Biến Thiên Ph Và Σ Của Hệ Fb : Sles : Npe : Pfac Theo Thời Gian Ủ Nhiệt

3.2.2.3. Hệ gồm 4 chất HĐBM

- Hệ gồm FB : SLES : NPE : PFAC

Pha hỗn hợp FB; SLES; NPE và PFAC theo các tỉ lệ khác nhau, xác định pH và σ tại thời điểm ban đầu trước ủ nhiệt thu được kết quả trình bày tại bảng 3.32. Tiến hành khảo sát sự biến thiên pH và σ của hệ dung dịch theo thời gian ủ ở nhiệt độ 150°C trong 8h, kết quả được trình bày tại bảng 3.33.

Bảng 3.32: Biến thiên pH và σ của hệ FB : SLES : NPE : PFAC theo thời gian ủ nhiệt

Thông số

Tỷ lệ FB : SLES : NPE : PFAC
1 : 2 : 1 : 0,5	1 : 2 : 1 : 1	1 : 2: 1 : 1,5	1 : 2 : 1 : 2
pH	7,24	7,33	7,41	7,38
σ (mN/m)	18,13	17,66	17,47	17,74

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 136 trang tài liệu này.

Bảng 3.33: Biến thiên pH và σ của hệ FB : SLES : NPE : PFAC theo thời gian ủ nhiệt

Thời gian (h)

Tỷ lệ FB : SLES : NPE : PFAC
1 : 2 : 1 : 0,5		1 : 2 : 1 : 1		1 : 2: 1 : 1,5		1 : 2 : 1 : 2
ΔpH	Δσ (mN/m)	ΔpH	Δσ (mN/m)	ΔpH	Δσ (mN/m)	ΔpH	Δσ (mN/m)
1	0,43	0,66	0,39	0,37	0,41	0,39	0,43	0,69
2	0,49	0,73	0,43	0,41	0,46	0,32	0,46	0,72
3	0,52	0,70	0,48	0,44	0,54	0,39	0,49	0,69
4	0,68	0,75	0,53	0,42	0,53	0,34	0,55	0,74
6	0,82	0,81	0,67	0,51	0,78	0,34	0,73	0,74
8	0,99	0,94	0,74	0,67	0,71	0,73	0,87	0,77

ết quả cho thấy, khi có thêm chất trợ HĐBM fluor hóa thì SCBM của hệ giảm xuống giá trị thấp hơn. Sự biến thiên pH và SCBM dao động trong khoảng nhỏ hơn, chứng tỏ hệ chất HĐBM đã được bền hóa. Với tỷ lệ FB : SLES : NPE : PFAC = 1 : 2 : 1 : 1 thấy rằng sự biến thiên là nhỏ nhất so với các tỉ lệ còn lại và hệ tổ hợp thu được tương đối ổn định. Do vậy luận án chọn tỷ lệ này cho các nghiên cứu tiếp theo.

3.2.2.4. Khảo sát khả năng tạo bọt

Các chất HĐBM ngoài việc tương hợp tốt và bền nhiệt còn phải đáp ứng được các tiêu chuẩn về độ nở và thời gian bán hủy. Do vậy, tiến hành khảo sát độ nở và thời gian bán hủy của hệ 2, 3 và 4 chất HĐBM nồng độ 1% với tỉ lệ đã nghiên cứu và lựa chọn trước đó. ết quả thu được trình bày tại bảng 3.34.

Bảng 3.34: hảo sát độ nở, thời gian bán hủy của hệ chất HĐBM

STT

Hệ chất hoạt động bề mặt	Độ nở (lần)	Thời gian bán hủy (phút:giây)
1	FB : SLES	6,8	5:04
2	FB : SLES : NPE	5,5	5:46
3	FB : SLES : NPE : PFAC	5,9	5:58

Kết quả khảo sát độ nở và thời gian bán hủy của hệ các chất HĐBM nhận thấy hệ 4 chất HĐBM với tỷ lệ FB : SLES : NPE : PFAC = 1 : 2 : 1 : 1 có độ nở và thời gian bán hủy tốt nhất nên luận án lựa chọn cho các nghiên cứu tiếp theo.

3.2.3. Tối ưu hóa phối trộn các chất HĐBM

Hàm mục tiêu của bài toán tối ưu này là SCBM của dung dịch chất HĐBM đạt giá trị nhỏ nhất.

3.2.3.1.Thí nghiệm theo quy hoạch ma trận yếu tố toàn phần

Kết quả khảo sát lựa chọn chất HĐBM với tỷ lệ là FB : SLES : NPE : PFAC

= 1 : 2 : 1 : 1 được sử dụng để tối ưu. Để đơn giản, SLES và NPE được gộp lại thành một nhóm theo tỉ lệ 2 : 1 (do SLES và NPE là chất HĐBM hydrocarbon tương hợp tốt với nhau và không làm thay đổi SCBM nhiều so với các chất khác) để tiến hành khảo sát bài toán tối ưu ba yếu tố theo hai mức.

hoảng biến thiên của các yếu tố khảo sát:

- Yếu tố 1 là nồng độ của FB = 50 ÷ 100 g/kg

- Yếu tố 2 là nồng độ của SLES: NPE = 2:1} = 100 ÷ 350 g/kg

- Yếu tố 3 là nồng độ của PFAC = 40 ÷ 100 g/kg

Để thực hiện quy hoạch cần ít nhất N = 23 = 8 thí nghiệm của kế hoạch bậc một hai mức tối ưu và 3 thí nghiệm tại tâm. Kết quả thực nghiệm theo ma trận yếu tố toàn phần và tính toán phương trình hồi quy, kiểm tra sự tương thích được trình bày trong bảng 3.35:

Bảng 3.35: ết quả tính toán σ của các thí nghiệm quy hoạch theo ma trận yếu tố toàn phần

Z1, g/kg	Z2, g/kg	Z3, g/kg	σ thực nghiệm (mN/m)
1	50	100	40	18,24
2	100	100	40	18,66
3	50	350	40	18,04
4	100	350	40	18,04
5	50	100	100	18,15
6	100	100	100	18,33
7	50	350	100	18,55
8	100	350	100	17,51
9	75	225	70	18,15
10	75	225	70	18,11
11	75	225	70	18,09

Mỗi yếu tố biến thiên theo hai mức, sau khi mã hóa biến thực nghiệm thành biến mã x thì mức trên là +1, mức dưới là -1. Tối ưu hóa hệ chất HĐBM bằng phần mềm thống kê Minitab 16. ết quả quy hoạch tuyến tính theo ma trận toàn phần 3 yếu tố 2 mức cho phương trình:

ŷ = 18,19 - 0,055x1 – 0,155x2 – 0,055x3 - 0,205x1x2 - 0,16x1x3 + 0,05x2x3 – 0,1x1x2x3

Phương trình này tương thích với thực nghiệm. Như vậy, với quy hoạch ma trận yếu tố toàn phần kiểm chứng kết quả thực nghiệm tương thích với phương trình lý thuyết trong vùng khảo sát. Từ đó, thu hẹp vùng khảo sát để thực hiện quy hoạch tối ưu hoá theo phương án quay bậc hai của Box – Hunter.

3.2.3.2. Thí nghiệm quy hoạch tối ưu hóa theo phương án quay bậc hai của Box- Hunter

Từ kết quả thu được ở bảng 3.35, chọn thí nghiệm số 8 với tỷ lệ phối trộn 1

: Z2 : Z3 = 100 : 350 : 100, lựa chọn cho tối ưu hóa theo phương án quay bậc hai của Box-Hunter. Tiến hành thực hiện 20 thí nghiệm khác nhau theo phương án quay để tìm điều kiện tối ưu cho hệ dung dịch chất HĐBM. Chọn các khoảng giá trị của biến thực nghiệm tại miền dừng như sau:

Z1: Nồng độ FB biến thiên từ 80÷120 g/kg;

Z2: Nồng độ {SLES: NPE = 2:1} biến thiên từ 320 ÷ 380 g/kg, Z3: Nồng độ PFAC biến thiên từ 80 ÷ 120 g/kg

Thực hiện ba dãy thí nghiệm:

- Dãy thí nghiệm ma trận yếu tố toàn phần gồm 8 thí nghiệm;

- Dãy thí nghiệm ma trận ở các tay đòn gồm 6 thí nghiệm

- Dãy thí nghiệm ma trận ở tâm phương án 6 thí nghiệm. Các kết quả được trình bày trong bảng sau:

Bảng 3.36: ết quả thí nghiệm theo Box – Hunter của hệ chất HĐBM dùng cho chế tạo AR-AFFF

Biến thực			Biến mã hóa								Hàm mục tiêu
Z1	Z2	Z3	x0	x1	x2	x3	x 2 1	x 2 2	x 2 3		Hàm mục tiêu
1	80	320	80	+	-	-	-	+	+	+	18,03
2	120	320	80	+	+	-	-	+	+	+	17,9
3	80	380	80	+	-	+	-	+	+	+	17,89
4	120	380	80	+	+	+	-	+	+	+	18,01
5	80	320	120	+	-	-	+	+	+	+	17,86
6	120	320	120	+	+	-	+	+	+	+	17,65
7	80	380	120	+	-	+	+	+	+	+	18,09
8	120	380	120	+	+	+	+	+	+	+	18,02
9	66,36	350	100	+	-1,682	0	0	2,828	0	0	17,85
10	133,64	350	100	+	1,682	0	0	2,828	0	0	17,62
11	100	299,55	100	+	0	-1,682	0	0	2,828	0	17,94
12	100	400,45	100	+	0	1,682	0	0	2,828	0	18,13
13	100	350	66,36	+	0	0	-1,682	0	0	2,828	17,93
14	100	350	133,64	+	0	0	1,682	0	0	2,828	17,85
15	100	350	100	+	0	0	0	0	0	0	17,52
16	100	350	100	+	0	0	0	0	0	0	17,58
17	100	350	100	+	0	0	0	0	0	0	17,53

100	350	100	+	0	17,59
19	100	350	100	+	0	17,53
20	100	350	100	+	0	17,59

Tối ưu hóa hệ chất HĐBM trên phần mềm thống kê Minitab 16, kết quả thu được phương trình hồi quy tương thích với thực nghiệm như sau:

ŷ = 17,54 - 0,05x1 + 0,065x2 – 0,026x3 + 0,05x1x2 - 0,03x1x3 + 0,08x2x3 – 0,01x1x2x3

+ 0,05x12 + 0,16x22 + 0,11x32

Phương trình hồi quy trong tỷ lệ xích tự nhiên:

2 -4 2

Ŷ = 52,27 - 5,66*10-2Z1 - 0,1546Z2 - 0,1003Z3 +8,1*10-5 Z1Z2-8,44*10-5 Z1Z3+ 1,31*10-4 Z2Z3 + 1,706*10-4 Z12+1,94*10-4 Z2 +3,076*10 Z3

Sử dụng phần mềm MINITAB 16 vẽ mặt tối ưu:

Hình 3.7: Đồ thị biểu diễn hàm mục tiêu σ theo nồng độ chất HĐBM

Hình 3.8: 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 = 111,21 g/kg Z2 = 340,32 g/kg Z3 = 105,78 g/kg

Thay các giá trị vào phương trình thu được giá trị SCBM nhỏ nhất là  = 17,56 mN/m.

hi đó nồng độ tối ưu các chất lần lượt là:

FB = 111,21 ≈ 111 g/kg

SLES = 226,8 ≈ 227 g/kg

NPE= 113,44 ≈ 113 g/kg

PFAC = 105,78 ≈ 106 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 bọt tạo màng nước bền rượu được xác định, kết quả được trình bày tại bảng 3.37:

Bảng 3.37. ết quả xác định hệ số lan truyền của hệ chất HĐBM bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu

Lần thí nghiệm

SCBM F (mN/m)	SCBM A (mN/m)	SCBM I (mN/m)	Hệ số lan truyền S
1	24,31	17,58	3,32	3,41
2	24,23	17,56	3,34	3,33
3	24,18	17,58	3,31	3,29
Trung bình	24,24	17,57	3,32	3,35

Kết quả cho thấy hệ chất HĐBM tối ưu có hệ số lan truyền dương 3,35 mN/m chứng tỏ hệ có khả năng nổi lên trên bề mặt nhiên liệu lỏng dễ cháy.

3.2.4. Nghiên cứu lựa chọn polyme tạo bền rượu và chất phụ gia

3.2.4.1. Nghiên cứu lựa chọn polyme tạo bền rượu

Trong thành phần chất tạo bọt tạo màng nước bền rượu, việc sử dụng kết hợp các chất HĐBM với polyme tan trong nước, không tan trong rượu và được fluor hóa là việc vô cùng quan trọng. Kết quả nghiên cứu gần đây cho thấy việc sử dụng xanthan gum ưu việt hơn so với diuti gum, guar gum... Do vậy, luận án lựa chọn xanthan gum với hàm lượng 2% (tức là 0,02% trong dung dịch bọt). ết quả khảo sát được trình bày tại bảng 3.38.

Bảng 3.38: Khảo sát thời gian bán hủy khi có mặt xanthan gum

Thành phần trong mẫu

A	B	C	D	E	F	G
Xanthan gum (0,02%)	Không	Không	Không	Có	Có	Có	Có
Chất HĐBM fluor hóa	Không	Có	Không	Không	Có	Không	Có
Chất trợ HĐBM fluor (chất ổn định bọt)	Không	Không	Có	Không	Không	Có	Có
ết quả thời bán hủy 50% (phút:giây)	2:34	3:11	3:35	3:30	4:03	4:12	4:26

ết quả cho thấy khi có mặt của xanthan gum thì thời gian bán hủy được cải thiện đáng kể. Để đánh giá khả năng bền nhiệt của sản phẩm cần tiến hành thử nghiệm dập cháy để khắng định. Khảo sát hàm lượng xanthan gum trong chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu bằng cách sử dụng hệ chất HĐBM đã được tối ưu hóa (hệ AR1) sau đó thêm xanthan gum với hàm lượng thay đổi từ 0,8% đến 2,4% về khối lượng. Các mẫu bọt được đo độ nở và thời gian tiết nước, kết quả trình bày tại bảng 3.39.

Bảng 3.39: Khảo sát độ nở và thời gian tiết nước của hệ AR1 khi có mặt xanthan gum

STT

Chất trợ HĐBM	Độ nở (lần)	Thời gian bán hủy (phút:giây)
1	AR1	5,5	4:17
2	AR1 + 0,8% xanthan gum	5,6	4:21
3	AR1 + 1,2% xanthan gum	5,7	4:26
4	AR1 + 1,6% xanthan gum	5,8	4:46
5	AR1 + 2,0% xanthan gum	5,7	4:50
6	AR1 + 2,4% xanthan gum	5,8	4:54

ết quả cho thấy, khi dung dịch bọt chứa xanthan gum thì thời gian bán hủy được cải thiện đáng kể. Với hàm lượng 1,6% xanthan gum thì thời gian tiết nước của bọt có sự biến đổi lớn nhất nên luận án lựa chọn sử dụng hàm lượng này để chế tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu.