Mô Tả Quá Trình Hình Thành Bọt Chữa Cháy [92] Các Bước Phối Trộn Chất Tạo

thành một lớp màng hơi ngăn chặn sự tiếp xúc của vật liệu cháy với oxy trong môi trường bên ngoài [85-87]. Khả năng này có được là do các loại chất HĐBM được fluor hóa. Chất tạo bọt được sử dụng cho đám cháy chất lỏng không phân cực như xăng, dầu… Một số bọt chữa cháy có độ bền tốt khi sử dụng trên bề mặt rượu hoặc dung môi phân cực [88]. Ngoài ra, chất tạo bọt chữa cháy cũng được sử dụng trong trường hợp dò rỉ hóa chất dễ bay hơi giúp ngăn chặn sự bốc hơi của vật liệu cháy (xăng, axeton, metanol, etanol…) và các hóa chất bay hơi độc hại, giúp khắc phục sự cố hóa chất nhanh chóng và an toàn [89-91].

Dung dịch chất tạo bọt được kết hợp với nước và không khí theo tỷ lệ phối trộn tùy thuộc vào chủng loại bọt và thiết bị công nghệ phun để tạo bọt. Sự đảo trộn cơ học là một yếu tố cơ bản cho quá trình tạo thành bọt chữa cháy theo hai hướng sau:

+ Sản phẩm chất tạo bọt đậm đặc phải được trộn với nước để hình thành ra dung dịch tạo bọt đồng nhất;

+ Dung dịch tạo bọt phải được kết hợp với không khí với một tỉ lệ trộn hợp lý để tạo ra sản phẩm bọt chữa cháy cuối cùng theo công thức:

Sản phẩm bọt đậm đặc + Nước + Phối trộn = Dung dịch bọt

Dung dịch bọt + Không khí + Phối trộn = Sản phẩm bọt chữa cháy cuối cùng

Hình 1.9. Mô tả quá trình hình thành bọt chữa cháy [92] Các bước phối trộn chất tạo bọt chữa cháy:

- Bước đầu tiên: pha loãng sản phẩm bọt đậm đặc với nước theo một tỷ lệ phần trăm cụ thể, tỷ lệ pha loãng đặc trưng cho một sản phẩm bọt được đưa ra khi sử dụng trong một ứng dụng cụ thể, thông thường tỷ lệ này là 6%, 3%, hoặc 1%.

Xu hướng ngày nay là phát triển các sản phẩm chất tạo bọt có tỷ lệ thấp tạo điều kiện thuận lợi trong việc vận chuyển và bảo quản sản phẩm.

- Bước thứ hai: phối trộn dung dịch bọt thu được ở trên với không khí (hút không khí) để tạo thành sản phẩm bọt chữa cháy cuối cùng.

Các yếu tố như bảo quản, tỷ lệ và khả năng pha trộn của bọt đậm đặc với các nguồn nước sẵn có, phương thức trộn không khí vào bọt và phun lên bề mặt nhiên liệu là những yếu tố quan trọng đối với một sản phẩm chất tạo bọt. Sự hiểu biết cơ bản về các tính chất vật lý và hóa học của bọt chữa cháy là rất cần thiết để cung cấp sản phẩm đáng tin cậy và có hiệu quả cao với chi phí hợp lý.

Bọt chữa cháy phá vỡ các chuỗi phản ứng cháy bằng cách ngăn cản sự tiếp xúc của nhiên liệu lỏng với sức nóng của ngọn lửa (hoặc các nguồn bắt lửa khác), sự bay hơi của nhiên liệu và không khí tiếp xúc với bề mặt nhiên liệu lỏng. Dung dịch chất tạo bọt chữa cháy dập tắt đám cháy do màng nước được hình thành sau khi phun ra, các bọt này lan toả nhanh chóng tạo thành một lớp màng nổi trên bề mặt hầu hết các nguyên liệu hydrocarbon ngăn chặn hơi nhiên liệu bốc lên và ngăn cách oxy với hơi nhiên liệu. Lớp bọt hình thành bên trên lớp màng có tác dụng cung cấp bổ sung nước cho lớp màng được bền theo thời gian đồng thời ngăn cách oxy khỏi đám cháy và ngăn ngừa ngọn lửa bắt cháy lại.

1.4. Tình hình nghiên cứu chất tạo bọt chữa cháy trên thế giới và Việt Nam

1.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Nhờ một số đặc tính độc đáo, chất hoạt động bề mặt perfluor được sử dụng rộng rãi ở Châu Âu và Hoa ỳ kể từ những năm 60-70 của thế kỉ 20. Do hiệu quả chữa cháy cao đối với cả chất rắn và chất lỏng phân cực dễ cháy nên chất tạo bọt chữa cháy này được sản xuất và sử dụng phổ biến ở nhiều nước, nhất là các nước đang phát triển. Tuy nhiên, sau quá trình chữa cháy các tác nhân này bị hấp thụ gần như hoàn toàn vào trong đất và nước mặt. Những chất này cực kỳ bền trong môi trường, không bị thủy phân, không phân hủy sinh học. Ví dụ điển hình nhất là hợp chất HĐBM perfluorooctylsulfonat (PFOS) được sử dụng rộng rãi trong AFFF cho đến năm 2005. Từ năm 2006, PFOS bị cấm sử dụng ở Liên minh Châu Âu do độc tính và khả năng tích tụ sinh học của nó và đến năm 2009, quốc tế phân loại PFOS vào nhóm chất gây ô nhiễm hữu cơ bền vững (POP). Sau đó PFOS được thay thế bằng polyfluorinat (PFC), tuy nhiên hợp chất này cũng không được chấp nhận vì nó

khó phân hủy và ảnh hưởng đến môi trường. Để cải thiện khả năng phân hủy sinh học và giảm độc tính của các chất HĐBM prefluor trong chất tạo bọt, trong suốt thập kỷ qua các nhà nghiên cứu đã có những cải tiến như [93]: 1) Khóa nhóm sulfonat bằng các mảnh amidobetain; 2) Giảm số lượng nguyên tử C trong gốc perfluorinat từ C8-C10 xuống còn C4-C6; 3) ết hợp các nhánh hydrocarbon (- CH2-)n thành chất hoạt động bề mặt perfluor.

Các chất HĐBM fluor hóa được sử dụng trong AFFF được thực hiện theo

quy trình telom hóa sạch hơn và không phân hủy thành các mảnh PFOS hoặc PFOA. Việc sử dụng các chất hóa học perfluoroalkyl C6 cho tất cả các chất HĐBM fluor hóa của AFFF là một thách thức lớn và cần phải tìm ra các giải pháp hiệu quả nâng cao hiệu suất, cải thiện chất tạo bọt chữa cháy.

Năm 2015. R. H. Hetzer và cộng sự thuộc Viện nghiên cứu Bundeswehr đã nghiên cứu chế tạo chất tạo bọt AFFF trên cơ sở chất HĐBM siloxan. ết quả nghiên cứu trình bày trong bảng 1.6 cho thấy chất tạo bọt mới này có khả năng dập tắt đám cháy trong 131 giây và chống cháy lại là 442 giây tốt hơn so với mẫu trắng và chất tạo bọt lớp B. Mặc dù khả năng dập cháy và chống cháy lại kém hơn so với AFFF tuy nhiên đây là bọt chữa cháy không chứa chất HĐBM fluor hóa, do đó nó thân thiện và an toàn với môi trường. Mặt khác, trong thành phần của mẫu bọt chứa siloxan mang đi thử nghiệm chưa có các chất ổn định bọt và các thành phần phụ gia khác, do đó đây chưa phải là kết quả tối ưu. Trên thực tế, có nhiều chất phụ gia quan trọng trong AFFF, vai trò và tác dụng của các chất phụ gia đối với tính chất của AFFF chưa được nghiên cứu nhiều [93].

Bảng 1.6: So sánh thời gian dập tắt của chất tạo bọt siloxan và chất tạo bọt thương mại [93]

Loại

Thành phần

Hàm lượng PFC

Tạo màng nước

Thời gian dập cháy 99% (s)

Thời gian dập cháy 100% (s)

Thời gian

chống cháy lại

25% (s)

Chất HĐBM

siloxan mới

Chất HĐBM Siloxan (1,0 g/l) Alkyl glycoside (4,5g/l)

PFC -

free

Có

111

131

442

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 136 trang tài liệu này.

Mẫu trắng	Alkyl glycoside (4,5g/l)	PFC - free	Không	477	536	164
3	AFFF	Dung dịch 3,0%	Có PFC	Có	81	136	745
4	AFFF	Dung dịch 3,0%	Có PFC	Có	85	103	776
5	Chất tạo bọt lớp B	Dung dịch 3,0%	Có PFC	Không	140	161	494
6		Dung dịch 3,0%	PFC - free	Không	149	169	392
7		Dung dịch 0,5%	PFC - free	Không	209	254	275

Năm 2016, Đại học ITMO phối hợp với công ty SOPOT (Nga) chế tạo ra một bọt chữa cháy dựa trên các hạt nano silica vô cơ. ết quả cho thấy loại bọt chữa cháy này có khả năng tạo bọt nhanh và bền ở nhiệt độ cao, cải thiện khả năng chữa cháy và ổn định cơ học. hi phun bọt chữa cháy vào đám cháy, các hạt nano silica tạo ra một mạng lưới polyme bám chặt vào vật thể đang cháy và làm mát bề mặt của chúng, giảm nhiệt độ bốc hơi của nhiên liệu. Màng polyme này có thể chịu được nhiệt độ trên 1000°C [94].

Năm 2016, tác giả A. V. Vinogradov và cộng sự [95] chế tạo thành công bọt lai silica mới có tính chất chữa cháy độc đáo. Sự hình thành các hạt sol-gel trong quá trình tạo bọt của dòng chất lỏng với sức căng bề mặt thấp dẫn đến trạng thái ba pha bao gồm các chất HĐBM và nano silica đã thúc đẩy quá trình dập cháy hiệu quả hơn. Nghiên cứu cho thấy hầu hết chất tạo bọt đang sử dụng được làm từ vật liệu hữu cơ và có hiệu quả dập cháy giảm dần khi nhiệt độ tiếp cận 300oC. Trong khi bọt chữa

cháy mới tạo ra một lớp màng cứng và nhớt trên bề mặt vật liệu. Lớp màng này không chỉ giúp ngăn cách nhiên liệu cháy với lửa, mà còn bảo vệ các vật liệu khỏi sự cháy lại. ết quả cũng cho thấy chất tạo bọt sol – gel có khả năng dập cháy hiệu quả gấp 50 lần so với nước thông thường và gấp 15 lần so với các chất dập cháy tốt nhất hiện có.

Hình 1.10: Cơ chế hóa học cho sự hình thành bọt silica

Năm 2020, Youjie Sheng và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu về bọt chữa cháy thân thiện với môi trường dựa trên hỗn hợp các chất HĐBM hydrocarbon và silicon. ết quả cho thấy sức căng bề mặt của dung dịch bọt không có fluor thấp hơn AFFF và không hình thành màng nước trên bề mặt cyclohexane, mặc dù hệ số lan truyền dương. Bọt không chứa fluor có độ ổn định cao hơn nhưng tính lan truyền kém hơn so với AFFF truyền thống. Thử nghiệm với quy mô nhỏ, hiệu suất chữa cháy và thời gian bán hủy của bọt không chứa fluor đáp ứng các yêu cầu của tiêu chuẩn GB15308-2006. Bọt chứa OFX-5211 cho hiệu quả chữa cháy và chống cháy lại tốt hơn AFFF. Bọt chứa Silok-2235 và Tegopren-6950 có hiệu suất chữa cháy tốt hơn nhưng thời gian chống cháy lại kém hơn AFFF [96].

Thử nghiệm bọt chữa cháy có chứa Silok-2235 [96]

Từ các kết quả thu được nhóm tác giả đã đưa ra cơ chế chữa cháy và phân hủy bọt của bọt chữa cháy có chứa thành phần silicon như sau: Cơ chế chữa cháy của AFFF truyền thống là tạo lớp màng nước cách nhiệt giữa nhiên liệu lỏng với oxy, như mô tả trong hình 1.12.

Hình 1.12. So sánh cơ chế chữa cháy của bọt chứa silicon và bọt AFFF [96] A: Bọt AFFF

B: Bọt chứa silicon

Trong quá trình chữa cháy của AFFF, một lớp màng nước trên bề mặt nhiên liệu lỏng được tạo thành. Điều này được giải thích do AFFF có chứa chất HĐBM fluorocarbon làm giảm sức căng bề mặt của dung dịch xuống giá trị rất thấp. hi lớp màng nước phủ kín trên bề mặt nhiên liệu, chất lỏng từ bọt tiết ra quá nhiều sẽ bị chìm xuống đáy khay do giới hạn của sự lan truyền dẫn đến độ bền của lớp bọt giảm dần. Đối với các bọt có chứa silicon, cơ chế chữa cháy khác với AFFF và được giải thích tại hình 1.14. Chất lỏng tiết ra từ bọt trong quá trình chữa cháy rất ít do tính ổn định cao được tạo nên bởi sự có mặt của chất HĐBM hydrocarbon và một số thành phần chất ổn định bọt. Bọt có khả năng lan truyền nhanh chóng trên bề mặt nhiên liệu do tính chất của silicon. Với khả năng lan truyền nhanh và bao phủ toàn bộ khay nhiên liệu đang cháy, dẫn đến việc ngọn lửa được dập tắt nhanh chóng. Do đó có thể thấy bọt không chứa fluor có thể dập tắt đám cháy của nhiên liệu một cách hiệu quả. Kết quả nghiên cứu cho thấy hỗn hợp các chất HĐBM hydrocarbon và silicon hứa hẹn được sử dụng rộng rãi để phát triển bọt chữa cháy thế hệ mới thân thiện với môi trường.

1.4.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

Ở Việt Nam đã có một số công trình nghiên cứu về vật liệu chống cháy, trong đó có công trình được đưa vào ứng dụng thực tế. Tuy nhiên, đối với chất tạo

bọt chữa cháy, đặc biệt là các dòng sản phẩm chất lượng cao như chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước, chất tạo bọt chữa cháy bền rượu… có ít công trình nghiên cứu một cách chuyên sâu và đầy đủ để tạo ra sản phẩm tiên tiến, bắt kịp xu thế chung của thế giới.

Năm 1992, Trần Văn Tân và cộng sự nghiên cứu thành công quy trình sản xuất chất tạo bọt chữa cháy hòa không khí 6% (chất tạo bọt chữa cháy xăng dầu độ nở thấp, thành phần chứa chất HĐBM hydrocarbon) sử dụng nước ngọt để chữa cháy các đám cháy nhóm A và nhóm B. Các sản phẩm này có chất lượng tương đương với chất tạo bọt chữa cháy PO1 của Liên Xô. Năm 2006, Cảnh sát Phòng cháy chữa cháy Công an tỉnh Hà Tây đã sử dụng chất tạo bọt chữa cháy hoà không khí 6% này để dập cháy thành công 1 xe chở gas bị cháy, trước đó đã dùng nước, bình bột cầm tay và bình CO2 để dập nhưng không có hiệu quả, tránh được nguy cơ nổ khí gas rất nguy hiểm. Hiện nay, chất tạo bọt chữa cháy này vẫn được một số đơn vị đưa vào sử dụng, tuy nhiên, so với thế giới, sản phẩm này chưa đáp ứng được nhu cầu chữa cháy hiện đại và không tương thích với trang thiết bị mới của lực lượng phòng cháy, chữa cháy [97].

Năm 2013, Hà Văn Vân và cộng sự chế tạo được chất tạo bọt chữa cháy xăng dầu độ nở thấp, đạt được một số kết quả nhất định như khả năng chữa cháy các đám cháy xăng, dầu tốt. Tuy nhiên, kết quả còn nhiều hạn chế như: độ đậm đặc thấp (6%); khả năng chống cháy lại chưa đạt TCVN 7278-1 : 2003 [98].

Năm 2014, Trung tâm Phát triển Công nghệ cao và Viện K thuật Hoá – Sinh và Tài liệu nghiệp vụ đã phối hợp nghiên cứu thăm dò chất tạo bọt tạo màng nước độ nở thấp thế hệ mới và bước đầu đã tạo ra hệ vật liệu đáp ứng các chỉ tiêu chữa cháy xăng dầu. Kết quả là đã xây dựng được hệ vật liệu tạo màng nước gồm HĐBM mặt sodium polyoxyethylen alkylete sulfat (chất HĐBM hydrocarbon) và chất hoạt động fluor hóa perfluoroalkyl betain với tỉ lệ hàm lượng là 15% và 5%. Đã tìm được chất trợ HĐBM, các chất phụ gia cho độ bền cơ học, độ bền nhiệt cao hơn: butyl diglycol, glyxerin, carboxymethyl cellulose, coconut oil fatty acid mono ethanol amid, polyethylen glycol, Guar gum. Đã thử nghiệm khả năng chữa cháy xăng dầu đối với các mẫu bọt theo 2 quy mô: quy mô nhỏ (phòng thí nghiệm) đạt được cả về thời gian dập cháy và thời gian chống bắt cháy lại; quy mô trung bình chỉ đạt được tiêu chí dập cháy, không đạt tiêu chí chống cháy lại. Do vậy, cần có

những nghiên cứu thêm về hệ vật liệu các chất HĐBM, lựa chọn được các chất trợ HĐBM và các chất phụ gia để chế tạo được sản phẩm có độ bền nhiệt tốt đáp ứng được TCVN về bọt chữa cháy [99].

Từ năm 2016 đến năm 2019, luận án tiến hành các nghiên cứu trong khuôn khổ đề tài cấp Nhà nước của Trung tâm phát triển công nghệ cao, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam do TS. Đỗ Sơn Hải làm chủ nhiệm. Luận án đã nghiên cứu và góp phần chế tạo thành công 05 hệ chất tạo bọt chữa cháy thế hệ mới là chất tạo bọt chữa cháy sử dụng nước biển 3%; Chất tạo bọt chữa cháy sử dụng nước biển 1%; Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước 0,5%; Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu 3% và Chất tạo bọt chữa cháy tạo màng nước bền rượu 1% [100].

Quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài cho thấy một số hợp chất có khả năng nâng cao các tính chất của chất tạo bọt chữa cháy, độ bền nhiệt cũng như là hiệu quả dập cháy. Do vậy, luận án đã tiếp tục tiến hành các nghiên cứu sử dụng các hợp chất này và thu được nhiều kết quả khả quan.

Xem toàn bộ nội dung bài viết ᛨ