Trung Quốc
11 Ure Việt Nam
2.1.2. Thiết bị
Stt Tên thiết bị Nguồn gốc Nơi đặt máy
1 Máy đo pH Accument Research 60 Mỹ Phòng phát triển công nghệ hóa học, Trung tâm phát triển công nghệ cao, Viện hàn lâm khoa học công nghệ Việt Nam
2 Máy đo độ nhớt DV-II+Pro Mỹ
3 Máy đo thời gian Gel hoá Thụy Sĩ
4 Máy khuấy từ có gia nhiệt IKA-RH, máy khuấy từ (CB162/Biby)
5 Máy đo sức căng bề mặt Spinning Drop Tensionmeter
2.2. Nội dung thực nghiệm
2.2.1. Phân tích các thông số kỹ thuật của chất tạo bọt 2.2.1.1. Phân tích xác định độ nở và thời gian bán hủy 2.2.1.1. Phân tích xác định độ nở và thời gian bán hủy
Phân tích xác định độ nở và thời gian bán hủy theo TCVN 7278-1: 2003. Độ nở và thời gian bán hủy được xác định như sau: Cho một thể tích dung dịch tạo bọt cần xác định vào bình thu khuấy lắc đều lên thể tích tạo thành bọt. Đo thể tích bọt tạo thành và so sánh với thể tích dung dịch ban đầu ta xác định được độ nở. Sau đó để một thời gian, khi bọt có thể tích lớn nhất thì bấm đồng hồ đo thời gian đến khi lượng nước trong dung dịch đạt 50 % thể tích dung dịch tạo ban đầu thì đó là thời gian bán hủy.
2.2.1.2. Phân tích xác định sức căng bề mặt, hệ số lan truyền
Tiến hành xác định sức căng bề mặt (SCBM) bằng thiết bị đo SCBM dạng ống mao quản kim tiêm:
- Xác định hệ số của ống mao quản: Đối với dụng cụ đo này SCBM được xác định theo công thức: δ = A*ΔL*Δρ, với: δ là SCBM, mN/m
A: là hằng số ống mao quản
∆L: là số vạch theo micrometer để tạo thành một giọt ∆ρ: là hiệu số tỉ trọng của hai chất lỏng
Để xác định hằng số của ống mao quản ta dùng benzen có SCBM ranh giới với nước bằng 34,94 mN/m ở 27oC. Khi 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 xyclohexan đủ lớn để có thể đo SCBM được nhiều lần.
+ Xoay nút vặn theo chiều kim đồng hồ, đếm số giọt xyclohexan nổi lên, 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.
- Hệ số lan truyền được xác định theo công thức: S = σF - (σA + σI ) (1) Trong đó S là hệ số lan truyền, σF là sức căng bề mặt của chất lỏng dưới, σA là sức căng bề mặt của chất lỏng trên và δI là sức căng bề mặt liên diện giữa hai chất lỏng. Đối với chất tạo bọt tạo màng nước, chất lỏng trên là dung dịch chất tạo bọt tạo màng nước và chất lỏng dưới là cyclohexan.
2.2.1.3. Phân tíchxác định độ bền nhiệt
Quy trình tiến hành thí nghiệm: - Sử dụng các Ampul chịu nhiệt
- Bơm dung dịch của chất HÐBM hay hỗn hợp chất HÐBM vào - Ủ ampul trong bể điều nhiệt ở nhiệt độ thử cháy lại.
- Sau mỗi thời gian nhất định quan sát bằng mắt độ đục, đo SCBM và pH của các dung dịch ủ đó. Qua kết quả đo và quan sát có thể đánh giá được độ bền nhiệt của hệ.
2.2.1.4. Phân tíchxác địnhkhả năng tương hợp
Thực nghiệm phân tích khả năng tương hợp của các hệ chất HĐBM với nước có thể đồng thời xác định độ bền nhiệt của hệ với trình tự tiến hành như sau :
- Xác định tỉ lệ tương hợp của các chất HĐBM trong nước: Cho từ từ dung dịch chất HĐBM đến khi hỗn hợp tan hoàn toàn trong nước thì dừng lại. Pha dung dịch hỗn hợp có nồng độ tổng 1000 g/kg với tỉ lệ vừa xác định được. Bơm vào mỗi ampule chịu nhiệt 50 ml dung dịch chất HĐBM, vặn kín nút các ampule và ủ ampule trong bể điều nhiệt tại nhiệt độ 80°C. Quan sát bằng mắt độ đục của các dung dịch chất HĐBM theo thời gian ủ, nếu dung dịch trong suốt chứng tỏ tương hợp tốt với nước.
- Đo pH và σ của các mẫu tại thời điểm ban đầu và sau mỗi tuần ủ ở nhiệt độ 80°C. Đo pH nhằm xác định sự thay đổi hoạt tính của hệ dung dịch chất HĐBM do thủy phân theo thời gian ủ. Đo σ để xác định mức độ phân huỷ của các chất HĐBM dưới tác động của H+ khi ủ ở nhiệt độ cao. Độ pH được đo bằng thiết bị Accument Research 60 (Fisher Scientific, Mỹ).
Chương 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Phân tích xác định các thông số kỹ thuật của chất hoạt động bề mặt
3.1.1. Hệ một chất HĐBM
3.1.1.1. Độ nở, thời gian bán hủy của chất HĐBM flo hóa
Qua quá trình tìm hiểu về đặc tính thông số kỹ thuật của chất hoạt động bề mặt flo hóa, thấy DuPont™ Capstone® fluorosurfactant 1440 (DCF) là phù hợp để phân tích chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước. Đây là chất hoạt động bề mặt flo hóa dạng lưỡng tính, dung dịch màu hổ phách, có khả năng tan trong nước, nhiều dung môi hữu cơ và không gây độc hại môi trường, được dùng phổ biến tại các nước châu Á – Thái Bình Dương. Theo nghiên cứu, hàm lượng chất HĐBM flo hóa sử dụng để chế tạo chất tạo bọt đậm đặc 3 % là khoảng 6-12 % về khối lượng. Luận văn đã tiến hành phân tích độ nở, thời gian bán hủy và hệ số lan truyền của dung dịch chất HĐBM DCF trong nước. Kết quả phân tích được thể hiện trong bảng 3.1:
Bảng 3.1. Độ nở và thời gian bán hủy của dung dịch DCF
Nồng độ % 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35
Độ nở (lần) 3,4 3,9 4,4 4,8 5,2 5,7 6,4 Thời gian bán hủy
(phút:giây) 3:25 4:09 4:25 4:54 5:23 5:58 6:29 Sức căng bề mặt
(mN/m) 16,4 16,2 16,1 15,7 15,5 15,3 15,1 Sức căng bề mặt liên diện
(mN/m) 3,2 2,8 2,7 2,6 2,4 2,1 2,0
Hệ số lan truyền 5,5 5,9 6,3 6,8 7,5 7,7 8,1
Qua các giá trị về độ nở, thời gian bán hủy và hệ số lan truyền tính toán được, có thể kết luận rằng chất HĐBM flo hóa DuPont™ Capstone® fluorosurfactant 1440
(DCF) phù hợp để chế tạo chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước. Khi tăng nồng độ DCF thì các giá trị về độ nở, thời gian bán hủy bọt và hệ số lan truyền của dung dịch cũng tăng. Trong khi đó, sức căng bề mặt của dung dịch giảm đáng kể. Tuy nhiên, do giá thành của DCF khá cao nên cần sử dụng kết hợp các chất HĐBM hydrocacbon (có
giá thành rẻ hơn nhiều lần) để giảm chi phí sản phẩm đồng thời tìm ra được hệ tối ưu các chất bề mặt sử dụng cho chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước.
3.1.1.2. Độ nở, thời gian bán hủy của chất HĐBM hydrocacbon
Để lựa chọn được chất HĐBM hydrocacbon với tỉ lệ hàm lượng phù hợp với yêu cầu luận văn đặt ra thì chúng phải đạt được các tiêu chí về độ nở (từ 5,5-20 lần) và thời gian bán hủy (≥ 4 phút). Vì vậy luận văn đã tiến hành phân tích độ nở và thời gian bán hủy của các chất HĐBM này. Kết quả phân tích được thể hiện trong bảng 3.2:
Bảng 3.2. Độ nở và thời gian bán hủy của các chất HĐBM hydrocacbon
STT Chất HĐBM Độ nở
(lần)
Thời gian bán hủy (phút:giây)
1 Ethoxylated Sulfate (EOS) 3,3 2:12 2 Propoxylated Sulfate (POS) 3,7 2:45
3 Nonylphenol ethoxylates (NPE) 5,4 4:15
4 Lauryl hydoxysulfo betaine (LHSB) 5,5 4:21
5 Alkyl polyglucosides (APG) 5,7 4:03
6 Branched alkyl benzene sulfonate (BAS) 6,5 2:49
Từ bảng kết quả khảo sát độ nở và thời gian bán hủy của các chất HĐBM riêng phần, thấy rằng các chất HĐBM có thời gian bán hủy (≥ 4 phút) và độ nở (≥ 5,5 lần) đạt yêu cầu bao gồm: Alkyl polyglucosides (APG), Nonylphenol ethoxylates (NPE) và Lauryl hydoxysulfo betaine (LHSB). Do vậy lựa chọn các chất HĐBM hydrocacbon này cho các phân tích tiếp theo.
3.1.1.3. Sức căng bề mặt của từng chất HĐBM riêng phần
Tiến hành pha các chất HĐBM DCF, APG, NPE, LHSB trong nước với các nồng độ khác nhau. Sự thay đổi sức căng bề mặt theo nồng độ của từng chất hoạt động bề mặt được thể hiện trong bảng 3.3:
Bảng 3.3. Sức căng bề mặt của các chất HĐBM Nồng độ % 0 0,035 0,04 0,045 0,05 0,055 0,06 SCBM DCF (mN/m) 73,4 16,6 16,4 16,2 15,9 15,4 15,3 SCBM APG (mN/m) 73,4 31,2 30,8 29,1 28,8 28,7 28,6 SCBM NPE (mN/m) 73,4 32,7 32,2 31,7 31,67 31,6 31,6 SCBM LHSB (mN/m) 73,4 33,7 33,4 32,7 32,67 32,6 32,6
Các chất HĐBM hydrocacbon có giá trị SCBM cao hơn so với chất HĐBM flo hóa nên trong quá trình xây dựng hệ tổ hợp hợp trội hỗn hợp chất HĐBM luận văn chọn DCF làm chất cơ bản. Mặt khác, do các chất HĐBM flo hóa có giá thành cao hơn rất nhiều lần so với chất HĐBM thông thường nên việc phân tích kết hợp nhiều chất HĐBM để tạo ra hệ tổ hợp hợp trội nhằm giảm hàm lượng chất HĐBM flo hóa là cần thiết, đáp ứng cả về mặt kinh tế và kỹ thuật.
3.1.2. Hệ nhiều chất HĐBM
Như đã biết, chất HĐBM flo hóa DCF khi kết hợp với các chất HĐBM hydrocacbon riêng lẻ: APG, NPE, LHSB đều cho kết quả tốt về sự tương hợp và bền nhiệt khi sử dụng với nước. Mặt khác, đây đều là các chất tan trong nước, đặc biệt APG là chất không những tan tốt trong nước mà còn có khả năng tạo bọt tốt hơn các các chất HĐBM khác trong phạm vi phân tích. Do vậy, luận văn lựa chọn hỗn hợp chất HĐBM DCF và APG là thành phần chính và phân tích với sự có mặt của các chất NPE, LHSB trong sự có mặt của chất trợ HĐBM và phụ gia để xác định công thức tổ hợp trội và khả năng bền nhiệt.
3.1.2.1. Hệ gồm 2 chất HĐBM
- Hệ gồm DCF : APG
Pha hỗn hợp DCF và APG theo các tỉ lệ khác nhau như trong các bảng dưới, phân tích sự biến đổi pH và σ của hệ dung dịch theo thời gian ủ ở nhiệt độ 800C thu được các kết quả như sau:
Bảng 3.4. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG (tỉ lệ: 1 : 1) theo thời gian ủ nhiệt
Thông số
Thời gian ủ nhiệt ở 800C (h)
pH/σ 1 2 3 4 6 8
ΔpH 7,85 0,32 0,48 0,42 0,48 0,48 0,43
Δσ 22,76 0,98 0,96 1,14 1,27 1,38 1,48
Bảng 3.5. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG (tỉ lệ: 1 : 2) theo thời gian ủ nhiệt
Thông số
Thời gian ủ nhiệt ở 800C (h)
pH/σ 1 2 3 4 6 8
ΔpH 7,77 0,31 0,38 0,32 0,38 0,38 0,33
Δσ 22,64 0,77 0,92 0,95 1,28 1,18 1,35
Bảng 3.6. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG (tỉ lệ: 1 : 3) theo thời gian ủ nhiệt
Thông số
Thời gian ủ nhiệt ở 800C (h)
pH/σ 1 2 3 4 6 8
ΔpH 7,82 0,22 0,23 0,25 0,27 0,32 0,29
Δσ 21,55 0,59 0,63 0,64 0,65 0,72 0,71
Bảng 3.7. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG (tỉ lệ: 1 : 4) theo thời gian ủ nhiệt
Thông số
Thời gian ủ nhiệt ở 800C (h)
pH/σ 1 2 3 4 6 8
ΔpH 7,79 0,23 0,26 0,29 0,22 0,24 0,25
Δσ 21,28 0,68 0,72 0,82 0,76 0,83 0,91
Từ các bảng số liệu có thể thấy rằng sự thay đổi về pH là không đáng kể, điều này hoàn toàn đúng với thực tế là do APG và DCF không có sự phân ly ion vì chúng là chất HĐBM nonion, sự thay đổi pH chủ yếu là do các thành phần phụ có trong các sản
phẩn chất HĐBM. Bắt đầu từ tỉ lệ DCF : APG = 1 : 3 thì độ tăng σ ở khoảng rất hẹp. Điều này được giải thích là do APG có đặc tính kém bền bọt, do vậy chọn tỷ lệ DCF : APG = 1 : 3 để phân tích tiếp ảnh hưởng của sự có mặt LHSB và NPE. Mặt khác, giá trị SCBM của hỗn hợp thấp hơn nhiều so với giá trị SCBM của chất HĐBM không flo hóa, vì vậy trong các phân tích sau này, luận văn sẽ chỉ xây dựng hệ tổ hợp chất HĐBM với sự tham gia của chất HĐBM flo hóa DCF. Tuy nhiên, từ các kết quả khảo sát thu được thấy rằng các hệ phối trộn từ 2 chất HĐBM chưa đạt yêu cầu về giảm σ nên chuyển qua phân tích hệ 3 chất hoạt động bề mặt.
3.1.2.2. Hệ gồm 3 chất HĐBM - Hệ gồm DCF : APG : LHSB
Từ kết quả đã thu được khi phân tích hệ 2 chất HĐBM đã lựa chọn tỷ lệ DCF : APG = 1 : 3. Do vậy, cố định tỷ lệ này và thêm LHSB vào hỗn hợp với các tỷ lệ tương ứng như các bảng dưới. Phân tích sự biến đổi pH và σ của hệ dung dịch theo thời gian ủ ở nhiệt độ 800C thu được các kết quả như sau:
Bảng 3.8. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG : LHSB (tỉ lệ: 1 : 3 : 1) theo thời gian ủ nhiệt
Thông số
Thời gian ủ nhiệt ở 800C (h)
pH/σ 1 2 3 4 6 8
ΔpH 7,56 0,32 0,29 0,23 0,29 0,26 0,25
Δσ 20,17 0,99 0,93 1,24 1,37 1,44 1,53
Bảng 3.9. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG : LHSB (tỉ lệ: 1 : 3 : 2) theo thời gian ủ nhiệt
Thông số
Thời gian ủ nhiệt ở 800C (h)
pH/σ 1 2 3 4 6 8
ΔpH 7,37 0,27 0,28 0,25 0,27 0,28 0,25
Bảng 3.10. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG : LHSB (tỉ lệ: 1 : 3 : 3) theo thời gian ủ nhiệt
Thông số
Thời gian ủ nhiệt ở 800C (h)
pH/σ 1 2 3 4 6 8
ΔpH 7,82 0,25 0,24 0,24 0,29 0,32 0,30
Δσ 19,76 0,70 0,73 0,69 0,75 0,75 0,79
Bảng 3.11. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG : LHSB (tỉ lệ: 1 : 3 : 4) theo thời gian ủ nhiệt
Thông số
Thời gian ủ nhiệt ở 800C (h)
pH/σ 1 2 3 4 6 8
ΔpH 7,28 0,24 0,27 0,29 0,26 0,24 0,28
Δσ 19,28 0,67 0,74 0,72 0,77 0,73 0,81
So với hệ 2 chất HĐBM (DCF, APG) thì hệ 3 chất HĐBM (có thêm LHSB) thì có sự giảm SCBM ở thời điểm ban đầu (chưa ủ nhiệt), do vậy việc thêm LHSB tạo ra tín hiệu khả quan trong việc làm giảm SCBM của hệ 3 chất HĐBM. Kết quả phân tích sự biến thiên pH và SCBM của hệ 3 chất HĐBM cũng đã chỉ ra rằng ở tỷ lệ DCF : APG : LHSB = 1 : 3 : 2 thì sự tăng SCBM và giảm pH là không đáng kể và ổn định, do đó luận văn chọn tỷ lệ trên đối với hệ 3 chất HĐBM để làm cơ sở cho phân tích tiếp theo.
- Hệ gồm DCF : APG : NPE
Tiếp tục phân tích sự biến đổi pH và σ của hệ dung dịch gồm 3 chất HĐBM DCF; APG và NPEtheo thời gian ủ ở nhiệt độ 800C thu được các kết quả như sau:
Bảng 3.12. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG : NPE (tỉ lệ: 1 : 3 : 1) theo thời gian ủ nhiệt
Thông số
Thời gian ủ nhiệt ở 800C (h)
pH/σ 1 2 3 4 6 8
ΔpH 7,24 0,20 0,23 0,22 0,20 0,25 0,24
Δσ 18,15 0,66 0,60 0,73 0,68 0,69 0,70
Bảng 3.13. Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG : NPE (tỉ lệ: 1 : 3 : 2) theo thời gian