MỞ ĐẦU Hỏa hoạn là mối đe dọa lớn với con người. Tại Việt Nam, theo thống kê của Cục cảnh sát phòng cháy chữa cháy và cứu nạn cứu hộ, năm 2020 cả nước xảy ra 535.4 vụ cháy, làm 89 người chết, bị thương 184 người và thiệt hại tài sản ước tính 416,15 tỷ đồng; cháy rừng xảy ra 306 vụ, gây thiệt hại 1. Những hậu quả thiệt hại về con người và tài sản do cháy nổ gây ra rất lớn. Cháy có thể 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, cháy thuyền bè. được làm từ các vật liệu tự nhiên như gỗ, tre nứa, cỏ, lá. Ngày nay, nó vẫn là chất chữa cháy chủ yếu với khả năng làm mát tốt và giá thành rẻ [2]. 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 [3-4].
Đám cháy có nguồn gốc từ nhiên liệu lỏng có tốc độ cháy nhanh, thời gian dài và bức xạ nhiệt mạnh, có thể dẫn đến thiệt hại nghiêm trọng cho môi trường xung quanh [5-10]. Do đó, việc nghiên cứu, chế tạo chất chữa cháy hiệu quả, dập tắt nhanh chóng có ý nghĩa vô cùng quan trọng. Với sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ, bọt chữa cháy đã được nghiên cứu thành nhiều loại đáp ứng cho từng mục đích khác nhau. Chất tạo bọt chữa cháy được ứng dụng để dập tắt đám cháy, 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.[11] 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 concentrate – AFFF) và chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu (Alcohol resistant - aqueous film forming foam concentrate AR-AFFF). Vì vậy, nghiên cứu chế tạo các sản phẩm bọt chữa cháy đáp ứng nhu cầu sử dụng và chủ động sản xuất trong nước là việc làm hết sức cần thiết. Các sản phẩm bọt chữa cháy này là một hỗn hợp phức tạp với thành phần chính là các chất hoạt động bề mặt (HĐBM) hydrocarbon và fluorocarbon.
Hai dòng chất HĐBM này đều có những ưu, nhược điểm riêng. Việc nghiên cứu sử dụng phối hợp các chất HĐBM 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 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.
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 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. Tổng quan về chất tạo bọt chữa cháy 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 cháy chất 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 chế tạo từ hỗn hợp chất HĐBM hydrocarbon và fluor hóa có khả năng tạo màng nước trên bề mặt của một số nhiên liệu cháy. Sử dụng hiệu quả cho đám cháy chất lỏng không phân cực như: xăng, dầu… + Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu (AR-AFFF): là bọt chữa cháy có độ bền chống phân huỷ khi sử dụng trên bề mặt rượu hoặc dung môi phân cực 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 các công trình trên biển, giàn khoan… Luận án này tập trung nghiên cứu chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước và chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu là hai loại bọt chữa cháy được sử dụng phổ biến ở các nước trên thế giới. Có hai thông số chính để đánh giá đặc tính và hiệu quả của dung dịch bọt chữa cháy là khả năng tạo bọt và độ ổn định của bọt.
Khả năng tạo bọt được định nghĩa là độ nở của dung dịch khi bọt được tạo thành, dựa vào đó có thể chia ra thành các loại: - Chất tạo bọt chữa cháy độ nở thấp: Độ nở từ 1 - 20 lần, sử dụng chủ yếu cho 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 các thiết 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 3 cho đám cháy có hóa chất: thuốc trừ sâu, tạo lớp phủ lên hóa chất dễ bốc hơi và những 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 nhanh trong 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 các đặc tính của bọt (như thể tích bọt) thay đổi theo thời gian [17]. Do vậy, nó phụ thuộc vào các thay đổi của thể tích và lượng nước tiết ra từ bọt. Dung dịch có sức căng bề mặt và độ nhớt thấp hơn thường có khả năng tạo bọt cao hơn [18, 19].
Độ ổn định bọt phụ thuộc vào các chất HĐBM có trong thành phần chất tạo bọt được biểu diễn như hình 1. Các chất HĐBM có khả năng cải thiện tính đàn hồi của lớp màng bong bóng vì vậy làm cho bọt bền hơn, tồn tại được lâu hơn [20]. Một số nghiên cứu đã chứng minh rằng các hạt nano cũng có tác dụng ổn định bọt do hấp thụ tại giao diện lỏng và không khí [21]. Bọt được ổn định bằng chất hoạt động bề mặt [22] Tại Việt Nam, bọt chữa cháy phải đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) 7278 : 2003 [23] với các chỉ tiêu: - Độ nở từ 5,5 đến 20 lần; - Thời gian bán hủy: ≥ 4 phút; - pH dung dịch: 6,5 – 8; - Tỷ trọng ở 25°C: 1,02 - 1,06 g/cm3; - Hệ số lan truyền: > 0.
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 cháy không tan trong nước như xăng, dầu…[24]. Ứng dụng của bọt chữa cháy tạo màng nước trong một số đám cháy thể hiện như 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 đậm đặc là 1%, 3% hoặc 6%. Dung dịch bọt đậm đặc được trộn với nước theo tỷ lệ nhất định, thực hiện trong một hệ thống phối trộn tạo thành dung dịch bọt nước như sau: - Nồng độ 6%: 6 phần bọt trong 94 phần nước; - Nồng độ 3%: 3 phần bọt trong 97 phần nước; - Nồng độ 1%: 1 phần bọt trong 99 phần nước. Bọt chữa cháy 1% về cơ bản đậm đặc hơn 6 lần so với bọt 6% và bọt 3% đặc gấp đôi bọt 6%.
Đặc tính chữa cháy của dung dịch bọt được tạo ra từ các bọt đậm đặc có nồng độ 1%, 3% và 6% của một nhà sản xuất hầu như giống nhau.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 ra bọt chữa cháy hiệu quả cao. Sử dụng chất tạo bọt chữa cháy 3% thay vì bọt 6% có thể giảm một nửa không gian lưu trữ, bảo quản, như vậy sẽ giảm trọng lượng và chi phí 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 sẽ lan truyền nhanh chóng để tạo thành một lớp màng nước nổi trên bề mặt hầu hết các nhiên liệu hydrocarbon. Tính chất lan truyền này có được là do thành phần chất hoạt động bề mặt fluor hóa trong AFFF nhờ đặc tính giảm sức căng bề mặt của dung dịch xuống giá trị thấp (15-20 mN/m).
Nhờ vậy, dung dịch nước lan rộng nhanh chóng trên bề mặt của chất lỏng hydrocarbon.