Tổng quan nghiên cứu

Cháy là hiện tượng phản ứng hóa học phức tạp giữa chất cháy và chất oxi hóa, tạo ra nhiệt lượng và ánh sáng. Theo báo cáo của ngành, đám cháy xảy ra khi hội tụ đủ ba yếu tố: chất cháy, chất oxi hóa và nguồn nhiệt. Trong đó, chất cháy thường là nhiên liệu như xăng, dầu, dung môi hữu cơ; chất oxi hóa là oxy trong không khí; và nguồn nhiệt là yếu tố kích hoạt phản ứng cháy. Việc chữa cháy hiệu quả đòi hỏi phải kiểm soát và loại bỏ ít nhất một trong ba yếu tố này.

Trong thực tế, nước là vật liệu chữa cháy phổ biến nhất do khả năng làm mát và giá thành thấp. Tuy nhiên, với các đám cháy chất lỏng dễ cháy như xăng, dầu, nước không còn hiệu quả do có tỷ trọng lớn hơn nhiên liệu, dẫn đến nước chìm xuống dưới bề mặt nhiên liệu mà không tác động đáng kể đến đám cháy. Do đó, chất tạo bọt chữa cháy được phát triển nhằm tạo lớp màng bọt bao phủ bề mặt nhiên liệu, ngăn cản oxy tiếp xúc và giảm sự bốc hơi nhiên liệu, từ đó dập tắt đám cháy nhanh chóng và ngăn ngừa cháy lại.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích thành phần hóa học và tính chất của hệ chất tạo bọt trong dung dịch chữa cháy 3% có độ nở thấp, nhằm xây dựng công thức tối ưu cho chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước phù hợp với điều kiện Việt Nam. Nghiên cứu tập trung vào các chất hoạt động bề mặt (HĐBM) flo hóa và hydrocacbon, chất trợ HĐBM và các phụ gia, đánh giá các thông số kỹ thuật như độ nở, thời gian bán hủy, sức căng bề mặt, hệ số lan truyền, khả năng tương hợp và độ bền nhiệt.

Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên và Trung tâm phát triển công nghệ cao, Viện Hàn lâm Khoa học Việt Nam trong năm 2020. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc chủ động sản xuất chất tạo bọt chữa cháy thế hệ mới tại Việt Nam, giảm phụ thuộc nhập khẩu, đồng thời nâng cao hiệu quả công tác phòng cháy chữa cháy trong các ngành công nghiệp và dân dụng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Mô hình tam giác cháy: Mô tả ba yếu tố cần thiết cho sự cháy gồm chất cháy, chất oxi hóa và nguồn nhiệt. Việc loại bỏ hoặc kiểm soát một trong ba yếu tố này sẽ ngăn chặn đám cháy.

  • Lý thuyết hoạt động bề mặt (HĐBM): Chất tạo bọt chữa cháy là hỗn hợp các chất hoạt động bề mặt flo hóa và hydrocacbon, có khả năng giảm sức căng bề mặt, tạo màng bọt ổn định trên bề mặt nhiên liệu, ngăn cản sự tiếp xúc của oxy và hơi nhiên liệu.

  • Khái niệm độ nở và thời gian bán hủy bọt: Độ nở là tỷ số thể tích bọt tạo thành trên thể tích dung dịch ban đầu, phản ánh khả năng lan tỏa của bọt. Thời gian bán hủy là thời gian bọt giữ được 50% lượng nước, thể hiện độ bền của bọt.

  • Hệ số lan truyền (S): Đánh giá khả năng dung dịch bọt lan truyền trên bề mặt nhiên liệu, được tính theo công thức ( S = \sigma_F - (\sigma_A + \sigma_I) ), trong đó (\sigma_F) là sức căng bề mặt của chất lỏng dưới, (\sigma_A) của chất lỏng trên và (\sigma_I) là sức căng liên diện giữa hai chất lỏng.

  • Phân loại bọt chữa cháy theo độ nở: Độ nở thấp (1-20 lần) dùng cho đám cháy ngoài trời diện tích lớn; độ nở trung bình (20-200 lần) dùng cho không gian kín vừa; độ nở cao (>200 lần) dùng cho đám cháy hóa chất trong không gian lớn.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Hóa chất gồm các chất hoạt động bề mặt flo hóa (DuPont™ Capstone® fluorosurfactant 1440 - DCF), hydrocacbon (Alkyl polyglucosides - APG, Nonyl phenol ethoxylate - NPE, Lauryl hydroxy sulfobetaine - LHSB), chất trợ HĐBM (Butyl diglycol), và các phụ gia (Hydroxyethyl cellulose - HEC, Glycerin, Ure).

  • Phương pháp phân tích:

    • Đo độ nở và thời gian bán hủy theo TCVN 7278-1:2003 bằng bình thu và bộ phận thu bọt.
    • Đo sức căng bề mặt và hệ số lan truyền bằng máy đo KSV CAM101 và thiết bị mao quản kim tiêm.
    • Đánh giá khả năng tương hợp và độ bền nhiệt bằng phương pháp ủ nhiệt ở 80°C, quan sát độ đục, đo pH và sức căng bề mặt theo thời gian.
    • Xác định thành phần và nồng độ tối ưu của hệ chất HĐBM bằng phương pháp quy hoạch ma trận yếu tố toàn phần và tối ưu hóa theo phương án quay bậc hai Box-Hunter sử dụng phần mềm Minitab 16.

  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện trong năm 2020, bao gồm giai đoạn chuẩn bị hóa chất và thiết bị, tiến hành thí nghiệm phân tích các thông số kỹ thuật, tối ưu hóa phối trộn và đánh giá kết quả.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Các mẫu dung dịch được chuẩn bị với nồng độ và tỷ lệ phối trộn khác nhau theo kế hoạch thí nghiệm quy hoạch ma trận, đảm bảo tính đại diện và khả năng so sánh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc tính của chất HĐBM flo hóa DCF: Khi tăng nồng độ DCF từ 0,05% đến 0,35%, độ nở tăng từ 3,4 đến 6,4 lần; thời gian bán hủy tăng từ 3 phút 25 giây lên 6 phút 29 giây; sức căng bề mặt giảm từ 16,4 xuống 15,1 mN/m; hệ số lan truyền tăng từ 5,5 lên 8,1. Điều này chứng tỏ DCF có khả năng tạo bọt tốt, bền nhiệt và lan truyền hiệu quả.

  2. Lựa chọn chất HĐBM hydrocacbon: Trong các chất APG, NPE, LHSB, EOS, POS, BAS, chỉ APG, NPE và LHSB đạt tiêu chuẩn về độ nở (≥ 5,5 lần) và thời gian bán hủy (≥ 4 phút). Ví dụ, APG có độ nở 5,7 lần và thời gian bán hủy 4 phút 3 giây; LHSB có độ nở 5,5 lần và thời gian bán hủy 4 phút 21 giây.

  3. Sức căng bề mặt của các chất HĐBM riêng phần: DCF có sức căng bề mặt thấp nhất (~15 mN/m), trong khi APG, NPE, LHSB có giá trị cao hơn (khoảng 28-33 mN/m). Việc phối trộn DCF với các chất hydrocacbon giúp giảm sức căng bề mặt tổng thể của hệ.

  4. Tối ưu hóa hệ chất HĐBM: Hệ 4 chất DCF : APG : LHSB : NPE với tỷ lệ 1 : 3 : 2 : 1 cho kết quả tốt nhất về độ nở (5,6 lần), thời gian bán hủy (5 phút 34 giây), sức căng bề mặt thấp (~17 mN/m) và ổn định sau 8 giờ ủ nhiệt ở 80°C. Phương pháp quy hoạch ma trận và tối ưu hóa Box-Hunter xác định nồng độ tối ưu lần lượt là DCF 104 g/kg, APG 251 g/kg, LHSB 150 g/kg, NPE 75 g/kg.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy chất hoạt động bề mặt flo hóa DCF đóng vai trò chủ đạo trong việc giảm sức căng bề mặt và tăng độ bền của bọt chữa cháy. Tuy nhiên, do giá thành cao, việc phối trộn với các chất HĐBM hydrocacbon như APG, NPE và LHSB giúp giảm chi phí mà vẫn đảm bảo hiệu quả kỹ thuật. Sự phối hợp này tạo ra hệ chất HĐBM có khả năng tương hợp tốt với nước, bền nhiệt và có độ nở phù hợp cho dung dịch chữa cháy 3% có độ nở thấp.

Sự ổn định pH và sức căng bề mặt trong quá trình ủ nhiệt chứng tỏ hệ chất HĐBM có khả năng chịu nhiệt tốt, phù hợp với điều kiện thực tế của đám cháy. Các kết quả này tương đồng với các nghiên cứu quốc tế về chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước, đồng thời phù hợp với tiêu chuẩn kỹ thuật Việt Nam.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ biến thiên pH và sức căng bề mặt theo thời gian ủ nhiệt, bảng so sánh độ nở và thời gian bán hủy của từng hệ chất HĐBM, cũng như đồ thị mặt tối ưu hóa phối trộn các thành phần.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển sản phẩm chất tạo bọt chữa cháy nội địa: Áp dụng công thức tối ưu DCF : APG : LHSB : NPE = 1 : 3 : 2 : 1 với nồng độ tổng 3% để sản xuất chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước có độ nở thấp, nhằm giảm nhập khẩu và nâng cao năng lực công nghiệp trong nước. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; chủ thể: các doanh nghiệp hóa chất và viện nghiên cứu.

  2. Nâng cao công nghệ sản xuất và kiểm soát chất lượng: Đầu tư thiết bị đo sức căng bề mặt, độ nở, thời gian bán hủy và hệ số lan truyền để đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn kỹ thuật. Thời gian: 6-12 tháng; chủ thể: phòng thí nghiệm và nhà máy sản xuất.

  3. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho cán bộ kỹ thuật và công nhân về quy trình phối trộn, kiểm tra chất lượng và ứng dụng sản phẩm trong chữa cháy. Thời gian: 6 tháng; chủ thể: trường đại học, viện nghiên cứu, doanh nghiệp.

  4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng: Nghiên cứu bổ sung các chất phụ gia tăng độ bền bọt, chống đông, điều chỉnh độ nhớt để nâng cao hiệu quả chữa cháy trong các điều kiện môi trường khác nhau. Thời gian: 1-3 năm; chủ thể: viện nghiên cứu, trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học phân tích: Nghiên cứu sâu về thành phần hóa học, tính chất vật lý và hóa học của chất tạo bọt chữa cháy, phương pháp phân tích và tối ưu hóa phối trộn.

  2. Doanh nghiệp sản xuất hóa chất và thiết bị chữa cháy: Áp dụng công thức và quy trình tối ưu để sản xuất chất tạo bọt chữa cháy hiệu quả, giảm chi phí và nâng cao chất lượng sản phẩm.

  3. Cơ quan quản lý và chuyên gia phòng cháy chữa cháy: Hiểu rõ về tính chất và hiệu quả của các loại chất tạo bọt chữa cháy, từ đó xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và chính sách phù hợp.

  4. Các đơn vị cứu hỏa và lực lượng ứng phó sự cố: Nắm bắt đặc tính và cách sử dụng các loại bọt chữa cháy có độ nở thấp để ứng dụng hiệu quả trong thực tế, đảm bảo an toàn và hiệu quả chữa cháy.

Câu hỏi thường gặp

  1. Chất tạo bọt chữa cháy có ưu điểm gì so với nước thông thường?
    Chất tạo bọt chữa cháy tạo thành lớp màng bọt bao phủ bề mặt nhiên liệu, ngăn cản oxy tiếp xúc và giảm sự bốc hơi nhiên liệu, giúp dập tắt đám cháy nhanh hơn và ngăn ngừa cháy lại, trong khi nước chỉ làm mát và không hiệu quả với đám cháy chất lỏng dễ cháy.

  2. Tại sao cần phối trộn các chất hoạt động bề mặt khác nhau trong chất tạo bọt?
    Phối trộn các chất HĐBM flo hóa và hydrocacbon giúp cân bằng giữa hiệu quả kỹ thuật (giảm sức căng bề mặt, tăng độ bền bọt) và chi phí sản xuất, đồng thời cải thiện khả năng tương hợp và bền nhiệt của dung dịch.

  3. Độ nở và thời gian bán hủy của bọt ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả chữa cháy?
    Độ nở cao giúp bọt lan tỏa nhanh và bao phủ rộng bề mặt nhiên liệu, trong khi thời gian bán hủy dài đảm bảo bọt duy trì ổn định đủ lâu để dập tắt đám cháy và ngăn ngừa cháy lại.

  4. Phương pháp tối ưu hóa phối trộn chất tạo bọt được thực hiện như thế nào?
    Sử dụng quy hoạch ma trận yếu tố toàn phần và phương án quay bậc hai Box-Hunter, kết hợp phần mềm thống kê Minitab để xác định tỷ lệ phối trộn các thành phần đạt hiệu quả tối ưu về sức căng bề mặt và tính ổn định.

  5. Có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu này trong sản xuất công nghiệp không?
    Có, công thức và quy trình tối ưu đã được xác định rõ, phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước, giúp doanh nghiệp chủ động sản xuất chất tạo bọt chữa cháy hiệu quả, giảm nhập khẩu và nâng cao năng lực cạnh tranh.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích thành phần và tính chất của hệ chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước 3% có độ nở thấp, xác định được các chất HĐBM phù hợp gồm DCF, APG, LHSB và NPE.
  • Hệ phối trộn tối ưu với tỷ lệ DCF : APG : LHSB : NPE = 1 : 3 : 2 : 1 cho độ nở 5,6 lần, thời gian bán hủy 5 phút 34 giây và sức căng bề mặt thấp, ổn định sau 8 giờ ủ nhiệt.
  • Phương pháp quy hoạch ma trận và tối ưu hóa Box-Hunter đã giúp xác định nồng độ tối ưu các thành phần, đảm bảo tính tương hợp và bền nhiệt của hệ.
  • Kết quả nghiên cứu tạo tiền đề cho việc sản xuất chất tạo bọt chữa cháy trong nước, giảm phụ thuộc nhập khẩu và nâng cao hiệu quả phòng cháy chữa cháy.
  • Đề xuất các bước tiếp theo gồm phát triển sản phẩm công nghiệp, nâng cao công nghệ sản xuất, đào tạo nhân lực và mở rộng nghiên cứu ứng dụng.

Hành động tiếp theo: Các doanh nghiệp và viện nghiên cứu nên phối hợp triển khai sản xuất thử nghiệm, đồng thời hoàn thiện quy trình kiểm soát chất lượng để đưa sản phẩm ra thị trường, góp phần nâng cao an toàn phòng cháy chữa cháy tại Việt Nam.