Tương Tác Phân Tử Tại Mặt Phân Cách Không Khí/chất Lỏng [105]

đáng kể thậm chí tăng nhẹ. Với gel silica khi tăng nồng độ từ 0-1,5% thì sức căng cũng giảm từ 17,1 mN/m xuống còn 16,4 mN/m. Tuy nhiên khi tăng lên 2% thì SCBM của dung dịch có xu hướng tăng trở lại. Tại nồng độ 2% khối lượng gel silica thì giá trị SCBM là 16,5 mN/m. Với siloxan do bản chất là chất HĐBM nên khi tăng nồng độ của nó trong dung dịch sẽ làm cho SCBM của hệ giảm. ết quả cho thấy khi tăng nồng độ siloxan từ 0-2% về khối lượng thì SCBM của hệ giảm từ 17,1 mN/m xuống 16 mM/m. Do đó, luận án lựa chọn nồng độ natri silicat là 1,0%, gel silica là 1,5% và siloxan 1,5% cho các nghiên cứu tiếp theo.

Mặt khác, kết quả cho thấy, khi tăng hàm lượng natri silicat, gel silica và siloxan từ 0 – 2,0% khối lượng thì SCBM của dung dịch giảm dần chứng tỏ rằng khi thêm các hợp chất natri silicat, gel silica hoặc siloxan vào bọt chữa cháy đã xảy ra tương tác với các chất HĐBM làm thay đổi SCBM của dung dịch. Một số nhà khoa học trên thế giới đã đưa ra các giả thuyết để giải thích hiện tượng này như Vatanparast và cộng sự (2017) [109] cho rằng các hạt silica ưa nước có trong hợp chất chứa silic sau khi phân tán vào dung dịch chất HĐBM thường không hấp phụ tại bề mặt phân cách không khí/lỏng. Trong khi đó, phân tử chất HĐBM hydrocarbon đặc biệt là các chất HĐBM không ion lại ưu tiên hấp phụ trên bề mặt các hạt nano silica [110-113]. Do vậy, sự thay đổi SCBM của bọt chữa cháy AFFF không phải do sự hấp phụ của các hạt nano silica ở mặt phân cách không khí/chất lỏng.

Khi trong dung dịch không có nano silica, phân tử chất HĐBM fluor hóa và hydrocarbon cùng tồn tại ở mặt phân cách không khí/chất lỏng. hi thêm nano silica, số lượng phân tử chất HĐBM có tích điện tại mặt phân cách không khí/chất lỏng giảm dần khi nồng độ nano silica tăng dần. Các chất HĐBM fluor hóa không tích điện được hấp phụ lên bề mặt không khí/chất lỏng do vậy làm giảm SCBM xuống giá trị gần bằng với dung dịch chỉ gồm chất fluor hóa. Vì vậy, SCBM của bọt có chứa các hạt nano silica cho thấy sự có mặt của chất HĐBM fluor hóa nhiều hơn chất HĐBM hydrocarbon [114]. Mặt khác, bổ sung các hạt nano silica và sự hấp phụ của các chất HĐBM hydrocarbon lên bề mặt của nano silica làm tăng độ nhớt. Cơ chế tương tác phân tử khi có và không có các hạt nano silica được minh họa trong hình 3.13.

Hình 3.13. Tương tác phân tử tại mặt phân cách không khí/chất lỏng [105]

(A) không có các hạt nano silica và (B) có các hạt nano silica

Tiếp tục khảo sát ảnh hưởng của các hợp chất chứa silic đến đặc tính bọt AFFF thu được kết quả trình bày tại bảng 3.48.

Bảng 3.48. Ảnh hưởng của các hợp chất chứa silic đến dung dịch AFFF

Mẫu

Sức căng bề mặt (mN/m)	Sức căng bề mặt liên diện (mN/m)	Hệ số lan truyền	Độ nhớt (mPa.s)
Dung dịch AFFF	17,08	3,73	3,42	1,21
Dung dịch AFFF chứa natri silicat	16,18	2,00	6,05	1,45
Dung dịch AFFF chứa gel silica	16,30	3,53	4,4	1,86
Dung dịch AFFF chứa siloxan	16,58	3,18	4,47	1,35

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 136 trang tài liệu này.

Kết quả cho thấy hệ số lan truyền của các dung dịch bọt đều có giá trị dương chứng tỏ các dung dịch AFFF này đều có khả năng tạo thành lớp màng nước trên bề mặt của cyclohexan. Bên cạnh đó, khi có thêm hợp chất chứa silic trong thành phần thì hệ số lan truyền tăng điều này có nghĩa là tốc độ hình thành và lan truyền của màng nước trên bề mặt cycloheaxan tăng.

Độ nhớt của dung dịch AFFF thông thường là 1,21 mPa.s và tăng lên khi có thêm thành phần natri silicat, gel silica và siloxan (1,45; 1,86 và 1,35 mPa.s). Điều này được giải thích do các hợp chất này có độ nhớt rất lớn, do vậy khi thêm vào dung dịch bọt sẽ làm tăng độ nhớt của dung dịch bọt chữa cháy.

3.3.2. Ảnh hưởng của một số hợp chất chứa ilic đến độ ổn định bọt

Hình 3.14 cho thấy các mẫu dung dịch sau khi tạo bọt bằng cách sử dụng ống tiêm kép nối với nhau, bọt tạo thành được cho ra lọ thủy tinh. ý hiệu mẫu số 1 là dung dịch bọt AFFF có chứa natri silicat nồng độ 1%; mẫu số 2 là dung dịch bọt AFFF có chứa gel silica nồng độ 1,5%; mẫu số 3 là dung dịch bọt AFFF có chứa siloxan nồng độ 1,5%. Tất cả là nồng độ về khối lượng và mẫu số 4 là mẫu dung dịch AFFF đối chứng. Vào thời điểm ban đầu 4 mẫu bọt có cùng thể tích. Quá trình bán hủy của bọt dưới tác động của trọng lực xảy ra theo thời gian. Sau 25 phút, chất lỏng thoát ra từ các bọt 1, 2, 3 và 4, đạt đến thể tích chất lỏng ban đầu là 20 ml.

Thời điểm ban đầu

Sau 5 phút

Sau 10 phút

Sau 15 phút

Sau 20 phút

Sau 25 phút

Hình 3.14. Các mẫu bọt tạo thành bằng k thuật 2 ống tiêm

Thể tích bọt của bốn mẫu bọt giảm dần theo thời gian do lượng chất lỏng thoát ra ngày càng nhiều. Sau 5 phút đầu thấy lượng nước tiết ra ở mẫu 1 và 2 nhiều hơn ở mẫu 3 và 4, chiều cao bọt của các mẫu không thay đổi. Sau 10 phút, mẫu số 4 có lượng nước thoát ra là ít nhất tuy nhiên chiều cao bọt giảm thấp hơn so với các mẫu 2, 3 và 4. Đến phút thứ 15 thấy ở mẫu số 3 cũng có sự giảm chiều cao bọt trong khi mẫu số 1, 2 lượng bọt không thay đổi so với thời điểm ban đầu. Sau 25 phút, trên mẫu số 3 và 4 hầu như không còn bọt, mẫu số 2 lượng bọt bắt đầu giảm bớt, các bọt bên trong có kích thước to hơn so với các bọt ở mẫu 1. Điều này chứng tỏ các hạt nano silica có khả năng làm bền bọt hơn AFFF thông thường. Tuy thời gian bán hủy nhanh hơn so với AFFF nhưng các bọt được tạo thành lại bền hơn. Trong đó mẫu dung dịch bọt AFFF có chứa natri silicat với nồng độ 1% có bọt bền nhất.

Các nghiên cứu trước đây cũng cho thấy các hạt nano silica có khả năng làm bền bọt bằng cách phân tán vào màng bọt và bề mặt phân cách [67, 114, 115]. Các kết quả thu được trong luận án cũng khẳng định hạt nano silica phân tán vào màng bọt, làm bọt bền hơn. Tuy nhiên, hạt nano silica lại đẩy nhanh quá trình thoát nước của bọt. Hiện tượng này là do sự hấp phụ của một lượng lớn các phân tử chất HĐBM hydrocarbon lên bề mặt của các hạt nano silica làm giảm số lượng chất HĐBM hydrocarbon tại bề mặt phân cách không khí/chất lỏng và tương tác tĩnh điện trong mẫu bọt. Do đó làm cho cấu trúc các hạt nano không đồng nhất trên màng bọt và tại bề mặt phân cách, đây là những yếu tố đẩy nhanh quá trình thoát nước của bọt. Từ các kết quả thu được, luận án lựa chọn hàm lượng natri silicat là 1% và gel silica là 1,5%.

Tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của natri silicat và gel silica tới độ ổn định của bọt khi sử dụng với hàm lượng tương ứng là 1% và 1,5%. Quan sát hình thái bọt của 2 mẫu bọt này trên kính hiển vi cho kết quả như trong hình 3.15

AFFF có chứa 1 % natri

silicat (mẫu 1)

AFFF có chứa 1,5% gel

silica (mẫu 2)

AFFF (mẫu 3)

phút

Hình 3.15. Sự thay đổi hình thái bong bóng bọt theo thời gian

Hình thái bọt theo thời gian của các mẫu bọt cho thấy kích thước bong bóng bọt của ba mẫu gần như giống nhau trong giai đoạn đầu (1 phút). Các bong bóng lớn dần và kết tụ lại theo thời gian do sự chênh lệch áp suất trong các bong bóng với các kích thước khác nhau [115]. Tuy nhiên, với mẫu bọt khác nhau thì hình thái của các bong bóng bọt cũng khác nhau. Các bong bóng ở mẫu 1 thay đổi không nhiều từ 1 phút đến 20 phút. Các bong bóng bọt to có chứa nhiều các bọt nhỏ ở phía trong.

Hiện tượng này là do độ ổn định của màng bong bóng và độ nhớt cao bọt. Khi các bong bóng bọt to dần và vỡ ra thì các bóng bóng bọt nhỏ được giải phóng, giúp làm tăng độ bền của lớp bọt. Vì vậy, sau 20 phút chiều cao bọt không thay đổi nhiều mà chỉ có thay đổi về kích thước các bóng bóng bọt. Với mẫu 2, trong 10 phút đầu các bóng bóng bọt cũng lớn dần về kích thước và trong các bong bóng to cũng chứa những bong bóng nhỏ tuy nhiên số lượng các bong bóng nhỏ bên trong ít hơn so với mẫu 1. Đến phút thứ 20 nhiều bong bóng bọt to chỉ tồn tại đơn lẻ mà không chứa bong bóng nhỏ ở phía trong, do đó chiều cao bọt bắt đầu giảm nhanh chóng. Với mẫu 3 lượng bong bóng trong mẫu giảm rò rệt theo thời gian. Sau 20 phút hầu hết các bong bóng bọt chỉ tồn tại ở dạng đơn lẻ, vì vậy các bọt kém bền hơn so với mẫu 1 và 2 dẫn tới khả năng tiết nước tăng nhanh trong giai đoạn này. Kết quả cho thấy các hạt nano silica có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình tạo bọt và bền bọt. Với nồng độ nhất định, các hạt nano silica có thể ngăn cản quá trình đông đặc và tăng cường độ ổn định của bọt.

Sự ảnh hưởng của nano silica đến độ ổn định của bọt được giải thích như phân tích của nhóm tác giả Y. Sheng [105] thể hiện như trong hình 3.16 và 3.17.

Hình 3.16. Cấu trúc bong bóng còn lại sau 2 giờ [105]

Mũi tên màu đỏ cho biết vùng khoảng cách giữa các bong bóng và mũi tên màu xanh lá cây chỉ màng bọt. Mũi tên màu xanh dương biểu thị những giọt chất lỏng bốc hơi từ màng bọt. Mũi tên màu vàng chỉ ra những vết còn lại sau khi màng bong bóng bị vỡ. Các màng bong bóng bọt trong mẫu được ổn định bằng các nano silica do vậy khi chất lỏng trong bọt đã tiết hết hoàn toàn nhưng cấu trúc bong bóng vẫn còn tồn tại. Các bong bóng có kích thước nhỏ và cấu trúc hoàn chỉnh. Cơ chế để giải thích hiện tượng này được thể hiện trong hình 3.17 [105].

Hình 3.17. Cơ chế ảnh hưởng của nồng độ nano đến ổn định bọt [105]

Khi không có hạt nano silica, bọt được ổn định bởi hỗn hợp chất HĐBM hydrocarbon và fluor hóa. Khi bổ sung các hạt nano silica với nồng độ thấp, nó sẽ phá hủy cân bằng hấp phụ và làm giảm số lượng chất HĐBM tại mặt phân cách. Do vậy không thể làm chậm quá trình bán hủy của màng bọt, dẫn đến độ ổn định của bọt kém. Khi nồng độ của các hạt nano silica tăng lên, chúng dần dần kết tụ trong màng bọt và vùng khoảng cách giữa các bong bóng, làm chậm quá trình thoát nước của bọt. Khi nồng độ nano silica tăng cao, các hạt nano silica sẽ lấp đầy lớp màng và khoảng cách giữa các bọt, dẫn đến quá trình thoát nước và bán hủy chậm lại, bọt có độ ổn định cao.

3.4. Thử nghiệm

3.4.1. Thử nghiệm theo quy mô nhỏ

3.4.1.1. Thử nghiệm quy mô nhỏ chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước

Để đánh giá tính bền nhiệt của hệ bọt chữa cháy đã nghiên cứu, tiến hành thử nghiệm hiệu quả dập cháy theo phương pháp phun mạnh và phun nhẹ. Kết quả thử nghiệm theo quy mô 0,6 m2 bằng phương pháp phun mạnh và phun nhẹ được trình bày tại bảng 3.49

Bảng 3.49: ết quả thử nghiệm xác định thời gian dập cháy của bọt tạo màng nước theo quy mô nhỏ.

STT

Lần thử nghiệm	Thời gian dập cháy (giây)		Thời gian cháy lại (≥ 300 giây)
Lần thử nghiệm	Phun mạnh (≤ 180 giây)	Phun nhẹ (≤ 300 giây)	Thời gian cháy lại (≥ 300 giây)
1	Lần 1	79	90	409
2	Lần 2	75	101	419
3	Lần 3	78	94	413
Trung bình		77	95	414

Kết quả thử nghiệm cho thấy khả năng dập cháy của mẫu chất tạo bọt với quy mô nhỏ, thời gian dập cháy tương đối nhanh 77 giây đối với phương pháp phun mạnh, phương pháp phun nhẹ là 95 giây. Điều này chứng minh khả năng tương hợp và bền nhiệt của hỗn hợp các chất HĐBM và các phụ gia. Thời gian cháy lại là 414 giây đạt so với TCVN.

3.4.1.2. Thử nghiệm quy mô nhỏ chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu

Kết quả thử nghiệm hiệu quả dập cháy theo quy mô 0,25 m2 của chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu được trình bày tại bảng 3.50.

Bảng 3.50: Kết quả thử nghiệm hiệu quả dập cháy chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu

STT

Lần kiểm tra	Kết u thử nghiệm
Lần kiểm tra	Thời gian dật cháy (≤ 180 giây)	Thời gian cháy lại (≥ 600 giây)
1	Lần 1	75	767
2	Lần 2	71	754
3	Lần 3	68	759
Trung bình		71	760

Kết quả thử nghiệm cho thấy, hiệu quả dập cháy chất tạo bọt tạo màng nước bền rượu với thời gian dập cháy 71 giây đạt tiêu chuẩn TCVN 7278-3:2003, thời cháy lại là 760 giây cao hơn so với tiêu chuẩn 160 giây trong tiêu chuẩn. Do đó chứng minh hệ chất HĐBM xây dựng được tương hợp và bền nhiệt tốt.