Nghiên cứu xây dựng hệ chất hoạt động bề mặt bền nhiệt ứng dụng trong công nghệ sản xuất chất tạo bọt chữa cháy TT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ NGOAN NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT BỀN NHIỆT ỨNG DỤNG TRO

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ

CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THỊ NGOAN

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG

BỀ MẶT BỀN NHIỆT ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ

SẢN XUẤT CHẤT TẠO BỌT CHỮA CHÁY

Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học

Mã số : 9.52.03.01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÓA HỌC

HÀ NỘI – 2021

Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học:

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU

1 Tính chấp thiết của luận án

Hỏa hoạn là mối đe dọa lớn đối với con người Những hậu quả, thiệt hại

về con người và tài sản do cháy nổ gây ra là rất lớn Cháy có thể xảy ra ở bất kì đâu và trong tất cả các lĩnh vực Nước thường được sử dụng để dập tắt các đám cháy rừng, cháy nhà, cháy thuyền bè Ngày nay, nó vẫn là chất chữa cháy chủ yếu với khả năng làm mát tốt và giá thành rẻ Tuy nhiên, nước không hiệu quả với đám cháy xăng, dầu hay các chất lỏng dễ cháy khác do nước có tỷ trọng lớn hơn các nhiên liệu này Đám cháy có nguồn gốc từ nhiên liệu lỏng có đặc điểm là tốc độ cháy nhanh, thời gian dài và nguy cơ bức xạ nhiệt mạnh, có thể dẫn đến thiệt hại nghiêm trọng cho môi trường xung quanh Do đó, việc nghiên cứu chế tạo chất chữa cháy hiệu quả, dập tắt nhanh chóng có ý nghĩa vô cùng quan trọng

Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ, bọt chữa cháy đã phát triển thành nhiều loại để đáp ứng cho từng mục đích chữa cháy cho các đối tượng cháy cụ thể Chất tạo bọt chữa cháy được sử dụng để dập tắt đám cháy và ngăn cản sự cháy lại trong các vụ cháy chất rắn, chất lỏng

dễ cháy, hơi khí nén, cháy trạm biến áp, nhà xưởng, tàu thuyền chở nhiên liệu Với tính chất dập cháy nhanh, phổ biến nên bọt chữa cháy hiện nay là loại chất chữa cháy được sử dụng rộng rãi nhất trên thị trường

Ở nước ta, việc nghiên cứu, sản xuất các sản phẩm bọt chữa cháy còn hạn chế, chủ yếu là nhập khẩu Đặc biệt là dòng sản phẩm bọt chữa cháy tạo màng nước (Aqueous film forming foam – AFFF) và chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu (Alcohol resistant aqueous film-forming foam concentrate AR-AFFF) Vì vậy, việc nghiên cứu, chế tạo các sản phẩm bọt chữa cháy đáp ứng nhu cầu sử dụng đồng thời giúp chủ động sản xuất trong nước là việc làm hết sức cần thiết Do đó, việc thực hiện đề tài luận án:

"Nghiên cứu xây dựng hệ chất hoạt động bề mặt bền nhiệt ứng dụng trong

công nghệ sản xuất chất tạo bọt chữa cháy" có tính thời sự, có ý nghĩa khoa

học và ý nghĩa thực tiễn

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án

- Xây dựng hệ các chất hoạt động bề mặt bền nhiệt từ một số chất hoạt động bề mặt, phù hợp với điều kiện nhiệt độ cao và đặc tính của từng đối tượng cháy;

- Tối ưu hóa hệ chất hoạt động bề mặt bền nhiệt xây dựng được, ứng dụng trong sản xuất chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước (AFFF) và chất tạo bọt tạo màng nước bền rượu (AR-AFFF) đạt TCVN;

- Đánh giá khả năng ứng dụng một số hợp chất chứa silic nhằm nâng cao hiệu quả dập cháy cho bọt chữa cháy tạo màng nước AFFF

3 Các nội dung nghiên cứu chính của luận án

- Nghiên cứu phân tích, đánh giá, lựa chọn chất hoạt động bề mặt phù hợp với điều kiện khắc nghiệt của đám cháy (nhiệt độ cao, bức xạ nhiệt mạnh, thời gian cháy dài…) nhằm nâng cao hiệu quả dập tắt đám cháy;

- Nghiên cứu các tính chất lý hóa, tính tương hợp và tính bền nhiệt của các hệ chất được chọn;

- Nghiên cứu tối ưu hóa tỷ lệ phối trộn các chất hoạt động bề mặt phù hợp với bọt chữa cháy AFFF và AR-AFFF và cho giá trị sức căng bề mặt nhỏ nhất;

- Nghiên cứu sử dụng phối hợp chất hoạt động bề mặt bền nhiệt với một số hợp chất chứa silic nhằm nâng cao hiệu quả dập cháy của bọt chữa cháy tạo màng nước AFFF

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Phần tổng quan gồm 4 phần chính: Phần 1 tổng quan về chất tạo bọt

chữa cháy: giới thiệu chung về bọt chữa cháy tạo màng nước AFFF và bọt

tạo màng nước bền rượu AR-AFFF Phần 2 nghiên cứu, tìm hiểu về thành

phần của bọt chữa cháy và ứng dụng một số hợp chất chứa silic trong bọt

chữa cháy Phần 3 giới thiệu về vai trò và nguyên lý dập cháy của bọt chữa

cháy Phần 4 trình bày về tình hình nghiên cứu chất tạo bọt chữa cháy trên

thế giới và Việt Nam

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU 2.1 Hóa chất và thiết bị

2.2 Phương pháp phân tích đánh giá

2.2.1 Phương pháp xác định tính chất hóa lý của chất tạo bọt chữa cháy

Xác định các thông số:

- Sức căng bề mặt liên diện

- Sức căng bề mặt và hệ số lan truyền

Kỹ thuật sử dụng hai ống tiêm đã được dùng để tạo bọt và đánh giá độ

ổn định của bọt, các điều kiện thí nghiệm ban đầu giống hệt nhau

2.2.3 Phương pháp xác định sự tương hợp và độ bền nhiệt

Khảo sát sự tương hợp – bền nhiệt bằng phương pháp ủ đẳng nhiệt ở

150°C trong thời gian 8h Quan sát độ đục, đo SCBM và pH của các dung

dịch ủ đó

2.2.4 Phương pháp quy hoạch hóa thực nghiệm và tối ưu hóa

Thiết kế ma trận kế hoạch thực nghiệm theo mô hình kế hoạch tâm xoay bậc 2 của Box – Hunter Thành phần và nồng độ tối ưu của hệ chất HĐBM được xác định khi hàm mục tiêu σ đạt giá trị cực tiểu

2.3.5 Phương pháp thử nghiệm đánh giá kết quả

Đánh giá hiệu quả dập cháy của dung dịch bọt chế tạo được theo tiêu chẩn TCVN – 7278:2003

2.3 Thực nghiệm

Tiến trình nghiên cứu chung để chế tạo hệ chất tạo bọt chữa cháy như sau:

2.3.1 Chế tạo bọt chữa cháy tạo màng nước

2.3.2 Phân tán các hợp chất chứa silic trong chất tạo bọt AFFF

2.3.3 Chế tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu

3 Tối ưu hóa

phối trộn các chất HĐBM

4 Nghiên cứu

lựa chọn chất trợ hoạt động

bề mặt và các chất phụ gia

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước AFFF

3.1.1 Nghiên cứu lựa chọn các chất hoạt động bề mặt

Bảng 3.1: Kết quả khảo sát độ nở và thời gian bán hủy

của các chất HĐBM hydrocarbon

(lần)

Thời gian bán hủy (phút:giây)

1 Branch alkyl benzen sulfonat (BAS) 6,2 2:48

5 Nonylphenol ethoxylat (NPE) 5,5 4:11

6 Lauryl hydoxysulfo betain (LHSB) 5,4 4:19

Kết quả cho thấy chất HĐBM BAS có độ nở tương đối cao (6,2 lần) tuy

nhiên thời gian bán hủy lại thấp hơn so với yêu cầu (chỉ đạt 2 phút 48 giây)

Tương tự với EOS và POS thời gian bán hủy chỉ đạt nhỏ hơn 3 phút Do đó,

lựa chọn APG, NPE và LHSB có độ nở lớn hơn 5 lần và thời gian bán hủy

lớn hơn 4 phút, đáp ứng được tiêu chuẩn cho các nghiên cứu tiếp theo

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

Bảng 3.2: Độ nở và thời gián bán hủy của dung dịch DuPont™ Capstone®

Kết quả trên hình 3.1 và bảng 3.2 cho thấy chất HĐBM fluor hóa DCF

phù hợp để nghiên cứu chế tạo chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước

Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn sức căng bề mặt của các chất HĐBM

theo nồng độ Kết quả cho thấy các chất HĐBM hydrocarbon có khả năng làm giảm

sức căng bề mặt của nước xuống khoảng 28 – 33 mN/m Trong khi đó chất

fluor hóa giảm sức căng bề mặt của nước xuống 15-16 mN/m thấp hơn

nhiều so với các chất HĐBM hydrocarbon Mặt khác, liên kết C-F rất bền

nên DCF có khả năng bền trong điều kiện nhiệt độ cao Do đó, trong quá

trình xây dựng hệ tổ hợp hợp trội hỗn hợp các chất HĐBM, luận án chọn

DCF làm thành phần chính trong hệ chất HĐBM

3.1.2 Xác định khả năng tương hợp và bền nhiệt của hỗn hợp các chất

HĐBM

Sau quá trình nghiên cứu đánh giá khả năng tương hợp và bền nhiệt của

hỗn hợp 2, 3 và 4 chất hoạt động thấy hệ gồm 4 chất hoạt động có khả năng

giảm sức căng bề mặt của hệ xuống giá trị thấp Sự thay đổi pH và sức căng

bề mặt sau ủ nhiệt thay đổi không đáng kể chứng tỏ hệ bền nhiệt Tỷ lệ

DCF : APG : LHSB : NPE nghiên cứu được là 1:3:2:1

Bảng 3.10 Khảo sát độ nở, thời gian bán hủy của hệ chất HĐBM

STT Hệ chất HĐBM Độ nở (lần) Thời gian bán hủy

3.1.3 Tối ưu hóa phối trộn các chất HĐBM

Phương trình hồi quy trong tỷ lệ xích tự nhiên:

Ŷ = 42,81 - 5,324*10-2

Z1 - 8,279*10-2Z2 - 0,1118*Z3 - 4,69*10-5Z1Z2 + 6,56*10-5Z1Z3 - 7,19*10-5 Z2Z3 + 2,423*10-4Z1

2

+ 2,07*10-4 Z2

2

+ 2,733*10-4Z3

2

Hình 3.3: Đồ thị biểu diễn hàm mục tiêu σ theo nồng độ chất HĐBM

Hình 3.4: Các đường đồng mức biểu diễn giá trị σ theo nồng độ các chất

HĐBM Nồng độ tối ưu các chất tính toán được là

DCF = 103,74 ≈ 104 g/kg APG = 251,02 ≈ 251 g/kg

LHSB = 150,01 ≈ 150 g/kg NPE = 74,94 ≈ 75 g/kg

Sức căng bề mặt đạt giá trị thấp nhất là σ = 17,06 mN/m

3.1.4 Nghiên cứu lựa chọn chất trợ hoạt động bề mặt và chất phụ gia

Sự biến thiên pH và SCBM của hệ chất hoạt động bề mặt khi có 5,0% butyl diglycol, 2,5% glycerin, 1,5% Ure và 1,0% HEC thay đổi nhỏ chứng tỏ hệ vật liệu nghiên cứu tương đối bền nhiệt, tính bền nhiệt sẽ được nghiên cứu kỹ hơn bằng các thí nghiệm thử cháy theo tiêu chuẩn Việt Nam

3.1.5 Nghiên cứu khảo sát thứ tự đồng hóa

Qua các thí nghiệm khảo sát thứ tự đồng hóa các chất HĐBM riêng phần thì thấy rằng chất hoạt động bề mặt lưỡng tính như LHSB cần được đồng hóa trước cùng với chất HĐBM fluor hóa sau đó đến chất hoạt động nonion cuối cùng

Bảng 3.20: Kết quả khảo sát thứ tự đồng hóa hệ AFFF

-: dung dịch nhiều bọt, lâu vỡ

Tiếp tục nghiên cứu thành phần phối trộn các phụ gia, dựa trên các thông số thời gian bán hủy, thời gian khuấy trộn và sức căng bề mặt Từ kết quả khảo sát cho thấy khi thay đổi thứ tự phối trộn thì thời gian bán hủy và sức căng bề mặt của hệ vật liệu thay đổi không đáng kể Nhưng thời gian khuấy trộn có thay đổi, tại thứ tự khuấy trộn butyldiglycol, glyxerin, hydroxyethyl cellulose, urê tương ứng với thứ tự ; 7; 8; 9 cho thời gian khuấy ngắn nhất là 29 phút vì vậy thứ tự phối liệu của các chất như sau: Nước; DCF; LHSB; NPE; APG; Butyldiglycol; Glyxerin; HEC; rê tương ứng với thứ tự phối trộn 1; 2; 3; 4; 5; ; 7; 8; 9

3.1.6 hảo sát th i gian khuấ và tốc độ khuấ

Bảng 3.24 Kết quả khảo sát thời gian khuấy và tốc độ khuấy

Độ đồng nhất của dung dịch

Thời gian bán hủy (phút:giây)

Sức căng

bề mặt (mN/m)

Kết quả khảo sát tốc độ khuấy, khi tốc độ khuấy tăng thì thời gian khuấy

giảm, khi tốc độ tăng đến 200 vòng/phút thì thời gian khuấy không giảm, để

đảm bảo sự ổn định cho thiết bị và tiết kiệm năng lượng tiêu hao trong quá

trình chế tạo chúng tôi lựa chọn thời gian khuấy 180 vòng/phút trong 40

phút để chế tạo chất tạo bọt chữa cháy AFFF

Kết quả khảo sát nồng độ tối ưu các thành phần chế tạo, công thức chế

tạo chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước được lập như trong bảng 3.23:

Bảng 3.23 Công thức chế tạo chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước

1 DuPont™ Capstone® fluorosurfactant (DCF) 10,4

3 Lauryl hydroxy sulfobetaine (LHSB) 15

Sử dụng công trên để chế tạo để chế tạo mẫu bọt chất tạo bọt chữa cháy

tạo màng nước, kiểm tra các thông số kỹ thuật chính của sản phẩm Kết quả

thu được, được trình bày tại bảng 3.24

Bảng 3.24: Thông số kỹ thuật chính của chất tạo bọt

chữa cháy tạo màng nước

5 Hiệu quả dập cháy (giây) 266 279 276

6 Mức chống cháy lại (giây) 367 392 387

Kết quả xác định thông số kỹ thuật chính của sản phẩm chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước 0,5% đều đạt yêu cầu cả về kỹ thuật và hiệu quả dập cháy theo TCVN 7278 – 1 : 2003

3.2 Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu

3.2.1 Nghiên cứu lựa chọn các chất hoạt động bề mặt

Khảo sát độ nở và thời gian bán hủy của các chất HĐBM hyrocarbon với nồng độ 0,05 % Các kết quả thu được, được thể hiện trong bảng sau:

Bảng 3.25: Độ nở và thời gian bán hủy của các chất HĐBM hydrocarbon

STT Chất hoạt động bề mặt Độ nở (lần) Thời gian bán hủy (giây)

1 Branch alkyl benzen sulfonat 4,8 212

2 Sodium laury ether sunfat 6,2 342

7 Lauryl hydoxysulfo betain 4,0 285

Kết quả cho thấy có 5 chất HĐBM hydrocarbon là Sodium lauryl ether sunfat (SLES); Sodium lauryl sulfat (SLS); Alkylphenol ethoxylat (APE); Nonylphenol ethoxylat (NPE) và Lauryl hydoxysulfo betain (LHSB) có thời gian bán hủy và độ nở đạt yêu cầu

Lựa chọn sử dụng chất hoạt động bề mặt fluor hóa fluoroalkyl betaine

(FB) để thực hiện các nghiên cứu cho việc chế tạo chất tạo bọt chữa cháy bền rượu Khảo sát sự tương hợp của các chất HĐBM hydrocarbon và chất HĐBM fluor hóa theo các tỷ lệ 1:4, 1:3, 1:2, 1:1, 3:1, 2:1 với nồng độ tổng

là 0,2% trong nước ủ tại nhiệt độ 150°C trong 8h Kết quả được trình bày trong bảng 3.27:

FB : SLES Trong Trong Trong Trong Trong Trong

FB : SLS Trong Trong Trong Trong Đục Đục

FB : APE Trong Trong Trong Trong Đục Đục

FB : NPE Trong Trong Trong Trong Trong Trong

Các hỗn hợp trên được phối trộn với nồng độ tổng 0,2%

Kết quả cho thấy rằng hỗn hợp FB : SLS; FB : APE và FB : LHSB sau 8h ủ nhiệt thấy dung dịch bị đục Điều này chứng tỏ rằng các hỗn hợp này

có độ tương hợp và độ bền nhiệt kém Hỗn hợp FB : SLES và FB : NPE sau 8h ủ nhiệt dung dịch thu được trong hoàn toàn Do vậy nhóm nghiên cứu đã xác định được 2 chất HĐBM là Sodium laury ether sunfat (SLES) và Nonylphenol ethoxylates (NPE) cho các nghiên cứu tiếp theo

Chất tạo bọt bền rượu việc sử dụng kết hợp polyme tan trong nước, không tan trong rượu và được fluor hóa là việc vô cùng quan trọng Lựa

chọn sản phẩm polyme fluor hóa Partially fluorinated acrylic copolymer

(PFAC) – thành phần làm tăng khả năng bền nhiệt của các bong bong bọt ở

điều kiện nhiệt độ cao trong dung môi phân cực, để tiến hành nghiên cứu Khảo sát sự thay đổi sức căng bề mặt theo nồng độ của các chất hoạt động

bề mặt đã lựa chọn được cho kết quả biểu diễn như hình 3

Hình 3.6: Đồ thị biểu diễn SCBM của các chất HĐBM theo nồng độ

Các chất HĐBM hydrocarbon có giá trị sức căng bề mặt cao hơn so với chất HĐBM fluor hóa nên trong quá trình xây dựng hệ vật liệu hợp trội lựa chọn chất HĐBM fluor hóa FB làm thành phần chính

3.2.2 Xác định khả năng tương hợp và bền nhiệt của hỗn hợp các chất

HĐBM

Sau quá trình nghiên cứu đánh giá khả năng tương hợp và bền nhiệt của

hỗn hợp 2, 3 và 4 chất hoạt động thấy rằng hệ gồm 4 chất hoạt động có khả

năng giảm sức căng bề mặt của hệ xuống giá trị thấp, sự thay đổi pH và sức

căng bề mặt sau quá trình ủ nhiệt thay đổi không đáng kể chứng tỏ hệ bền

nhiệt Tỷ lệ FB : SLES : NPE : PFAC nghiên cứu được là 1 : 2 : 1 : 1

3.2.3 Tối ưu hóa phối trộn các chất HĐBM

Phương trình hồi quy trong tỷ lệ xích tự nhiên:

Ŷ = 52,27 - 5,66*10-2

Z1 - 0,1546Z2 - 0,1003Z3 +8,1*10-5 Z1Z2-8,44*10-5

Z1Z3+ 1,31*10-4 Z2Z3 + 1,706*10-4 Z1 +1,94*10-4 Z2 +3,076*10-4 Z3

Hình 3.7: Đồ thị biểu diễn mặt mục tiêu σ theo nồng độ chất HĐBM

Hình 3.8: Các đường đồng mức biểu diễn giá trị σ theo

nồng độ các chất HĐBM

Nồng độ tối ưu các chất tính toán được là:

FB = 111,21 ≈ 111 g/kg SLES = 22 ,8 ≈ 227 g/kg

NPE= 113,44 ≈ 113 g/kg PFAC = 105,78 ≈ 10 g/kg

Sức căng bề mặt ở nồng độ tối ưu đạt giá trị thấp nhất là 17,5 mN/m

3.2.4 Nghiên cứu lựa chọn pol me tạo bền rượu và chất phụ gia

Tương tự như chất tạo bọt tạo màng nước, sử dụng thành phần phụ gia của hệ chất tạo bọt trên áp dụng cho nghiên cứu chất tạo bọt bền rượu Kết quả cho thấy với hệ tối ưu trên và nồng độ các chất phụ gia là 1, % xanthan gum 5% butyl diglycol, 3% glycerin, 2,5% ure, 1,2% HEC thì hệ bền nhiệt tốt nhất

3.2.5 hảo sát thứ tự phối trộn

Qua các thí nghiệm khảo sát thứ tự đồng hóa các chất HĐBM riêng phần thì thấy rằng hai chất hoạt động bề mặt fluor hóa là FB và PFAC cần được đồng hóa trước sau đó đến chất hoạt động bề mặt anion SLES và cuối cùng

là chất hoạt động bề mặt nonion NPE

Bảng 3.43: Kết quả khảo sát thứ tự đồng hóa

Trong đó: +++: dung dịch trong hoàn toàn và ít bọt tạo thành

++-: dung dịch có nhiều bọt nhỏ -: dung dịch nhiều bọt, lâu vỡ

Tiếp tục nghiên cứu thành phần phối trộn các phụ gia, dựa trên các thông số thời gian bán hủy, thời gian khuấy trộn và sức căng bề mặt Tại