Tổng quan nghiên cứu

Thuốc nổ nhũ tương là một trong những loại thuốc nổ công nghiệp hiện đại, được sử dụng rộng rãi trong khai thác mỏ và các công tác nổ mìn nhờ tính an toàn cao, khả năng chịu nước tốt và hiệu quả kinh tế kỹ thuật vượt trội. Theo ước tính, thuốc nổ nhũ tương chiếm khoảng 30-40% thị phần thuốc nổ công nghiệp tại Việt Nam, với nhu cầu ngày càng tăng trong các ngành khai thác than, khoáng sản và xây dựng hạ tầng. Tuy nhiên, chất lượng và hiệu quả của thuốc nổ nhũ tương phụ thuộc rất lớn vào nguồn nguyên liệu đầu vào, đặc biệt là các thành phần như amoni nitrat (NH₄NO₃), natri nitrat (NaNO₃), chất cháy, chất nhũ hóa và các chất tăng nhạy.

Luận văn tập trung nghiên cứu, nâng cao và tối ưu hóa nguồn nguyên liệu đầu vào trong quá trình sản xuất thuốc nổ nhũ tương tại Công ty TNHH MTV Hóa chất 21 nhằm cải thiện chất lượng sản phẩm, tăng hiệu quả nổ và giảm chi phí sản xuất. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2021-2022 tại dây chuyền sản xuất thuốc nổ nhũ tương dạng thỏi của công ty, với mục tiêu cụ thể là xác định tỷ lệ phối trộn các muối oxy hóa tối ưu, lựa chọn chất cháy và chất nhũ hóa phù hợp, đồng thời đề xuất các giải pháp nâng cao độ ổn định và độ nhạy của thuốc nổ.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao hiệu quả sử dụng nguyên liệu, giảm thiểu thất thoát và tăng tính ổn định của thuốc nổ nhũ tương trong điều kiện bảo quản và sử dụng thực tế. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao năng lực sản xuất, đảm bảo an toàn và tăng sức cạnh tranh cho sản phẩm thuốc nổ nhũ tương trong nước.

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 về hóa học thuốc nổ, đặc biệt là thuốc nổ nhũ tương, bao gồm:

  • Lý thuyết cấu trúc và phân loại thuốc nổ: Thuốc nổ nhũ tương được định nghĩa là hệ nhũ tương “nước trong dầu” gồm pha dung dịch muối oxy hóa (chủ yếu NH₄NO₃, NaNO₃, Ca(NO₃)₂) và pha dầu chứa chất cháy, chất nhũ hóa và chất tăng nhạy. Thuốc nổ nhũ tương được phân loại theo độ nhạy, mục đích sử dụng và hình thức sản phẩm (dạng thỏi, dạng rời).

  • Mô hình cân bằng oxy trong thuốc nổ: Việc phối trộn các muối oxy hóa và chất cháy nhằm đạt cân bằng oxy gần bằng không, đảm bảo phản ứng nổ hoàn chỉnh, giảm khí độc hại và tăng nhiệt lượng nổ.

  • Lý thuyết về sự tạo nhũ và ổn định nhũ tương: Chất nhũ hóa đóng vai trò quan trọng trong việc giảm sức căng bề mặt giữa pha dầu và pha nước, tạo ra nhũ tương bền vững. Các chất hoạt động bề mặt như sorbitan monooleat (Span 80) và hỗn hợp chất hoạt động bề mặt có hiệu ứng cộng sinh được sử dụng để tăng độ ổn định và thời gian bảo quản.

  • Cơ chế tăng nhạy thuốc nổ nhũ tương: Sử dụng các bọt khí (khí sinh học hoặc vật liệu rỗng xốp như vi cầu thủy tinh) để tạo các điểm nóng khi kích nổ, giúp thuốc nổ nhũ tương có thể phát nổ ổn định. Các phương pháp tạo bọt khí bao gồm sục khí cơ học, tạo khí hóa học và sử dụng vật liệu xốp.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu thu thập từ quá trình sản xuất thực tế tại Công ty TNHH MTV Hóa chất 21, các thử nghiệm hóa lý và nổ tại phòng thí nghiệm, cùng các tài liệu chuyên ngành và tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Nghiên cứu sử dụng khoảng 10 mẫu nguyên liệu NH₄NO₃ và NaNO₃ từ các nguồn khác nhau, cùng các mẫu thuốc nổ nhũ tương dạng thỏi thử nghiệm với các tỷ lệ phối trộn khác nhau. Mẫu được chọn theo phương pháp ngẫu nhiên có kiểm soát nhằm đảm bảo tính đại diện.

  • Phương pháp phân tích: Phân tích hóa lý các nguyên liệu (độ tinh khiết, tỷ trọng, hàm lượng tạp chất, nhiệt độ kết tinh), đánh giá độ ổn định nhũ tương qua chỉ số điện dung, đo tốc độ nổ (VOD) và năng lượng nổ bằng thiết bị chuyên dụng. Phân tích ảnh hưởng của các thành phần nguyên liệu đến chất lượng thuốc nổ nhũ tương bằng phương pháp so sánh và thống kê mô tả.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong 12 tháng, gồm các giai đoạn: khảo sát và thu thập nguyên liệu (3 tháng), thử nghiệm phối trộn và đánh giá chất lượng (5 tháng), phân tích kết quả và đề xuất giải pháp (3 tháng), hoàn thiện luận văn và báo cáo (1 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn NH₄NO₃ và NaNO₃ đến nhiệt độ kết tinh và độ ổn định nhũ tương: Khi tỷ lệ NH₄NO₃ chiếm 70-80% và NaNO₃ chiếm 20-30%, nhiệt độ kết tinh của pha oxy hóa giảm từ khoảng 90°C xuống còn khoảng 60°C, giúp nhũ tương ổn định hơn trong điều kiện bảo quản. Điện dung nhũ tương ổn định dưới 250 pF, đảm bảo độ bền nhũ tương trong thời gian bảo quản 3-6 tháng.

  2. Tác động của chất cháy và chất nhũ hóa đến tính chất lưu biến và độ nhạy: Sử dụng sáp parafin với tỷ lệ 4-6% trọng lượng trong pha dầu giúp kiểm soát độ nhớt và tăng khả năng chịu nước của thuốc nổ nhũ tương. Hỗn hợp chất hoạt động bề mặt Span 80/LPE với tỷ lệ 1:1 làm tăng thời gian bảo quản lên đến 12 tháng, đồng thời giảm thời gian tạo nhũ từ 3-15 phút xuống còn 6-30 giây.

  3. Hiệu quả của các phương pháp tạo bọt khí tăng nhạy: Tạo bọt khí bằng phản ứng hóa học sử dụng NaNO₂ với hàm lượng 0,1-0,3% giúp tạo ra các bọt khí nhỏ (kích thước 40-70 µm) phân bố đều, tăng tốc độ nổ lên trên 4900 m/s và duy trì độ nhạy ổn định trong 4 tháng bảo quản. So sánh với phương pháp sục khí cơ học, phương pháp hóa học cho hiệu quả bọt khí đồng đều và ổn định hơn, giảm hiện tượng tái ngưng tụ.

  4. Giảm chi phí nguyên liệu và nâng cao hiệu quả kinh tế: Việc thay thế một phần NaNO₃ bằng NH₄NO₃ từ nguồn nguyên liệu trong nước giúp giảm chi phí nguyên liệu khoảng 15-20%, đồng thời duy trì hoặc cải thiện các chỉ tiêu hóa lý và năng lượng nổ của thuốc nổ nhũ tương.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc phối trộn hợp lý các muối oxy hóa NH₄NO₃ và NaNO₃ theo tỷ lệ gần Eutectic giúp hạ nhiệt độ kết tinh, tăng độ ổn định nhũ tương và giảm nguy cơ kết tinh muối trong quá trình bảo quản. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trong ngành cho thấy hỗn hợp muối có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn giúp nhũ tương bền vững hơn.

Việc sử dụng sáp parafin và hỗn hợp chất hoạt động bề mặt Span 80/LPE không chỉ cải thiện tính lưu biến mà còn tăng thời gian bảo quản, phù hợp với yêu cầu sản xuất công nghiệp. So với các nghiên cứu trước đây, việc phối hợp các chất nhũ hóa có chứa nitơ giúp tăng tốc độ tạo nhũ và độ bền nhũ tương, đồng thời giảm thời gian sản xuất.

Phương pháp tạo bọt khí bằng phản ứng hóa học được đánh giá cao về hiệu quả và tính ổn định so với phương pháp cơ học truyền thống. Các bọt khí nhỏ và đồng đều tạo ra các điểm nóng hiệu quả khi kích nổ, giúp thuốc nổ nhũ tương đạt tốc độ nổ cao và độ nhạy ổn định. Kết quả này phù hợp với lý thuyết về cơ chế kích nổ qua nén đoạn nhiệt các bọt khí.

Việc tối ưu hóa nguồn nguyên liệu không chỉ nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn giảm chi phí sản xuất, tăng tính cạnh tranh cho Công ty TNHH MTV Hóa chất 21. Các số liệu về giảm chi phí nguyên liệu và tăng hiệu quả nổ được minh họa qua bảng so sánh các chỉ tiêu hóa lý và năng lượng nổ của các mẫu thử nghiệm.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu tỷ lệ phối trộn muối oxy hóa: Khuyến nghị sử dụng tỷ lệ NH₄NO₃ chiếm 70-80% và NaNO₃ chiếm 20-30% trong pha oxy hóa để giảm nhiệt độ kết tinh và tăng độ ổn định nhũ tương. Thời gian áp dụng: 6 tháng. Chủ thể thực hiện: Bộ phận kỹ thuật sản xuất.

  2. Sử dụng hỗn hợp chất hoạt động bề mặt Span 80/LPE: Áp dụng hỗn hợp chất nhũ hóa này với tỷ lệ 1:1 để tăng thời gian bảo quản và giảm thời gian tạo nhũ. Thời gian áp dụng: ngay lập tức. Chủ thể thực hiện: Phòng nghiên cứu và phát triển.

  3. Áp dụng phương pháp tạo bọt khí bằng phản ứng hóa học: Sử dụng NaNO₂ với hàm lượng 0,1-0,3% để tạo bọt khí nhỏ, đồng đều, tăng độ nhạy và tốc độ nổ. Thời gian áp dụng: 3 tháng thử nghiệm, sau đó triển khai rộng. Chủ thể thực hiện: Phòng công nghệ sản xuất.

  4. Giám sát và kiểm soát chất lượng nguyên liệu đầu vào: Thiết lập quy trình kiểm tra độ tinh khiết, hàm lượng tạp chất và các chỉ tiêu hóa lý của NH₄NO₃, NaNO₃ và các nguyên liệu khác để đảm bảo chất lượng ổn định. Thời gian áp dụng: liên tục. Chủ thể thực hiện: Phòng quản lý chất lượng.

  5. Đào tạo nhân viên và nâng cao nhận thức về an toàn: Tổ chức các khóa đào tạo về quy trình sản xuất, xử lý nguyên liệu và an toàn lao động trong sản xuất thuốc nổ nhũ tương. Thời gian áp dụng: 6 tháng. Chủ thể thực hiện: Ban lãnh đạo và phòng nhân sự.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý sản xuất thuốc nổ công nghiệp: Giúp hiểu rõ về tối ưu hóa nguyên liệu đầu vào, nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm chi phí, từ đó cải thiện năng suất và chất lượng sản phẩm.

  2. Chuyên gia kỹ thuật và công nghệ hóa học: Cung cấp kiến thức chuyên sâu về cấu trúc, tính chất và công nghệ chế tạo thuốc nổ nhũ tương, hỗ trợ phát triển công nghệ mới và cải tiến quy trình sản xuất.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Quản lý công nghiệp, Kỹ thuật hóa học: Là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng lý thuyết vào thực tiễn sản xuất thuốc nổ, đồng thời cung cấp phương pháp nghiên cứu khoa học bài bản.

  4. Cơ quan quản lý và kiểm định chất lượng sản phẩm thuốc nổ: Hỗ trợ trong việc xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật, quy trình kiểm tra chất lượng và đảm bảo an toàn trong sản xuất và sử dụng thuốc nổ nhũ tương.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải phối trộn NH₄NO₃ và NaNO₃ trong thuốc nổ nhũ tương?
    Phối trộn giúp giảm nhiệt độ kết tinh của pha oxy hóa, tăng độ ổn định nhũ tương và cải thiện hiệu quả nổ. Ví dụ, tỷ lệ phối trộn 70% NH₄NO₃ và 30% NaNO₃ làm nhiệt độ kết tinh giảm từ 90°C xuống 60°C, giúp nhũ tương bền hơn.

  2. Chất nhũ hóa nào được sử dụng phổ biến trong sản xuất thuốc nổ nhũ tương?
    Hỗn hợp chất hoạt động bề mặt Span 80 và LPE được sử dụng rộng rãi nhờ khả năng tạo nhũ nhanh, ổn định và tăng thời gian bảo quản lên đến 12 tháng.

  3. Phương pháp tạo bọt khí nào hiệu quả nhất để tăng nhạy thuốc nổ nhũ tương?
    Phương pháp tạo bọt khí bằng phản ứng hóa học sử dụng NaNO₂ được đánh giá cao vì tạo ra bọt khí nhỏ, đồng đều và ổn định hơn so với sục khí cơ học, giúp tăng tốc độ nổ và độ nhạy.

  4. Làm thế nào để kiểm soát chất lượng nguyên liệu đầu vào?
    Cần kiểm tra độ tinh khiết, hàm lượng tạp chất, tỷ trọng và các chỉ tiêu hóa lý khác của NH₄NO₃, NaNO₃ và các nguyên liệu khác theo tiêu chuẩn kỹ thuật để đảm bảo chất lượng ổn định.

  5. Việc tối ưu hóa nguyên liệu đầu vào có ảnh hưởng thế nào đến chi phí sản xuất?
    Việc thay thế một phần NaNO₃ bằng NH₄NO₃ trong nước giúp giảm chi phí nguyên liệu khoảng 15-20%, đồng thời duy trì hoặc cải thiện chất lượng thuốc nổ, nâng cao hiệu quả kinh tế sản xuất.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định tỷ lệ phối trộn NH₄NO₃ và NaNO₃ tối ưu giúp giảm nhiệt độ kết tinh và tăng độ ổn định nhũ tương.
  • Hỗn hợp chất hoạt động bề mặt Span 80/LPE cải thiện thời gian bảo quản và rút ngắn thời gian tạo nhũ.
  • Phương pháp tạo bọt khí bằng phản ứng hóa học nâng cao độ nhạy và tốc độ nổ của thuốc nổ nhũ tương.
  • Tối ưu hóa nguyên liệu đầu vào góp phần giảm chi phí sản xuất và tăng hiệu quả kinh tế.
  • Đề xuất áp dụng các giải pháp trong vòng 6-12 tháng để nâng cao chất lượng sản phẩm và năng lực cạnh tranh.

Tiếp theo, cần triển khai thử nghiệm quy mô lớn và đào tạo nhân viên để áp dụng các giải pháp tối ưu vào sản xuất thực tế. Mời các đơn vị sản xuất và nghiên cứu liên quan phối hợp để phát triển công nghệ thuốc nổ nhũ tương bền vững và hiệu quả hơn.