Bọt Chữa Cháy Tạo Màng Nước Chữa Cháy Bể Xăng Dầu Và Trạm Xăng Dầu [9]

1.1.2. Chất tạo bọt tạo màng nước

Chất tạo bọt tạo màng nước (AFFF) được nghiên cứu và phát triển từ năm 1960 là chất chữa cháy hiệu quả cao, sử dụng cho các đám cháy là chất lỏng dễ cháy không tan trong nước như xăng, dầu…[24]. Ứng dụng của bọt chữa cháy tạo màng nước trong một số đám cháy thể hiện như hình 1.2.

Có thể bạn quan tâm!

• Nghiên cứu xây dựng hệ chất hoạt động bề mặt bền nhiệt ứng dụng trong công nghệ sản xuất chất tạo bọt chữa cháy - 1
• Nghiên cứu xây dựng hệ chất hoạt động bề mặt bền nhiệt ứng dụng trong công nghệ sản xuất chất tạo bọt chữa cháy - 2
• Bọt Chứa Chất Hđbm Fluor Hóa Trên Bề Mặt Nhiên Liệu [48]
• Mô Tả Quá Trình Hình Thành Bọt Chữa Cháy [92] Các Bước Phối Trộn Chất Tạo Bọt Chữa Cháy:
• Phương Pháp Xác Định Tính Chất Hóa Lý Của Chất Tạo Bọt Chữa Cháy

Xem toàn bộ 136 trang tài liệu này.

Hình 1.2: Bọt chữa cháy tạo màng nước chữa cháy bể xăng dầu và trạm xăng dầu [9]

AFFF được sử dụng trong các ứng dụng dân sự trên toàn thế giới, với độ đậm đặc là 1%, 3% hoặc 6%. Dung dịch bọt đậm đặc được trộn với nước theo tỷ lệ nhất định, thực hiện trong một hệ thống phối trộn tạo thành dung dịch bọt nước như sau:

- Nồng độ 6%: 6 phần bọt trong 94 phần nước;

- Nồng độ 3%: 3 phần bọt trong 97 phần nước;

- Nồng độ 1%: 1 phần bọt trong 99 phần nước.

Bọt chữa cháy 1% về cơ bản đậm đặc hơn 6 lần so với bọt 6% và bọt 3% đặc gấp đôi bọt 6%. Đặc tính chữa cháy của dung dịch bọt được tạo ra từ các bọt đậm đặc có nồng độ 1%, 3% và 6% của một nhà sản xuất hầu như giống nhau.

Hình 1.3: Dung dịch bọt được tạo từ 6% chất tạo bọt đậm đặc – 94% nước

Việc hạ nồng độ phần trăm chất tạo bọt xuống thấp hơn là cần thiết để tạo ra bọt chữa cháy hiệu quả cao. Sử dụng chất tạo bọt chữa cháy 3% thay vì bọt 6% có thể giảm một nửa không gian lưu trữ, bảo quản, như vậy sẽ giảm trọng lượng và chi phí vận tải, trong khi khả năng chữa cháy tương đương nhau.

Dung dịch bọt sau khi được phun ra sẽ tạo thành các bọt nhỏ, các bọt này sẽ lan truyền nhanh chóng để tạo thành một lớp màng nước nổi trên bề mặt hầu hết các nhiên liệu hydrocarbon. Tính chất lan truyền này có được là do thành phần chất hoạt động bề mặt fluor hóa trong AFFF nhờ đặc tính giảm sức căng bề mặt của dung dịch xuống giá trị thấp (15-20 mN/m). Nhờ vậy, dung dịch nước lan rộng nhanh chóng trên bề mặt của chất lỏng hydrocarbon. Lớp màng được hình thành này bao gồm cả lớp bọt và màng nước. Nó có tác dụng ngăn chặn hơi nhiên liệu bốc lên và ngăn cách oxy với hơi nhiên liệu, làm mát và cuối cùng là dập tắt ngọn lửa được biểu diễn như hình 1.4. Đặc tính tạo màng cho thấy ngay khi các bong bóng bọt đã mất thì lớp màng nước được hình thành từ dung dịch bọt vẫn tồn tại bao phủ trên bề mặt chất lỏng hydrocarbon [25]. Do đó, việc tìm kiếm các chất HĐBM tập trung vào các yếu tố quan trọng là khả năng làm giảm sức căng bề mặt và tạo màng nước trên một loại nhiên liệu nhất định.

Hình 1.4: Hình ảnh mô tả cách tạo màng bọt lan tỏa trên đám cháy hydrocarbon lỏng [26]

Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước AFFF đậm đặc chủ yếu gồm các chất HĐBM và các thành phần tăng độ bền của bọt như glycol ether, ethylen hoặc propylen glycol. Sức căng bề mặt giảm xuống giá trị thấp, bọt được ổn định và bền hơn khi sử dụng phối hợp chất hoạt động bề mặt fluor hóa và chất hoạt động bề mặt hydrocarbon. Các chất HĐBM fluor hóa được sử dụng trong tất cả trong các công thức AFFF hiện tại.

1.1.3. Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu

Mặc dù AFFF được sử dụng phổ biến cho các đám cháy chất lỏng dễ cháy, tuy nhiên nó lại không có hiệu quả đối với đám cháy của nhiên liệu dễ cháy tan trong nước như: ancol, keton có mạch hydrocarbon thấp và este do bọt dễ bị hoà tan và bị phân hủy bởi nhiên liệu [27]. Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đã nghiên cứu và chế tạo ra sản phẩm chất tạo bọt chữa cháy với tên gọi là bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu (kí hiệu AR-AFFF) [28].

Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu điển hình cũng có thành phần chính tương tự như chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bao gồm: một hoặc nhiều chất hoạt động bề mặt đã được fluor hoá; một hoặc nhiều chất hoạt động bề mặt hydrocarbon; các dung môi như glycol hoặc glycol ete và các tác nhân phụ gia khác như tác nhân tạo phức, đệm pH, các tác nhân chống ăn mòn... [29-31]. Ngoài ra, nó còn có thêm thành phần quan trọng giúp chất tạo bọt chữa cháy không bị tan trong các dung môi phân cực đó là polyme tan trong nước. Cơ chế dập cháy của bọt

chữa cháy tạo màng nước bền rượu cũng tương tự như bọt chữa cháy tạo màng nước được biểu diễn như hình 1.5. Tuy nhiên, lớp màng hình thành trên bề mặt nhiên liệu cháy ngoài các chất HĐBM còn có polyme. Các polyme này kết tủa khi tiếp xúc với nhiên liệu tan trong nước tạo ra lớp màng bảo vệ giữa nhiên liệu và bọt.

Hình 1.5: Cơ chế dập cháy của bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu đối với nhiên liệu [29]

Các polyme tan trong nước có trọng lượng phân tử cao thường được sử dụng trong AR-AFFF là polysaccharid, chẳng hạn như xanthan gum. Bọt AR-AFFF có hiệu quả trên cả nhiên liệu hydrocarbon và nhiên liệu hòa tan trong nước. Để tạo thành chất tạo bọt đậm đặc AR-AFFF hiệu quả cần sử dụng nồng độ xanthan gum cao. Tuy nhiên, xanthan gum là một chất có độ nhớt cao điều này gây khó khăn trong quá trình phun bọt qua vòi phun và làm giảm khả năng tạo bọt của dung dịch. Do vậy, việc sử dụng thêm một số chất hoạt động bề mặt fluoropolyme có hiệu quả giống như xanthan gum, nhưng với độ tăng độ nhớt thấp hơn cũng đã được nghiên cứu.

1.2. Thành phần của chất tạo bọt chữa cháy

Qua nghiên cứu các tài liệu tham khảo [32, 33], chất tạo bọt chữa cháy thành phần thường gồm chất hoạt động bề mặt hydrocarbon; chất hoạt động bề mặt fluor hóa; chất trợ hoạt động bề mặt và các chất phụ gia. Tỉ lệ thành phần chi tiết của chất tạo bọt chữa cháy AFFF và AR-AFFF được trình bày như trong bảng 1.1 và 1.2.

Bảng 1.1: Công thức lòi của chất tạo bọt tạo màng nước [34]

Thành phần

Hóa chất	Tỉ lệ
Tạo bọt	Chất hoạt động bề mặt không ion, chất hoạt động bề mặt lưỡng tính, chất hoạt động bề mặt anion	10-30%
Tạo màng	Chất hoạt động bề mặt fluor hóa không ion, chất hoạt động bề mặt fluor hóa lưỡng tính	2-20%
Tăng độ bền bọt	Hydroxyethyl cellulose, Gelatin, CMC	0,1-5%
Chất tạo chống oxy hóa	Buthyl cellosol, Butyl diglycol	2-10%
Chất chống đông	Glyxerin, Etylen diamin tetraaxetat, triethylamin…	5-10%
Chất chống lắng	Cocamidopropyl betain	2-8%
Chất điều chỉnh độ nhớt	Urea	2-8%
Chất bảo quản	Kali sorbat, Natri benzoat	0,5-2%
Chất chống ăn mòn	Methylchloroisothiazolinon	0-2%

Bảng 1.2: Công thức lòi của chất tạo bọt tạo màng nước bền rượu [34]

Thành phần

Hóa chất	Tỉ lệ
Chất tạo bọt	Chất hoạt động bề mặt không ion, chất hoạt động bề mặt lưỡng tính, chất hoạt động bề mặt anion	5-25%
Chất tạo màng	Chất hoạt động bề mặt fluor hóa lưỡng tính	5-15%
Chất trợ HĐBM	Partially fluorinat acrylic copolyme	1-5%
Polyme tạo màng	Diutan gum, Pectin, Xanthan gum, Guar gum	0,1-2%
Tăng độ bền bọt	Hydroxyethyl cellulose, Gelatin, CMC	0,1-2%
Chất tạo chống oxy hóa	Buthyl cellosol, Butyl diglycol	1-8%
Chất chống đông	Glyxerin, Etylen diamin tetraaxetat, triethylamin…	1-8%

Urea	0 - 10%
Chất chống lắng	PEG-400, Cocamidopropyl betain	1-8%
Chất bảo quản	Kali sorbat, Natri benzoat	0,1-2%
Chất chống ăn mòn	Methylchloroisothiazolinon	0,1-2%

Chất điều chỉnh độ nhớt

1.2.1. Chất hoạt động bề mặt

Các chất HĐBM là thành phần chủ yếu và quan trọng nhất của chất tạo bọt chữa cháy, chúng có nhiệm vụ ngăn cách oxy khỏi nhiên liệu cháy và tiết nước để giảm nhiệt đám cháy. Việc lựa chọn chất HĐBM dùng trong chất tạo bọt chữa cháy tuỳ thuộc vào mục tiêu nghiên cứu:

+ Nhiệt độ môi trường

+ Loại đám cháy

+ Mức độ tạo bọt

+ Hình thức của sản phẩm (1%, 3%...) và các yếu tố khác

Chất HĐBM dùng trong bọt chữa cháy phải đáp ứng được các yêu cầu sau:

- Giảm sức căng bề mặt xuống ở nồng độ thấp và duy trì giá trị này trong khoảng thời gian yêu cầu;

-Thân thiện hoặc không ảnh hưởng nhiều đến môi trường.

Thông số quan trọng để xác định chất HĐBM hiệu quả hay không là dựa vào việc giảm sức căng bề mặt và nồng độ mixen tới hạn (CMC). Trong ứng dụng chữa cháy, các đặc tính như khả năng tạo bọt, độ ổn định của bọt và sự lan truyền đều có liên quan đến việc giảm sức căng bề mặt. Việc sử dụng chất HĐBM tại các CMC sẽ mang lại hiệu suất tạo bọt tốt hơn [22, 35].

1.2.1.1. Chất hoạt động bề mặt hydrocarbon

Chất HĐBM hydrocarbon là chất có khả năng hấp phụ hoặc tập trung tại giao diện lỏng - lỏng ở nồng độ loãng trong dung dịch và làm giảm sức căng bề mặt. Cấu trúc của chất HĐBM bao gồm phần hydrocarbon không phân cực gọi là phần kỵ nước và phần phân cực gọi là phần ưa nước. Một chất HĐBM điển hình có trọng lượng phân tử thấp, phần phân cực gọi là “đầu” của phân tử và phần hydrocarbon không phân cực gọi là “đuôi”. Một số đuôi kỵ nước và đầu ưa nước thường có trong công thức chất HĐBM được trình bày trong bảng 1.3. Chất HĐBM được phân thành 4 loại theo cấu trúc hóa học của nhóm ưa nước bao gồm anion, nonion, cation và lưỡng tính. Tất cả các loại chất HĐBM này đều có thể sử dụng để chế tạo bọt

chữa cháy tùy thuộc vào yêu cầu, chức năng của từng loại bọt.

Bảng 1.3: Một số đuôi kỵ nước và đầu ưa nước quan trọng của chất HĐBM [36]

Đuôi kỵ nước

Đầu ưa nước
CnH2n+1 CnH2n-1 CnH2n+1C6H4 CnF2n+1	COOK+,SO3Na+ PO322Na+ OSO3Na+ OPO322Na+ (OCH2CH2)nOSO3NH4+ (OCH2CH2)nOH	N(CH3)2O, NR3+Cl PR3+Cl, SR2+Cl CON[(OCH2CH2)nOH]2 N+(CH3)2CH2COO

Yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng tạo bọt của chất tạo bọt chữa cháy là sự hoà tan các chất HĐBM và nồng độ CMC. Giá trị CMC là đặc tính cơ bản và là điểm bão hòa của các chất HĐBM ở trên bề mặt không khí/nước. Việc sử dụng các chất HĐBM hydrocarbon giúp duy trì cấu trúc bọt ổn định trên bề mặt, giảm sức căng bề mặt. Sử dụng chất HĐBM dưới CMC trong bọt chữa cháy là không hiệu quả do dung dịch chưa bão hòa nên khả năng giảm sức căng bề mặt tối đa chưa đạt được. Sử dụng chất HĐBM cao hơn CMC gây lãng phí, vì khi đã đạt đến CMC dù thêm chất HĐBM cũng không làm giảm sức căng bề mặt. Do đó, khi sử dụng chất HĐBM hydrocarbon cần quan tâm đến CMC của nó và cần xây dựng công thức chất tạo bọt đậm đặc phù hợp.

Các phân tử chất HĐBM trao đổi bên trong và bên ngoài mixen, chúng gắn kết với nhau và tách khỏi bề mặt không khí/nước. Khi giao diện không khí/nước được tạo thành hoặc khi bọt được hình thành hoặc lớp bọt bao phủ bị xáo trộn, các mixen sẽ hoạt động như nơi chứa nước và cung cấp chất HĐBM để tạo thành giao diện mới. Nếu mixen ổn định thì bọt cũng ổn định. Ngoài tác dụng trên, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng cấu trúc mixen trong bọt giúp tăng tính ổn định của bọt bằng cách bảo vệ lớp màng bọt hình thành [37-39]. Các chất HĐBM có khả năng tan trong nước cao thường được sử dụng.

Các chất HĐBM thường được sử dụng trong bọt chữa cháy [40-43]

Chất HĐBM họ sulfonat

R-SO3M

Trong đó: R: nhóm alkyl (dạng mạch thẳng hay mạch phân nhánh) M: Na+, NH4+

Chất HĐBM họ sulfonat ít chịu ảnh hưởng của pH môi trường, liên kết C–S có độ bền khá cao đối với phản ứng thuỷ phân, chúng tương tác kém với ion Ca2+, Mg2+ (trong nước cứng) nên ít tạo kết tủa hơn so với các chất HĐBM carboxylat. Tuy nhiên, chất HĐBM họ sulfonat lại kém hơn so với một số chất HĐBM khác như alcohol sulfat, nonion. Đây là họ chất HĐBM bền nhiệt (nhiệt độ phân hủy > 350°C), bao gồm các loại sau :

- Linear alkyl benzen sulfonat (LAS)

R: alkyl (mạch thẳng hoặc mạch nhánh C10 ÷ C18) ở vị trí ortho, meta hoặc para so với nhóm –SO3M. LAS có thể giảm sức căng bề mặt xuống giá trị thấp tùy thuộc vào cấu trúc mạch alkyl.

- Olefin sulfonat (AOS)

Chất HĐBM có mạch hydrocarbon thẳng, bền nhiệt, tan tốt trong nước, có khả năng chịu được độ cứng của nước cao hơn LAS và giảm sức căng bề mặt xuống giá trị thấp. AOS có khả năng tạo bọt do có mạch hydrocarbon thẳng và dễ phân hủy sinh học hơn các chất có mạch nhánh hay vòng thơm.

- Ethoxylat sulfonat

Là họ chất HĐBM sử dụng thích hợp trong các điều kiện nhiệt độ cao.

Chất HĐBM họ sulfat

R – O –SO3M

Chất HĐBM họ sulfat tan tốt hơn nhưng kém bền nhiệt hơn so với họ sulfonat do nhóm sulfat tan nhiều trong nước hơn nhóm sulfonat (có hơn một nguyên tử oxy trong phân tử) và liên kết C-O-S trong sulfat dễ bị thủy phân hơn liên kết C-S trong sulfonat. Ưu điểm chung của chất HĐBM alkyl ethoxylat hay propoxylat có gắn nhóm anion như sulfat, sulfonat là sự kết hợp nhiều nhóm kỵ nước và ưa nước hoạt động hiệu quả khi sử dụng.

Chất HĐBM ethoxylat alcohol

Là chất HĐBM nonion, tan mạnh trong nước. Tính ưa nước của chúng được quyết định bởi liên kết hydro của nước với nhóm ethoxylat. Càng nhiều nguyên tử