Hình 3.4: Các đường đồng mức biểu diễn giá trị σ theo nồng độ các chất HĐBM
Sau khi vẽ được mặt tối ưu thấy hàm đạt giá trị nhỏ nhất tại cực trị riêng phần của nó:
Z1 = 103,74 g/kg Z2 = 251,02 g/kg Z3 = 225,1 g/kg
Thay các giá trị vào phương trình tìm được giá trị SCBM nhỏ nhất là = 17,06 mN/m.
hi đó xác định được nồng độ tối ưu các chất là DCF = 103,74 ≈ 104 g/kg
APG = 251,02 ≈ 251 g/kg
LHSB = 150,01 ≈ 150 g/kg
NPE = 74,94 ≈ 75 g/kg
Sau khi tối ưu hóa được thành phần hàm lượng của các chất HĐBM riêng phần và tối ưu được quy trình chế tạo, hệ số lan truyền của các mẫu dung dịch tạo màng nước được xác định, kết quả được trình bày tại bảng 3.13:
Bảng 3.13: ết quả xác định hệ số lan truyền của hệ chất HĐBM bọt chữa cháy tạo màng nước
SCBM σF (mN/m) | SCBM σA (mN/m) | SCBM σI (mN/m) | Hệ số lan truyền (mN/m) | |
1 | 24,33 | 17,09 | 3,71 | 3,53 |
2 | 24,20 | 17,11 | 3,73 | 3,36 |
3 | 24,19 | 17,05 | 3,72 | 3,42 |
4 | 24,15 | 17,10 | 3,75 | 3,30 |
5 | 24,27 | 17,09 | 3,74 | 3,44 |
6 | 24,21 | 17,07 | 3,71 | 3,43 |
Trung bình | 24,23 | 17,08 | 3,73 | 3,42 |
Có thể bạn quan tâm!
-
Nghiên Cứu Lựa Chọn Chất Hoạt Động Bề Mặt Fluor Hóa Và Hydrocarbon -
Các Mức Tối Ưu Hóa Trong Hệ Chất Tạo Bọt Chữa Cháy Tạo Màng Nước Bền Rượu -
Biến Thiên Ph Và Σ Của Hệ Dcf : Apg Theo Thời Gian Ủ Nhiệt -
Ết Quả Khảo Sát Thời Gian Khuấy Và Tốc Độ Khuấy -
Biến Thiên Ph Và Σ Của Hệ Fb : Sles : Npe : Pfac Theo Thời Gian Ủ Nhiệt -
Giá Trị Ph Và Σ Của Các Mẫu Bọt Bền Rượu Tại Thời Điểm Ban Đầu
Xem toàn bộ 136 trang tài liệu này.
Kết quả cho thấy hệ chất HĐBM tối ưu có hệ số lan truyền dương 3,42 mN/m chứng tỏ hệ có khả năng nổi lên trên bề mặt nhiên liệu lỏng dễ cháy.
3.1.4. Nghiên cứu lựa chọn chất trợ HĐBM và chất phụ gia
3.1.4.1. Lựa chọn chất trợ HĐBM
Chất trợ HĐBM giúp ổn định hệ bọt và góp phần cải thiện hoạt tính của chất HĐBM. Khi có mặt chất trợ HĐBM thì bọt tạo thành có độ nở và thời gian bán hủy
tốt hơn. Do đó cần tiến hành khảo sát độ nở bọt và thời gian bán hủy bọt của hỗn hợp chất HĐBM khi có mặt của các chất trợ HĐBM và chọn ra chất trợ HĐBM tạo ra tính chất tốt nhất cho dung dịch bọt tạo thành.
Nghiên cứu cho thấy butyl diglycol là chất tăng cường bọt (foam booster) làm tăng khả năng tạo bọt và bọt được bền hơn nên luận án sử dụng chất trợ HĐBM để khảo sát. Sử dụng hệ chất HĐBM đã được tối ưu hóa (gọi tắt là hệ N) để chế tạo mẫu chất tạo bọt, sau đó thêm chất trợ HĐBM butyl diglycol với hàm lượng thay đổi từ 1 đến 7% về khối lượng.
280
Thời gian bán hủy (giây)
Độ nở (lần)
6
260
5,9
5,8
240
5,7
220
5,6
200
5,5
0 1 2 3 4 5 6 7
Nồng độ butyl diglycol (%)
Thời gian bán hủy (giây)
Độ nở (lần)
Chế tạo 100g chất tạo bọt gồm các thành phần: 58% các chất HĐBM theo tỷ lệ tối ưu, 1-7% chất trợ HĐBM butyl diglycol và nước. Các mẫu chất tạo bọt này được đo độ nở và thời gian tiết nước, kết quả được trình bày tại hình 3.5 dưới đây.
Hình 3.5. Ảnh hưởng của nồng độ butyl diglycol đến hệ chất HĐBM
ết quả đo độ nở và thời gian bán hủy của các mẫu tạo bọt khi có mặt chất trợ HĐBM cho thấy, khi tăng hàm lượng chất trợ HĐBM sử dụng từ 1-5% thì độ nở và thời gian bán hủy bọt cũng tăng. Điều này có nghĩa là độ bền cơ học của bọt tăng lên. Tuy nhiên, tiếp tục tăng nồng độ butyl diglycol thì độ nở của dung dịch bọt giảm dần và thời gian bán hủy của bọt tăng không đáng kể. Do vậy luận án sử dụng 5% butyl diglycol cho các nghiên cứu tiếp theo.
3.1.4.2. Nghiên cứu lựa chọn các chất phụ gia
Các chất phụ gia đưa vào chất tạo bọt không làm ảnh hưởng đến hoạt tính bề
mặt mà làm cho sản phẩm có đặc tính vượt trội hơn. Trong số các chất phụ gia được tìm hiểu trong phần tổng quan và tham khảo các patent nghiên cứu chất tạo bọt, luận án tập trung khảo sát ảnh hưởng của chất làm tăng độ bền bọt, chất chống đông và chất điều chỉnh độ nhớt đến một số tính chất của bọt.
a) Chất tăng độ bền bọt
Ảnh hưởng của hydroxyethyl cellulose (HEC) lên độ nở và thời gian bán hủy của mẫu bọt được thực hiện như sau: chế tạo 100g mẫu bọt gồm 58% chất HĐBM theo tỷ lệ tối ưu, 5% chất trợ HĐBM butyl diglycol, hàm lượng HEC thay đổi từ 0,8 – 1,8% được đồng hóa cùng với nước. ết quả xác định độ nở và thời gian bán hủy được trình bày tại bảng 3.14.
Bảng 3.14: Ảnh hưởng của hydroxyethyl cellulose đến độ nở và thời gian bán hủy
Hàm lượng HEC (%) | Độ nở (lần) | Thời gian bán hủy (phút:giây) | |
1 | 0 | 5,7 | 4:11 |
2 | 0,8 | 5,7 | 4:13 |
3 | 1,0 | 5,8 | 4:25 |
4 | 1,2 | 5,8 | 4:24 |
5 | 1,4 | 5,7 | 4:29 |
6 | 1,6 | 5,8 | 4:25 |
7 | 1,8 | 5,8 | 4:28 |
ết quả cho thấy khi tăng hàm lượng HEC từ 0-1,0 % thì độ nở và thời gian bán hủy của dung dịch tăng lên. hi tiếp tục tăng nồng độ HEC từ 1,0 %-1,8% thì độ nở và thời gian bán hủy của dung dịch tăng không đáng kể. Do vậy, luận án lựa chọn hàm lượng HEC 1,0% cho các nghiên cứu tiếp theo.
b) Chất chống đông
Ảnh hưởng của glycerin đến nhiệt độ đông đặc mẫu bọt giả định được thực hiện như sau: Glycerin với hàm lượng thay đổi từ 0 – 4% được đồng hóa cùng với 58% hỗn hợp gồm hệ chất HĐBM đã tối ưu hóa, 5% chất trợ hoạt động bề mặt và nước để thành 100g mẫu. ết quả xác định độ nở, thời gian tiết nước, nhiệt độ đông đặc và độ ổn định khi đông đặc và hóa lỏng của mẫu được trình bày tại bảng 3.15.
Bảng 3.15: Ảnh hưởng của glycerin đến nhiệt độ đông đặc
Hàm lượng glycerin (%) | Độ nở (lần) | Thời gian bán hủy (phút:giây) | Nhiệt độ đông đặc (oC) | |
1 | 0 | 5,7 | 4:09 | -2,3 |
2 | 0,5 | 5,8 | 4:08 | - 2,5 |
3 | 1 | 5,7 | 4:13 | -2,9 |
4 | 1,5 | 5,7 | 4:14 | -3,6 |
5 | 2 | 5,8 | 4:12 | -4,3 |
6 | 2,5 | 5,7 | 4:18 | -5,0 |
7 | 3 | 5,9 | 4:23 | -5,5 |
8 | 3,5 | 5,8 | 4:27 | -6,3 |
9 | 4 | 5,8 | 4:28 | -6,7 |
ết quả cho thấy khi tăng hàm lượng glycerin từ 0 - 4% thì độ nở của bọt không bị thay đổi; thời gian bán hủy của mẫu tăng dần và nhiệt độ đông đặc giảm dần. Theo yêu cầu k thuật của TCVN, nhiệt độ đông đặc của bọt phải ≤ -5°C. Do vậy, luận án lựa chọn glycerin với hàm lượng 2,5% vì với nồng độ này thì thời gian bán hủy của bọt là lớn nhất và nhiệt độ động đặc đạt yêu cầu.
c) Chất điều chỉnh độ nhớt
Dựa trên các kết quả nghiên cứu về chất tăng độ bền bọt (HEC) cũng như tham khảo về thông số độ nhớt của một số sản phẩm tương tự trên thế giới, luận án tiến hành khảo sát sự giảm độ nhớt của chất tạo bọt bằng sự có mặt của Urea trên mẫu bọt với 1,0% HEC. Tiến hành chế tạo 100g các mẫu bọt với 58% các chất HĐBM theo tỷ lệ đã tối ưu, 1,0% HEC, 0 – 5% Urea và lượng nước vừa đủ để thành 100g dung dịch. ết quả xác định các thông số được trình bày tại bảng 3.16.
Bảng 3.16: Ảnh hưởng Urea đến độ nhớt
Hàm lượng Urea (%) | Độ nở (lần) | Thời gian bán hủy (phút:giây) | Độ nhớt (mm2/s) | |
1 | 0 | 5,7 | 4:09 | 89,9 |
2 | 0,5 | 5,7 | 4:11 | 77,6 |
3 | 1 | 5,8 | 4:13 | 75,7 |
4 | 1,5 | 5,7 | 4:38 | 69,6 |
5 | 2 | 5,8 | 4:37 | 67,5 |
6 | 2,5 | 5,8 | 4:39 | 65,7 |
3 | 5,7 | 4: 40 | 50,4 | |
8 | 4 | 5,7 | 4: 44 | 49,6 |
9 | 5 | 5,8 | 4: 45 | 48,5 |
7
Kết quả khảo sát cho thấy, khi tăng hàm lượng Urea từ 0 – 5% không làm ảnh hưởng đến độ nở nhưng làm cho thời gian bán hủy tăng và độ nhớt của mẫu giảm. Theo TCVN yêu cầu chất tạo bọt chữa cháy có độ nhớt trong khoảng 61,4 -80,4 (mm2/s). Từ kết quả trong bảng 3.16 thấy với hàm lượng Urea bằng 1,5% thì độ nhớt đạt yêu cầu và có thời gian bán hủy cao. Do vậy, luận án sử dụng hàm lượng này để
thực hiện các nội dung nghiên cứu tiếp theo.
Xác định độ bền của hỗn hợp chất HĐBM với chất trợ HĐBM và các phụ gia
Tiến hành chế tạo 100g các mẫu chất tạo bọt gồm 4 chất HĐBM với tỷ lệ đã tối ưu hóa (gọi tắt là hệ N) với sự có mặt của các chất phụ gia (hàm lượng của các chất phụ gia đã được nghiên cứu ở trên) và 32% nước. Xác định pH và σ tại thời điểm ban đầu trước khi ủ đẳng nhiệt được kết quả trình bày tại bảng 3.17.
Bảng 3.17: Giá trị pH và σ của hệ DCF : APG : LHSB : NPE và các chất phụ gia tại thời điểm ban đầu
Hệ N + 5% butyl diglycol | Hệ N + 2,5% glycerin | Hệ N + 1,5% Urea | Hệ N + 1% HEC | Hệ N và 04 phụ gia trên | |
pH | 7,28 | 7,36 | 7,25 | 7,19 | 7,32 |
σ (mN/m) | 17,11 | 17,81 | 18,14 | 17,72 | 17,02 |
Các mẫu chất tạo bọt được ủ đẳng nhiệt ở 150oC, xác định sự biến thiên pH và SCBM của các mẫu dung dịch theo các mốc thời gian khác nhau, kết quả được trình bày tại bảng 3.18:
Bảng 3.18: Biến thiên pH và σ của hệ DCF : APG : LHSB : NPE và các chất phụ gia theo thời gian ủ nhiệt
Hệ N + 5% butyl diglycol | Hệ N + 2,5% glycerin | Hệ N + 1,5% Urea | Hệ N + 1% HEC | Hệ N và 04 phụ gia trên | ||||||
ΔpH | Δσ (mN/m) | ΔpH | Δσ (mN/m) | ΔpH | Δσ (mN/m) | ΔpH | Δσ (mN/m) | ΔpH | Δσ (mN/m) | |
1 | 0,21 | 0,31 | 0,30 | 0,26 | 0,21 | 0,21 | 0,25 | 0,28 | 0,15 | 0,22 |
2 | 0,23 | 0,33 | 0,32 | 0,22 | 0,22 | 0,22 | 0,24 | 0,22 | 0,14 | 0,23 |
3 | 0,20 | 0,39 | 0,31 | 0,29 | 0,24 | 0,24 | 0,28 | 0,21 | 0,18 | 0,21 |
0,21 | 0,33 | 0,30 | 0,23 | 0,26 | 0,26 | 0,26 | 0,26 | 0,21 | 0,23 | |
6 | 0,30 | 0,39 | 0,29 | 0,22 | 0,21 | 0,21 | 0,26 | 0,22 | 0,20 | 0,21 |
8 | 0,26 | 0,41 | 0,30 | 0,23 | 0,27 | 0,29 | 0,28 | 0,28 | 0,21 | 0,23 |
4
Sự biến thiên pH và SCBM của hệ vật liệu khi có mặt từng phụ gia và các phụ gia không lớn, điều này phù hợp với lý thuyết về chất phụ gia và giá trị SCBM thay đổi nhỏ chứng tỏ hệ vật liệu nghiên cứu tương đối bền nhiệt, tính bền nhiệt sẽ được khẳng định bằng các thử nghiệm chữa cháy theo tiêu chuẩn Việt Nam.
Xác định hệ số lan truyền
Sau khi tối ưu hóa được thành phần hàm lượng của các chất HĐBM riêng phần và tối ưu được quy trình chế tạo, hệ số lan truyền của các mẫu dung dịch tạo bọt tạo màng nước theo công thức:
S = σF – σA – σI
Chế tạo 100g các mẫu bọt theo công thức: 58% hệ chất HĐBM đã tối ưu + 5% butyl diglycol + 2,5% glycerin + 1,0% HEC +1,5% Urea + 32% nước. Lấy 0,5 g các mẫu chất tạo bọt này pha vào 99,5 g nước được dung dịch tạo bọt và xác định hệ số lan truyền, kết quả xác định hệ số lan truyền được trình bày tại bảng 3.19 như sau:
Bảng 3.19: ết quả xác định hệ số lan truyền của hệ tạo bọt chữa cháy tạo màng nước
SCBM σF (mN/m) | SCBM σA (mN/m) | SCBM σI (mN/m) | Hệ số lan truyền S | |
1 | 24,33 | 17,23 | 3,92 | 3,18 |
2 | 24,15 | 17,12 | 3,95 | 3,08 |
3 | 24,27 | 17,21 | 3,98 | 3,08 |
Trung bình | 24,25 | 17,19 | 3,95 | 3,11 |
ết quả cho thấy hệ số lan truyền của mẫu chất tạo bọt tính toán được là 3,11. Giá trị này khẳng định chất tạo tạo màng nước có khả năng tự lan truyền trên bề chất lỏng.
3.1.5. Khảo sát thứ tự đồng hóa
Để chế tạo được hệ chất tạo bọt đậm đặc đi từ các chất HĐBM thành phẩm thì việc nghiên cứu khảo sát thứ tự đồng hóa là cần thiết. Do trong hỗn hợp bọt chữa cháy các chất HĐBM riêng phần không xảy ra phản ứng hóa học với nhau mà chủ yếu là sự phát nhiệt do quá trình hydrat hóa. Vì vậy, tiêu chí so sánh khi khảo sát
thứ tự đồng hóa là sự thay đổi nhiệt độ của dung dịch và trạng thái của dung dịch sau khi đồng hóa. ết quả khảo sát thứ tự đồng hóa của các chất HĐBM trong nước được trình bày trong bảng 3.20 như sau:
Bảng 3.20: ết quả khảo sát thứ tự đồng hóa hệ AFFF
Thứ tự đồng hóa | Δ t (°C) | Trạng thái dung dịch | |||
1 | 2 | 3 | |||
A | APG | NPE | LHSB | 0,2 | ++- |
B | APG | LHSB | NPE | 0,3 | --- |
C | NPE | APG | LHSB | 0,1 | ++- |
D | NPE | LHSB | APG | 0,1 | --- |
E | LHSB | APG | NPE | 0,3 | +++ |
F | LHSB | NPE | APG | 0,2 | +++ |
Trong đó:
+++: dung dịch trong hoàn toàn và ít bọt tạo thành
++-: dung dịch có nhiều bọt nhỏ
---: dung dịch nhiều bọt, lâu vỡ
ết quả cho thấy chất HĐBM lưỡng tính như LHSB cần được đồng hóa trước cùng với chất HĐBM fluor hóa sau đó đến chất hoạt động nonion. Điều này cũng hoàn toàn phù hợp với lý thuyết do LHSB là chất lỏng có độ nhớt thấp nhất và tương tốt với chất HĐBM DCF theo khuyến nghị của nhà sản xuất nên nó cần được đồng hóa trước 2 chất có độ nhớt cao hơn là NPE và APG.
Tiếp tục khảo sát thứ tự phối trộn các phụ gia, dựa trên các thông số thời gian bán hủy, thời gian khuấy trộn và sức căng bề mặt. ết quả khảo sát được trình bày tại bảng 3.21.
Bảng 3.21. ết quả khảo sát thứ tự phối trộn các nguyên liệu
Thứ tự huấy trộn | Thời gian huấy trộn (Ph t) | Thời gian bán hủy (Ph t:giây) | Sức căng bề mặt (mN/m) | |
1 | HGBU | 38 | 5:47 | 16,8 |
2 | HGUB | 34 | 5:40 | 16,9 |
3 | HBUG | 37 | 5:45 | 17,1 |
Thứ tự huấy trộn | Thời gian huấy trộn (Ph t) | Thời gian bán hủy (Ph t:giây) | Sức căng bề mặt (mN/m) | |
4 | HBGU | 35 | 5:46 | 16,9 |
5 | HUGB | 53 | 5:47 | 17,0 |
6 | HUBG | 50 | 5:46 | 16,8 |
7 | GHBU | 35 | 5:45 | 16,9 |
8 | GHUB | 41 | 5:42 | 17,0 |
9 | GBHU | 45 | 5:44 | 17,2 |
10 | GBUH | 42 | 5:42 | 17,0 |
11 | GUHB | 65 | 5:43 | 17,3 |
12 | GUBH | 57 | 5:47 | 17,1 |
13 | BHUG | 41 | 5:41 | 17,0 |
14 | BHGU | 43 | 5:43 | 17,2 |
15 | BGHU | 29 | 5:44 | 17,0 |
16 | BGUH | 30 | 5:44 | 16,9 |
17 | BUGH | 55 | 5:39 | 17,1 |
18 | BUHG | 57 | 5:37 | 17,2 |
19 | UBHG | 59 | 5:41 | 16,9 |
20 | UBGH | 62 | 5:40 | 17,0 |
21 | UGHB | 67 | 5:45 | 17,0 |
22 | UGBH | 61 | 5:41 | 17,2 |
23 | UHGB | 70 | 5:42 | 17,3 |
24 | UHBG | 66 | 5:39 | 17,1 |