Nghiên cứu khảo sát hệ phụ gia cho dầu vi nhũ thủy lực sử dụng cho khai thác than hầm lò

Mục Lục DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT…... LỜI MỞ ĐẦU…………………………………………………… CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN…………………………………….. 1.1. Tổng quan về khai thác khoáng sản và than ở Việt Nam………. 1.1.1. Khai thác than ………...……………………………………. 1.1.2. Cột thủy lực trong khai thác than hầm lò…………………... 1.2. Chất lỏng thủy lực cho cột chống hầm lò………………………. 1.2.1. Chức năng của dầu thủy lực………………………………... 1.2.2. Chất lỏng thủy lực cho các hệ thống cột chống hầm lò……. 1.2.3. Dầu thủy lực vi nhũ………………………………………… 1.2.4. Thành phần của dầu thủy lực vi nhũ ……………………...... CHƯƠNG 2. KHẢO SÁT CÁC HỆ PHỤ GIA CHO DẦU THỦY LỰC VI NHŨ SỬ DỤNG CHO CỘT CHỐNG CHÁY HẦM LÒ………………………………………………………... 2.1. Khảo sát và lựa chọn dầu gốc …………………………………... 2.2. Khảo sát và lựa chọn phụ gia……………………………………. 2.2.1. Khảo sát và lựa chọn phụ gia tạo vi nhũ…………………… 2.2.2. Khảo sát và lựa chọn phụ gia ức chế ăn mòn đồng………... 2.2.3. Khảo sát và lựa chọn phụ gia phá bọt……………………… 2.2.4. Khảo sát và lựa chọn phụ gia diệt khuẩn…………………... CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ………………………………………………... 3.1. Lựa chọn dầu gốc………………………………………………... 3.2. Lựa chọn phụ gia………………………………………………... 3.3. Thiết lập đơn pha chế và quy trình pha chế…………………….. 3.4. Các phương pháp kiểm tra đánh giá…………………………….. 3.5. Phân tích đánh giá và thử nghiệm DVNTL đã pha chế………… KẾT LUẬN………………………………………………………

Mục Lục

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT…

LỜI MỞ ĐẦU………

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN………

1.1 Tổng quan về khai thác khoáng sản và than ở Việt Nam……….

1.1.1 Khai thác than ………

……….

1.1.2 Cột thủy lực trong khai thác than hầm lò………

1.2 Chất lỏng thủy lực cho cột chống hầm lò……….

1.2.1 Chức năng của dầu thủy lực………

1.2.2 Chất lỏng thủy lực cho các hệ thống cột chống hầm lò…….

1.2.3 Dầu thủy lực vi nhũ………

1.2.4 Thành phần của dầu thủy lực vi nhũ ………

CHƯƠNG 2 KHẢO SÁT CÁC HỆ PHỤ GIA CHO DẦU THỦY LỰC VI NHŨ SỬ DỤNG CHO CỘT CHỐNG CHÁY HẦM LÒ………

2.1 Khảo sát và lựa chọn dầu gốc ………

2.2 Khảo sát và lựa chọn phụ gia……….

2.2.1 Khảo sát và lựa chọn phụ gia tạo vi nhũ………

2.2.2 Khảo sát và lựa chọn phụ gia ức chế ăn mòn đồng………

2.2.3 Khảo sát và lựa chọn phụ gia phá bọt………

2.2.4 Khảo sát và lựa chọn phụ gia diệt khuẩn………

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ………

3.1 Lựa chọn dầu gốc………

3.2 Lựa chọn phụ gia………

3.3 Thiết lập đơn pha chế và quy trình pha chế………

3.4 Các phương pháp kiểm tra đánh giá………

3.5 Phân tích đánh giá và thử nghiệm DVNTL đã pha chế…………

KẾT LUẬN………

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

CLTLCC Chất lỏng thủy lực chống cháy

DDLV Dung dịch làm việc

HĐBM Hoạt động bề mặt

HLB Chỉ số cân bằng ái dầu/ái nước

(Hydrophil/lipophilic balance) HWBF Chất lỏng thủy lực gốc nước (High water

based fluid)

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

VINACHEM Tập đoàn Hóa chất Việt Nam

VINACOMIN Tập đoàn Công nghiệp Than và Khoáng

sản Việt Nam (Vienam National Coal

Mineral Industries Holding Corporation Limited)

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật cột chống thủy lực

Bảng 1.2 Phân loại các chất lỏng thủy lực theo ISO 6734

Bảng 1.3 Các tính chất của các loại CLTLCC chứa nước

Bảng 1.4 Mối liên quan giữa kích thước hạt và trạng thái cảm

quan của nhũ Bảng 1.5 Giá trị HLB của một số chất HĐBM thương mại

Bảng 1.6 Giá trị RHLB của một số chất

Bảng 1.7 Chỉ tiêu chất lượng của dầu siêu vi nhũ Trung Quốc đối

chứng Bảng 2.1 Danh mục dầu gốc sử dụng nghiên cứu

Bảng 2.2 Danh mục phụ gia sử dụng nghiên cứu

Bảng 2.3 Các phương pháp phân tích chỉ tiêu hóa lý theo TCVN

và các phương pháp tiêu chuẩn phổ biến Bảng 3.1 Kết quả phân tích các thông số chất lượng của 60N

Bảng 3.2 Các chỉ tiêu chất lượng của dầu tổng hợp PEG 400

Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của NP-9

Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật của SPAN 80

Bảng 3.5 Kết quả khảo sát hàm lượng phụ gia tạo nhũ NS

Bảng 3.6 Tính năng sử dụng của DDLV pha 5% từ mẫu 4

Bảng 3.7 Khảo sát tỉ lệ sử dụng phụ gia CDE

Bảng 3.8 Khảo sát lựa chọn phụ gia phá bọt

Bảng 3.9 Khảo sát lựa chọn hàm lượng phụ gia diệt khuẩn

Constram ST-1

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Hình ảnh cột chống thủy lực trong hầm lò

Hình 1.2 Hình ảnh cột chống thủy lực đơn

Hình 2.1 Giá bảo áp cột thủy lực dùng thử nghiệm thực tế DDLV Hình 2.2 Thiết bị Zetasizer Nano ZS của Malvern

Hình 3.1 Phân bố kích thước hạt của DDLV pha 5% từ mẫu 4

Hình 3.2 Sơ đồ công nghệ pha chế dầu thủy lực vi nhũ

Hình 3.3 Phân bố kích thước hạt của DDLV 5% từ DTLVN pha

chế

Hình 3.4 Phân bố kích thước hạt của DDLV 5% từ DTLVN Thiên

Tân

Hình 3.5 Hình ảnh hệ thống giá thủy lực và thiết bị theo dõi áp lực

Hình 3.6 Hệ thống giá khung thủy lực di động loại GK

1600/1.6/2.4HTD được lắp đặt và thử nghiệm tại khai trường

LỜI MỞ ĐẦU

Điểm qua các bước phát triển mới của ngành than ta thấy rõ vai trò của thankhông giảm mà còn ngày càng gia tăng Đặc biệt trong bối cảnh giá dầu mỏ ngàycàng tăng mạnh và tình hình an ninh chính trị của các khu vựccó trữ lượng dầu khílớn thường xuyên bất ổn Than được sử dụng làm năng lượng hoặc nguồn nguyênliệu thay thế khí thiên nhiên cho việc sản xuất amoniac và metanol Than đượcdùng làm chất đốt… Số liệu thị trường cho thấy đến nay khoảng 90% sản lượngthan được sản xuất ra không phải để xuất khẩu mà chủ yếu dùng ngay trong nướcvà tập trung phục vụ ngành điện lực

Nhìn chung than được khai thác bằng hai phương pháp chính : lộ thiên và hầm

lò, tùy thuộc vào địa hình, địa chất từng khu vực Tuy nhiên trong tất cả các khâucủa công nghệ khai thác lộ thiên đều chứa đựng những yếu tố ảnh hưởng xấu đếnmôi trường trong đó phải kể đến sự thay đổi địa hình, gây bụi, ồn, làm ô nhiễmnguồn nước, không khí… Còn các khâu công nghệ trong khai thác than hầm lòđều thực hiện trong các đường lò dưới lòng đất nên mức độ và phạm vi ảnh hưởngtới môi trường thấp hơn so với khai thác lộ thiên

Một trong những phương tiện không thể thiếu được trong khai thác hầm lò làcác giá đỡ và cột chống hầm lò được vận hành nhờ dầu thủy lực gốc nước Dầuthủy lực gốc nước bên cạnh các tính năng thiết yếu đối với hệ thống thủy lực nhưtính chịu nén, tính bôi trơn còn có các ưu điểm nổi bật như có độ bền và ổn địnhcao, không gây nguy cơ cháy nổ, không bị vi sinh vật phân hủy, chống ăn mòn kimloại và không tác động đến môi trường Ở Việt Nam, hàng năm có hàng nghìn tấndầu thủy lực loại này đã và đang được sử dụng trong khai thác khoáng sản hầm lò(chủ yếu là khai thác than) Các loại dầu này được sản xuất một phần trong nướccòn lại phần lớn là được nhập khẩu từ các nước như Trung Quốc và một số nước tưbản

Mặc dù nhiều ưu điểm và đã được thế giới nghiên cứu và đưa vào sử dụng từlâu, nhưng dòng sản phẩm này chưa được chú ý nghiên cứu và sản xuất trong nướctrong khi nhu cầu thực tế về sản phẩm này trong lĩnh vực khai thác khoáng sản nóichung ngày càng cao, trong đó khai thác than có nhu cầu rất lớn khi mà phươngpháp khai thác hầm lò được áp dụng phổ biến Vì vậy em quyết định chọn đề tài tốt

nghiệp là : “ Nghiên cứu khảo sát hệ phụ gia cho dầu vi nhũ thủy lực sử dụng

cho khai thác than hầm lò “ Bởi để tạo ra những sản phẩm dầu vi nhũ thủy lực

này ngoài dầu gốc là thành phần chính thì chất HĐBM và các hệ phụ gia là thànhphần không thể thiếu Tùy thuộc vào loại chất HĐBM và chất phụ gia khác nhau sẽtạo ra những dầu vi nhũ thủy lực có các đặc trưng khác nhau

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 TỔNG QUAN

VÀ THAN Ở VIỆT NAM

Công nghiệp khai khoáng Việt Nam hình thành từ cuối thế kỉ 19 do Phápkhởi xướng Năm 1955, Việt Nam bắt dầu tiếp quản, duy trì, phát triển các cơ sởkhai thác và chế biến khoáng sản Đến nay, Việt Nam đã tiến hành điều tra cơ bản,thăm dò và phát hiện mới trên 5000 điểm khoáng và mỏ {1}

Năm 2013, có 48 báo cáo thăm dò được Hội đồng đánh giá trữ lượng khoángsản quốc gia phê duyệt, gồm : apatit (25,138 triệu tấn quặng); bauxit (909.766 triệutấn quặng); đá granit ốp lát (37,751 triệu m3); đá hoa trắng ốp lát (9,643 triệu m3);

đá hoa trắng làm bột cacbon canxi (56,307 triệu tấn); sét xi măng (47,197 triệutấn); đá vôi xi măng (313,412 triệu tấn)…{2}

Công nghệ khai thác mỏ chủ yếu gồm 2 nhóm là khai thác mỏ lộ thiên và khaithác hầm lò Tại Việt Nam, các khoáng sản : bauxit, đá granit, đá hoa trắng, đá vôi,sét xi măng, apatit loại I được khai thác theo phương pháp khai thác mỏ lộ thiên.Còn các khoáng sản khác như than, quặng apatit loại II, IV, các kim loại : sắt,đồng… chủ yếu nằm sâu dưới lòng đất, đòi hỏi khai thác than hầm lò

Trong khai thác hầm lò hiện nay, việc sử dụng cột thủy lực đơn, giá thủy lực

di động… có ưu việt hơn so với các loại cột chống gỗ, mang lại hiệu quả, an toàn,kinh tế, dễ thao tác và không ảnh hưởng môi trường Các loại giá đỡ, cột chốngđược sử dụng trong khai thác hầm lò hiện nay : giá thủy lực di động XDY 1T2/Hh/

Lr, cột thủy lực đơn xà hộp, cột thủy lực đơn bơm dung dịch ngoài DZ-22 và xàhộp DHFBC-2600, cột thủy lực đơn kết hợp với xà sắt HDJB-1200; HDFBC-2600…{3}

Để vận hành được cột chống thủy lực cần loại dầu thủy lực gốc nước dạng nhũtương với nồng độ từ 3-5% trong nước nên rất kinh tế và giảm thiểu ô nhiễm môitrường so với các loại dầu thủy lực khác Cùng với sự phát triển của khoa học kỹthuật, chất lượng và chủng loại của các loại dầu này được cải tiến và nâng caokhông ngừng.

Hình 1.1 Hình ảnh hệ thống cột chống thủy lực trong hầm lò

Tình hình phát triển ngành than qua các giai đoạn :

Năm 1888, Công ty than Bắc Kỳ của Pháp được thành lập và cuối năm đó toàn

bộ vùng mỏ than Quảng Ninh trở thành nhượng địa và phân chia cho các tập đoàn

tư bản Pháp khai thác

Từ năm 1916, hàng loạt các công ty than của Pháp ra đời như công ty thanĐông Triều, Mạo Khê, Tràng Bạch-Cổ Kênh, Yên Lập, Hạ Long-Đồng Đăng…Thời kỳ này, sản lượng khai thác than khoảng 200.000 tấn/năm gồm cả lộ thiên vàhầm lò Công nghệ khai thác than chủ yếu là thủ công, máy móc hầu như không có Sau Hiệp định Giơnevơ 1954, Đảng và Nhà nước đã tập trung đầu tư để pháttriển, Công nghiệp khai thác than trở thành một trong những ngành kinh tế chủ

đạo Với sự trợ giúp của Liên Xô, các thiết bị khai thác cơ gới như ô tô, máy xúc,máy khoan, tàu điện…lần lượt được trang bị cho các mỏ Các nhà máy mơ khí, sữachữa, cơ sở hạ tầng mới được xây dựng Nhờ vậy sản lượng khai thác than đã từngbước được nâng lên, đến năm 1987 sản lượng đạt gần 7 triệu tấn.

Từ năm 1987, nền kinh tế nước ta bắt đầu chuyển sang hoạt động theo cơ chế thịtrường, Nhà nước xóa bỏ chế độ bao cấp, các mỏ than từ chỗ được ngân hàng baocấp chuyển sang tự hạch toán, cân đối tài chính Đây là giai đoạn gặp nhiều khókhăn của ngành than, sản lượng khai thác đạt từ 4,5 đến 6 triệu tấn

Cuối năm 1994, Tổng công ty Than Việt Nam ra đời đã tạo động lực mới chongành than Năm 1995, sản lượng than đạt 7 triệu tấn, năm 1997 đạt hơn 10 triệutấn, năm 2001 đạt 13 triệu tấn, năm 2002 đạt 15 triệu tấn, năm 2003 là hơn 20 triệutấn, năm 2004 là 28 triệu tấn, năm 2007 là 40 triệu tấn, đứng thứ 6 trong các nướcChâu Á và thứ 17 trên thế giới, chiếm 0,69% sản lượng trên thế giới Theo báo cáomới nhất của Tập đoàn Công nghiệp Than-Khoáng sản Việt Nam, than tiêu thụtháng 7 năm 2015 ước đạt 3,08 triệu tấn, tăng 21,09% so với tháng 7 năm 2014,tính chung 7 tháng năm 2015 ước đạt 20,83 triệu tấn, giảm 1,07% so với cùng kỳnăm 2014

Than khoáng sản là nguồn nguyên liệu sản xuất điện năng lớn nhất thế giới Hiệnnay, lượng than khai thác trên thế giới và Việt Nam được sử dụng trong các ngànhnăng lượng, phục vụ sản xuất nhà máy nhiệt điện và các ngành công nghiệp sửdụng chất đốt… Sản lượng than tiêu dùng trong nước chủ yếu phân bố ở các ngànhcông nghiệp điện (30-50% tổng sản lượng ngành than) và các ngành công nghiệpkhác như xi măng, phân bón, luyện kim… Trên thực tế, theo dự báo Quy hoạchphát triển ngành than Việt Nam đến năm 2020, có xét triển vọng đến năm 2030,Chính phủ cũng đã nêu vấn đề rằng nhu cầu than trong nước đang ngày càng tăngcao Năm 2015 là 56,2 triệu tấn, năm 2020 là 112,3 triệu tấn, năm 2025 là 145,5triệu tấn, và cho đến năm 2030 Việt Nam sẽ tiêu thụ đến 220,3 triệu tấn Như vậy,

so với mức tiêu thụ năm 2013 (là 28 triệu tấn) đến năm 2015 tăng gấp 2 lần và đếnnăm 2030 tăng gấp 8 lần Trong khi đó sản lượng hiện nay chỉ đạt 40 triệu tấn vàcũng khó tăng thêm do những mỏ dễ khai thác thì đã khai thác, còn lại những mỏkhó khai thác thì đầu tư chi phí rất cao (khoảng 300-400 triệu USD và 7-8 năm).Việt Nam sẽ trở thành nước nhập khẩu than trước năm 2020, nếu không đảm bảođược hiệu quả khai thác thì nhập khẩu than sẽ sớm hơn vào khoảng năm 2015-

2018.{4} Vì vậy việc nâng cao hiệu quả trong việc khai thác than là điều rất quantrọng đối với ngành than hiện nay, việc vận hành của cột chống hầm lò trong côngnghệ khai thác than hầm lò sẽ đòi hỏi nhu cầu về dầu thủy lực vi nhũ để vận hànhnhững cột chống này Và đây cũng chính là đối tượng nghiên cứu của đề tài nhằmtìm ra những chất phụ gia và HĐBM thích hợp sử dụng cho dầu thủy lực vi nhũlàm việc trong điều kiện khắc nghiệt của hầm lò.

1.1.2 Cột chống thủy lực trong khai thác hầm lò

Hệ thống cột chống thủy lực bắt đầu được áp dụng tại các mỏ than của Tậpđoàn Vinacomin từ cuối những năm 90 của thế kỉ trước Các hệ thống thủy lực nàyđược nhập khẩu đồng bộ (cùng với dầu thủy lực đi kèm theo tiêu chuẩn MT 76-83của Trung Quốc) hoàn toàn từ Trung Quốc Đến năm 2008 bắt đầu nhập và thửnghiệm sử dụng các hệ thống giá khung thủy lực

Hình 1.2 Hình ảnh cột chống thủy lực

Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật cột chống thủy lực

Chiều cao min-max (mm)

Khối lượng (kg)

Tính năng nổi bật

DW 16 38.2 118-157 1000-1600 43 Với dung dịch làm

việc thích hợp, cột

DW 18 38.2 119-157 1105-1800 46

có ưu điểm :

- Sức chống lớn

- Chiều dài chống thay đổi phù hợp với các điều kiện đường lò khác nhau

- Sử dụng đơn giản

- Làm việc ổn định

Đến nay, 100% cột chống thủy lực đơn đã nội địa hóa hoàn toàn do công tyChế tạo máy Việt Nam (thuộc tập đoàn Vinacomin) sản xuất Từ 2008, Tập đoànVinacomin đã phối hợp với công ty TNHH Huy Việt, Cảnh Tân, Trung Quốcnghiên cứu sản xuất và nội địa hóa các loại giá khung di động phù hợp với điềukiện của vùng mỏ Việt Nam trên cơ sở các loại giá khung tương ứng của TrungQuốc Tuy nhiên do chưa thể kết hợp nghiên cứu đồng bộ nên các loại dầu thủy lựcsử dụng cho các hệ thống này vẫn đang được áp dụng theo tiêu chuẩn MT 76-2002của Trung Quốc

Một số loại hình công nghệ phù hợp tiếp tục được áp dụng tại các đơn vị khaithác hầm lò với sản lượng khai thác cao như : giá thủy lực di động dạng khung,xích chiếm khoảng 21% sản lượng khai thác; giá thủy lực di động XDY chiếm 27-29% sản lượng khai thác; cột thủy lực đơn chiếm 21-24% sản lượng than khai thác{5} Điều này đặt ra yêu cầu một lượng lớn chất lỏng thủy lực dùng để vận hànhcác giá thủy lực và cột chống thủy lực trong khai thác than hầm lò

1.2 CHẤT LỎNG THỦY LỰC CHO CỘT CHỐNG HẦM LÒ

1.2.1 Chức năng của dầu thủy lực

Chức năng của dầu thủy lực :

- Truyền lực : đây là chức năng chính của dầu thủy lực Sử dụng dầu thủy lực

để truyền lực là phương pháp hiệu quả kinh tế

- Bôi trơn các bộ phận thiết bị : dầu thủy lực bôi trơn tác dụng làm giảm ma

sát và ăn mòn,kéo dài tuổi thọ thiết bị

- Làm môi trường truyền nhiệt : đây là chức năng phụ nhưng rất cần thiết.

Nếu nhiệt sinh ra từ quá trình bơm không được nhanh chóng tản nhiệt, nhiệt

độ cao quá mức cho phép sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng tới hiệu quả hoạt độngcủa hệ thống, tăng mài mòn, và có thể khiến hệ thống không hoạt động

- Giảm chấn do sự thay đổi áp suất đột ngột.

- Làm môi trường kín cho các bộ phận thiết bị của hệ thống thủy lực, tối ưu

hóa hiệu quả truyền lực, giảm rò rỉ và tránh cho hệ tiếp xúc bụi bẩn và cáctác nhân bên ngoài

- Duy trì hệ thống ở điều kiện tối ưu, chống ăn mòn, chống kẹt xước.

Theo hệ thống phân loại ISO 6743/4 có rất nhiều loại chất lỏng thủy lực tùytheo thành phần cấu tạo (Bảng 1.1) {6,7}

Bảng 1.2 Phân loại các chất lỏng thủy lực theo ISO 6734 Kí hiệu Thành phần cơ bản chất lỏng thủy lực

HH Dầu khoáng tinh chế không có phụ gia

HL Dầu khoáng tinh chế có phụ gia ức chế oxy hóa và ức

chế gỉ

HM HL thêm phụ gia chống mài mòn

HR HL thêm phụ gia cải thiện chỉ số độ nhớt

HV HM thêm phụ gia cải thiện chỉ số độ nhớt

HG HM có tính chống kẹt dính khi trượt

HS Chất tổng hợp có tính chất chống cháy đặc biệt

HF Chất lỏng chống cháy, các chữ thêm vào sau chứ HF

sẽ đặc trưng cho từng loại riêng nhưng vẫn thuộcnhóm HF

HFA Gồm hai loại :

HFAE Nhũ tương dầu trong nước có chứa tối đa 20% khối

lượng dầuHFAS Chất lỏng thủy lực tổng hợp chứa tối thiểu 80% nước

trong dung dịchHFB Nhũ tương nước trong dầu chứa tối đa 60% khối lượng

dầu khoángHFC Dung dịch chứa tối thiểu là 35% nước trong các

polyme tan trong nướcHFD Những chất lỏng chống cháy không phải gốc nước và

được chia thành :HFDR HFD có thành phần chủ yếu là este của axitphosphoricHFDS HFD có thành phần chủ yếu là các hợp chất chứa

halogenHFDT Hốn hợp của HFDR và HFDS

HFDU Chất lỏng chống cháy khác

Nước được biết đến là chất lỏng thủy lực đầu tiên, được sử dụng bởi người Ai Cậpcổ Từ những năm 1920, các chất lỏng thủy lực dạng dầu bắt đầu được sử dụngphổ biến thay thế cho nước do nhiều ưu điểm như : nhiệt độ sôi cao hơn nước, haohụt ít, bôi trơn tốt, độ bền và ổn định cao, chịu nén tốt, có khả năng chống ăn mònkim loại

1.2.2 Chất lỏng thủy lực cho các hệ thống cột chống hầm lò

Hệ thống thủy lực đóng vai trò quan trọng trong thiết bị máy móc sử dụngtrong đời sống cũng như trong sản xuất, trong đó chất lỏng thủy lực (CLTL) làthành phần thiết yếu vận hành hệ thống thủy lực với vai trò chính là truyền lực, bôitrơn… Hệ thủy lực có thể tĩnh hay động, nhưng có thể làm việc trong không giankín (máy công cụ) hoặc không gian mở (các phương tiện, thiết bị thi công, thiết bịnông nghiệp, giao thông), đôi khi ở nhiệt độ âm (máy bay) Điều kiện làm việckhác nhau thì đòi hỏi các chất lỏng thủy lực khác nhau

Ở Việt Nam, hàng năm có hàng chục nghìn tấn chất lỏng thủy lực được sửdụng trong lĩnh vực khai thác khai khoáng như khai thác quặng than, sắt, đồng…Tuy nhiên sản lượng quặng khai thác được vẫn chưa đáp ứng đủ nhu cầu sử dụngtrong nước dẫn đến việc phải nhập khẩu từ nước ngoài Để đạt được nhu cầu đã đề

ra , hiện nay, ngoài công nghệ khai thác lộ thiên đã và đang được áp dụng, cáccông ty sẽ đẩy mạnh khai thác quặng loại II bằng công nghệ khai thác hầm lò trongtương lai gần

Việc nghiên cứu sản xuất dầu thủy lực vi nhũ cho các hệ thống khai thác hầm lò(như khai thác than, đồng, sắt, quặng Apatit,…) ở Việt Nam có rất nhiều tiềmnăng, nhất là trong điều kiện công nghiệp hóa, hiện đại hóa ở nước ta, góp phầnđáng kể vào việc tăng năng suất, hiệu quả của quá trình khai thác, nâng cao tuổithọ sử dụng hệ thống, đáp ứng nhu cầu tiêu thụ trong nước.

Chất lỏng thủy lực gốc nước (có hàm lượng nước ≥ 35% khối lượng), ngoài cáctính năng thiết yếu đối với hệ thống thủy lực như tính chịu nén, tính bôi trơn còn

có các ưu điểm nổi bật như có độ bền và ổn định cao, không gây hại đến môitrường… và đặc biệt là khả năng chống cháy rất tốt Các chất lỏng loại này thườngđược dùng cho các hệ thống thủy lực đòi hỏi độ an toàn cao, khả năng chống cháyđặc biệt như hệ thống vận chuyển, hệ thống nâng… trong đó một lượng lớn đượcdùng trong cột chống hầm lò trong khai thác khoáng sản

Vì lý do an toàn, trong công nghiệp khai thác hầm lò, các CLTL sử dụng chocác cột chống thủy lực là các loại chất lỏng thủy lực chống cháy (CLTLCC) Cácrủi ro, nguy hiểm có thể xảy ra trong hệ thống thủy lực xuất phát từ sự rò rỉ xảy ratrong hệ thủy lực trong khi vận hành, hoặc do sự quá nhiệt của hệ thống khi chịu

áp suất cao và sự tự bốc cháy của dầu Kinh nghiệm thực tế cho thấy các mối nguyhiểm/rủi ro trên được hạn chế khi dùng CLTLCC Nhu cầu về CLTLCC cho lĩnhvực khai thác khoáng sản hầm lò là rất cao và ngày càng tăng {3}

Về cơ bản, CLTLCC thường được phân thành hai nhóm lớn :

- Chất lỏng thủy lực chống cháy không nước (hàm lượng nước ≤ 0,1% khối

lượng) : là các CLTL thuộc nhóm HFD trong bảng 1.2 Đại diện cho phânnhóm này là các silicon, polyclobiphenyl, este của axit phosphoric Một sốeste của axit oleic và polyglycol có điểm chớp cháy cao nhưng chỉ phù hợpphần nào với các yêu cầu khắt khe của hệ thống thủy lực Do giá thành caonên silicon không được dùng nhiều, ngoài ra xét về quan điểm bôi trơn thìcòn nhiều nhược điểm Vì có hàm lượng clo cao, các biphenyl được polyclohóa (hàm lượng clo từ 35÷50%) là CLCC tốt nhất, tuy nhiên do độ độc caonên chúng hoàn toàn không còn xuất hiện trên thị trường Hiện nay chỉ cáctriankyl hoặc triarylphosphat hoặc hỗn hợp của chúng được sử dụng trongthực tiễn Độ bền oxy hóa của các trieste của axit phosphoric là khá cao,tương đương với dầu khoáng Tuy nhiên độ bền thủy phân hạn chế và phụ

thuộc nhiều vào cấu trúc este Các este aryl và este của ankanol mạch ngắnthủy phân nhanh hơn nhiều so với este có mạch dài Để đảm bảo yêu cầu thìcác este này phải được lọc liên tục qua đất sét tẩy trắng, nhờ đó sẽ loại cácsản phẩm oxy hóa có tính axit và các sản phẩm thủy phân (là các tác nhân cóthể gây thủy phân este) ra khỏi CLTL.

- Chất lỏng thủy lực chống cháy có nước : Các CLTLCC nhóm HFA, HFB và

HFC chứa một lượng nước lớn ở dạng nhũ tương hay dung dịch thuộc loạinày Đại diện chính là loại HFAE (nhũ tương dầu trong nước) và HFC (dungdịch nước được làm đặc bằng polyme) Hàm lượng nước cao đảm bảo chokhả năng cháy thấp của các chất lỏng này Các chất này không những đượcdùng trong những ứng dụng yêu cầu khả năng cháy thấp mà còn được dùngtrong các trường hợp khi có sự mất mát lớn do rò rỉ, giá thành của các chấtlỏng này rẻ hơn so với các chất lỏng chống cháy không chứa nước (tổnghợp), trong trường hợp ứng dụng không cho phép sự có mặt của dầu khoáng.Các tính chất cơ bản của một số phân nhóm CLTLCC chứa nước được thểhiện ở bảng 1.3 {8}

Bảng 1.3 Các tính chất của các loại CLTLCC có chứa nước

TT Các tính chất

HFAENhũ tương dầutrong nước

HFBNhũ tươngnước trong dầu

HFCDung dịchPolyme

Trung bình tớikém

3 Tính bôi trơn Phù hợp Phù hợp đến

tốt

Tốt

4 Nhiệt độ làm việc 5÷55̊C 5÷60̊C -20÷60̊C

5 Khả năng UCAM Phù hợp Tốt Tốt

6 Yêu cầu làm kín Không Không Không

7 Khả năng tương Tốt Tốt Tốt

hợp với vật liệu

11 Hàm lượng nước Tối thiểu 80% ≈ 75 % Tối thiểu 35%

Do có điểm đông đặc cao và áp suất hơi bão hòa cao nên nhiệt độ sử dụng cácnhũ tương bị giới hạn từ 5÷60℃vì trên nhiệt độ này thì áp suất hơi bão hòa trở nênquá cao (đối với loại HFC cũng vậy) và như vậy sẽ dễ dẫn đến sự sủi bọt Các chấtlỏng HFC điển hình là hỗn hợp của glycol, ete glycol tan trong nước và polyglycol

có các phụ gia chống oxy hóa và chống gỉ Hàm lượng nước tối thiểu là 35% đápứng được các yêu cầu của CLTLCC Trong quá trình sử dụng, nhũ tương luônđược kiểm tra và làm sạch; đặc biệt cần dùng chất diệt khuẩn cho hệ để đảm bảothời gian sử dụng của nhũ

Trong số các loại CLTL theo phân loại ở bẳng 1.2 thì HFA là thích hợp cho ứngdụng trong các hệ thủy lực dùng trong khai thác than hầm lò vì ưu điểm nổi bật làđáp ứng được yêu cầu chống cháy rất cao, an toàn môi trường HFA với thànhphần chất bôi trơn nhất định đủ đáp ứng về mặt bôi trơn, chống ăn mòn mài mònchịu áp đến 300atm HFA được chia thành HFA-E và HFA-S

- HFA-Elà nhũ tương thông thường chứa từ 1-5% khối lượng dầu trong nước.

Nhũ tạo thành là do các chất hoạt động bề mặt (HĐBM) có phầnhydrocacbon ái dầu bao bọc lấy hạt dầu và có đầu phân cực ái nước hướng

ra dung dịch nước tạo thành hạt nhũ dầu trong nước Tùy theo kích thướccủa hạt nhũ tạo thành có các hệ nhũ khác nhau (Bảng 1.4) {9}, trong đó loạinhũ dạng dung dịch trong suốt với cỡ hạt < 100 nm là mục tiêu nghiên cứucủa đề tài

- HFA-S là dung dịch chứa đến 20% dầu tổng hợp và ≥ 80% là nước, do vậy

còn gọi là chất lỏng thủy lực nền nước HWBF (high-water-based-fluids)

Các CLTL loại này thuộc thế hệ mới, có tính thân thiện môi trường nhưnggiá thành khá cao, khó triển khai sử dụng trong điều kiện kinh tế và kỹ thuậtở Việt Nam.

Bảng 1.4 Mối liên quan giữa kích thước hạt và trạng thái cảm quan của nhũ Kích thước hạt nhũ Trạng thái, cảm quan của nhũ

¿ 1µm Nhũ màu trắng sữa

0,1÷1,0 µm Nhũ màu trắng ánh xanh

0,05÷0,1 µm Nhũ có độ trong vừa phải, có ánh xám

¿ 0,05 µm Dung dịch trong suốt (vi nhũ/siêu vi nhũ)

¿1 nm Dung dịch thực

1.2.3 Dầu thủy lực vi nhũ

Đã có nhiều nghiên cứu về dầu nhũ thủy lực nhằm nâng cao chất lượng, cải thiệnđặc tính và tìm ra các loại dầu thủy lực mới ưu việt hơn Hiện nay, trên thế giớiđang có xu hướng nghiên cứu và ứng dụng các loại dầu thủy lực ở dạng vi nhũ haysiêu vi nhũ trong các hệ thống khai thác hầm lò Các hệ dầu này khi tạo nhũ vớinước có kích thước hạt phân tán rất nhỏcỡ nanomet, nhỏ hơn nhiều so với các loạinhũ thủy lực truyền thống (có kích thước cỡ µm) nên có nhiều tính chất ưu việthơn hẳn, đặc biệt là khả năng bôi trơn trên các bề mặt kim loại và độ bền Hay nóicách khác các hệ dầu này tạo vi nhũ trong suốt hoặc trong vừa phải với nước vớikích thước hạt nhũ ¿100 nm {9}

Khái niệm chất lỏng vi nhũ lần đầu tiên xuất hiện vào năm 1943 do nhà khoahọc Schulman đưa ra sau khi phát hiện thấy các hệ nhũ tương có độ phân tán rấtcao, kích thước hạt nhũ khác thường, nhỏ hơn rất nhiều so với kích thước hạt nhũtương thông thường và ông gọi là “microemulsion” Năm 1954, nhà khoa họcWinsor đã tiến hành các nghiên cứu cụ thể hơn về nhiệt động của hệ vi nhũ Từnhững năm 1970, người ta bắt đầu thử nghiệm những ứng dụng thực tế đầu tiêncủa các hệ vi nhũ và những năm 1980, bắt đầu thử nghiệm dầu thủy lực vi nhũtrong khai khoáng Từ những năm 90 của thế kỉ trước, với trình độ khoa học ngàycàng phát triển, các hệ vi nhũ có kích thước hạt vô cùng nhỏ, cỡ < 100 nm đã đượctổng hợp và người ta gọi đó là vi nhũ, hệ vi nhũ cỡ hạt < 10 nm thường được gọi

là siêu vi nhũ Đến nay phần lớn các dầu thủy lực đang sử dụng trong ngành khaithác khoáng (dầu khí, khai thác mỏ) tại các nước công nghiệp phát triển đều là cácloại chất lỏng vi nhũ và siêu vi nhũ.

Một hệ vi nhũ được định nghĩa đơn giản là một hệ có tối thiểu 3 thành phần :nước, dầu và chất hoạt động bề mặt Trong một số trường hợp có thêm thành phầnthứ tư là chất đồng hoạt động bề mặt (co-surfactant) Hệ này là một dung dịchtrong suốt, đẳng quang và ổn định nhiệt động Quan sát bằng kính hiển vi, một siêu

vi nhũ trông như một dung dịch đồng nhất nhưng ở kích thước phân tử lại là hệ dịthể Các nghiên cứu về vi nhũ đã được công bố nhiều và được ứng dụng phổ biến{9}

Ở nồng độ cao của nước, cấu trúc bên trong của vi nhũ bao gồm nhữngdroplet trong pha tiếp giáp nước (micelles-mixen) Với sự tăng nồng độ dầu, mộtmặt phân pha không có hình dạng xác định được hình thành Ở nồng độ dầu cao,mặt phân pha chuyển thành cấu trúc của một droplet nước trong pha tiếp giáp dầu(reverse micelles-mixen nghịch), cũng được gọi là một vi nhũ nước/dầu Giá trịkích thước của những droplet khác nhau tùy thuộc vào loại chất hoạt động bề mặt.Hệ này rất nhạy cảm với nhiệt độ, đặc biệt với trường hợp chất hoạt động bề mặtkhông ion Việc tăng nhiệt độ sẽ phá hủy các hạt dầu trong khi những hạt nước bịphá hủy khi giảm nhiệt độ Ngoài vùng tương ứng với dung dịch vi nhũ, một hệ 2pha tồn tại {9} Kết quả nghiên cứu của Baker {10} cũng chỉ ra rằng, số lượng pha

vi nhũ bị giảm khi tăng nhiệt độ ở nồng độ chất hoạt động bề mặt thấp hơn 15% Việc bổ sung muối vô cơ vào pha nước của vi nhũ được nghiên cứu bằng sửdụng giản đồ pha Vấn đề này được phát sinh nghiên cứu khi nước sử dụng để phachế có độ cứng cao Kết quả cho thấy đã quan sát thấy rằng các muối thêm vào ảnhhưởng lớn đến khả năng tan của hệ vi nhũ {9} Theo Komesvarakul et al.{11},việc bổ sung muối thay đổi giản đồ pha theo hướng thành hệ dầu kỵ nước và đòihỏi nồng độ chất hoạt động bề mặt cao hơn

Bản chất của sự tương tác giữa dầu và nước là lực đẩy, sự hiện diện của cácphân tử chất HĐBM làm thay đổi cân bằng giữa các lực này thành lực hấp dẫn.Tác dụng ổn định của các chất hoạt động bề mặt được tạo ra do sự hình thành cácdạng vi cấu trúc khác nhau khiến cho tương tác dầu-nước ổn định

Các nghiên cứu đầu tiên về vi cấu trúc của vi nhũ bao gồm chất hoạt động bềmặt, dầu và nước đưa ra vào những năm 1950 Các nghiên cứu nhiệt động lực họcchính xác đầu tiên về hệ vi nhũ được báo cáo vào những năm 1960 Dựa vào cácnghiên cứu này, vào những năm 1970, Shinoda đã phát triển một mô hình giảithích hiện tượng tạo vi nhũ thông qua sự hình thành cấu trúc mixen dạng log-boom, dạng tấm, hình trụ, hình cầu, hình elip, hoặc dạng thanh {9}.

Để mô hình hóa trạng thái pha, Bennett và cộng sự đã xây dựng một chươngtrình toán học để tính toán phù hợp để tính toán, thiết lập các đường liên kết tớihạn và các điểm tới hạn trong giản đồ phân chia pha Sự tiến bộ của quá trình pháttriển mô hình của giản đồ pha 3 cấu tử mang lại sự hiểu biết sâu hơn về hệ vi nhũvà qua đó có thể dự đoán chính xác hơn các kết quả thực nghiệm Trong nhữngnăm gần đây, Kartsev và các cộng sự đã sử dụng mô hình 2 pha để nghiên cứu vềnhiệt động lực học của vi nhũ {12} với giả thiết môi trường phân tán như là 1 phavà tổng của các hạt nano pha phân tán là pha thứ 2 Hiệu suất của mô hình đượcđánh giá với các dữ liệu thử nghiệm và nó đã chứng minh rằng việc sử dụng môhình này để giải quyết các vấn đề nhiệt động lực học của vi nhũ mang lại nhiều kếtquả khả quan với độ sai số không quá 10%

Dầu vi nhũ vẫn đang là chủ đề nghiên cứu hấp dẫn đối với các nhà khoa họchóa lý Nhiều lý thuyết đưa ra còn gây tranh cãi giữa các trường phái nghiên cứukhác nhau Tuy nhiên những ưu điểm của vi nhũ so với nhũ tương thông thường làrất rõ ràng, cụ thể trong các ứng dụng như : làm dung dịch khoan để tăng cườngkhả năng thu hồi dầu trong khai thác dầu mỏ, trong tổng hợp xúc tác, trong côngnghiệp khai khoáng, trong tổng hợp thuốc, ứng dụng trong y khoa…

1.2.4 Thành phần dầu vi nhũ thủy lực và công nghệ pha chế

Quan trọng nhất trong quá trình tổng hợp dầu nhũ thủy lực nói chung là lựachọn nguyên liệu phù hợp để dầu có độ bền và ổn định trong suốt quá trình bảoquản và sử dụng, không bị tách dầu, không bị đông đặc ở nhiệt độ thấp, khi phavào trong nước dễ dàng tạo dung dịch nhũ, đối với vi nhũ thì tạo dung dịch trongsuốt, đạt các tiêu chuẩn quy định của chất lỏng thủy lực và duy trì được các tínhnăng làm việc một cách ổn định Cũng như tất cả các loại dầu thủy lực nói chung,

dầu vi nhũ thủy lực có thành phần gồm dầu gốc và các phụ gia.

Dầu gốc là các loại dầu khoáng tinh chế, dầu tổng hợp, dầu động thực vật hoặccác chất béo đã biến tính bằng các quá trình sunfonat hóa, oxy hóa hoặc hydro hóa.Các phụ gia gồm : phụ gia quan trọng nhất là chất hoạt động bề mặt (là thành phầnthiết yếu tạo vi nhũ hoặc siêu vi nhũ khi pha với nước tạo dung dịch làm việc trongcột chống thủy lực), phụ gia ức chế ăn mòn, chống oxy hóa, diệt khuẩn, chống tạobọt,…

a Dầu gốc khoáng

Hầu hết các thiết bị thủy lực hiện nay đều hoạt động dùng dầu bôi trơn gốchydrocacbon nhờ các ưu điểm của dầu gốc khoáng : bôi trơn tốt, đặc tính độ nhớt-

áp suất tốt, phù hợp khi sử dụng ở nhiệt độ cao, tương hợp với các kim loại và làmkín, đồng thời hạn chế ăn mòn Nhược điểm của dầu gốc khoáng là dễ cháy nổ, dễ

bị phân hủy sinh học, ảnh hưởng xấu sức khỏe con người và môi trường nếu bị rò

rỉ ra ngoài Vì vậy đối với việc pha chế CLTLCC thì cần lựa chọn dầu khoángthích hợp

Dầu gốc khoáng được sử dụng pha chế là các dầu đã qua tinh chế, có thể là dầuparafin hoặc naphtenic với khoảng nhiệt độ sôi từ 350-500 ℃ Các hợp chấthydrocacbon thơm bị hạn chế sử dụng do có thể tạo ra các hydrocacbon thơm đavòng gây bệnh ung thư

b Dầu tổng hợp

Dầu thủy lực gốc tổng hợp được sử dụng trong các quá trình hoạt động đòi hỏicác đặc tính vật lý và hóa học đặc biệt Giá thành dầu gốc tổng hợp đắt hơn dầugốc khoáng thông thường khoảng từ 5-100 lần, nên dầu gốc tổng hợp được dùngtrong các điều kiện yêu cầu rất cao về tính bền nhiệt, bên oxy hóa, chống cháyhoặc trong các ứng dụng ở môi trường nhiệt độ âm Các dầu gốc tổng hợp bao gồm{13} :

- Các hydrocacbon thơm đã alkyl hóa

- Các oligome olefin (polyalphaolefin, polybutylen)

- Các este

- Polyglycol

- Este phosphate

- Ngoài ra còn dầu silicon, este silicat, polyphenyl ete…

Độ bền và khả năng chống cháy phụ thuộc bản chất dầu gốc, và có thể săp xếptheo thứ tự sau : hệ glycol-nước ¿ este phosphat ¿ polyol ete ¿ dầu gốc khoáng Các este bậc 3 của axit phosphoric với ancol, phenol được ứng dụng nhiều làmdầu tổng hợp, dầu thủy lực chống cháy do có đặc tính chống ăn mòn và khả năngchống cháy tốt Điểm cháy của este phosphate rất cao, trong khoảng từ 425÷600℃,tính chất bôi trơn rất tốt, do có khả năng tương hợp tốt nên este phosphat có thểtrộn được với các phụ gia, các loại dầu tổng hợp và dầu khoáng tuy nhiên lại khôngtương hợp với cao su, vecni, nhựa…

Hiện nay, các este của các axit béo cũng được sử dụng trong dầu thủy lực do đặctính bền nhiệt và an toàn với con người và môi trường Để khắc phục một số nhượcđiểm của các este tự nhiên, người ta sử dụng các rượu như trimetylpropan (TMP),neopentyl glycol (NPG) hoặc pentacry-thritol để tổng hợp các este polyol nhờ quátrình chuyển vị este Các este polyol thu được có độ bền nhiệt và bền thủy phân.Các este tổng hợp này có nguồn gốc tự nhiên nên phân hủy sinh học tốt, không ảnhhưởng tới môi trường {13, 14, 15, 16}

c Dầu thực vật

Hiện nay, các este của các axit béo cũng được sử dụng trong dầu thủy lực do đặctính bền nhiệt, có khả năng phân hủy sinh học, an toàn với con người và môitrường Các dầu thủy lực có khả năng phân hủy sinh học cao gồm : polyglyxerol,dầu thực vật, polyol este, và dieste

Thành phần axit béo của dầu thực vật bao gồm axit palmitic, axit steric, axitoleic, axit linoleic và các axit khác, có cấu trúc mạch thẳng, phân tử chứa từ 8-22cacbon Các axit béo này được tổng hợp từ quá trình thủy phân mỡ động vật, dầudừa, dầu lạc, dầu cọ, dầu đỗ tương…{17}

1.2.4.2 Chất phụ gia sử dụng cho dầu thủy lực vi nhũ

Phụ gia là những hợp chất hữu cơ, cơ kim và vô cơ thậm chí là những nguyên tốđược thêm vào dầu thủy lực để nâng cao các tính chất riêng biệt vốn có hoặc bổsung các tính chất sẵn có của dầu gốc nhằm mục đích thu được dầu có phẩm chấttốt hơn, thõa mãn các yêu cầu đối với từng mục đích sử dụng khác nhau Thườngmỗi loại phụ gia sử dụng với nồng độ 0,01-5% Tuy nhiên, trong nhiều trường hợpmột phụ gia có thể được sử dụng từ vài phần triệu lên đến trên 10%

Có loại phụ gia chỉ có một chức năng nhưng cũng có nhiều phụ gia có thể đảmnhiệm nhiều chức năng khác nhau Do vậy sẽ có phụ gia đơn chức và phụ gia đachức

Các loại phụ gia khác nhau có thể hỗ trợ lẫn nhau, gây ra hiệu ứng tương hỗhoặc hiệu ứng đối kháng Trường hợp sau có thể làm giảm hiệu quả của phụ gia,tạo ra những sản phẩm phụ gia không tan, hoặc tạo ra những sản phẩm có hại khác.Những tương tác này hầu hết do các phụ gia đều là các chất hoạt động vì thế chúngtác dụng qua lại với nhau ngay trong phụ gia đóng gói hoặc trong dầu tạo ra cácchất mới

Yêu cầu chung của một số loại phụ gia :

 Dễ hòa tan trong dầu;

 Không ảnh hưởng đến tác dụng nhũ hóa của dầu;

 Không bị phân hủy bởi nước và kim loại;

 Không gây ăn mòn kim loại;

 Không bị bốc hơi ở điều kiền làm việc;

 Không làm tăng tính hút ẩm của dầu;

 Hoạt tính có thể kiểm tra được;

 Không độc hoặc ít độc, rẻ tiền và dễ kiếm

Các chất phụ gia định hướng sử dụng cho sản xuất dầu thủy lực vi nhũ bao gồm :

 Chất nhũ hóa : về bản chất là các chất hoạt dộng bề mặt, tạo được dầu thủylực vi nhũ trong suốt, khi pha dung dịch làm việc 3-5% trong nước sẽ tạođược hệ vi nhũ dầu trong nước trong suốt : 10-25% Để tăng độ bền cho dầuthủy lực và dung dịch làm việc ở dạng vi nhũ, các hợp chất hoạt động bề mặtđược sử dụng với hàm lượng 0-5%

 Phụ gia ức chế ăn mòn, ức chế gỉ, phụ gia ức chế oxy hóa :1-5%.

 Phụ gia chống tạo bọt, phụ gia chống khuẩn,….: 1-5%

a Chất nhũ hóa

Chất nhũ hóa cho hệ vi nhũ chính là các chất hoạt động bề mặt (HĐBM) Đây làthành phần không thể thiếu của các loại dầu nhũ thủy lực và dầu thủy lực vi nhũ

Do cấu trúc phân tử có phần ưa nước – phần ưa dầu, chất nhũ hóa có khả nănghấp phụ lên bề mặt phân chia pha giữa chất phân tán và môi trường phân tán, làmgiảm sức căng bề mặt giữa hai pha Phần ưa dầu luôn chứa gốc hydrocacbon; tùytheo phần ưa nước mà chất nhũ hóa được chia làm ba loại : loại anion, cation vàkhông ion Những chất nhũ hóa ion bị phân tách trong dung dịch ưa nước thànhcác anion hay cation hoạt động bề mặt và ion trái dấu Khả năng hòa tan và tínhhoạt động bề mặt của các chất nhũ hóa không ion dựa trên sự hydrat hóa của các dịnguyên tố, thường là của oxy trong liên kết ete, nitơ trong amin hay amit Ngoài racòn có chất nhũ hóa dạng lưỡng tính {16}

Chất nhũ hóa loại anion : đại diện là các muối của kim loại kiềm với axit mạch

dài, thường không no (như hỗn hợp của axit oleic, axit béo, axit naphtenic, axittổng hợp, …) và các sunfonamit

Chất nhũ hóa loại cation : Các chất nhũ hóa tạo cation quan trọng là các muối

amoni có các mạch ankyl dài (như dimetyl-dodexyl benzylamoni clorua), là cácmuối imidazolinium hay các muối ankylamoni

Chất nhũ hóa không ion : Các chất nhũ hóa quan trọng thuộc loại này hầu hết

chứa các gốc polyetylenoxit (gốc này cho khả năng hòa tan trong nước và các tínhchất hoạt động bề mặt) Ví dụ là các ankyl-, ankyaryl-, axyl-, ankylamoni-,axylamino-polyglycol và các mono-, dietanolamin được axylat hóa có mạch dài Chất HĐBM dạng anion và không ion hiện được sử dụng nhiều nhất trong sảnxuất CLTLCC (nhũ dầu trong nước), chất lỏng gia công kim loại Tùy thuộc vàocấu trúc phân tử, vào mối quan hệ giữa tính ưa nước và tính kỵ nước của phân tửmà chất HĐBM có tác dụng nhũ hóa nhũ tương nghịch hay nhũ tương thuận Tính

ưa, kị nước của chất HĐBM được đặc trưng bởi một thông số là độ cân bằng ưa kịnước (tiếng Anh : Hydrophilic Lipophilic Balance-HLB), có giá trị trong khoảng 0đến 20 Gần đây, một số tài liệu nghiên cứu mới đưa ra phân loại chất HĐBM theo

HLB có giá trị từ 0 đến 40 HLB càng cao thì chất HĐBM càng ưa nước, nhũ hóatốt nhũ tương thuận dầu trong nước HLB càng thấp thì càng ưa dầu, nhũ hóa tốtnhũ tương nghịch.

Giá trị HLB có thể được sử dụng để tiên đoán các tính chất hoạt động bề mặtcủa chất :

Giá trị HLB Tính chất hoạt động bề mặt

HLB < 10 Có thể hòa tan dầu (không thể hòa tan nước)

10 < HLB Có thể hòa tan nước (không thể hòa tan dầu)

7 < HLB < 11 Chất nhũ hóa hệ nước trong dầu (W/O)

12 < HLB < 16 Chất nhũ hóa hệ dầu trong nước (O/W)

11 < HLB < 14 Tác nhân thấm ướt

12 < HLB < 15 Tác nhân tẩy rửa

16 < HLB < 20 Chất trợ tan (có thể hòa tan các chất kỵ nước vào

dung dịch nước)

Có thể tính toán chỉ số HLB của một số chất HĐBM theo phương pháp Daviesbằng công thức :

HLB = 7 + Ʃ HLB các nhóm ưa nước – Ʃ HLB các nhóm kị nước

HLB của một số nhóm ưa nước : -SO4Na [ 38.7]; -COONa [19.1]; -N (amine) [9.4];-COOH [2.1]; -OH (tự do) [1.9]; -O- [1.3]; -(CH2CH2O)- [0.33]

HLB của một số nhóm kị nước : -CH-; -CH2-; -CH3; =CH- [-0.475];

-(CH2CH2CH2O)- [-0.15]

Bảng 1.5 là giá trị HLB của một số chất HĐBM thương mại phổ biến

Bảng 1.5 Giá trị HLB của một số chất HĐBM thương mại

TT Chất HĐBM thương mại Giá trị HLB

1 Sorbitan trioleate (Span® 85) 1.8

2 Sorbitan tristearate (Span® 65) 2.1

3 Sorbitan sespuioleate (Arlacel 83) 3.7

4 Sorbitan monooleate, N.F., (Span®80) 4.3

5 Sorbitan monostearate, N.F., (Span®60) 4.7

6 Sorbitan monopalmiate, N.F., (Span®40) 6.7

7 Sorbitan monolaurate, N.F., (Span®20) 8.6

8 Polyoxyethylene sorbitan tristearate (Tween® 65) 10.5

9 Polyoxyethylene sorbitan trioleate (Tween® 85) 11.0

10 Polyethylene glycol 400 monostearate 11.6

11 Nonylphenol polyethylene glycol ether NP-9 12.9

Bảng 1.6 Giá trị RHLB của một số chất

Giá trị HLB Nhũ tương

nghịch(w/o)

Nhũ tương thuận (o/w)

b) Phụ gia ức chế oxy hóa

Hầu hết các hợp phần của dầu thủy lực đều tác dụng nhanh hoặc chậm với oxytạo thành quá trình oxy hóa Khả năng bền oxy hóa của các hợp chất hydrocacbontăng dần theo thứ tự : Hydrocacbon không no < Các hợp chất dị nguyên tố <Hydrocacbon thơm < Naphten < parafin

Tốc độ của quá trình oxy hóa chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như bản chất dầugốc, nhiệt độ, hiệu ứng xúc tác của kim loại, nồng độ oxy Cơ chế của phản ứngoxy hóa là cơ chế xảy ra theo 3 giai đoạn : giai đoạn khơi mào, giai đoạn phát triểnmạch và giai đoạn tắt mạch

o Giai đoạn khơi mào :

Mặt khác trong quá trình sử dụng thì dầu luôn có mặt các ion kim loại, nó đóng vaitrò xúc tác đẩy nhanh quá trình oxy hóa dầu Sự có mặt của các ion kim loại nàyđóng vai trò như tác nhân cho quá trình khơi mào và quá trình phát triển mạch.Song song với quá trình oxy hóa dầu luôn xảy ra quá trình polyme hóa các hợpchất trung gian chứa các liên kết đôi để tạo nhựa, asphalten, cặn bùn….

Dựa vào cơ chế của phản ứng oxy hóa, người ta chia các phụ gia chống oxy hóathành phụ gia chống oxy hóa theo cơ chế gốc và phụ gia phân hủy

Phụ gia chống oxy hóa theo cơ chế gốc :

 Sử dụng các chất có khả năng tác dụng với các gốc tự do tạo thành các sảnphẩm bền, ngăn chặn và ức chế giai đoạn phát triển mạch Phụ gia này đượcxem là phụ gia chống oxy hóa sơ cấp

 Cơ chế hoạt động của phụ gia là nhường một nguyên tử H qua phản ứng vớigốc ankyl hoặc gốc ankyl peroxit làm gián đoạn cơ chế phát triển mạch củaquá trình oxy hóa dầu

Phụ gia chống oxy hóa theo cơ chế phân hủy :

 Phụ gia chống oxy hóa bằng cách phân hủy các hydroperoxit (cáchydroperoxit là một trong những chất sinh ra gốc tự do thúc đẩy quá trìnhoxy hóa) tạo sản phẩm bền được xem như là chất chống oxy hóa thứ cấp haycòn gọi là các phụ gia phân hủy.

 Hợp chất chứa lưu huỳnh hoặc phốt pho thường được sử dụng nhằm làmgiảm bớt các hydroperoxit trong phản ứng chuỗi gốc để tạo thành các ancol.Các chất chống oxy hóa thứ cấp thường được sử dụng là Zinedialkyldithiophosphate (ZnDTP), phosphites và các thio khác…

DTPZn

Trong pha chế CLTLCC thường sử dụng các hợp chất như dẫn xuất phenol, cácamin thơm… Một loại phụ gia ức chế oxy hóa hiệu quả là Ionol (2,6-di-tert-butyl-4-metyl phenol) được sử dụng để pha chế với hàm lượng từ 0,3-1% khối lượng.

c) Phụ gia cực áp EP (EP : Extreme Pressure)

Một số yêu cầu quan trọng của dầu vi nhũ thủy lực là giảm ma sát, mài mòn đặcbiệt trong điều kiện làm việc thường xuyên ở trạng thái áp suất cao Chất lượng củadầu sẽ ảnh hưởng đến khả năng chịu áp, đến sự dịch chuyển của pittong trong cộtthủy lực, đến lượng tiêu hao năng lượng, đến sự gia tăng nhiệt độ và đến chấtlượng bề mặt cột

Phụ gia cực áp ngăn ngừa hiện tượng kẹt xước, hàn dính giữa các bề mặt kimloại khi đang hoạt động dưới áp suất cực lớn (chịu tải trọng rất nặng) Các phụ giacực áp tác dụng với các bề mặt kim loại tạo ra các hợp chất mới có ứng suất cắtthấp hơn kim loại gốc nên lớp phủ mới tạo thành chịu trượt cắt trước tiên và nhiềuhơn so với kim loại

Trong thực tế, phụ gia cực áp thường chỉ có tác dụng tốt khi xảy ra phản ứng hóahọc Điều này cũng đồng nghĩa với việc gia tăng khả năng mài mòn hóa học.Phụ gia EP thông thường là các hợp chất chứa lưu huỳnh, clo, phospho, nitơ, cáchợp chất chứa clo-lưu huỳnh, hợp chất chứa phospho-lưu huỳnh, hợp chất chứaclo-phospho…{19}

d) Chất phụ gia ức chế ăn mòn, ức chế gỉ

Ăn mòn là sự phá hủy bề mặt kim loại bằng việc tạo thành lớp oxit hay hydroxitkim loại dưới tác dụng của tác nhân ăn mòn như axit, bazơ, nước, không khí… Cộtthủy lực làm việc trong điều kiện tiếp xúc trực tiếp với nước dưới áp suất cao, cóyếu tố nhiệt rất dễ bị ăn mòn làm ảnh hưởng đến chất lượng và khả năng làm việc(chịu áp lực) của cột Chất ức chế ăn mòn có chức năng ngăn cách sự tiếp xúc giữatác nhân ăn mòn với bề mặt kim loại, làm ngừng hoặc giảm hẳn tốc độ ăn mòn.Chất ức chế ăn mòn tạo một lớp màng hấp phụ trên bề mặt kim loại, ngăn cách vàđẩy nước ra khỏi bề mặt kim loại

Chất ức chế ăn mòn trong dầu nhũ thủy lực có tác dụng ngăn và đẩy nước rakhỏi bề mặt kim loại không cho chúng tiếp xúc trực tiếp với bề mặt kim loại, làmcản trở sự tác dụng của nước với các phân tử kim loại trên bề mặt của kim loại, do

đó ức chế quá trình ăn mòn kim loại Có nhiều chất được dùng để ức chế ăn mòn,

ức chế gỉ trong pha chế sản phẩm dầu mỏ bao gồm :

- Axit ankylsuxinic;

- Các amin, amit, etanolamin;

- Benzotriazol, imidazol;

- Sunfonat canxi, magie;

- Các este, các axit béo và muối kim loại kiềm của axit béo.

e) Phụ gia chống tạo bọt

Sự tạo bọt có thể gây ra các phiền phức khi vận hành hệ bôi trơn trybology Đểtránh hoặc giảm sự tạo bọt người ta sử dụng các loại phụ gia chống tạo bọt Chúngcòn được gọi là chất hủy hoặc phá bọt

Sự tạo bọt ảnh hưởng xấu đến tính chất bôi trơn của dầu và làm tăng sự oxy hóacủa chúng do oxy không khí trộn mạnh vào dầu Trong thực tế sự tạo bọt là mộtvấn đề nan giải làm cho dầu bị tổn thất, ngăn cản sự lưu thông của dầu gây nên bôitrơn không đủ, làm tăng thời gian phản hồi của dầu Khả năng chống sự tạo bọt củadầu bôi trơn khác nhau một cách đáng kể và phụ thuộc vào loại dầu thô, phươngpháp và mức độ chế biến, độ nhớt của dầu Khả năng này có thể khống chế đượcbằng cách bổ sung một lượng chất chống tạo bọt Phụ gia chống tạo bọt có tácdụng ngăn cản sự hình thành các bọt không khí trong khi bơm dung dịch làm việc,nâng và hạ cột thủy lực (nâng áp, hạ áp) Silicon lỏng, đặc biệt làpolymetylsiloxan Đây là chất chống tạo bọt hiệu quả nhất với nồng độ 1 đến 20phần triệu Nếu pha với nồng độ cao có thể làm cho dầu bị tạo bọt qua mức hơn cảdầu bôi trơn chưa cho phụ gia phá bọt nên không khí lại xâm nhập vào dầu nhiềuhơn Thông thường nồng độ pha chất pha bọt là 3-5 phần triệu đối với dầu động cơvà 15-20 phần triệu đối với dầu truyền động cơ

Một điều cần lưu ý là phụ gia phân tán là chất tạo bọt rất tốt nên đối với các loạidầu sử dụng phụ gia phân tán thì bắt buộc phải sử dụng phụ gia chống tạo bọt

f) Phụ gia diệt khuẩn

Các chất diệt khuẩn quan trọng nhất thuộc các nhóm hợp chất :

- Phenol;

- Etanolamin;

- Fomandehit và các hợp chất giải phóng ra fomandehti;

Sunfamit kháng khuẩn là một trong những chất kháng khuẩn được dùng ở nước ta.Những hợp chất sunfonamit (hay sunfamit kháng khuẩn) là những hợp chất hóahọc dẫn xuất của p-aminobenzensufonamit (p-aminnobenzen- sunfonamit) :

R2 NH SO2 NH R1

Các điều kiện công nghệ sản xuất dầu vi nhũ thủy lực thường không phức tạp,tương tự như quá trình pha chế dầu bôi trơn thông thường Nhiệt độ pha chếthường từ 40-60℃ Có một số phụ gia ở dạng tinh thể như phụ gia ức chế oxy hóaIonol cần được gia nhiệt cao hơn, có thể đến 70-80℃ trong một lượng dầu gốc nhấtđịnh để đảm bảo tan hoàn toàn sau đó mới bổ sung vào thùng dầu ở nhiệt độ phachế thông thường pha sau cùng ở điều kiện nhiệt độ môi trường 30℃

Khi sử dụng, dầu được pha thành dung dịch nhũ làm việc với nồng độ 3-5% trongnước, sử dụng khuấy như pha chế bình thường, kết hợp với bơm tuần hoàn nếu phalượng lớn trong bồn bể

Các yêu cầu được đặt ra với dầu vi nhũ thủy lực được pha chế như sau :

- Tính năng bôi trơn tốt, khả năng truyền tải lực cao;

- Tạo nhũ tốt, kích thước hạt nhũ < 100 nm Hệ vi nhũ có độ bền và ổn định

cao;

- Chỉ số độ nhớt cao, độ nhớt ít thay đổi theo điều kiện làm việc;

- Tương thích với các bộ phận, thành phần của hệ thống thủy lực;

- Bền nhiệt, bền trượt, có khả năng chống oxy hóa và vi khuẩn, đồng thời

không phản ứng với các thành phần khác của hệ thống;

- Không độc, an toàn với sức khỏe con người và thân thiện với môi trường;

- Khả năng truyền nhiệt tốt, độ chịu nén thấp, ít tạo bọt, bay hơi thấp, dễ tách

khí, không cháy, nhiệt độ đông đặc thấp, không ăn mòn và tạo gỉ

CHƯƠNG 2 KHẢO SÁT CÁC HỆ PHỤ GIA CHO DẦU THỦY LỰC VI NHŨ SỬ DỤNG CHO CỘT CHỐNG

CHÁY HẦM LÒ

2.1 KHẢO SÁT VÀ LỰA CHỌN DẦU GỐC

Dầu tổng hợp có một số ưu điểm nổi bật so với dầu khoáng như bôi trơn tốthơn, khả năng chống cháy tốt hơn, khả năng chịu áp tốt hơn và có thể tạo nhũ bềnkể cả trong nước có độ cứng cao nhưng thực tế dầu tổng hợp lại có giá thành rấtcao, có thể cao hơn từ 2-50 lần so với dầu khoáng Mặt khác, trong điều kiện khaithác hầm lò thực tế ở Việt Nam, có rất nhiều nơi sử dụng hệ thống cột chống thủy

lực đơn dùng dung dịch làm việc một lần rồi xả bỏ và như vậy sử dụng dầu tổnghợp dẫn đến chi phi quá cao Vì vậy mặc dù có rất nhiều ưu điểm tốt nhưng dầutổng hợp ít được dùng làm dầu gốc 100% mà phải dùng ở dạng hỗn hợp với cácloại dầu gốc khác.

Việc sử dụng dầu thực vật có giá thành thấp hơn nhưng có một nhược điểm làrất dễ bị phân hủy do vi sinh vật đặc biệt trong trường hợp nguồn nước không đảmbảo và không ổn định tại các mỏ, dẫn đến dầu thủy lực đặc bị biến đổi trong quátrình sử dụng và bảo quản Những biến đổi này có thể gây ra các mùi khó chịu chodầu, đặc biệt là trong mỏ khai thác thì việc dầu có nguy cơ xuất hiện các mùi khóchịu sẽ luôn bị loại bỏ Chính vì vậy, nhóm dầu gốc khoáng và dầu tổng hợp đượclựa chọn để pha chế dầu thủy lực vi nhũ

Dầu gốc khoáng có nhiều loại như N60, N70, N150, N500… Khối lượngphân tử và độ nhớt tăng dần theo chiều dài mạch cacbon Mục đích lựa chọn dầugốc khoáng để tạo nhũ là loại dầu gốc có độ nhớt thấp, chỉ số độ nhớt cao, nhiệt độđông đặc thấp Dầu N60 đã đáp ứng được các điều kiện cần của loại dầu cần lựachọn, với các chỉ tiêu chất lượng được nêu trong bảng 2.1 Dầu N60 có hai loại làparaffinic và naphtenic Do cấu trúc phân tử, dầu paraffinic có độ bền oxy hóa tốthơn dầu naphtenic, tuy nhiên dầu naphtenic lại có độ nhớt thấp hơn và khả năngtạo nhũ tốt hơn so với dầu paraffinic Do vậy, lựa chọn dầu N60 là dầu gốc nhóm IIđã qua xử lý hydrotreating trong quá trình sản xuất để dùng làm dầu gốc khoángtạo vi nhũ Dầu N60 thuộc nhóm dầu gốc loại naphtenic, đây cũng là nhóm dầuđược dùng nhiều nhất trong pha chế dầu biến thế, dầu thủy lực cấp độ nhớt thấp vàchất lỏng gia công kim loại do có ưu điểm là độ bền oxy hóa cao Dầu gốc nhóm IIđã khắc phục được nhiều nhược điểm của dầu gốc khoáng truyền thống, đó là : độbền oxy hóa rất tốt, tính chất nhiệt độ thấp đã được cải thiện, chỉ số độ nhớt cao, dođược tinh chế sâu nên hàm lượng cặn rất thấp

Bảng 2.1 Kết quả phân tích các thông số chất lượng của N60