Tổng quan nghiên cứu

Thảm họa cháy nổ đang là thách thức nghiêm trọng đối với an toàn xã hội và phát triển kinh tế. Theo thống kê từ Bộ Công an, chỉ riêng trong năm 2022, toàn quốc đã xảy ra 1.745 vụ cháy, cướp đi sinh mạng của 109 người, khiến 82 người bị thương và gây thiệt hại tài sản ước tính lên tới 592,72 tỷ đồng. Trong thực tế, nước vẫn là chất chữa cháy truyền thống phổ biến nhất nhờ nhiệt dung riêng cao và chi phí thấp. Dẫu vậy, do độ nhớt động học rất thấp, nước thường bị thất thoát nhanh theo dòng chảy, khó bám dính hoặc thẩm thấu sâu vào bề mặt vật liệu cháy, dẫn đến lãng phí tài nguyên và suy giảm hiệu quả dập lửa tại các đám cháy phức tạp.

Để khắc phục rào cản này, việc ứng dụng chất siêu hấp thụ nước kết hợp khoáng sét tự nhiên tạo thành hydrogel chống cháy mở ra hướng đi đột phá. Luận văn thạc sĩ Hóa phân tích thực hiện mục tiêu tổng hợp thành công nano bentonite từ nguồn khoáng tự nhiên, khảo sát chi tiết cấu trúc, hình thái học và định hướng chế tạo hệ gel compozit chữa cháy có khả năng bám dính vượt trội. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại Đại học Khoa học thuộc Đại học Thái Nguyên phối hợp cùng Viện Hóa học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam trong giai đoạn 2022-2023. Đóng góp nổi bật của công trình là tối ưu hóa diện tích bề mặt riêng của bentonite từ 33,9 m2/g lên tới 152,4 m2/g, hình thành hệ hydrogel dập tắt hiệu quả đám cháy loại A, kéo dài thời gian bảo vệ bề mặt chất nền từ 24 đến 36 giờ và cắt giảm rõ rệt lượng khí độc sinh ra trong quá trình chữa cháy.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết cấu trúc phyllosilicate 2:1 của khoáng sét montmorillonite. Trong bentonite tự nhiên, hàm lượng montmorillonite chiếm từ 60% đến 70% khối lượng, với công thức cấu trúc điển hình là Si8Al4O20(OH)4 kèm theo các cation bù trừ điện tích ở tầng giữa như canxi, magie hoặc natri. Khoáng sét này sở hữu dung lượng trao đổi cation đạt từ 80 đến 150 mmolđl/100g và diện tích bề mặt lý thuyết lên tới 600 đến 800 m2/g. Khi tiếp xúc với nước, các cation hydrate hóa làm giãn nở khoảng cách giữa các lớp từ 12,5 Å lên 20,0 Å, mang lại đặc tính trương nở và tạo gel bền vững.

Bên cạnh đó, nghiên cứu tích hợp thuyết hấp phụ đa phân tử Brunauer-Emmett-Teller để xác định diện tích bề mặt riêng và phân bố mao quản ở dải áp suất tương đối từ 0,05 đến 0,30. Cơ chế tạo màng bảo vệ nhiệt dựa trên lý thuyết mạng lưới polymer siêu hấp thụ nước polyacrylic acid liên kết ngang bằng N,N-methylenebisacrylamide. Mạng polymer bọc các vi giọt nước trong lớp vỏ gel bền nhiệt. Khi chịu tác động của bức xạ nhiệt vượt quá 300°C, nhiệt ẩn hóa hơi của nước trong gel sẽ thu nhiệt liên tục, trong khi khung nano bentonite đóng vai trò lớp cách nhiệt vô cơ trơ bảo vệ nền vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu

Về cỡ mẫu và quy trình chọn mẫu, tác giả sử dụng 200 g bentonite thương phẩm có hàm lượng montmorillonite 56,0% và kích thước hạt ban đầu dưới 74,0 μm được khai thác từ mỏ khoáng Bình Thuận. Mẫu được chọn theo phương pháp lấy mẫu ngẫu nhiên phân tầng từ nguồn nguyên liệu đồng nhất, sấy khô ở 85°C trong 12 giờ trước khi trích xuất chính xác 100 g cho từng mẻ phản ứng biến tính hóa lý.

Phương pháp biến tính axit kết hợp vi sóng công suất 700 W trong 20 phút được lựa chọn thay thế cho phương pháp khuấy gia nhiệt truyền thống thường kéo dài tới 24 giờ. Lý do lựa chọn hệ xúc tác axit sunfuric 2,0 M và axit nitric 2,0 M tỷ lệ 1:1 là nhằm hòa tan chọn lọc các pha tạp chất cacbonat, loại bỏ cation bát diện mà vẫn bảo toàn bộ khung phyllosilicate. Để đánh giá cấu trúc tinh thể, phương pháp nhiễu xạ tia X sử dụng máy Bruker D8 Advance với bức xạ Cu Kα bước sóng 1,5418 Å được ứng dụng để tính kích thước tinh thể qua phương trình Scherrer. Diện tích bề mặt và thể tích lỗ rốp được phân tích bằng thiết bị Tristar II-3030 đo hấp phụ nitơ ở 77 K. Hình thái học hạt được kiểm chứng trên kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FE-SEM Hitachi S-4800 ở thế tăng tốc 10 kV đến 15 kV và kính hiển vi điện tử truyền qua TEM. Hiệu năng chữa cháy được kiểm tra theo chuẩn quốc tế GB4066-2017 và ISO 7202-2012 trên mô hình đám cháy gỗ thông kích thước 4 cm x 4 cm x 15 cm với độ ẩm 9% đến 13%, mồi cháy bằng 150 mL n-octan trong 210 giây, phun 2,0 L gel compozit dưới áp suất 2 đến 6 bar và lưu lượng 0,4 L/phút.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, quá trình biến tính axit hỗ trợ vi sóng giúp cải thiện vượt bậc diện tích bề mặt và cấu trúc rỗng xốp. Mẫu nano bentonite ký hiệu NB10 đạt diện tích bề mặt BET lên tới 152,4 m2/g, tăng trưởng khoảng 349,6% so với mức 33,9 m2/g của bentonite thô ban đầu. Tổng thể tích lỗ xốp mao quản trung bình của NB10 cũng tăng vọt từ 0,071 cm3/g lên 0,253 cm3/g, tức tăng hơn 256,3%.

Thứ hai, cấu trúc phân lớp khoáng sét được bóc tách siêu mỏng. Phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X chỉ ra khoảng cách cơ bản d001 giảm mạnh từ 13,04 Å của khoáng ban đầu xuống còn 9,9 Å ở mẫu nano. Số lớp cấu trúc trung bình trong mỗi vi hạt giảm từ 27 lớp xuống chỉ còn 5 lớp ở mẫu NB10. Kích thước tinh thể tính theo phương trình Scherrer của NB10 đạt 20,07 nm, nhỏ hơn đáng kể so với 32,71 nm của mẫu NB5 và 26,17 nm của mẫu NB20. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua TEM xác nhận các phiến nano phân tán đồng đều trong dải kích thước từ 214,35 nm đến 283,56 nm.

Thứ ba, thành phần hóa học được tinh chế triệt để với tỷ lệ Si/Al tăng lên mức 3,7. Phổ huỳnh quang tia X chứng minh hàm lượng tạp chất oxit sắt và oxit canxi giảm mạnh, trong khi các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của thạch anh tại 2θ = 26,64°, calcite tại 29,50° và dolomite tại 31,00° bị triệt tiêu gần như hoàn toàn.

Thứ tư, hệ gel compozit M1 kết hợp giữa polymer siêu hấp thụ, nano bentonite và dẫn xuất methyl cellulose sở hữu đặc tính lưu biến nhạy nhiệt ưu việt. Độ nhớt của vật liệu chuyển pha linh hoạt, duy trì độ bám dính chắc chắn trên bề mặt gỗ ngay cả ở nhiệt độ 90°C. Thử nghiệm dập cháy thực tế cho thấy gel M1 dập tắt hoàn toàn ngọn lửa loại A trong thời gian ngắn hơn 35% so với nước thông thường, ngăn chặn hiện tượng tái cháy trong suốt 5 phút quan sát và kiểm soát nồng độ khí CO phát thải dưới ngưỡng 1000 ppm, giảm hơn 45% so với mức xấp xỉ 1850 ppm khi dập bằng nước.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng mạnh mẽ diện tích bề mặt riêng được giải thích bởi cơ chế proton H+ tấn công vào các vị trí khuyết tật và nhóm hydroxyl ở lớp bát diện nhôm, phá vỡ các liên kết cạnh hạt và hòa tan pha vô cơ thừa. Đồ thị đẳng nhiệt hấp phụ và giải hấp phụ nitơ ở 77 K cho thấy vòng trễ trễ hysteresis dạng mao quản trung bình hình khe kiểu D rõ nét ở dải áp suất tương đối từ 0,45 đến 1,00. Đường trễ này phản ánh cấu trúc xếp chồng dạng tấm song song của các phiến nano bentonite tinh chế.

Để làm rõ động học quá trình chữa cháy, dữ liệu thực nghiệm được mô phỏng trực quan thông qua đồ thị biến thiên nhiệt độ theo thời gian ghi nhận từ hệ thống 5 cặp nhiệt điện T1 đến T5 có dải đo tới 1500°C. Biểu đồ đường nhiệt độ thể hiện rõ: khi phun nước thường, đường cong làm mát hạ thoải và nhanh chóng bốc hơi cục bộ; ngược lại, gel compozit M1 tạo ra bước sụt giảm nhiệt độ dốc đứng nhờ cơ chế giữ nước dạng vi nang và lớp bọc khoáng sét cách ly hoàn toàn oxy với chất cháy. Bảng so sánh thông số cấu trúc giữa các mẫu NB khẳng định mẫu NB10 đạt trạng thái cân bằng động lực học tối ưu giữa việc hòa tan tạp chất và bảo tồn bộ khung silicat, tạo tiền đề lý tưởng để tạo mạng lưới liên kết ngang với polyacrylic acid.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm đưa kết quả nghiên cứu vào ứng dụng thực tiễn, tác giả đưa ra 4 nhóm giải pháp cụ thể:

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình tổng hợp nano bentonite quy mô pilot bán công nghiệp. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu phòng cháy chữa cháy cần phối hợp với các viện nghiên cứu chuyển giao công nghệ lò vi sóng công suất lớn từ 3000 W đến 5000 W, đặt mục tiêu nâng sản lượng lên 50 kg/mẻ trong vòng 12 tháng tới nhằm hạ giá thành chế tạo vật liệu ít nhất 25%.

Thứ hai, phát triển hệ thống thiết bị vòi phun chuyên dụng tương thích chất lỏng nhớt. Cơ quan cảnh sát phòng cháy chữa cháy và các công ty cơ khí cứu hỏa cần thiết kế đầu phun áp lực cao duy trì dải áp suất từ 4 đến 8 bar, tích hợp cơ chế chống tắc nghẽn đối với dung dịch có độ nhớt từ 1000 mPa.s đến 5000 mPa.s, hoàn thành thử nghiệm thực địa trong giai đoạn 2024-2025.

Thứ ba, triển khai phun phủ tạo băng cản lửa phòng chống cháy rừng diện rộng. Chi cục Kiểm lâm và Ban Quản lý rừng phòng hộ tại các khu vực nhạy cảm ở miền Trung và Tây Nguyên nên áp dụng hydrogel nano bentonite để phun phủ bề mặt thảm thực vật trước mùa khô hạn năm 2024, bảo đảm duy trì lớp màng giữ ẩm liên tục từ 24 đến 36 giờ mà không gây độc hại cho sinh thái đất.

Thứ tư, xây dựng bộ tiêu chuẩn kỹ thuật cấp quốc gia cho gel chữa cháy nanocompozit. Bộ Khoa học và Công nghệ cùng Bộ Công an chủ trì thẩm định quy chuẩn chất lượng, quy định rõ chỉ số bám dính trên 80% tại 90°C và nồng độ phát thải khí CO dưới 500 ppm trong quý IV năm 2025.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

Thứ nhất, các nhà nghiên cứu, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Hóa phân tích, Hóa lý thuyết và Khoa học vật liệu. Tài liệu cung cấp cơ sở phương pháp luận bài bản về kỹ thuật hoạt hóa khoáng sét bằng vi sóng và quy trình giải đoán dữ liệu phổ hiện đại như XRD, BET, SEM, TEM và DLS.

Thứ hai, kỹ sư nghiên cứu và phát triển sản phẩm tại các doanh nghiệp sản xuất hóa chất và trang thiết bị chữa cháy. Đây là tài liệu hướng dẫn kỹ thuật chi tiết về công thức phối trộn gel compozit nhạy nhiệt từ bentonite nội địa, tạo bước đột phá trong việc thương mại hóa dòng sản phẩm thay thế bọt foam truyền thống.

Thứ ba, lực lượng Cảnh sát Phòng cháy, chữa cháy và Cứu nạn, cứu hộ. Cán bộ nghiệp vụ có thể nắm bắt cơ chế tác động nhiệt của vật liệu mới để xây dựng chiến thuật dập tắt hiệu quả các vụ hỏa hoạn nhà xưởng, khu dân cư hoặc kho chứa vật liệu dễ cháy loại A.

Thứ tư, các cơ quan quản lý lâm nghiệp và bảo tồn thiên nhiên. Các nhà quản lý có thể ứng dụng giải pháp hydrogel phân hủy sinh học này như một biện pháp phòng ngừa cháy rừng chủ động, giảm thiểu rủi ro thiệt hại tài nguyên rừng hàng năm.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp hoạt hóa bentonite bằng vi sóng có ưu điểm gì vượt trội so với phương pháp khuấy axit cổ điển?

Phương pháp vi sóng công suất 700 W truyền nhiệt bức xạ đồng đều vào tận lõi tinh thể, rút ngắn thời gian xử lý từ 24 giờ xuống còn đúng 20 phút. Quá trình này giúp nâng diện tích bề mặt riêng BET từ 33,9 m2/g lên 152,4 m2/g mà không cần lạm dụng nồng độ axit cao, giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

Cơ chế dập tắt đám cháy của hydrogel nano bentonite diễn ra như thế nào?

Cơ chế dập cháy là sự hiệp đồng giữa pha lỏng và pha rắn vô cơ. Mạng lưới polymer siêu hấp thụ giữ nước giải phóng nhiệt ẩn hóa hơi lớn để thu nhiệt tức thì, trong khi các phiến nano bentonite tạo lớp màng gốm cách ly nhiệt và ngăn chặn oxy tiếp xúc bề mặt, duy trì độ bám dính bền vững ở nhiệt độ 90°C.

Vật liệu hydrogel compozit này có an toàn với sức khỏe con người và hệ sinh thái không?

Vật liệu hoàn toàn an toàn và có khả năng phân hủy sinh học. Các thành phần chính bao gồm khoáng sét tự nhiên Bình Thuận, dẫn xuất cellulose thực vật và polyacrylic acid thân thiện. Kết quả thử nghiệm coupon trong 90 ngày chứng minh gel không gây ăn mòn kim loại và giúp giảm hơn 45% lượng khí độc CO phát sinh trong đám cháy.

Tại sao mẫu nano bentonite NB10 lại thể hiện cấu trúc tối ưu nhất trong nghiên cứu?

Mẫu NB10 sở hữu diện tích bề mặt lớn nhất đạt 152,4 m2/g và thể tích lỗ xốp cao nhất đạt 0,253 cm3/g. Kích thước tinh thể Scherrer đạt mức tinh mịn 20,07 nm và số lớp phân phiến giảm từ 27 lớp xuống 5 lớp, tạo điều kiện thuận lợi nhất để phân tán đồng nhất vào mạng lưới polymer chữa cháy.

Hydrogel nano bentonite có thể khắc phục triệt để nhược điểm của bọt Foam chữa cháy truyền thống không?

Bọt Foam thông thường dễ bị vỡ bọt dưới nhiệt độ cao và chứa chất hoạt động bề mặt gốc flo khó phân hủy sinh học. Hydrogel nanocompozit khắc phục hoàn toàn nhờ độ bền nhiệt cao, duy trì khả năng bảo vệ từ 24 đến 36 giờ, không trôi chảy lãng phí và thân thiện tuyệt đối với nguồn nước ngầm.

Kết luận

  • Đã làm chủ công nghệ chế tạo nano bentonite từ nguồn khoáng sét tự nhiên Bình Thuận bằng phương pháp axit hóa hỗ trợ vi sóng 700 W trong 20 phút.
  • Tối ưu hóa thành công diện tích bề mặt riêng của vật liệu lên tới 152,4 m2/g, tăng khoảng 349,6% so với mẫu thô ban đầu và đạt kích thước hạt nano trung bình từ 214,35 nm đến 283,56 nm.
  • Giảm số lớp cấu trúc tinh thể từ 27 lớp xuống 5 lớp, loại bỏ hoàn toàn các pha tạp chất vô cơ và nâng tỷ lệ Si/Al lên mức 3,7.
  • Chế tạo thành công hệ hydrogel compozit M1 sở hữu khả năng bám dính vượt bậc ở nhiệt độ 90°C, nâng cao khả năng dập cháy loại A và cắt giảm nồng độ khí độc CO xuống dưới 1000 ppm.
  • Lộ trình giai đoạn 2024-2026 sẽ mở rộng thử nghiệm dập cháy trên hiện trường quy mô 100 m2 và hoàn thiện đăng ký sở hữu trí tuệ để chuyển giao công nghệ.

Các cơ quan quản lý, viện nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm đến giải pháp vật liệu chữa cháy xanh hiệu năng cao hãy liên hệ ngay với nhóm nghiên cứu tại Đại học Thái Nguyên để tiếp cận quy trình và thúc đẩy hợp tác thương mại hóa.