Nhờ một số đặc tính độc đáo, chất hoạt động bề mặt perfluor được sử dụng rộng rãi ở Châu Âu và Hoa kỳ 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 nghiên cứu gần đây đã chứng minh mối nguy hiểm của các chất hoạt động bề mặt perfluoro với môi trường do chứa perfluorooctan carboxylat (-C7F15COO-) và perfluorooctan sulfon (-C8F17SO3-). Những chất này cực kỳ bền trong môi trường, không bị thủy phân, không phân hủy sinh học. Ví dụ điển hình nhất cho lớp chất này là hợp chất hoạt động bề mặt Perfluorooctylsulfonate (PFOS) được sử dụng rộng rãi trong AFFF cho đến năm 2005.
Từ năm 2006, PFOS bị cấm sử dụng ở các nước Liên minh Châu Âu [1] do độc tính và khả năng tích tụ sinh học của nó và từ năm 2009 PFOS được Quốc tế phân loại vào nhóm chất gây ô nhiễm hữu cơ bền vững (POP) [3]. Sau đó PFOS đã được thay thế bằng polyfluorinated (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 hoạt động bề mặt prefluoro trong chất tạo bọt, trong suốt thập kỷ qua các nhà nghiên cứu đã có những cải tiến như: 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) Kết hợp các nhánh hydrocarbon (-CH2-)n thành chất hoạt động bề mặt perfluor.
Các chất hoạt động bề mặt fluor hóa được sử dụng trong AFFF đã 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 perfluoroalkylbased C6 cho tất cả các chất HĐBM fluor hóa của AFFF là một thách thức lớn.. Kinh nghiệm, sáng tạo và sự hiểu biết tốt về các nguyên tắc hóa học, vật lý sẽ giúp 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 hoạt động bề mặt siloxan. Chất tạo bọt mới này có khả năng dập tắt và chống cháy lại tốt hơn với chất tạo bọt AFFF chứa fluor.
Bảng 1: So sánh về thời gian dập tắt thử nghiệm của chất tạo bọt siloxan và chất tạo bọt thương mại.
Tuy nhiên, trong thành phần của mẫu bọt chứa siloxan mang đi thử nghiệm chưa có các chất ổn định bọt và một số thành phần phổ biến 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.
Năm 2016, các nhà khoa học tại Đại học ITMO ở Saint Petersburg, làm việc với các nhà nghiên cứu Nga của công ty SOPOT, đã sản xuất một bọt chữa cháy dựa trên các hạt nano silica vô cơ. Kết quả nghiên cứu cho thấy loại bọt chữa cháy mới này có khả năng tạo bọt nhanh và bền ở nhiệt độ cao, cải thiện khả năng chữa cháy và ổn định cơ học. Khi phun bọt chữa cháy này vào đám cháy, các hạt nano silica tạo ra một mạng lưới polyme, nó 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.
Tác giả A. V. Vinogradov và cộng sự đã chế tạo được một loại 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 tất cả thành phần hoạt động, thúc đẩy quá trình dập cháy. Nghiên cứu của Alexandr Vinogradov cho thấy hầu hết chất tạo bọt hiện nay được làm bằng vật liệu hữu cơ và hiệu quả nhanh chóng giảm đi khi nhiệt độ tiếp cận 300oC. Nhưng khi sử dụng bọt chữa cháy mới này thì các chất tạo bọt tạo ra một khung cứng trên bề mặt vật liệu, không chỉ ngăn cách lửa, mà còn bảo vệ các vật liệu khỏi sự cháy lại. Kết quả thử nghiệm này cho thấy rằng chất tạo bọt sol – gel có khả năng dập cháy hiệu quả hơn gần 50 lần so với nước thông thường và tốt hơn 15 lần so với các chất dập cháy tốt nhất hiện có.
Hình 1.1: Cơ chế hóa học cho sự hình thành bọt silica
Năm 2020, nhóm tác giả Youjie Sheng và cộng sự ở Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc đã tiến hành nghiên cứu về bọt chữa cháy thân thiện với môi trường dựa trên hỗn hợp các chất hoạt động bề mặt hydrocarbon và silic. Kết 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 là dương. Bọt không chứa fluor có độ ổn định cao hơn nhưng tính lan truyền kém hơn trên bề mặt nhiên liệu lỏng so với AFFF truyền thống. Về mặt 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.
Hình 1.2. Thử nghiệm bọt chữa cháy có chứa Silok-2235
Nhóm tác giả cũng 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 1.9. Trong quá trình chữa cháy của AFFF, một lớp màng nước trên bề mặt nhiên liệu lỏng được tạo thành. Điều này là do AFFF có chứa chất hoạt động bề mặt fluorocarbon vì vậy nó có khả năng làm giảm sức căng bề mặt của dung dịch xuống giá trị rất thấp. Khi chất lỏng từ bọt tiết ra quá nhiều sẽ bị chìm xuống đáy khay chứa nhiên liệu đang cháy sau khi màng nước phủ kín được hình thành do giới hạn của sự lan truyền. Khi đó độ bền của lớp bọt trên bề mặt nhiên liệu cháy giảm dần.
Đối với các bọt có chứa silicon, cơ chế chữa cháy khác với AFFF được giải thích như trong hình 1.9. 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 hoạt động bề mặt 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 heptan một cách hiệu quả. Qua các kết quả nghiên cứu của nhóm tác giả cho thấy hỗn hợp các chất hoạt động bề mặt hydrocarbon và silicon hứa hẹn sẽ được sử dụng để phát triển các loại bọt chữa cháy thế hệ mới thân thiện với môi trường.
Hình 1.3. So sánh cơ chế chữa cháy của bọt chứa silicon và bọt AFFF
A: Bọt AFFF
B: Bọt chứa silicon
Ở Việt Nam hiện nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu về vật liệu chống cháy, trong đó có nhiều công trình đã 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 cùng các cộng sự đã 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 hoạt động bề mặt không được fluor hóa) 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 cũ. 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% của Viện Khoa học và Công nghệ, Bộ công an sản xuất 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 có của lực lượng phòng cháy, chữa cháy.
Năm 2013, Hà Văn Vân và cộng sự đã nghiên cứu chế tạo chất tạo bọt chữa cháy xăng dầu độ nở thấp. Đề tài đã mở ra hướng nghiên cứu về chất tạo bọt chữa cháy chữa xăng dầu và đã đạt được một số kết quả nhất định như khả năng chữa cháy các đám cháy xăng, dầu tốt. Tuy nhiên, kết quả vẫn còn nhiều hạn chế như: tỉ lệ pha trộn (độ đậm đặc) cao là 6%; khả năng chống cháy lại chưa đạt được theo TCVN 7278-1 : 2003.
Năm 2014, Trung tâm Phát triển Công nghệ cao và Viện Kỹ 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 chất hoạt động bề mặt Sodium polyoxyethylene alkylether sulfates (chất HĐBM hydrocarbon) và chất hoạt động fluor hóa Perfluoroalkyl betaine với tỉ lệ hàm lượng là 15% và 5%. Đã tìm được chất trợ hoạt động bề mặt, 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 amide, 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 hoạt động bề mặt, lựa chọn được các chất trợ hoạt động bề mặt và các chất phụ gia để chế tạo được sản phẩm có độ bền nhiệt tốt đáp ứng được TCVN về bọt chữa cháy.
Năm 2019, TS. Đỗ Sơn Hải và các cộng sự của Trung tâm Phát triển công nghệ cao, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã nghiên cứu và 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%. Các nghiên cứu của luận án thuộc trong khuôn khổ của đề tài
Theo Cục Cảnh sát PCCC&CNCH