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

Chất tạo bọtchữa cháy được ứng dụng để dập tắt đám cháy, ngăn cản sự cháy lại trong các vụcháy chất rắn, chất lỏng dễ cháy, hơi khí nén, cháy trạm biến áp, nhà xưởng, tàuthuyền chở nhiên

MỞ ĐẦU

Hỏa hoạn là mối đe dọa lớn với con người Tại Việt Nam, theo thống kê củaCục cảnh sát phòng cháy chữa cháy và cứu nạn cứu hộ, năm 2020 cả nước xảy ra535.4 vụ cháy, làm 89 người chết, bị thương 184 người và thiệt hại tài sản ước tính416,15 tỷ đồng; cháy rừng xảy ra 306 vụ, gây thiệt hại 1.094,15 ha rừng… [1].Những hậu quả thiệt hại về con người và tài sản do cháy nổ gây ra rất lớn Cháy cóthể xảy ra ở bất kì đâu, trong tất cả các lĩnh vực

Nước thường được sử dụng để dập tắt các đám cháy rừng, cháy nhà, cháythuyền bè được làm từ các vật liệu tự nhiên như gỗ, tre nứa, cỏ, lá Ngày nay, nóvẫn là chất chữa cháy chủ yếu với khả năng làm mát tốt và giá thành rẻ [2] Tuynhiên, 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 [3-4] Đám cháy có nguồn gốc từnhiên liệu lỏng có tốc độ cháy nhanh, thời gian dài và bức xạ nhiệt mạnh, có thể dẫnđến thiệt hại nghiêm trọng cho môi trường xung quanh [5-10] Do đó, việc nghiêncứu, chế tạo chất chữa cháy hiệu quả, dập tắt nhanh chóng có ý nghĩa vô cùng quantrọng

Với sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ, bọt chữa cháy đã đượcnghiên cứu thành nhiều loại đáp ứng cho từng mục đích khác nhau Chất tạo bọtchữa cháy được ứng dụng để dập tắt đám cháy, ngăn cản sự cháy lại trong các vụcháy chất rắn, chất lỏng dễ cháy, hơi khí nén, cháy trạm biến áp, nhà xưởng, tàuthuyền chở nhiên liệu [11] Với tính chất dập cháy nhanh, phổ biến nên bọt chữacháy 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 hạnchế, chủ yếu là nhập khẩu Đặc biệt là dòng sản phẩm bọt chữa cháy tạo màng nước(Aqueous film forming foam concentrate – AFFF) và chất tạo bọt chữa cháy tạomàng nước bền rượu (Alcohol resistant - aqueous film forming foam concentrateAR-AFFF) Vì vậy, nghiên cứu chế tạo các sản phẩm bọt chữa cháy đáp ứng nhucầu sử dụng và chủ động sản xuất trong nước là việc làm hết sức cần thiết Các sảnphẩm bọt chữa cháy này là một hỗn hợp phức tạp với thành phần chính là các chấthoạt động bề mặt (HĐBM) hydrocarbon và fluorocarbon Hai dòng chất HĐBM nàyđều có những ưu, nhược điểm riêng Việc nghiên cứu sử dụng phối hợp các chấtHĐBM với các phụ gia để chế tạo bọt chữa cháy hiệu năng cao cần được tiến hành

1

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

Mục đích 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 dụngtrong sản xuất chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước (AFFF) và chất tạo bọt tạomàng 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

Để thực hiện được các mục tiêu trên, các nội dung nghiên cứu cụ thể sau đây đã được triển khai thực hiện:

- Nghiên cứu phân tích, đánh giá, lựa chọn chất hoạt động bề mặt phù hợpvới điều kiện khắc nghiệt của đám cháy (nhiệt độ cao, bức xạ nhiệt mạnh, thời giancháy 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

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về chất tạo bọt chữa cháy

1.1.1 Giới thiệu chung về chất tạo bọt chữa cháy

Bọt chữa cháy là sản phẩm đang được sử dụng phổ biến cho các đám cháychất rắn hoặc nhiên liệu lỏng Nó cũng được dùng trong trường hợp ngăn sự bay hơi

và cháy lại của nhiên liệu cháy (xăng, axeton, metanol, etanol…) [12-15] Trên cơ

sở các số liệu về nhu cầu sử dụng chất tạo bọt chữa cháy, các sản phẩm thường được

sử dụng là:

+ Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước (AFFF): là bọt chữa cháy được chếtạo từ hỗn hợp chất HĐBM hydrocarbon và fluor hóa có khả năng tạo màng nướctrên bề mặt của một số nhiên liệu cháy Sử dụng hiệu quả cho đám cháy chất lỏngkhông phân cực như: xăng, dầu…

+ Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu (AR-AFFF): là bọt chữacháy có độ bền chống phân huỷ khi sử dụng trên bề mặt rượu hoặc dung môi phâncực khác, được sử dụng cho chất cháy hòa tan được với nước

+ Chất tạo bọt chữa cháy sử dụng nước biển: Được sử dụng để chữa cháy cáccông trình trên biển, giàn khoan…

Luận án này tập trung nghiên cứu chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước vàchất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu là hai loại bọt chữa cháy được sửdụng phổ biến ở các nước trên thế giới

Có hai thông số chính để đánh giá đặc tính và hiệu quả của dung dịch bọtchữa cháy là khả năng tạo bọt và độ ổn định của bọt Khả năng tạo bọt được địnhnghĩa là độ nở của dung dịch khi bọt được tạo thành, dựa vào đó có thể chia rathành các loại:

- Chất tạo bọt chữa cháy độ nở thấp: Độ nở từ 1 - 20 lần, sử dụng chủ yếucho các đám cháy với diện tích cháy lớn và không gian cháy mở (ngoài không khí)

Có khả năng lan truyền nhanh, giúp dập nhanh đám cháy Thường sử dụng cho cácthiết bị chữa cháy di động như bình phun bọt chữa cháy, các xe chữa cháy…

- Chất tạo bọt chữa cháy có độ nở trung bình: Độ nở từ 20-200 lần: được sử

dụng nhiều trong các đám cháy ở khu vực kín, không gian cháy trung bình giúp dập cháy nhanh và ngăn cản sự bốc hơi của nhiên liệu cháy

- Chất tạo bọt chữa cháy có độ nở cao: Độ nở lớn hơn 200 lần: được

sử dụng

cho đám cháy có hóa chất: thuốc trừ sâu, tạo lớp phủ lên hóa chất dễ bốc hơi vànhững đám cháy xảy ra trong khu vực kín, với không gian lớn như: trạm sửa chữa,bảo dưỡng máy bay, hầm mỏ, xưởng đóng tàu… có tác dụng bao phủ, lan tỏa nhanhtrong khu vực cháy, ngăn cản sự bốc hơi của nhiên liệu cháy tốt hơn Chất tạo bọt

độ nở cao được sử dụng để chữa cháy ở trên cao và dưới mặt đất [16]

Độ ổn định của bọt chữa cháy được đánh giá qua thời gian bán hủy và cácđặc tính của bọt (như thể tích bọt) thay đổi theo thời gian [17] Do vậy, nó phụ thuộcvào các thay đổi của thể tích và lượng nước tiết ra từ bọt Dung dịch có sức căng bềmặt và độ nhớt thấp hơn thường có khả năng tạo bọt cao hơn [18, 19] Độ ổn địnhbọt phụ thuộc vào các chất HĐBM có trong thành phần chất tạo bọt được biểu diễnnhư hình 1.1 Các chất HĐBM có khả năng cải thiện tính đàn hồi của lớp màngbong bóng vì vậy làm cho bọt bền hơn, tồn tại được lâu hơn [20] Một số nghiêncứu đã chứng minh rằng các hạt nano cũng có tác dụng ổn định bọt do hấp thụ tạigiao diện lỏng và không khí [21]

1.1.2 Chất tạo bọt tạo màng nước

Chất tạo bọt tạo màng nước (AFFF) được nghiên cứu và phát triển từ năm

1960 là chất chữa cháy hiệu quả cao, sử dụng cho các đám cháy là chất lỏng dễ cháykhông tan trong nước như xăng, dầu…[24] Ứng dụng của bọt chữa cháy tạo màngnước trong một số đám cháy thể hiện như hình 1.2

Hình 1.2: Bọt chữa cháy tạo màng nước chữa cháy bể xăng dầu

và trạm xăng dầu [9]

AFFF được sử dụng trong các ứng dụng dân sự trên toàn thế giới, với độ đậmđặc là 1%, 3% hoặc 6% Dung dịch bọt đậm đặc được trộn với nước theo tỷ lệ nhấtđịnh, thực hiện trong một hệ thống phối trộn tạo thành dung dịch bọt nước như sau:

5

Hình 1.3: Dung dịch bọt được tạo từ 6% chất tạo bọt đậm đặc – 94% nước

Việc hạ nồng độ phần trăm chất tạo bọt xuống thấp hơn là cần thiết để tạo rabọt chữa cháy hiệu quả cao Sử dụng chất tạo bọt chữa cháy 3% thay vì bọt 6% cóthể giảm một nửa không gian lưu trữ, bảo quản, như vậy sẽ giảm trọng lượng và chiphí vận tải, trong khi khả năng chữa cháy tương đương nhau

Dung dịch bọt sau khi được phun ra sẽ tạo thành các bọt nhỏ, các bọt này sẽlan truyền nhanh chóng để tạo thành một lớp màng nước nổi trên bề mặt hầu hết cácnhiên liệu hydrocarbon Tính chất lan truyền này có được là do thành phần chất hoạtđộng bề mặt fluor hóa trong AFFF nhờ đặc tính giảm sức căng bề mặt của dungdịch xuống giá trị thấp (15-20 mN/m) Nhờ vậy, dung dịch nước lan rộng nhanhchóng trên bề mặt của chất lỏng hydrocarbon Lớp màng được hình thành này baogồm cả lớp bọt và màng nước Nó có tác dụng ngăn chặn hơi nhiên liệu bốc lên vàngăn cách oxy với hơi nhiên liệu, làm mát và cuối cùng là dập tắt ngọn lửa đượcbiểu diễn như hình 1.4 Đặc tính tạo màng cho thấy ngay khi các bong bóng bọt đãmất thì lớp màng nước được hình thành từ dung dịch bọt vẫn tồn tại bao phủ trên bềmặt chất lỏng hydrocarbon [25] Do đó, việc tìm kiếm các chất HĐBM tập trungvào các yếu tố quan trọng là khả năng làm giảm sức căng bề mặt và tạo màng nướctrên một loại nhiên liệu nhất định

6

Hình 1.4: Hình ảnh mô tả cách tạo màng bọt lan tỏa trên

đám cháy hydrocarbon lỏng [26]

Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước AFFF đậm đặc chủ yếu gồm các chấtHĐBM và các thành phần tăng độ bền của bọt như glycol ether, ethylen hoặcpropylen glycol Sức căng bề mặt giảm xuống giá trị thấp, bọt được ổn định và bềnhơn khi sử dụng phối hợp chất hoạt động bề mặt fluor hóa và chất hoạt động bề mặthydrocarbon Các chất HĐBM fluor hóa được sử dụng trong tất cả trong các côngthức AFFF hiện tại

1.1.3 Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu

Mặc dù AFFF được sử dụng phổ biến cho các đám cháy chất lỏng dễ cháy,tuy nhiên nó lại không có hiệu quả đối với đám cháy của nhiên liệu dễ cháy tantrong nước như: ancol, keton có mạch hydrocarbon thấp và este do bọt dễ bị hoà tan

và bị phân hủy bởi nhiên liệu [27] Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đãnghiên cứu và chế tạo ra sản phẩm chất tạo bọt chữa cháy với tên gọi là bọt chữacháy tạo màng nước bền rượu (kí hiệu AR-AFFF) [28]

Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu điển hình cũng có thànhphần chính tương tự như chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bao gồm: một hoặcnhiều chất hoạt động bề mặt đã được fluor hoá; một hoặc nhiều chất hoạt động bềmặt hydrocarbon; các dung môi như glycol hoặc glycol ete và các tác nhân phụ giakhác như tác nhân tạo phức, đệm pH, các tác nhân chống ăn mòn [29-31] Ngoài

ra, nó còn có thêm thành phần quan trọng giúp chất tạo bọt chữa cháy không bị tantrong các dung môi phân cực đó là polyme tan trong nước Cơ chế dập cháy của bọt

7

chữa cháy tạo màng nước bền rượu cũng tương tự như bọt chữa cháy tạo màng nướcđược biểu diễn như hình 1.5 Tuy nhiên, lớp màng hình thành trên bề mặt nhiên liệucháy ngoài các chất HĐBM còn có polyme Các polyme này kết tủa khi tiếp xúc vớinhiên liệu tan trong nước tạo ra lớp màng bảo vệ giữa nhiên liệu và bọt.

Hình 1.5: Cơ chế dập cháy của bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu

đối với nhiên liệu [29]

Các polyme tan trong nước có trọng lượng phân tử cao thường được sử dụngtrong AR-AFFF là polysaccharid, chẳng hạn như xanthan gum Bọt AR-AFFF cóhiệu quả trên cả nhiên liệu hydrocarbon và nhiên liệu hòa tan trong nước Để tạothành chất tạo bọt đậm đặc AR-AFFF hiệu quả cần sử dụng nồng độ xanthan gumcao Tuy nhiên, xanthan gum là một chất có độ nhớt cao điều này gây khó khăntrong quá trình phun bọt qua vòi phun và làm giảm khả năng tạo bọt của dung dịch

Do vậy, việc sử dụng thêm một số chất hoạt động bề mặt fluoropolyme có hiệu quảgiống như xanthan gum, nhưng với độ tăng độ nhớt thấp hơn cũng đã được nghiêncứu

1.2 Thành phần của chất tạo bọt chữa cháy

Qua nghiên cứu các tài liệu tham khảo [32, 33], chất tạo bọt chữa cháy thànhphần thường gồm chất hoạt động bề mặt hydrocarbon; chất hoạt động bề mặt fluorhóa; chất trợ hoạt động bề mặt và các chất phụ gia Tỉ lệ thành phần chi tiết của chấttạo bọt chữa cháy AFFF và AR-AFFF được trình bày như trong bảng 1.1 và 1.2

8

Bảng 1.1: Công thức lõi của chất tạo bọt tạo màng nước [34]

Chất chống đông

+ Nhiệt độ môi trường

+ Loại đám cháy

+ Mức độ tạo bọt

+ Hình thức của sản phẩm (1%, 3% ) và các yếu tố khác

Chất HĐBM dùng trong bọt chữa cháy phải đáp ứng được các yêu cầu sau:

- Giảm sức căng bề mặt xuống ở nồng độ thấp và duy trì giá trị này trong khoảng thời gian yêu cầu;

-Thân thiện hoặc không ảnh hưởng nhiều đến môi trường

Thông số quan trọng để xác định chất HĐBM hiệu quả hay không là dựa vàoviệc giảm sức căng bề mặt và nồng độ mixen tới hạn (CMC) Trong ứng dụng chữacháy, các đặc tính như khả năng tạo bọt, độ ổn định của bọt và sự lan truyền đều cóliên quan đến việc giảm sức căng bề mặt Việc sử dụng chất HĐBM tại các CMC sẽmang lại hiệu suất tạo bọt tốt hơn [22, 35]

1.2.1.1 Chất hoạt động bề mặt hydrocarbon

Chất HĐBM hydrocarbon là chất có khả năng hấp phụ hoặc tập trung tại giaodiện lỏng - lỏng ở nồng độ loãng trong dung dịch và làm giảm sức căng bề mặt Cấutrúc của chất HĐBM bao gồm phần hydrocarbon không phân cực gọi là phần kỵnước và phần phân cực gọi là phần ưa nước Một chất HĐBM điển hình có trọnglượng phân tử thấp, phần phân cực gọi là “đầu” của phân tử và phần hydrocarbonkhông phân cực gọi là “đuôi” Một số đuôi kỵ nước và đầu ưa nước thường có trongcông thức chất HĐBM được trình bày trong bảng 1.3 Chất HĐBM được phân thành

4 loại theo cấu trúc hóa học của nhóm ưa nước bao gồm anion, nonion, cation vàlưỡng tính Tất cả các loại chất HĐBM này đều có thể sử dụng để chế tạo bọt

10

chữa cháy tùy thuộc vào yêu cầu, chức năng của từng loại bọt.

Bảng 1.3: Một số đuôi kỵ nước và đầu ưa nước quan trọng của chất HĐBM [36]

đa chưa đạt được Sử dụng chất HĐBM cao hơn CMC gây lãng phí, vì khi đã đạtđến CMC dù thêm chất HĐBM cũng không làm giảm sức căng bề mặt Do đó, khi

sử dụng chất HĐBM hydrocarbon cần quan tâm đến CMC của nó và cần xây dựngcông thức chất tạo bọt đậm đặc phù hợp

Các phân tử chất HĐBM trao đổi bên trong và bên ngoài mixen, chúng gắnkết với nhau và tách khỏi bề mặt không khí/nước Khi giao diện không khí/nướcđược tạo thành hoặc khi bọt được hình thành hoặc lớp bọt bao phủ bị xáo trộn, cácmixen sẽ hoạt động như nơi chứa nước và cung cấp chất HĐBM để tạo thành giaodiện mới Nếu mixen ổn định thì bọt cũng ổn định Ngoài tác dụng trên, các nghiêncứu đã chỉ ra rằng cấu trúc mixen trong bọt giúp tăng tính ổn định của bọt bằng cáchbảo vệ lớp màng bọt hình thành [37-39] Các chất HĐBM có khả năng tan trongnước cao thường được sử dụng

Các chất HĐBM thường được sử dụng trong bọt chữa cháy [40-43]

 Chất HĐBM họ sulfonat

R-SO3MTrong đó: R: nhóm alkyl (dạng mạch thẳng hay mạch phân nhánh)

M: Na+, NH4+

11

Chất HĐBM họ sulfonat ít chịu ảnh hưởng của pH môi trường, liên kết C–S

có độ bền khá cao đối với phản ứng thuỷ phân, chúng tương tác kém với ion Ca2+,

Mg2+ (trong nước cứng) nên ít tạo kết tủa hơn so với các chất HĐBM carboxylat.Tuy nhiên, chất HĐBM họ sulfonat lại kém hơn so với một số chất HĐBM khácnhư alcohol sulfat, nonion Đây là họ chất HĐBM bền nhiệt (nhiệt độ phân hủy >350°C), bao gồm các loại sau :

- Linear alkyl benzen sulfonat (LAS)

R: alkyl (mạch thẳng hoặc mạch nhánh C10 ÷ C18) ở vị trí ortho, meta hoặcpara so với nhóm –SO3M LAS có thể giảm sức căng bề mặt xuống giá trị thấp tùythuộc vào cấu trúc mạch alkyl

- Olefin sulfonat (AOS)

Chất HĐBM có mạch hydrocarbon thẳng, bền nhiệt, tan tốt trong nước, cókhả năng chịu được độ cứng của nước cao hơn LAS và giảm sức căng bề mặt xuốnggiá trị thấp AOS có khả năng tạo bọt do có mạch hydrocarbon thẳng và dễ phân hủysinh học hơn các chất có mạch nhánh hay vòng thơm

- Ethoxylat sulfonat

Là họ chất HĐBM sử dụng thích hợp trong các điều kiện nhiệt độ cao

 Chất HĐBM họ sulfat

R – O –SO3MChất HĐBM họ sulfat tan tốt hơn nhưng kém bền nhiệt hơn so với họsulfonat do nhóm sulfat tan nhiều trong nước hơn nhóm sulfonat (có hơn mộtnguyên tử oxy trong phân tử) và liên kết C-O-S trong sulfat dễ bị thủy phân hơn liênkết C-S trong sulfonat Ưu điểm chung của chất HĐBM alkyl ethoxylat haypropoxylat có gắn nhóm anion như sulfat, sulfonat là sự kết hợp nhiều nhóm kỵnước và ưa nước hoạt động hiệu quả khi sử dụng

 Chất HĐBM ethoxylat alcohol

Là chất HĐBM nonion, tan mạnh trong nước Tính ưa nước của chúng được quyết định bởi liên kết hydro của nước với nhóm ethoxylat Càng nhiều nguyên tử

12

oxy thì càng làm tăng tính tan trong nước của chất hoạt động bề mặt này hi tăngnhiệt độ, ethoxylat alcohol trở nên kém tan trong nước hơn do sự hydrat hóa nhómethoxylat giảm và sự tăng kích thước của mixen Tính HĐBM của chúng không bịảnh hưởng bởi các ion có trong nước cứng Tuy nhiên độ tan của chúng tăng lên khi

có mặt HCl và ion Ca2+ Nồng độ chất điện ly cao, đặc biệt ion Na+ lại làm giảm độtan do hiệu ứng đẩy của muối Ethoxylat alcohol có thể tạo ra hiệu ứng hợp trội khiphối trộn chung với chất hoạt động bề mặt anion

1.2.1.2 Chất hoạt động bề mặt fluor hóa

Chất HĐBM fluor hóa là thành phần quan trọng trong nghiên cứu chế tạochất tạo bọt chữa cháy, nó còn được gọi là “chất siêu hoạt động bề mặt” do khả năngkhả năng làm giảm sức căng bề mặt của nước xuống thấp hơn so với sử dụng chấtHĐBM hydrocarbon [44-46] Cũng giống như chất HĐBM hydrocarbon, chấtHĐBM fluor hóa được phân ra thành các loại: anion, cation, nonion và lưỡng tínhdựa trên cấu trúc hóa học của nhóm ưa nước Ngoài ra, chất HĐBM fluor hóa cũng

có những khác biệt so với chất HĐBM hydrocarbon Mặc dù nhóm đầu phân cựccủa chất fluor hóa và hydrocarbon có thể giống nhau, nhưng phần đuôi không phâncực của chất fluor hóa có cả tính chất kỵ nước và kỵ dầu, trong khi chất HĐBMhydrocarbon chỉ có tính kỵ nước [47] Do vậy, chất fluor hóa thể hiện cả đặc tính kỵnước và kỵ dầu trong các ứng dụng chữa cháy giúp nâng cao tính hiệu quả củachúng Mặt khác, các chất HĐBM fluor hóa còn giúp tăng độ bền bọt, chống bị hòatan trong nước và chất lỏng không phân cực như nhiên liệu hydrocarbon (hình 1.6)

Hình 1.6: Bọt chứa chất HĐBM fluor hóa trên bề mặt nhiên liệu [48]

13

Chất HĐBM fluor hóa còn có hoạt tính bề mặt lớn hơn so với chất HĐBM

hydrocarbon tương tự do fluor có độ phân cực thấp hơn hydro dẫn tới tương tác

giữa các chuỗi fluor hóa và lực hút liên phân tử thấp Vì vậy, các chất HĐBM fluor

hóa có xu hướng tập hợp trên bề mặt phân cách không khí và nước lớn giúp giảm

sức căng bề mặt tốt hơn Việc kết hợp các thành phần với chất HĐBM fluor hóa

trong AFFF sẽ làm tăng hệ số lan truyền trên bề mặt nhiên liệu hydrocarbon, do đó

chữa cháy hiệu quả hơn [49-52] Một số chất hoạt động fluor hóa thường được sử

dụng để chế tạo chất tạo bọt chữa cháy được trình bày trong bảng 1.4

Bảng 1.4: Chất hoạt động fluor hóa sử dụng trong chế tạo

chất tạo bọt chữa cháy [34]

14

Mặc dù chất HĐBM fluor hóa có nhiều tính chất bề mặt hữu ích và đóng vaitrò quan trọng trong nhiều ứng dụng, tuy nhiên chúng không thân thiện với môitrường Nghiên cứu [53-55] đã chứng minh mối nguy hiểm của các chất HĐBMfluor hóa với môi trường do chứa perfluorooctan carboxylat (-C7F15COO-) vàperfluorooctan sulfonat (-C8F17SO3-) [56, 57] Những chất này cực kỳ bền trongmôi trường, không bị thủy phân, không phân hủy sinh học Từ năm 2006, PFOS bịcấm sử dụng ở các nước Liên minh Châu Âu [58] do độc tính và khả năng tích tụsinh học của nó và từ năm 2009 PFOS được Quốc tế phân loại vào nhóm chất gây ônhiễm hữu cơ bền vững (POP) [59] Sau đó PFOS đã được thay thế bằngpolyfluorinated (PFC), tuy nhiên hợp chất này cũng không được chấp nhận vì nókhó phân hủy và ảnh hưởng đến môi trường Để cải thiện khả năng phân hủy sinhhọc và giảm độc tính của các chất HĐBM fluor hóa, trong luận án sử dụng chấtfluor hóa có số nguyên tử C trong gốc perfluorinat từ C8-C10 xuống còn C4-C6được chứng minh là an toàn với môi trường, phối hợp với các chất HĐBMhydrocarbon giảm bớt hàm lượng chất fluor hóa trong công thức bọt.

1.2.2.2 Polyme bền rượu

Thường là các polyme tan trong nước, các polyme này có thể kết tủa khi tiếpxúc với nhiên liệu tan trong nước tạo ra lớp màng bảo vệ giữa nhiên liệu và bọt.Polyme có trong thành phần chất tạo bọt chữa cháy giúp ngăn chặn bọt vỡ ra trênnhiên liệu phân cực và kéo dài thời gian tiết nước Các polyme thường dùng baogồm: Diutan gum, Xanthan gum, Guar gum;

- Xanthan gum

Là một polysaccharid, ở dạng bột màu trắng hoặc kem, có khả năng tan trong

15

nước, không hòa tan trong các dung môi hữu cơ Khối lượng phân tử ≈ 2.000.000.

Độ nhớt của dung dịch 1% là 1500Cp ở 25°C

- Diutan gum

Diutan gum là một polysaccharid ngoại bào, có cấu trúc mạch thẳng với sựlặp lại của các tetrasaccharid, có khối lượng phân tử ≈ 500.000 Diutan gum thươngmại dạng bột màu trắng, tan trong nước tạo gel, không tan trong ethanol

Các polyme polysaccharide được sử dụng để làm tăng độ nhớt và thời giantiết nước [60, 61]

+ Muối (NaCl) có thể được thêm vào để bảo vệ chất HĐBM anion tại bề mặtgiao diện không khí/nước và làm các nhóm acid khác yếu đi chẳng hạn như

1.2.4 Ứng dụng một số hợp chất chứa silic trong bọt chữa cháy

Ngày nay, vật liệu có kích thước nano đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học do những tính chất vật lý và hóa học đặc biệt cũng như những ứng

16

dụng tiềm năng trong nhiều lĩnh vực công nghệ (hóa học, luyện kim, gốm sứ, ydược, lý sinh học, y sinh học, ) Trong đó, có nhiều công trình nghiên cứu về hạtnano chứa silic ứng dụng trong lĩnh vực phòng cháy chữa cháy [33, 48, 57, 59].

Khả năng hấp phụ các hạt nano trên giao diện lỏng-lỏng (dầu/nước) và lỏng (không khí/nước) đã được nghiên cứu Trong nhiều trường hợp, các hạt nano

khí-có vai trò giống như các chất HĐBM khi được hấp phụ trên các giao diện này Tính

ưa dầu hoặc ưa nước của các hạt nano có thể được xác định thông qua tính dính ướtcủa chúng qua bằng cách đo góc tiếp xúc với giao diện lỏng-lỏng Sự khác biệt quantrọng giữa chất HĐBM và các hạt nano là các hạt nano có khả năng hấp phụ mạnhhơn trên bề mặt giao diện

Gần đây, nhiều công trình nghiên cứu và ứng dụng hạt nano SiO2

(Polysilicon Nanoparticle - PN) trong bọt chữa cháy được tiến hành với nhiều kếtquả khả quan Trong đó, nghiên cứu lớp vật liệu sol-gel, với tính chất chữa cháy độcđáo ngày càng được quan tâm Vật liệu hỗn hợp sol-gel từ lâu được biết đến là chấthấp phụ vật liệu hữu cơ như polyme, thuốc nhuộm, phân tử sinh học…[62].Mesoporous silica được sử dụng trong các trường hợp này do khả năng giữ nguyêncấu trúc sau khi xử lý với nhiệt [63-66] và thường ở dạng xốp (có vô số các khoangrỗng li ti bên trong) Chúng mang lại nhiều lợi ích hơn so với các polyme tổ hợp docác hạt nano silica có thể dễ dàng tách khỏi nhau, tương tác với các chất HĐBM,không độc hại và có thể phân hủy sinh học Quá trình hình thành bọt nano silicatrong vòi phun được trình bày như hình 1.7

Hình 1.7 Quá trình hình thành bọt silica [95]

Các chất HĐBM fluor hóa và dẫn xuất siloxan đều là những chất có khả nănggiảm sức căng bề mặt của dung dịch xuống giá trị thấp Tuy nhiên, khi chất HĐBMfluor hóa mạch dài bị cấm sử dụng do ảnh hưởng xấu đến môi trường nên

17

siloxan được xác định là hợp chất tiềm năng sử dụng trong công thức AFFF và đượclựa chọn làm đối tượng nghiên cứu của luận án Kết quả nghiên cứu [47] trình bàytrong bảng 1.5 cho thấy, chất HĐBM siloxan làm giảm sức căng bề mặt của nướcxuống giá trị thấp (20 mN/m), chỉ đứng sau chất fluor hóa (15 mN/m) và tốt hơn cácchất HĐBM hydrocarbon (28 mN/m) Hệ số lan truyền của siloxan đạt giá trị dương(5 mN/m), do đó, nó có khả năng nổi lên và lan truyền trên bề mặt nhiên liệu lỏng.

Vì vậy, siloxan có thể phù hợp cho công thức bọt chữa cháy

Bảng 1.5: Sức căng bề mặt nhỏ nhất và hệ số lan truyền của các dung dịch

Nước tinh khiết

Tác động sinh học của siloxan thấp hơn so với chất HĐBM fluor hóa bởiphần kỵ nước của siloxan không chứa các liên kết C-F bền vững và không phân hủysinh học Trong chất HĐBM siloxan nhóm siloxan cùng tên tạo thành phần kỵ nước.Nhóm này chủ yếu gồm các liên kết silicon-methyl và silicon-oxy Các liên kết này

dễ bị phân hủy trong tự nhiên như liên kết silicon-oxy có thể bị thủy phân bởi nước

và các vi sinh vật tạo thành các sản phẩm hữu cơ trong tự nhiên [47]

Nhiều cơ chế được đề xuất để giải thích sự ổn định của bọt chứa hỗn hợp cácchất HĐBM và hạt nano silica [67]; các cơ chế đó bao gồm năng lượng gắn kết hạt[68], áp suất mao quản cực đại của kết tụ [69, 70], sự sắp xếp hạt trên lớp màng vàvùng khoảng cách giữa các bong bóng bọt [71], và tương tác phân tử [72] Binks vàcộng sự đề xuất rằng các hạt nano silica được hấp phụ vào bề mặt phân cách khôngkhí/chất lỏng Quá trình này là không thể đảo ngược [73, 74] do năng lượng (E) cầnthiết để đẩy các hạt nano silica khỏi bề mặt phân cách không khí/lỏng rất cao Nănglượng E phụ thuộc vào góc tiếp xúc được hình thành khi hạt nano silica hấp phụ trên

bề mặt phân cách không khí/chất lỏng Năng lượng gắn/tách rời có thể được tínhnhư sau:

18

E = πR2 σaw (1 ± cos θ)2Trong đó R là bán kính hạt, θ là góc tiếp xúc, và σaw là sức căng bề mặtkhông khí/chất lỏng Tuy nhiên, Vatanparast và các cộng sự đã chứng minh đượccác nano silica ưa nước không có xu hướng hấp phụ tại bề mặt phân cách khôngkhí/chất lỏng [109] Việc bổ sung các chất HĐBM, đặc biệt là chất fluor hóa giúplàm giảm sức căng bề mặt của hỗn hợp Phương trình trên cho thấy việc thêm chấtHĐBM dẫn đến kết quả E thấp Do đó, sự thay đổi độ ổn định của bọt do thêm cáchạt nano silica không thể được giải thích bằng cơ chế năng lượng gắn hạt.

Một cơ chế khác cũng được đề xuất để giải thích sự ổn định màng của bọtchứa các hạt nano silica là tương tác phân tử Carn và cộng sự chỉ ra rằng sự hìnhthành các hạt mixen do tương tác giữa các hạt nano silica và chất HĐBM cation làmtăng độ nhớt màng lỏng Do đó, làm giảm tốc độ thoát nước và tăng cường độ ổnđịnh của bọt [72] Nguyen và Schulze [76]; Kim và cộng sự [77] cho rằng các phân

tử chất HĐBM có thể được hấp phụ lên bề mặt của các nano silica để tạo thành mộtlớp đơn phân tử, giúp tăng cường tính kỵ nước của các hạt nano silica và làm chochúng hoạt động tốt hơn trên bề mặt Do đó, các hạt nano này có thể bị hấp phụmạnh tại bề mặt phân cách không khí/chất lỏng và làm ổn định các bong bóng Tuynhiên, các kết quả này chỉ chứng minh được sự tương tác giữa các hạt nano silica vàchất HĐBM làm tăng tốc độ thoát nước của bọt và đóng cặn khi ở nồng độ thấp Do

đó, việc tăng độ ổn định của bọt không thể do tương tác phân tử

Một số nghiên cứu cho thấy hạt nano silica có xu hướng hình thành các cấutrúc phân lớp trong màng nước mỏng, dẫn đến sự chậm vỡ của các bong bóng bọt[78-80] Singh và cộng sự thông qua kính hiển vi phát hiện ra rằng các hạt nanosilica tồn tại ở vùng không gian khoảng cách giữa các bong bóng bọt và làm chậmquá trình thoát nước bọt [74] Các cơ chế giải thích tính ổn định và bền bọt của bọtchữa cháy có thành phần nano silica cũng được đề xuất trong một số nghiên cứutương tự [72, 79]

1.3 Vai trò và nguyên lý dập cháy của bọt chữa cháy

1.3.1 Nguyên nhân hình thành đám cháy chất lỏng

Quá trình cháy là những quá trình lý – hóa học phức tạp của phản ứng giữachất cháy và chất oxy hóa tạo thành sản phẩm cháy, tỏa nhiệt và phát sáng Để đámcháy có thể xảy ra, phải hội tụ đủ ba yếu tố: chất cháy, oxy và nguồn nhiệt Trong

19

đó chất cháy dạng lỏng ở đây là nhiên liệu: xăng dầu, dung môi hữu cơ [81] Khi hội tụ đủ ba yếu tố cần thiết nói trên, sự cháy sẽ xảy ra với điều kiện:

+ Thứ nhất: nồng độ của chất cháy và chất oxy hóa ở trong phạm vi nồng độ bốc cháy

+ Thứ hai: nguồn nhiệt phải đáp ứng yêu cầu nung nóng được hỗn hợp chấtcháy và chất oxy hóa – hỗn hợp cháy tới một nhiệt độ nhất định là nhiệt độ tự bốccháy của hỗn hợp Sự cháy được mô tả bằng mô hình 1.8

Hình 1.8: Mô hình cháy kiểu tam giác [34]

Từ mô hình nhận thấy, khi nhiên liệu cháy được cung cấp một nguồn nhiệtnhất định thì nhiên liệu sẽ được nung nóng và bốc hơi, hơi nhiên liệu kết hợp với O2

có trong không khí với vai trò là chất oxy hóa sẽ tạo thành hỗn hợp chất cháy, đámcháy sẽ xảy ra khi hỗn hợp được cấp nhiệt đến nhiệt độ cháy Quá trình cháy là phảnứng oxy hóa giữa chất cháy và O2 sẽ tạo ra nhiệt lượng lớn tiếp tục cấp nhiệt choquá trình bốc cháy của nhiên liệu cho đến khi hết nhiên liệu

1.3.2 Nguyên lý dập cháy của bọt chữa cháy

Không giống như các chất chữa cháy thông thường, chất tạo bọt chữa cháyđóng vai trò làm mát bề mặt nhiên liệu cháy, hạn chế nguồn cấp oxy thông qua sựbốc hơi của nước do nhiệt độ cao của đám cháy [82-84] Chất tạo bọt chữa cháyđược sử dụng cho các đám cháy chất rắn hoặc các vật liệu lỏng dễ cháy giúp dập tắt

và ngăn chặn sự cháy lại Một tính năng quan trọng của hầu hết các bọt chữa cháy làkhả năng lan truyền, bao phủ một cách tự nhiên trên bề mặt của vật liệu cháy, tạo

20

thành một lớp màng hơi ngăn chặn sự tiếp xúc của vật liệu cháy với oxy trong môitrường bên ngoài [85-87] Khả năng này có được là do các loại chất HĐBM đượcfluor hóa Chất tạo bọt được sử dụng cho đám cháy chất lỏng không phân cực nhưxăng, dầu… Một số bọt chữa cháy có độ bền tốt khi sử dụng trên bề mặt rượu hoặcdung môi phân cực [88] Ngoài ra, chất tạo bọt chữa cháy cũng được sử dụng trongtrường hợp dò rỉ hóa chất dễ bay hơi giúp ngăn chặn sự bốc hơi của vật liệu cháy(xăng, axeton, metanol, etanol…) và các hóa chất bay hơi độc hại, giúp khắc phục

sự cố hóa chất nhanh chóng và an toàn [89-91]

Dung dịch chất tạo bọt được kết hợp với nước và không khí theo tỷ lệ phốitrộn tùy thuộc vào chủng loại bọt và thiết bị công nghệ phun để tạo bọt Sự đảo trộn

cơ học là một yếu tố cơ bản cho quá trình tạo thành bọt chữa cháy theo hai hướngsau:

+ Sản phẩm chất tạo bọt đậm đặc phải được trộn với nước để hình thành ra dung dịch tạo bọt đồng nhất;

+ Dung dịch tạo bọt phải được kết hợp với không khí với một tỉ lệ trộnhợp

lý để tạo ra sản phẩm bọt chữa cháy cuối cùng theo công thức:

Sản phẩm bọt đậm đặc + Nước + Phối trộn = Dung dịch bọtDung dịch bọt + Không khí + Phối trộn = Sản phẩm bọt chữa cháy cuối cùng

Hình 1.9 Mô tả quá trình hình thành bọt chữa cháy [92]

Các bước phối trộn chất tạo bọt chữa cháy:

- Bước đầu tiên: pha loãng sản phẩm bọt đậm đặc với nước theo một tỷ lệphần trăm cụ thể, tỷ lệ pha loãng đặc trưng cho một sản phẩm bọt được đưa ra khi

sử dụng trong một ứng dụng cụ thể, thông thường tỷ lệ này là 6%, 3%, hoặc 1%

Xu hướng ngày nay là phát triển các sản phẩm chất tạo bọt có tỷ lệ thấp tạo điềukiện thuận lợi trong việc vận chuyển và bảo quản sản phẩm.

- Bước thứ hai: phối trộn dung dịch bọt thu được ở trên với không khí (hútkhông khí) để tạo thành sản phẩm bọt chữa cháy cuối cùng

Các yếu tố như bảo quản, tỷ lệ và khả năng pha trộn của bọt đậm đặc với cácnguồn nước sẵn có, phương thức trộn không khí vào bọt và phun lên bề mặt nhiênliệu là những yếu tố quan trọng đối với một sản phẩm chất tạo bọt Sự hiểu biết cơbản về các tính chất vật lý và hóa học của bọt chữa cháy là rất cần thiết để cung cấpsản phẩm đáng tin cậy và có hiệu quả cao với chi phí hợp lý

Bọt chữa cháy phá vỡ các chuỗi phản ứng cháy bằng cách ngăn cản sự tiếpxúc của nhiên liệu lỏng với sức nóng của ngọn lửa (hoặc các nguồn bắt lửa khác),

sự bay hơi của nhiên liệu và không khí tiếp xúc với bề mặt nhiên liệu lỏng Dungdịch chất tạo bọt chữa cháy dập tắt đám cháy do màng nước được hình thành saukhi phun ra, các bọt này lan toả nhanh chóng tạo thành một lớp màng nổi trên bềmặt hầu hết các nguyên liệu hydrocarbon ngăn chặn hơi nhiên liệu bốc lên và ngăncách oxy với hơi nhiên liệu Lớp bọt hình thành bên trên lớp màng có tác dụng cungcấp bổ sung nước cho lớp màng được bền theo thời gian đồng thời ngăn cách oxykhỏi đám cháy và ngăn ngừa ngọn lửa bắt cháy lại

1.4 Tình hình nghiên cứu chất tạo bọt chữa cháy trên thế giới và Việt Nam

1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Nhờ một số đặc tính độc đáo, chất hoạt động bề mặt perfluor được sử dụngrộng rãi ở Châu Âu và Hoa ỳ kể từ những năm 60-70 của thế kỉ 20 Do hiệu quảchữa cháy cao đối với cả chất rắn và chất lỏng phân cực dễ cháy nên chất tạo bọtchữa cháy này được sản xuất và sử dụng phổ biến ở nhiều nước, nhất là các nướcđang phát triển Tuy nhiên, sau quá trình chữa cháy các tác nhân này bị hấp thụ gầnnhư hoàn toàn vào trong đất và nước mặt Những chất này cực kỳ bền trong môitrường, không bị thủy phân, không phân hủy sinh học Ví dụ điển hình nhất là hợpchất HĐBM perfluorooctylsulfonat (PFOS) được sử dụng rộng rãi trong AFFF chođến năm 2005 Từ năm 2006, PFOS bị cấm sử dụng ở Liên minh Châu Âu do độctính và khả năng tích tụ sinh học của nó và đến năm 2009, quốc tế phân loại PFOSvào nhóm chất gây ô nhiễm hữu cơ bền vững (POP) Sau đó PFOS được thay thếbằng polyfluorinat (PFC), tuy nhiên hợp chất này cũng không được chấp nhận vì nó

22

khó phân hủy và ảnh hưởng đến môi trường Để cải thiện khả năng phân hủy sinhhọc và giảm độc tính của các chất HĐBM prefluor trong chất tạo bọt, trong suốtthập kỷ qua các nhà nghiên cứu đã có những cải tiến như [93]: 1) Khóa nhómsulfonat bằng các mảnh amidobetain; 2) Giảm số lượng nguyên tử C trong gốcperfluorinat từ C8-C10 xuống còn C4-C6; 3) ết hợp các nhánh hydrocarbon (-

CH2-)n thành chất hoạt động bề mặt perfluor

Các chất HĐBM fluor hóa được sử dụng trong AFFF được thực hiện theoquy trình telom hóa sạch hơn và không phân hủy thành các mảnh PFOS hoặcPFOA Việc sử dụng các chất hóa học perfluoroalkyl C6 cho tất cả các chất HĐBMfluor hóa của AFFF là một thách thức lớn và cần phải tìm ra các giải pháp hiệu quảnâng cao hiệu suất, cải thiện chất tạo bọt chữa cháy

Năm 2015 R H Hetzer và cộng sự thuộc Viện nghiên cứu Bundeswehr đãnghiên cứu chế tạo chất tạo bọt AFFF trên cơ sở chất HĐBM siloxan ết quả nghiêncứu trình bày trong bảng 1.6 cho thấy chất tạo bọt mới này có khả năng dập tắt đámcháy trong 131 giây và chống cháy lại là 442 giây tốt hơn so với mẫu trắng và chấttạo bọt lớp B Mặc dù khả năng dập cháy và chống cháy lại kém hơn so với AFFFtuy nhiên đây là bọt chữa cháy không chứa chất HĐBM fluor hóa, do đó nó thânthiện và an toàn với môi trường Mặt khác, trong thành phần của mẫu bọt chứasiloxan mang đi thử nghiệm chưa có các chất ổn định bọt và các thành phần phụ giakhác, do đó đây chưa phải là kết quả tối ưu Trên thực tế, có nhiều chất phụ gia quantrọng trong AFFF, vai trò và tác dụng của các chất phụ gia đối với tính chất củaAFFF chưa được nghiên cứu nhiều [93]

Bảng 1.6: So sánh thời gian dập tắt của chất tạo bọt siloxan

và chất tạo bọt thương mại [93]

Chất

siloxanmới

2 Mẫu

trắng3

AFFF4

5

Chất

lớp B7

Năm 2016, Đại học ITMO phối hợp với công ty SOPOT (Nga) chế tạo ramột bọt chữa cháy dựa trên các hạt nano silica vô cơ ết quả cho thấy loại bọt chữacháy này có khả năng tạo bọt nhanh và bền ở nhiệt độ cao, cải thiện khả năng chữacháy và ổn định cơ học hi phun bọt chữa cháy vào đám cháy, các hạt nano silica tạo

ra một mạng lưới polyme bám chặt vào vật thể đang cháy và làm mát bề mặt củachúng, giảm nhiệt độ bốc hơi của nhiên liệu Màng polyme này có thể chịu đượcnhiệt độ trên 1000°C [94]

Năm 2016, tác giả A V Vinogradov và cộng sự [95] chế tạo thành công bọtlai silica mới có tính chất chữa cháy độc đáo Sự hình thành các hạt sol-gel trongquá trình tạo bọt của dòng chất lỏng với sức căng bề mặt thấp dẫn đến trạng thái bapha bao gồm các chất HĐBM và nano silica đã thúc đẩy quá trình dập cháy hiệu quảhơn Nghiên cứu cho thấy hầu hết chất tạo bọt đang sử dụng được làm từ vật liệuhữu cơ và có hiệu quả dập cháy giảm dần khi nhiệt độ tiếp cận 300oC Trong khi bọtchữa cháy mới tạo ra một lớp màng cứng và nhớt trên bề mặt vật liệu Lớp màngnày không chỉ giúp ngăn cách nhiên liệu cháy với lửa, mà còn bảo vệ các vật liệukhỏi sự cháy lại ết quả cũng cho thấy chất tạo bọt sol – gel có khả năng dập cháyhiệu quả gấp 50 lần so với nước thông thường và gấp 15 lần so với các chất dậpcháy tốt nhất hiện có

24

Hình 1.10: Cơ chế hóa học cho sự hình thành bọt silica

Năm 2020, Youjie Sheng và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu về bọt chữacháy thân thiện với môi trường dựa trên hỗn hợp các chất HĐBM hydrocarbon vàsilicon ết quả cho thấy sức căng bề mặt của dung dịch bọt không có fluor thấp hơnAFFF và không hình thành màng nước trên bề mặt cyclohexane, mặc dù hệ số lantruyền dương Bọt không chứa fluor có độ ổn định cao hơn nhưng tính lan truyềnkém hơn so với AFFF truyền thống Thử nghiệm với quy mô nhỏ, hiệu suất chữacháy và thời gian bán hủy của bọt không chứa fluor đáp ứng các yêu cầu của tiêuchuẩn GB15308-2006 Bọt chứa OFX-5211 cho hiệu quả chữa cháy và chống cháylại tốt hơn AFFF Bọt chứa Silok-2235 và Tegopren-6950 có hiệu suất chữa cháy tốthơn nhưng thời gian chống cháy lại kém hơn AFFF [96]

Hình 1.11 Thử nghiệm bọt chữa cháy có chứa Silok-2235 [96]

25

Từ các kết quả thu được nhóm tác giả đã đưa ra cơ chế chữa cháy và phânhủy bọt của bọt chữa cháy có chứa thành phần silicon như sau: Cơ chế chữa cháycủa AFFF truyền thống là tạo lớp màng nước cách nhiệt giữa nhiên liệu lỏng vớioxy, như mô tả trong hình 1.12.

Hình 1.12 So sánh cơ chế chữa cháy của bọt chứa silicon và bọt AFFF [96]

A: Bọt AFFFB: Bọt chứa siliconTrong quá trình chữa cháy của AFFF, một lớp màng nước trên bề mặt nhiênliệu lỏng được tạo thành Điều này được giải thích do AFFF có chứa chất HĐBMfluorocarbon làm giảm sức căng bề mặt của dung dịch xuống giá trị rất thấp hi lớpmàng nước phủ kín trên bề mặt nhiên liệu, chất lỏng từ bọt tiết ra quá nhiều sẽ bịchìm xuống đáy khay do giới hạn của sự lan truyền dẫn đến độ bền của lớp bọt giảmdần Đối với các bọt có chứa silicon, cơ chế chữa cháy khác với AFFF và được giảithích tại hình 1.14 Chất lỏng tiết ra từ bọt trong quá trình chữa cháy rất ít do tính ổnđịnh cao được tạo nên bởi sự có mặt của chất HĐBM hydrocarbon và một số thànhphần chất ổn định bọt Bọt có khả năng lan truyền nhanh chóng trên bề mặt nhiênliệu do tính chất của silicon Với khả năng lan truyền nhanh và bao phủ toàn bộkhay nhiên liệu đang cháy, dẫn đến việc ngọn lửa được dập tắt nhanh chóng Do đó

có thể thấy bọt không chứa fluor có thể dập tắt đám cháy của nhiên liệu một cáchhiệu quả Kết quả nghiên cứu cho thấy hỗn hợp các chất HĐBM hydrocarbon vàsilicon hứa hẹn được sử dụng rộng rãi để phát triển bọt chữa cháy thế hệ mới thânthiện với môi trường

1.4.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

Ở Việt Nam đã có một số công trình nghiên cứu về vật liệu chống cháy,

trong đó có công trình được đưa vào ứng dụng thực tế Tuy nhiên, đối với chất tạo

26

bọt chữa cháy, đặc biệt là các dòng sản phẩm chất lượng cao như chất tạo bọt chữacháy tạo màng nước, chất tạo bọt chữa cháy bền rượu… có ít công trình nghiên cứumột cách chuyên sâu và đầy đủ để tạo ra sản phẩm tiên tiến, bắt kịp xu thế chungcủa thế giới.

Năm 1992, Trần Văn Tân và cộng sự nghiên cứu thành công quy trình sảnxuất chất tạo bọt chữa cháy hòa không khí 6% (chất tạo bọt chữa cháy xăng dầu độ

nở thấp, thành phần chứa chất HĐBM hydrocarbon) sử dụng nước ngọt để chữacháy các đám cháy nhóm A và nhóm B Các sản phẩm này có chất lượng tươngđương với chất tạo bọt chữa cháy PO1 của Liên Xô Năm 2006, Cảnh sát Phòngcháy chữa cháy Công an tỉnh Hà Tây đã sử dụng chất tạo bọt chữa cháy hoà khôngkhí 6% này để dập cháy thành công 1 xe chở gas bị cháy, trước đó đã dùng nước,bình bột cầm tay và bình CO2 để dập nhưng không có hiệu quả, tránh được nguy cơ

nổ khí gas rất nguy hiểm Hiện nay, chất tạo bọt chữa cháy này vẫn được một số đơn

vị đưa vào sử dụng, tuy nhiên, so với thế giới, sản phẩm này chưa đáp ứng được nhucầu chữa cháy hiện đại và không tương thích với trang thiết bị mới của lực lượngphòng cháy, chữa cháy [97]

Năm 2013, Hà Văn Vân và cộng sự chế tạo được chất tạo bọt chữa cháyxăng dầu độ nở thấp, đạt được một số kết quả nhất định như khả năng chữa cháy cácđám cháy xăng, dầu tốt Tuy nhiên, kết quả còn nhiều hạn chế như: độ đậm đặc thấp(6%); khả năng chống cháy lại chưa đạt TCVN 7278-1 : 2003 [98]

Năm 2014, Trung tâm Phát triển Công nghệ cao và Viện K thuật Hoá – Sinh

và Tài liệu nghiệp vụ đã phối hợp nghiên cứu thăm dò chất tạo bọt tạo màng nước

độ nở thấp thế hệ mới và bước đầu đã tạo ra hệ vật liệu đáp ứng các chỉ tiêu chữacháy xăng dầu Kết quả là đã xây dựng được hệ vật liệu tạo màng nước gồm HĐBMmặt sodium polyoxyethylen alkylete sulfat (chất HĐBM hydrocarbon) và chất hoạtđộng fluor hóa perfluoroalkyl betain với tỉ lệ hàm lượng là 15% và 5% Đã tìm đượcchất trợ HĐBM, các chất phụ gia cho độ bền cơ học, độ bền nhiệt cao hơn: butyldiglycol, glyxerin, carboxymethyl cellulose, coconut oil fatty acid mono ethanolamid, polyethylen glycol, Guar gum Đã thử nghiệm khả năng chữa cháy xăng dầuđối với các mẫu bọt theo 2 quy mô: quy mô nhỏ (phòng thí nghiệm) đạt được cả vềthời gian dập cháy và thời gian chống bắt cháy lại; quy mô trung bình chỉ đạt đượctiêu chí dập cháy, không đạt tiêu chí chống cháy lại Do vậy, cần có

27

những nghiên cứu thêm về hệ vật liệu các chất HĐBM, lựa chọn được các chất trợHĐBM và các chất phụ gia để chế tạo được sản phẩm có độ bền nhiệt tốt đáp ứngđược TCVN về bọt chữa cháy [99].

Từ năm 2016 đến năm 2019, luận án tiến hành các nghiên cứu trong khuônkhổ đề tài cấp Nhà nước của Trung tâm phát triển công nghệ cao, Viện Hàn lâmKhoa học và Công nghệ Việt Nam do TS Đỗ Sơn Hải làm chủ nhiệm Luận án đãnghiên cứu và góp phần chế tạo thành công 05 hệ chất tạo bọt chữa cháy thế hệ mới

là chất tạo bọt chữa cháy sử dụng nước biển 3%; Chất tạo bọt chữa cháy sử dụngnước biển 1%; Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước 0,5%; Chất tạo bọt chữa cháytạo màng nước bền rượu 3% và Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu 1%[100]

Quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài cho thấy một số hợp chất có khảnăng nâng cao các tính chất của chất tạo bọt chữa cháy, độ bền nhiệt cũng như làhiệu quả dập cháy Do vậy, luận án đã tiếp tục tiến hành các nghiên cứu sử dụng cáchợp chất này và thu được nhiều kết quả khả quan

28

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Hóa chất và thiết bị

Branch alkyl benzen sulfonat (BAS)

Sodium lauryl sulfat (SLS)

Sodium lauryl ether sulfat (SLES)

Aryl sulfat (AS)

Alkyl polyglucosid (APG)

Nonyl phenol ethoxylat (NPE)

Alkylphenol ethoxylat (NP9)

Lauryl hydroxy sulfobetain (LHSB)

Ethoxylat Sulfat (EOS)

Propoxylat Sulfat (POS)

Partially fluorinat acrylic copolyme

Một số thiết bị được sử dụng trong luận án:

- Máy phân tích bọt Ross Miles RMFA, Viện hoa học và Công nghệ, Bộ Công an;

- Thiết bị đo độ nhớt BROOKFIELD DV-II+Pro, Trung tâm Phát triển công nghệ cao;

- Bể điều nhiệt chương trình hóa nhiệt độ TC100 Brookfield (M ), Viện hoa học

và Công nghệ, Bộ Công an;

- Thiết bị đo sức căng bề mặt tự động hoàn toàn KSV CAM101, Học viện thuật Quân sự;

- Thiết bị đo SCBM liên diện Spinning Drop Interfacial Tesionmeter, Model

500, Temco.Inc (M ), Viện hoa học và Công nghệ, Bộ Công an;

- Thiết bị đo pH HQ11D của hãng HACH, Viện hoa học và Công nghệ, BộCông an;

- Máy xác định nhiệt độ đông đặc Linetronic Technologies - NEWLAB

300/2 ính hiển vi Digital Microscope USB 1000X, Trung tâm Phát triển công nghệ cao;

- Bể rung siêu âm, Trung tâm Phát triển công nghệ cao;

- Máy khuấy từ, Trung tâm Phát triển công nghệ cao;

- Một số thiết bị và dụng cụ phòng thí nghiệm khác

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

2.2.1.1 Xác định sức căng bề mặt liên diện 2 pha cyclohexan – nước

Tiến hành xác định sức căng bề mặt liên diện giữa hai pha cyclohexan - nướcbằng thiết bị đo SCBM dạng ống mao quản kim tiêm

30

- Xác định hệ số của ống mao quản: Đối với dụng cụ đo này SCBM được xác

định theo công thức:

σI = A*ΔL*ΔρVới: σI là SCBM liên diện, mN/m

A: là hằng số ống mao quản

∆L: là số vạch theo micromet để tạo thành một giọt

∆ρ: là hiệu số tỉ trọng của hai chất lỏng

Để xác định hằng số của ống mao quản dùng benzen có SCBM ranh giới với nước bằng 34,94 mN/m ở 27oC hi đó đối với ống mao quản loại ống tiêm:

A = 34,94/[49,85*(0,996-0,868)] = 5,4758

- Phương pháp đo SCBM:

+ Đo tỉ trọng của từng chất lỏng tương ứng khi đo SCBM

+ Chuẩn bị dung dịch chất HĐBM cần đo

+ Lắp thiết bị mao quản kim tiêm, bơm một lượng cyclohexan đủ lớn để có thể đo SCBM được nhiều lần

+ Xoay nút vặn theo chiều kim đồng hồ, đếm số giọt cyclohexan nổi lên

(thường lấy 5 giọt), đọc số vạch trên núm xoay thiết bị đo

+ Tiến hành đo vài lần để hạn chế sai số

+ Tính giá trị SCBM cho một giọt

+ SCBM được tính theo công thức trên, sử dụng hằng số A tương ứng với

ống mao quản

2.2.1.2 Xác định sức căng bề mặt và hệ số lan truyền

Đặc tính tạo màng của chất tạo bọt tạo màng nước AFFF là một tham số quantrọng, nó được đặc trưng bằng hệ số lan truyền (S) [101] Hệ số lan truyền được xácđịnh qua công thức:

S=σF-(σA+σI)Trong đó S là hệ số lan truyền, σF là sức căng bề mặt của cyclohexan, σA làsức căng bề mặt của dung dịch bọt chữa cháy và σI là sức căng bề mặt liên diện giữahai chất lỏng

31