Nghiên cứu mối quan hệ giữa hiện tượng giảm lực cản và cấu trúc hình thành do trượt (SIS) trong dòng chảy rối của các dung dịch surfactant

Các quan sát hình ảnh trực tiếp các cấu trúc dạng sợi sinh ra do ứng suất cắt trong một dòng phun tia tác động lên tường chắn của các dung dịch có hoạt tính bề mặt surfactant, và thảo lu

HÀ NỘI, NĂM 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

HÀ NỘI, NĂM 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận văn

Trần Văn Ninh

ii

LỜI CẢM ƠN

Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến Tiến sĩ Nguyễn Anh Tuấn Trường Đại học Thủy lợi, thầy đã dành nhiều thời gian tận tình chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt quá trình tìm hiểu, triển khai và nghiên cứu đề tài Thầy là người đã định hướng và đưa ra nhiều góp ý quý báu trong quá trình em thực hiện luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn chân thành tới toàn thể các thầy giáo, cô giáo trong khoa Cơ Khí - Trường Đại học Thủy lợi đã dạy bảo tận tình, trang bị cho em những kiến thức quý báu, bổ ích và tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình em học tập và nghiên cứu tại trường

Em cũng xin chân thành cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn bên em cổ vũ, động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn

Do có nhiều hạn chế về thời gian và kiến thức nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý thầy cô và các bạn cùng quan tâm

Cuối cùng em xin gửi lời chúc sức khỏe và thành đạt tới tất cả quý thầy

cô, quý đồng nghiệp cùng toàn thể gia đình và bạn bè

Xin chân thành cảm ơn!

iii

MỤC LỤC

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii

MỞ ĐẦU ix

1 Tính cấp thiết của đề tài: ix

2 Mục đích của đề tài: ix

3 Kết quả dự kiến đạt được: x

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu: x

5 Nội dung nghiên cứu: x

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM LỰC CẢN 1

1.1 Giới thiệu chung 1

1.2 Các phương pháp giảm lực cản 1

1.2.1 Giảm lực cản sử dụng sợi 1

1.2.2 Giảm lực cản bằng bề mặt Riblets 2

1.2.3 Giảm lực cản bằng chất phụ gia 3

1.3 Mục đích nghiên cứu 6

CHƯƠNG 2 SỰ GIẢM LỰC CẢN BẰNG SURFACTANT 8

2.1 Surfactant 8

2.1.1 Thành phần và cấu trúc 8

2.1.2 Cấu trúc của pha surfactant trong nước 9

2.1.3 Phân loại 9

2.1.3.1 Surfactant anion 10

2.1.3.2 Cacbonxylat 11

2.1.3.4 Surfactant Zwitterion 11

2.1.3.5 Surfactant phi ion 12

2.1.4 Các ứng dụng 12

2.1.5 Nồng độ mixen tới hạn - critical micelle concentration (CMC) 13

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới giảm lực cản của dung dịch surfactant 15

2.2.1 Ảnh hưởng bởi nhiệt độ 15

iv

2.2.2 Ảnh hưởng do hình dạng mixen 15

2.2.3 Ảnh hưởng do kích thước mixen 16

2.2.4 Ảnh hưởng do đường kính ống 17

2.3 Cấu trúc hình thành do trượt 18

2.4 Tổng kết chương 20

CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT SỰ GIẢM LỰC CẢN VÀ ĐO ĐỘ NHỚT 22

3.1 Dung dịch thí nghiệm 22

3.1.1 Surfactant 22

3.1.2 Đối i-on 22

3.2 Thiết lập thí nghiệm 24

3.2.1 Sơ đồ mạch đo giảm lực cản 24

3.2.2 Sơ đồ mạch đo profile vận tốc dòng 26

3.2.3 Sơ đồ mạch đo độ nhớt 28

3.3 Kết quả và thảo luận 29

3.3.1 Đo giảm lực cản 29

3.3.2 Profile vận tốc dòng 32

3.3.1 Đo độ nhớt 36

3.4 Tổng kết chương 38

CHƯƠNG 4 QUAN SÁT CẤU TRÚC HÌNH ẢNH DO TRƯỢT SIS 39

4.1 Thiết lập thí nghiệm 39

4.1.1 Sơ đồ mạch thí nghiệm quan sát cấu trúc hình thành do trượt trong ống tròn 39

4.1.2 Thông số các phần tử mạch thí nghiệm 41

4.2 Quan sát cấu trúc hình thành do trượt SIS 43

4.2.1 Sự hình thành cấu trúc SIS 43

4.2.2 Quá trình hình thành và biến mất của SIS 46

4.3 Tổng kết chương 47

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

v

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Các cấu trúc micelle và phân tử hoạt chất bề mặt surfactant 5

Hình 1.2 Nâng cao truyền nhiệt bằng các phương pháp cơ học 6

Hình 2.1 Một mixen với phần đầu kị nước hòa tan trong dầu, trong khi phần ưa nước hướng ra phía ngoài 9

Hình 2.2 Phân loại surfactant theo thành phần hóa học của nhóm đầu: phi ion, anion, cation, lưỡng tính 10

Hình 2.3 Minh họa về một cation surfactant và anion surfactant 11

Hình 2.4 Minh họa về một surfactant lưỡng tính 12

Hình 2.5 Đồ thị biểu diễn quá trình giảm sức căng bề mặt của surfactant 14

Hình 2.6 Một số hình dạng của mixen 16

Hình 2.7 Ảnh hưởng của đường kính ống đến giảm lực kéo cho nồng độ chất hoạt động bề mặt 50ppm và tốc độ dòng chảy 6m3/h 18

Hình 3.1 Đối ion – Counterion Error! Bookmark not defined Hình 3.2 Sơ đồ mạch giảm lực cản 24

Hình 3.3 Cảm biến áp suất Validyne DP15 24

Hình 3.4 Thiết bị chuyển đổi dữ liệu 25

Hình 3.5 Bộ thu dữ liệu được sử dụng trong thí nghiệm 25

Hình 3.6 Sơ đồ mạch thí nghiệm đo profile vận tốc dòng 26

Hình 3.7 Thiết bị đo vận tốc và lưu lượng 27

Hình 3.8 Nguyên lý phương pháp đo vận tốc bằng UVP 27

Hình 3.9 Máy đo độ nhớt 28

vi

Hình 3.10 Hệ số ma sát của nước 30

Hình 3.11 Hệ số ma sát của dung dịch surfactant 300ppm× 0.5 31

Hình 3.12 Hệ số ma sát của dung dịch 300ppm×1 32

Hình 3.13 Thể hiện profile vận tốc cho 3 loại dung dịch 33

Hình 3.14 Profile vận tốc dạng Logarit của nước 34

Hình 3.15 Profile vận tốc dạng Logarit của dung dịch 300ppm×0.5, Re = 60000 35

Hình 3.16 Profile vận tốc dạng Logarit dung dich 300ppm×1, Re = 60000 35

Hình 3.17 Độ nhớt của nước và dung dịch giảm lực cản surfactant 37

Hình 4.1 Sơ đồ mạch thí nghiệm 39

Hình 4.2 Ảnh chụp thực tế khi quan sát cấu trúc hình ảnh 40

Hình 4.3 Ảnh chụp thực tế sơ đồ mạch thí nghiệm 41

Hình 4.4 Biến tần được sử dụng trong thí nghiệm 41

Hình 4.5 Camera công nghiệp 43

Hình 4.6 Bộ phát laser 43

Hình 4.7 Sự phát triển của cấu trúc SIS theo khoảng thời giản 0.01s của dung dịch 300ppm×1, z/D=30 Re=40000 44

Hình 4.8 Sự phát triển của cấu trúc SIS theo khoảng thời giản 0.01s của dung dịch 300ppm×1, z/D=75 Re=40000 45

Hình 4.9 Quá trình xuất hiện và biến mất của SIS 46

vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Bảng tổng hợp các tính chất và công thức hóa học của counterion được sử dụng trong thí nghiệm này 22 Bảng 4.1 Thông số của bơm 42

viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

SIS Shear-induced Structures

DR Drag Reduction

PAA Polymer Anion

CMC Critical micelle concentration

HVAC Heating, Ventilation and Air Conditioning

PPM Parts per million

ix

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Các SIS đóng một vai trò quan trọng trong giảm lực cản dòng rối và sự chuyển pha là một vấn đề quan trọng chưa được giải quyết trong lý hóa học Các cấu trúc tế vi và nano mới có thể được sinh ra trong quá trình chuyển pha này Hiện tượng hình thành SIS được cho có sự liên quan chặt chẽ với giảm lực cản Các quan sát hình ảnh trực tiếp các cấu trúc dạng sợi sinh ra do ứng suất cắt trong một dòng phun tia tác động lên tường chắn của các dung dịch có hoạt tính bề mặt surfactant, và thảo luận về sự liên quan giữa các kết quả mang tính hiện tượng của sự giảm lực cản và sự hình thành các cấu trúc dạng sợi hình thành do lực cắt giống như SIS Tuy nhiên, vai trò của SIS đối với giảm lực cản vẫn còn chưa rõ ràng Các nghiên cứu về sự hình thành, sự phá vỡ SIS cũng như vai trò của SIS với giảm lực cản cần được nghiên cứu thêm

Hiện tượng giảm lực cản trong dòng chảy rối bằng các phụ gia nhận được sự quan tâm sâu sắc từ rất nhiều nhà nghiên cứu vì hiện tượng này giúp tiết kiệm năng lượng đáng

kể Tuy nhiên, nghiên cứu hiện tượng giảm lực cản bằng các chất phụ gia vẫn còn mới

ở Việt Nam Do vậy nghiên cứu hiện tượng giảm lực cản bằng các chất phụ gia là cần thiết ở Việt Nam

2 Mục đích của đề tài:

Các mục tiêu của đề tài bao gồm:

- Sự hình thành SIS trong dung dịch surfactant sẽ được quan sát hình ảnh trực tiếp bằng hiện tượng tán xạ của ánh sáng laser cường độ cao, và đưa ra cơ chế phát triển SIS thông qua xác định ứng suất cắt đối với SIS và thời gian tạo nên SIS

- Quan sát hình ảnh trực tiếp SIS sẽ phát hiện sự liên hệ giữa giảm lực cản ma sát và SIS, và giữa giảm truyền nhiệt và SIS

- Các ảnh hưởng của bề mặt răng cưa đến sự xuất hiện SIS được nghiên cứu Các răng cưa có thể tạm thời phá vỡ SIS và khuyến khích phát triển dòng rối, vì vậy giúp tăng

sự truyền nhiệt trong dung dịch giảm lực cản surfactant

x

3 Kết quả dự kiến đạt được:

Cấu trúc dạng sợi giống SIS hình thành và biến mất cùng một thời điểm với sự giảm lực cản bắt đầu hoặc mất đi Các kết quả đã cho thấy sự liên hệ chặt chẽ giữa cấu trúc dạng sợi SIS và sự giảm lực cản trong các dung dịch surfactant

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

ở 300ppm

Phương pháp

Các phương pháp đo sự giảm lực cản

Các thí nghiệm về giảm lực cản được thực hiện trong một hệ thống dòng tuần hoàn Phần kiểm tra là một ống dài 4,0m với đường kính 40 mm Hệ số ma sát trong ống được tính từ độ giảm áp suất và so sánh với hệ số ma sát của dung dich dung môi tại cùng một số Reynold của dung dịch dung môi

Quan sát hình ảnh dòng chảy

Hình ảnh quang học của dung dịch bị cắt được ghi nhận bằng cách sử dụng một máy quay tốc độ cao Các mẫu được chiếu sáng từ phía trên và phía trước sử dụng ánh sáng laser hoặc nguồn sáng halogen và hình ảnh đã được ghi lại dưới dạng các tập tin MPEG

5 Nội dung nghiên cứu:

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM LỰC CẢN

CHƯƠNG 2 SỰ GIẢM LỰC CẢN BẰNG SURFACTANT

xi CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT SỰ GIẢM LỰC CẢN VÀ ĐO ĐỘ NHỚT CHƯƠNG 4 QUAN SÁT CẤU TRÚC HÌNH ẢNH DO TRƯỢT SIS

1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM LỰC CẢN

1.1 Giới thiệu chung

Hiện nay, đi kèm với sự phát triển của thế giới là nhu cầu tiêu thụ năng lượng tăng cao

mà các nguồn tài nguyên năng lượng hóa thạch (than, dầu khí, thủy điện ) có hạn và không tự tái tạo được Tốc độ khai thác và tiêu thụ nguồn năng lượng hóa thạch của con người cao một mức khổng lồ Nếu không sử dụng một cách có tính toán, viễn cảnh cạn kiệt nguồn năng lượng sẽ đến rất nhanh Với ngành khoa học hiện đại cùng nhiều giáo sư giỏi, phương pháp sử dụng nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng đại dương được nghiên cứu kĩ càng và là một trong những mũi tên đi đầu về ngành công nghiệp năng lượng trong tương lai Nhưng hiện tại, phương pháp này mới là những bước đi sơ khai, việc sử dụng được là có thể Có điều chưa thể thương mại hóa được do giá thành quá đắt đỏ Việc cạnh tranh với ngành công nghiệp năng lượng thông thường là điều chưa thể giải quyết được Vì vậy, chủ đề tiết kiệm năng lượng có ý nghĩa vô cùng quan trọng đối với sự phát triển của toàn thế giới cũng như mỗi quốc gia, một trong những giải pháp để giải quyết vấn đề trên là phương pháp làm giảm lực cản dòng chảy

Giảm lực cản trong dòng chảy mang lại nhiều lợi ích trong các lĩnh vực khác nhau như: vận chuyển các chất lỏng bằng đường ống, các hệ thống làm lạnh và sưởi, hệ thống làm mát, hệ thống tưới tiêu trong thủy lợi, v.v… Đồng thời giảm lực cản trong dòng chảy giúp làm tăng lưu lượng hay tốc độ dòng chảy, do đó sẽ giảm năng lượng yêu cầu của bơm giúp bơm tăng tuổi thọ, giảm đường kính ống, tiết kiệm năng lượng, tiết kiệm chi phí đầu tư và chi phí vận hành

1.2Các phương pháp giảm lực cản

1.2.1 Giảm lực cản sử dụng sợi

Các dung dịch với tỷ lệ kích thước của các sợi (l/d) từ 25 – 35 cho thấy sự giảm lực

cản với nồng độ sợi cao Với tỷ lệ kích thước tăng lên và giảm bớt đường kính sợi, hiệu quả của các sợi hoá học tăng lên Các hệ thống của các sợi hoá học hoà trộn với polymer đã đạt được hiệu quả giảm lực cản lên tới 95% Mức độ giảm lực cản này cao

sử dụng trong nguồn nước dân dụng, có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như giảm lực cản cho máy bay, tàu thủy, hệ thống làm mát, năng lượng…vv Tuy nhiên việc sử dụng riblet cũng có những hạn chế nhất định như hiệu quả giảm lực cản thấp hơn những phương pháp kể trên, phụ thuộc vào biên dạng riblets, việc thiết kế, chế tạo cũng như vận hành, bảo dưỡng gặp nhiều khó khăn hơn

Có thể nói sử dụng riblet là một phương pháp có tính ứng dụng cao so với các phương pháp làm giảm lực cản khác, từ những phương tiện di chuyển hiện đại như máy bay, tàu siêu tốc cho đến trái golf hay bộ đồ bơi, tất cả đều có thể ứng dụng từ phương pháp giảm lực cản bằng riblet

Các ứng dụng trong hệ thống kín của riblet cũng rất phổ biến như hệ thống nước nóng trung tâm, hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí gọi tắt là HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning), HVAC được ứng dụng rộng rãi trong

3

cuộc sống hàng ngày của chúng ta như ứng dụng trong hệ thống điều hòa không khí và thông gió tại các tòa nhà cao tầng, trung tâm thương mại… các ngành công nghiệp nặng như nhà máy điện, máy bay, tàu vũ trụ… Ngoài ra việc áp dụng riblet vào ống dẫn năng lượng như gas, dầu, hệ thống nước nóng trong các tòa nhà cũng mang lại hiệu quả cao giúp tiết kiệm chi phí nhiên liệu, tăng hiệu quả vả tuổi thọ của bơm.[2]

1.2.3 Giảm lực cản bằng chất phụ gia

Trong vài thập kỷ gần đây, hiện tượng giảm lực cản trong các dòng chảy rối bằng các chất phụ gia có hoạt tính bề mặt surfactant đã nhận được nhiều sự quan tâm bởi vì nó giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể trong các hệ thống tuần hoàn kín dùng để làm lạnh

và cấp nhiệt Các ứng dụng của các phụ gia làm giảm lực cản (DRAs) đang giảm đáng

kể các nhu cầu năng tiêu thụ năng lượng của hệ thống, giảm bớt đường kính ống hoặc tăng lưu lượng… Ứng dụng nổi tiếng đầu tiên của DRAs là trong việc vận chuyển dầu thô trong đường ống dẫn dầu ở Trans-Alaska (TAPS hoặc Alyeska) vào năm 1979 Đường ống dài 800 dặm với đường kính 48 in Sau khi thêm vào dung dịch cô đặc của một dòng chảy thuận của polymer khối lượng phân tử lớn của trạm các trạm bơm tại các nồng độ đồng đều khoảng 1ppm, lượng dầu thô đưa vào quá trình vận chuyển được tăng lên tới hơn 30% Giảm lực cản bằng Polymer DRAs cũng được ứng dụng thành công trong các đường ống vận chuyển dầu thô khác như các đường ống dẫn dầu

ở Iraq-Turkey, eo biển Bass ở Australia, ngoài khơi Mumbai và ngoài khơi biển Bắc

và trong các dây chuyền sản xuất hydrocarbon tinh chế Trong mỗi trường hợp, thành phần polymer phải được thiết kế cho hydrocacbon cụ thể được vận chuyển

Polymer DRAs cũng đã được đề xuất cho các ứng dụng sau: các quá trình vận hành

mỏ dầu, đường ống vận chuyển than bùn hoặc capxun thuỷ lực, ngăn chặn sự xơ vữa động mạch, ngăn chặn sự chết người từ sốt xuất huyết, tăng tốc độ dòng phun nước tập trung trong thiết bị chữa cháy, ngăn chặn sự tắc nghẽn của các hệ thống nước thải sau các trận mưa lớn, tăng lưu lượng thể tích của nước trong các nhà máy thuỷ điện và hệ thống tưới tiêu và như các chất chống tạo sương trong nhiên liệu phản lực

Các surfactant làm giảm lực cản có thể sử dụng trong các hệ thống làm mát và sưởi ấm khu vực nội thành (DHC) Các hệ thống này cung cấp hoặc khử nhiệt trong các toà nhà hoặc một quận nội thành bằng một chu trình tuần hoàn kín của nước được gia nhiệt

4

hoặc làm mát tại các trạm trung gian Sự yêu cầu năng lượng cho sự tuần hoàn kín của nước sản sinh ra khoảng 15% của năng lượng tổng cho một DHC Để giảm yêu cầu năng lượng tương đối lớn này, có thể đáng kể giảm bớt ma sát trong hệ thống tuần hoàn nước kín Như vậy, sự giảm lực cản bằng các surfactant là một lựa chọn khác để đáp ứng mục đích này Surfactant DRAs có thể giảm bớt năng lượng yêu cầu cho bơm

từ 50-70% Sự hiệu quả phụ thuộc vào loại phụ gia được sử dụng và các thiết kế của

hệ thống ban đầu Sự tiết kiệm bởi DRAs tốt hơn nếu đường ống dẫn có ít các nhánh hoặc các đường ống dẫn dài hơn hoặc số lượng các đầu nối (ví dụ như các van, các cút…) tương đối ít

Các thử nghiệm của lĩnh vực surfactant DRAs đã được thực hiện thành công trong các

hệ thống sưởi ấm nội thành quy mô lớn và đã giảm bớt đáng kể sự mất mát năng lượng của dòng chảy trong ống Các ứng dụng đại diện là ở các khu vực như Herning - Đan Mạch, Volklingen - Đức và Prague - Cộng hoà Séc Các Surfactant đã được thử nghiệm trong các hệ thống làm mát nội thành tại đại học California tại Santa Barbara

và tại Nhật Bản Takeuchi et al đã áp dụng sự giảm lực cản của surfactant với hệ thống sưởi ấm và làm mát trung gian của toà nhà ở quảng trường thành phố Sapporo Saeki

đã báo cáo việc sử dụng surfactant cation DRAs trong các hệ thống điều hoà thực tế với việc tiết kiệm năng lượng sử dụng bùn than lạnh Surfactant DRAs cũng được sử dụng để ngăn chặn sự kết tụ của các bùn than lạnh, vấn đề này cũng đang được nghiên cứu Sự kết hợp của hoạt động phân tán lạnh và sự hiệu quả của sự giảm lực cản đã cải thiện hiệu suất của các hệ thống bùn than lạnh trong các kho gia nhiệt lạnh tiên tiến, vận chuyển và các hệ thống trao đổi nhiệt Gần đây, Saeki đã báo cáo các surfactant cation trong các hệ thống nước đã được sử dụng trong hơn 130 toà nhà ở Nhật Bản và giảm 20 – 60% năng lượng bơm

Ưu điểm chính của phương pháp giảm lực cản bằng hoạt chất bề mặt surfactant là các phân tử có hoạt tính bề mặt có khả năng tự sửa chữa sau khi chịu ứng suất cắt cao, điều mà thường xuất hiện trong hoạt động của máy bơm Vì vậy, khả năng của dung dịch surfactant bao gồm các micelle dạng sâu để giảm lực cản trong dòng chảy rối được sử dụng trong các ứng dụng kỹ thuật Rất nhiều các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các phân tử hoạt chất bề mặt surfactant liên kết với nhau để hình thành các micelle dạng

5

que, chính các micelle dạng que này là yếu tố cần thiết để sinh ra hiện tượng giảm lực cản Hình 1.1 cho thấy cấu trúc các micelle và cấu trúc phân tử của hoạt chất bề mặt surfactant Các surfactant hình thành các micelle dạng que, và sự kết hợp của chúng có thể thấy trong dung dịch

Hình 1.1 Các cấu trúc micelle và phân tử hoạt chất bề mặt surfactant

Từ khía cạnh của cấu trúc tế vi của dung dịch, nguyên nhân cơ bản trong dòng rối bất thường của các hoạt chất bề mặt surfactant là sự liên kết của các micelle dạng sợi theo hướng dòng chảy Nếu các micelle hoặc liên kết của các micelle theo hướng dòng chảy này bị xáo trộn, sự giảm khả năng giảm lực cản và giảm khả năng giảm truyền nhiệt của các hoạt chất bề mặt surfactant đã đạt được Một số nghiên cứu đã báo cáo về sự nâng cao truyền nhiệt bằng cách tạm thời phá vỡ các vi cấu trúc tế vi của hoạt chất bề mặt surfactant bằng thiết bị cơ học dạng lưới hình chữ nhật [1], hoặc dạng ống sáo trong ống trao đổi nhiệt [3] Các thiết bị này có thể phá vỡ SIS tạm thời và hạn chế sự giảm truyền nhiệt Như vậy có một sự tương quan chặt chẽ giữa sự hình thành SIS và giảm truyền nhiệt trong giảm lực cản bằng các hoạt chất bề mặt surfactant Tuy nhiên, những quan sát về sự hình thành SIS đều được dựa trên các kết quả mang tính hiện tượng

6

Hình 1.2 Nâng cao truyền nhiệt bằng các phương pháp cơ học

Trong công bố gần đây trên tạp chí Journal of Rheology đã báo cáo quan sát hình ảnh các cấu trúc surfactant dạng sợi dài vài centimet trong dòng phun tia vào thành tường [4] Các sợi dài này có một pha tương tự gel tương tự với cấu trúc SIS dạng ngón tay trong dòng Couette chảy chậm [5] Các SIS dạng sợi mảnh thẳng hàng theo hướng dòng dập dòng rối trong dung dịch giảm lực cản Những kết quả này cho thấy một mối quan hệ chặt chẽ giữa cấu trúc SIS dạng sợi mảnh dài và sự giảm lực cản Sự nghiên cứu về nguồn gốc của cấu trúc surfactant dạng sợi là cần thiết để đưa ra sự hình thành

và các sự phá vỡ động học SIS trong dòng chảy tầng và dòng chảy rối

1.3 Mục đích nghiên cứu

Ngày nay, nhu cầu tiêu thụ năng lượng trên toàn thế giới đang gia tăng mạnh mẽ, trong bối cảnh đang phải phấn đấu vượt qua những thách thức to lớn về nguy cơ hủy hoại môi trường, nguồn tài nguyên năng lượng truyền thống (than, dầu khí, thủy điện, ) ngày càng khan hiếm, các nguồn năng lượng mới chưa phát triển, thì chủ đề “tiết kiệm năng lượng” có ý nghĩa vô cùng quan trọng Giảm lực cản đem lại lợi ích to lớn trong các lĩnh vực khác nhau như: vận chuyển các chất lỏng bằng đường ống, các hệ thống làm lạnh và sưởi, hệ thống làm mát, hệ thống tưới tiêu trong thủy lợi, v.v Giảm lực cản dòng chảy giúp làm tăng lưu lượng hay tốc độ dòng chảy Do đó sẽ giảm năng lượng yêu cầu của bơm, giảm đường kính ống, tiết kiệm năng lượng, tiết kiêm chi phí đầu tư và chi phí vận hành

7

Các SIS đóng một vai trò quan trọng trong giảm lực cản dòng rối và sự chuyển pha là một vấn đề quan trọng chưa được giải quyết trong lý hóa học Cấu trúc tế vi và nano mới có thể được sinh ra trong quá trình chuyển pha này Hiện tượng hình thành SIS được cho có sự liên quan chặt chẽ với giảm lực cản Chúng tôi báo cáo các quan sát hình ảnh trực tiếp các cấu trúc dạng sợi sinh ra do ứng suất cắt trong một dòng phun tia tác động lên tường chắn của các dung dịch có hoạt tính bề mặt surfactant, và thảo luận về sự liên quan giữa các kết quả mang tính hiện tượng của sự giảm lực cản và sự hình thành các cấu trúc dạng sợi do lực cắt giống như SIS [4] Tuy nhiên, vai trò của SIS đối với giảm lực cản vẫn còn chưa rõ ràng Các nghiên cứu về sự hình thành, sự phá vỡ SIS cũng như vai trò của SIS với giảm lực cản cần được nghiên cứu thêm Trong dòng chảy rối, các dung dịch surfactant sinh ra sự giảm lực cản được ứng dụng

để tiết kiệm năng lượng bơm trong hệ thống làm lạnh và cấp nhiệt tuần hoàn kín [8] Tuy nhiên, các dung dịch giảm lực cản surfactant giảm sự truyền nhiệt cũng như ma sát đường ống trong dòng chảy rối Tương tự như hiện tượng giảm lực cản, cơ chế sự giảm truyền nhiệt của dung dịch surfactant vẫn còn chưa được hiểu rõ Trong thực tế ứng dụng giảm lực cản ma sát còn mang tính thực nghiệm, thí nghiệm và sai số là tất yếu Với các ứng dụng ở qui mô lớn thì có rủi ro cao Nếu cơ chế giảm lực cản ma sát được hiểu rõ, nó sẽ cho phép dự đoán sự giảm lực cản ma sát và giảm truyền nhiệt trong một hệ thống đường ống phức tạp trong thực tế

Hiện tượng giảm lực cản trong dòng chảy rối bằng các phụ gia nhận được sự quan tâm sâu sắc từ rất nhiều nhà nghiên cứu vì hiện tượng này giúp tiết kiệm năng lượng đáng

kể Tuy nhiên, nghiên cứu hiện tượng giảm lực cản bằng các chất phụ gia vẫn còn mới

ở Việt Nam Do vậy nghiên cứu hiện tượng giảm lực cản bằng các chất phụ gia là cần thiết

Chất hoạt động bề mặt được dùng giảm sức căng bề mặt của một chất lỏng bằng cách làm giảm sức căng bề mặt tại bề mặt tiếp xúc (interface) của hai chất lỏng Nếu có nhiều hơn hai chất lỏng không hòa tan thì chất hoạt hóa bề mặt làm tăng diện tích tiếp xúc giữa hai chất lỏng đó Khi hòa chất hoạt hóa bề mặt vào trong một chất lỏng thì các phân tử của chất hoạt hóa bề mặt có xu hướng tạo đám (micelle, được dịch là mixen), nồng độ mà tại đó các phân tử bắt đầu tạo đám được gọi là nồng độ tạo đám tới hạn Nếu chất lỏng là nước thì các phân tử sẽ chụm đuôi kị nước lại với nhau và quay đầu ưa nước ra tạo nên những hình dạng khác nhau như hình cầu (0chiều), hình trụ (1 chiều), màng (2 chiều) Tính ưa, kị nước của một chất hoạt hóa bề mặt được đặc trưng bởi một thông số là độ cân bằng kị nước (tiếng Anh: Hydrophilic Lipophilic Balance-HLB), giá trị này có thể từ 0 đến 40 HLB càng cao thì hóa chất càng dễ hòa tan trong nước, HLB càng thấp thì hóa chất càng dễ hòa tan trong các dung môi không phân cực như dầu[10]

9

Hình 2.1 Một mixen với phần đầu kị nước hòa tan trong dầu, trong khi phần ưa nước

hướng ra phía ngoài

2.1.2 Cấu trúc của pha surfactant trong nước

Trong pha nước chính, surfactant tạo ra sự tập hợp, ví dụ như các mixen, nơi các đuôi

kỵ nước tạo ra lõi của sự liên kết và các đầu ưa nước liên kết với chất lỏng xung quanh Các loại tập hợp khác cũng có thể được tạo ra, ví dụ như các mixen dạng trụ hoặc dạng cầu hay các lớp lipid Hình dạng của các tập hợp phụ thuộc vào cấu trúc hoá học của các surfactant, ấy là sự cân xứng trong kích thước giữa đầu ưa nước là đuôi kỵ nước Một thước đo của sự cân xứng này là HLB Hydrophilic-lipophilic balance (sự cân bằng giữa đầu ưa nước và đuôi kỵ nước) Surfactant giảm bớt sức căng bề mặt của nước bằng cách hấp thu tại mặt phân cách giữa không khí và chất lỏng Mối quan hệ liên kết sức căng bề mặt và sự vượt quá giới hạn bề mặt được biết đến như đường đẳng nhiệt Gibbs.[11]

2.1.3 Phân loại

“Đuôi” của phần lớn các surfactant đều như nhau, bao gồm các chuỗi hidrocacbon, thứ

có thể là hidrocacbon nhánh, tuyến tính hoặc thơm Các surfactant florua có các chuỗi floruacacbon Các surfactant silicon oxit có các chuỗi silicon oxit.[11]

10

Nhiều loại surfactant quan trọng bao gồm một chuỗi polyeste giới hạn trong một nhóm anion có độ phân cực cao Các nhóm polyeste thường bao gồm các chuỗi ethoxylat (giống polyethilen oxit) được chen vào để tăng thêm đặc tính ưa nước của một surfactant Ngược lại với các oxit polypopilen có thể được chen vào để tăng thêm đặc tính hút chất béo của một surfactant

Hình 2.2 Phân loại surfactant theo thành phần hóa học của nhóm đầu: phi ion, anion,

2.1.3.1 Surfactant anion

Các surfactant anion bao gồm các nhóm chức anion ở phần đầu, ví dụ sunfat, phốt phát, sunfua và cacbonxylat Các ankyn sunfat nổi bật bao gồm amoni lauryn sunfat, natri lauryn sunfat (natri dodecyn sunfat, SLS, hoặc SDS), và các sunfat ankyn ete liên quan, natri lauret sunfat (natri lauryn ete sunfat hoặc SLES), và natri myret sunfat.[11]

11

2.1.3.2 Cacbonxylat

Loại này là loại surfactant thông dụng nhất và bao gồm ankyn cacbonxylat (xà phòng), như natri sterat Các loại cụ thể hơn bao gồm natri lauroyl sacosinat và các surfactant florua dựa trên gốc cacbonxylat như perfluorononanoate, perfluorooctanoate(PFOA or PFO).[11]

và cocamidopropyl hydroxysultaine Betaines ví dụ như cocamidopropyl betaine có một carbonxylat với amoni Các surfactant zwitterion sinh học thông dụng nhất có một anion phốt phát với một amin hoặc amoni [11]

12

Hình 2.4 Minh họa về một surfactant lưỡng tính [11]

2.1.3.5 Surfactant phi ion

Surfactant phi ion có liên kết cộng hoá trị với nhóm ưa nước có chứa oxy, thứ mà được liên kết với các cấu trúc gốc kỵ nước Sự hoà tan trong nước của nhóm chứa oxy là kết quả của liên kết hidro Liên kết hydro giảm khi nhiệt độ tăng và sự hoà tan trong nước của các surfactant phi ion do vậy giảm khi nhiệt độ tăng.[11]

Surfactant phi ion ít nhạy với độ cứng của nước hơn các surfactant anion và chúng tạo bọt kém hơn Những sự khác nhau nói riêng giữa các loại surfactant phi ion là không đáng kể và lựa chọn chịu ảnh hưởng ban đầu có liên quan tới chi phí cho các đặc tính đặc biệt, ví dụ như sự hiệu quả và hiệu suất, tính độc hại, tính phù hợp cho da và sự phân huỷ tự nhiên, hoặc giấy phép sử dụng thực phẩm [12]

2.1.4 Các ứng dụng

Ứng dụng phổ biến nhất của các surfactant là bột giặt, sơn, nhuộm… Và các surfactant cũng đóng một vai trò quan trọng như các chất tẩy rửa như chất làm ẩm, chất phân tán, chất nhũ hoá, tạo bọt và chống tạo bọt trong nhiều ứng dụng thực tế và sản phẩm, có thể kể đến: Thuốc sát trùng, chất làm mềm vải, nhũ tương, xà phòng, sơn, keo dính, mực, khử sương mù,sáp gắn trên ván trượt ba tanh và ván trượt tuyết, thuốc nhuận

13

tràng, các sản phẩm hóa nông, một vài loại thuốc diệt cỏ, dược phẩm, dầu gội, kem đánh răng ….[13],[14],[15]

2.1.5 Nồng độ mixen tới hạn-critical micelle concentration (CMC)

Trong hoá học bề mặt và hoá học về các chất keo, nồng độ mixen tới hạn (CMC) được định nghĩa như nồng độ các surfactant trên mức hình thành mixen và nồng độ của tất

cả các surfactant được thêm vào hệ thống để tạo ra các mixen [16]

CMC là một đặc tính quan trọng của một surfactant Trước khi đạt đến giá trị CMC, sức căng bề mặt thay đổi mạnh với nồng độ surfactant Sau khi đạt đến giá trị CMC, sức căng bề mặt giữ nguyên một giá trị không đổi tương đối hoặc những sự thay đổi không nhiều – biểu thị bằng độ dốc ít hơn trên biểu đồ Giá trị CMC với một chất phân tán đã cho trong một môi trường đã cho phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, sự hiện diện, nồng độ của các chất hoạt động bề mặt khác và các chất điện phân Các mixen chỉ được tạo ra trên mức nhiệt độ mixen tới hạn (nhiệt độ tối thiểu để surfactant tạo ra các mixen) [17]

14

Hình 2.5 Đồ thị biểu diễn quá trình giảm sức căng bề mặt của surfactant [18]Các surfactant (hoặc bất kỳ các chất hoạt động bề mặt khác) thâm nhập vào trong hệ thống, chúng ban đầu sẽ phân tán bên trong lớp phân cách, giảm bớt năng lượng tự do của hệ thống bằng việc: Giảm bớt năng lượng tại mặt phân cách (được tính toán trên diện tích thay đổi sức căng bề mặt theo thời gian) Tránh các thành phần kỵ nước của surfactant tiếp xúc với nước

15

Sau đó, khi mức độ bao phủ bề mặt bởi surfactant tăng lên, năng lượng tự do tại bề mặt (sức căng bề mặt) giảm xuống và các surfactant bắt đầu tập hợp lại thành mixen, như vậy, lại tiếp tục làm giảm sức căng bề mặt bằng cách giảm diện tích tiếp xúc của các thành phần kỵ nước của surfactant với nước [18] Khi đạt tới giá trị CMC, bất cứ surfactant nào được cho thêm vào sẽ chỉ làm tăng số lượng của mixen (trong trường hợp lý tưởng)

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới giảm lực cản của dung dịch surfactant

2.2.1 Ảnh hưởng bởi nhiệt độ

Có một sự ảnh hưởng rõ ràng của nhiệt độ lên cấu tạo của các mixen dạng ren xoắn và khả năng giảm lực cản tổng hợp của một dung dịch surfactant Ở mức nhiệt độ thấp, các surfactant trở nên ít hoà tan hơn, hạn chế khả năng tạo ra các mixen dạng ren xoắn của chúng Ở mức nhiệt độ cao, các surfactant cũng mất khả năng giảm lực cản của chúng khi mà các mixen dạng ren xoắn trở nên nhỏ hơn Một hoặc nhiều hơn các counterion hữu cơ làm ổn định các cấu trúc vi mô của mixen của các surfactant cation làm thúc đẩy sự giảm lực cản Dải nhiệt độ cho sự làm giảm lực cản hiệu quả cho một cation surfactant bị ảnh hưởng mạnh bởi một hoặc nhiều counterion được sử dụng [12]

2.2.2 Ảnh hưởng do hình dạng mixen

Theo Taford [13], hình dạng mixen được xác định theo tỷ lệ thể tích (v) của nhóm kỵ nước với chiều dài (l) và diện tích mặt cắt ngang (a) của nhóm ưa nước Nếu v/l.a = 1/3 hoặc thấp hơn, surfactant có hình dạng của hình nón và mixen có dạng hình cầu Đây là trường hợp phổ biến nhất có thể xảy ra Nếu v/l.a = 1/2 hoặc gần bằng giá trị này, các mixen sẽ có dạng hình trụ và do đó có thể tạo hiệu ứng giảm lực cản Diện tích mặt cắt ngang là dễ bị ảnh hưởng và sẽ giảm khi tăng nồng độ counterion trong dung dịch

Các loại mixen khác nhau gồm dạng cầu, dạng que (hoặc dạng trụ), dạng phiên và dạng túi Bán kính của các mixen dạng cầu xấp xỉ bằng với chiều dài mở rộng hoàn toàn của các nhóm kỵ nước Hình dạng mixen dạng cầu tại giá trị CMC và hình dạng

16

cầu vẫn duy trì kể cả tại mức nồng độ thấp của các muối vô cơ Mức nồng độ muối cao

có thể khiến cho mixen chuyển đổi hình dạng từ dạng cầu sang dạng que

Hình 2.6 Một số hình dạng của mixen [13]

2.2.3 Ảnh hưởng do kích thước mixen

Kích thước mixen bị ảnh hưởng bởi nhiều nhiều yếu tố, ví dụ như cấu trúc của các chuỗi surfactant, nhóm đầu của surfactant, các counterion và nhiệt độ… Nó có thể được mô tả bởi số lượng các tập hợp gọi là số lượng của các surfactant đơn phân tập hợp lại để tạo ra một mixen

Chiều dài của các mixen dạng que tăng lên cùng với sự giảm xuống của nhiệt độ và với sự tăng lên của nồng độ surfactant và nồng độ muối Missel et al đã thấy được sự tăng lên nhanh chóng của số lượng các tập hợp và bán kính thuỷ lực của các mixen cùng với sự tăng lên của nồng độ dung dịch surfactant Với sự tăng lên về chiều dài của chuỗi surfactant đơn phân, chiều dài mixen trở nên biến thiên nhiều hơn với các dải nhiệt độ khác nhau và với các mức nồng độ muối

Các loại muối đóng một vai trò quan trọng trong sự tăng lên của mixen Các loại muối nào đó có thể ảnh hưởng mạnh lên kích thước của mixen Nhìn chung, sự ảnh hưởng của muối lên số lượng các tập hợp của các mixen dạng que tăng lên cùng với sự tăng lên do sự thay đổi pha theo sự thay đổi nồng độ của tinh thể lỏng của một anion Vì vậy, các anion đó có thể làm giảm giá trị CMC của surfactant hiệu quả hơn đối với sự tăng lên của mixen Điều này là do sự hình thành của các mixen dạng cầu và dạng que được kiểm soát mạnh bởi sự mang điện với các nhóm đầu của surfactant Các muối với

cả số Reynolds và đường kính ống dẫn

White đã thấy được ứng suất cắt tại thành ống ở giá trị tới hạn không phụ thuộc vào đường kính ống Gasljevic et al đã nhận thấy rằng sự giảm lực cản của Ethoquad T 13/27 (2000 ppm)/ NaSal (91740 ppm)+3.75 mMol/L của Cu(OH)2 trong ống dẫn với

5 giá trị đường kính (2 mm, 5 mm, 10 mm, 20 mm và 52 mm) không phụ thuộc vào đường kính ống khi chống lại vận tốc tương đối tạo ra ứng suất cắt tại thành ống tương ứng với sự giảm lực cản tối đa Họ cũng gợi ý rằng quy mô giảm lực cản của surfactant thậm chí tốt hơn với độ nhớt trượt của dung môi Với đường kính ống giảm, việc giảm lực cản được tăng lên Đi cùng với điều này, độ nhám của bên trong ống có một yếu tố [22]

nó Không phải tất cả các sắc thái nhỏ đều hấp thụ lượng năng lượng bằng nhau, một

số trong số chúng hấp thụ lượng năng lượng không thể vượt qua được lực cản nhớt và sau đó biến mất gây ra sự mất năng lượng của dòng chảy chính, trong khi các sắc thái khác hấp thụ đủ năng lượng và cho phép vượt qua kháng nhớt Phần trăm giảm lực cản trong các ống nhỏ thấp hơn so với trong các ống lớn do các lớp nhỏ hấp thụ một lượng năng lượng nhỏ không cho phép nó vượt qua khả năng chống nhớt

2.3 Cấu trúc hình thành do trượt

19

Các dung dịch surfactant rất nhạy với ứng suất trượt Ứng suất trượt có thể gây ra những sự biến đổi cấu trúc một cách đối nghịch Những ảnh hưởng của ứng suất trượt xuất hiện như các cấu trúc gây ra sự trượt (SIS), sự chuyển tiếp của các pha gây ra sự trượt, sự đông đặc và tính không ổn định của dòng chảy Các tính chất của những hiện tượng này không được thấu hiểu hoàn toàn Tuy nhiên, những tác động này có những tầm quan trọng cả về mặt lý thuyết và khoa học thực tiễn

Tại các giá trị tốc độ biến dạng trượt cao, các dung dịch surfactant với các mixen dạng que hoặc dạng ren xoắn thường hoạt động như các chất lỏng Newton do các mixen quay tự do trong dung dịch Tại tốc độ biến dạng trượt cao hơn, các mixen bắt đầu thẳng với hướng biến dạng trượt gây ra sự trượt mỏng Một hiện tượng cụ thể có thể xảy ra đối với một vài dung dịch tại tốc độ biến dạng trượt tới hạn nơi mà độ nhớt trượt và độ đàn hồi trượt tăng lên đột ngột Hiện tượng này được gọi là cấu trúc gây ra

sự trượt (SIS) Cấu trúc SIS là các mixen dạng que có độ lớn hơn so với các mixen dạng que riêng và dung dịch của nó giống như một dung dịch keo nhớt và dẻo Tuy nhiên, khi tốc độ biến dạng trượt tăng lên, giá trị SIS không ổn định lâu dài hơn và độ nhớt bắt đầu giảm xuống cùng với tốc độ biến dạng trượt Tại giá trị độ nhớt cực đại,

có thể khẳng định rằng các mixen hoàn toàn thẳng hàng với hướng của dòng chảy Quan điểm này được công nhận từ các thí nghiệm về sự khúc xạ kép của dòng chảy và

sự phân tán neutron góc nhỏ Tốc độ biến dạng trượt tới hạn cho giá trị SIS phụ thuộc vào nồng độ surfactant/ cấu trúc hoá học, nồng độ counterion/ cấu trúc hoá học, nhiệt

độ và cũng phụ thuộc vào thông số hình học của các thiết bị đo lưu biến học

Một vài tác giả nghiên cứu đã xem rằng giá trị SIS có liên quan tới hiện tượng làm giảm lực cản trong dòng chảy rối SIS và sự tách pha được phát hiện bởi Koch Ông đã giả thiết rằng nồng độ của surfactant đơn phân tăng lên nhanh chóng với ứng suất cắt gây ra sự hình thành một pha giọt tụ - côaxecva (tạo ra bởi các dung dịch keo hoà vào nhau mà thành phần dung dịch keo chính là những hợp chất hữu cơ cao phân tử hòa tan trong nước) Fischer đã quan sát sự dao động khi có sự chênh lệch ứng suất pháp

và ứng suất trượt lần đầu ngụ ý rằng các cấu trúc đàn hồi đã được hình thành và phá huỷ cùng với SIS và pha mới được tạo ra có tính đàn hồi hơn so với pha ban đầu Butler đã quan sát một pha mới được tạo ra từ dung dịch tại SIS và được đã sử dụng