Nghiên cứu khảo sát hệ phụ gia cho dầu vi nhũ thủy lực sử dụng cho khai thác than hầm lò

Mục Lục
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT…...
LỜI MỞ ĐẦU……………………………………………………
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN……………………………………..
Tổng quan về khai thác khoáng sản và than ở Việt Nam……….
1.1.1. Khai thác than ………...…………………………………….
1.1.2. Cột thủy lực trong khai thác than hầm lò…………………...
1.2.
Chất lỏng thủy lực cho cột chống hầm lò……………………….
1.2.1. Chức năng của dầu thủy lực………………………………...
1.2.2. Chất lỏng thủy lực cho các hệ thống cột chống hầm lò…….
1.2.3. Dầu thủy lực vi nhũ…………………………………………
1.2.4. Thành phần của dầu thủy lực vi nhũ ……………………......
1.1.

CHƯƠNG 2. KHẢO SÁT CÁC HỆ PHỤ GIA CHO DẦU
THỦY LỰC VI NHŨ SỬ DỤNG CHO CỘT CHỐNG CHÁY
HẦM LÒ………………………………………………………...
2.1. Khảo sát và lựa chọn dầu gốc …………………………………...
2.2. Khảo sát và lựa chọn phụ gia…………………………………….
2.2.1. Khảo sát và lựa chọn phụ gia tạo vi nhũ……………………
2.2.2. Khảo sát và lựa chọn phụ gia ức chế ăn mòn đồng………...
2.2.3. Khảo sát và lựa chọn phụ gia phá bọt………………………
2.2.4. Khảo sát và lựa chọn phụ gia diệt khuẩn…………………...

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KIỂM
TRA ĐÁNH GIÁ………………………………………………...
1


3.1. Lựa chọn dầu gốc………………………………………………...

3.2. Lựa chọn phụ gia………………………………………………...
3.3. Thiết lập đơn pha chế và quy trình pha chế……………………..
3.4. Các phương pháp kiểm tra đánh giá……………………………..
3.5. Phân tích đánh giá và thử nghiệm DVNTL đã pha chế…………

KẾT LUẬN………………………………………………………

2


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
CLTLCC

Chất lỏng thủy lực chống cháy

DDLV

Dung dịch làm việc

DNTL

Dầu nhũ thủy lực

DTV

Dầu thực vật

HĐBM

Hoạt động bề mặt

HLB

Chỉ số cân bằng ái dầu/ái nước
(Hydrophil/lipophilic balance)

HWBF

Chất lỏng thủy lực gốc nước (High water
based fluid)

PHSH

Phân hủy sinh học

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

UCAM

Ức chế ăn mòn

VINACHEM

Tập đoàn Hóa chất Việt Nam

VINACOMIN

Tập đoàn Công nghiệp Than và Khoáng

sản Việt Nam (Vienam National Coal
Mineral Industries Holding Corporation
Limited)

3


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1
Bảng 1.2
Bảng 1.3
Bảng 1.4
Bảng 1.5
Bảng 1.6
Bảng 1.7
Bảng 2.1
Bảng 2.2
Bảng 2.3
Bảng 3.1
Bảng 3.2
Bảng 3.3
Bảng 3.4
Bảng 3.5
Bảng 3.6
Bảng 3.7
Bảng 3.8
Bảng 3.9

Thông số kỹ thuật cột chống thủy lực
Phân loại các chất lỏng thủy lực theo ISO 6734

Các tính chất của các loại CLTLCC chứa nước
Mối liên quan giữa kích thước hạt và trạng thái cảm
quan của nhũ
Giá trị HLB của một số chất HĐBM thương mại
Giá trị RHLB của một số chất
Chỉ tiêu chất lượng của dầu siêu vi nhũ Trung Quốc đối
chứng
Danh mục dầu gốc sử dụng nghiên cứu
Danh mục phụ gia sử dụng nghiên cứu
Các phương pháp phân tích chỉ tiêu hóa lý theo TCVN
và các phương pháp tiêu chuẩn phổ biến
Kết quả phân tích các thông số chất lượng của 60N
Các chỉ tiêu chất lượng của dầu tổng hợp PEG 400
Thông số kỹ thuật của NP-9
Thông số kỹ thuật của SPAN 80
Kết quả khảo sát hàm lượng phụ gia tạo nhũ NS
Tính năng sử dụng của DDLV pha 5% từ mẫu 4
Khảo sát tỉ lệ sử dụng phụ gia CDE
Khảo sát lựa chọn phụ gia phá bọt
Khảo sát lựa chọn hàm lượng phụ gia diệt khuẩn
Constram ST-1

4


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1

Hình ảnh cột chống thủy lực trong hầm lò

Hình 1.2

Hình ảnh cột chống thủy lực đơn

Hình 2.1

Giá bảo áp cột thủy lực dùng thử nghiệm thực tế DDLV

Hình 2.2

Thiết bị Zetasizer Nano ZS của Malvern

Hình 3.1

Phân bố kích thước hạt của DDLV pha 5% từ mẫu 4

Hình 3.2

Sơ đồ công nghệ pha chế dầu thủy lực vi nhũ

Hình 3.3

Phân bố kích thước hạt của DDLV 5% từ DTLVN pha chế

Hình 3.4

Phân bố kích thước hạt của DDLV 5% từ DTLVN Thiên
Tân

Hình 3.5

Hình ảnh hệ thống giá thủy lực và thiết bị theo dõi áp lực

Hình 3.6

Hệ thống giá khung thủy lực di động loại GK
1600/1.6/2.4HTD được lắp đặt và thử nghiệm tại khai
trường

5


LỜI MỞ ĐẦU
Điểm qua các bước phát triển mới của ngành than ta thấy rõ vai trò của than
không giảm mà còn ngày càng gia tăng. Đặc biệt trong bối cảnh giá dầu mỏ ngày
càng tăng mạnh và tình hình an ninh chính trị của các khu vựccó trữ lượng dầu khí
lớn thường xuyên bất ổn. Than được sử dụng làm năng lượng hoặc nguồn nguyên
liệu thay thế khí thiên nhiên cho việc sản xuất amoniac và metanol. Than được
dùng làm chất đốt…... Số liệu thị trường cho thấy đến nay khoảng 90% sản lượng
than được sản xuất ra không phải để xuất khẩu mà chủ yếu dùng ngay trong nước
và tập trung phục vụ ngành điện lực.
Nhìn chung than được khai thác bằng hai phương pháp chính : lộ thiên và hầm
lò, tùy thuộc vào địa hình, địa chất từng khu vực. Tuy nhiên trong tất cả các khâu
của công nghệ khai thác lộ thiên đều chứa đựng những yếu tố ảnh hưởng xấu đến
môi trường trong đó phải kể đến sự thay đổi địa hình, gây bụi, ồn, làm ô nhiễm
nguồn nước, không khí…..Còn các khâu công nghệ trong khai thác than hầm lò
đều thực hiện trong các đường lò dưới lòng đất nên mức độ và phạm vi ảnh hưởng
tới môi trường thấp hơn so với khai thác lộ thiên.
Một trong những phương tiện không thể thiếu được trong khai thác hầm lò là

các giá đỡ và cột chống hầm lò được vận hành nhờ dầu thủy lực gốc nước. Dầu
thủy lực gốc nước bên cạnh các tính năng thiết yếu đối với hệ thống thủy lực như
tính chịu nén, tính bôi trơn còn có các ưu điểm nổi bật như có độ bền và ổn định
cao, không gây nguy cơ cháy nổ, không bị vi sinh vật phân hủy, chống ăn mòn kim
loại và không tác động đến môi trường. Ở Việt Nam, hàng năm có hàng nghìn tấn
dầu thủy lực loại này đã và đang được sử dụng trong khai thác khoáng sản hầm lò
(chủ yếu là khai thác than). Các loại dầu này được sản xuất một phần trong nước
còn lại phần lớn là được nhập khẩu từ các nước như Trung Quốc và một số nước tư
bản.
Mặc dù nhiều ưu điểm và đã được thế giới nghiên cứu và đưa vào sử dụng từ
lâu, nhưng dòng sản phẩm này chưa được chú ý nghiên cứu và sản xuất trong nước
trong khi nhu cầu thực tế về sản phẩm này trong lĩnh vực khai thác khoáng sản nói
chung ngày càng cao, trong đó khai thác than có nhu cầu rất lớn khi mà phương
pháp khai thác hầm lò được áp dụng phổ biến. Vì vậy em quyết định chọn đề tài tốt
nghiệp là : “ Nghiên cứu khảo sát hệ phụ gia cho dầu vi nhũ thủy lực sử dụng
6


cho khai thác than hầm lò “. Bởi để tạo ra những sản phẩm dầu vi nhũ thủy lực
này ngoài dầu gốc là thành phần chính thì chất HĐBM và các hệ phụ gia là thành
phần không thể thiếu. Tùy thuộc vào loại chất HĐBM và chất phụ gia khác nhau se
tạo ra những dầu vi nhũ thủy lực có các đặc trưng khác nhau.

7


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1.
1.1.1.

TỔNG QUAN
TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH KHAI THÁC KHOÁNG SẢN VA
THAN Ở VIỆT NAM

Công nghiệp khai khoáng Việt Nam hình thành từ cuối thế kỉ 19 do Pháp
khởi xướng. Năm 1955, Việt Nam bắt dầu tiếp quản, duy trì, phát triển các cơ sở
khai thác và chế biến khoáng sản. Đến nay, Việt Nam đã tiến hành điều tra cơ bản,
thăm dò và phát hiện mới trên 5000 điểm khoáng và mỏ {1}.
Năm 2013, có 48 báo cáo thăm dò được Hội đồng đánh giá trữ lượng khoáng
sản quốc gia phê duyệt, gồm : apatit (25,138 triệu tấn quặng); bauxit (909.766 triệu
tấn quặng); đá granit ốp lát (37,751 triệu m3); đá hoa trắng ốp lát (9,643 triệu m3);
đá hoa trắng làm bột cacbon canxi (56,307 triệu tấn); sét xi măng (47,197 triệu
tấn); đá vôi xi măng (313,412 triệu tấn)…{2}.
Công nghệ khai thác mỏ chủ yếu gồm 2 nhóm là khai thác mỏ lộ thiên và khai
thác hầm lò. Tại Việt Nam, các khoáng sản : bauxit, đá granit, đá hoa trắng, đá vôi,
sét xi măng, apatit loại I được khai thác theo phương pháp khai thác mỏ lộ thiên.
Còn các khoáng sản khác như than, quặng apatit loại II, IV, các kim loại : sắt,
đồng… chủ yếu nằm sâu dưới lòng đất, đòi hỏi khai thác than hầm lò.
Trong khai thác hầm lò hiện nay, việc sử dụng cột thủy lực đơn, giá thủy lực di
động… có ưu việt hơn so với các loại cột chống gỗ, mang lại hiệu quả, an toàn,
kinh tế, dễ thao tác và không ảnh hưởng môi trường. Các loại giá đỡ, cột chống
được sử dụng trong khai thác hầm lò hiện nay : giá thủy lực di động XDY
1T2/Hh/Lr, cột thủy lực đơn xà hộp, cột thủy lực đơn bơm dung dịch ngoài DZ-22
và xà hộp DHFBC-2600, cột thủy lực đơn kết hợp với xà sắt HDJB-1200;
HDFBC-2600…{3}.
Để vận hành được cột chống thủy lực cần loại dầu thủy lực gốc nước dạng nhũ
tương với nồng độ từ 3-5% trong nước nên rất kinh tế và giảm thiểu ô nhiễm môi
trường so với các loại dầu thủy lực khác. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ
thuật, chất lượng và chủng loại của các loại dầu này được cải tiến và nâng cao
không ngừng.

8


Hình 1.1. Hình ảnh hệ thống cột chống thủy lực trong hầm lo
Tình hình phát triển ngành than qua các giai đoạn :
Năm 1888, Công ty than Bắc Kỳ của Pháp được thành lập và cuối năm đó toàn
bộ vùng mỏ than Quảng Ninh trở thành nhượng địa và phân chia cho các tập đoàn
tư bản Pháp khai thác.
Từ năm 1916, hàng loạt các công ty than của Pháp ra đời như công ty than
Đông Triều, Mạo Khê, Tràng Bạch-Cổ Kênh, Yên Lập, Hạ Long-Đồng Đăng…
Thời kỳ này, sản lượng khai thác than khoảng 200.000 tấn/năm gồm cả lộ thiên và
hầm lò. Công nghệ khai thác than chủ yếu là thủ công, máy móc hầu như không có.
Sau Hiệp định Giơnevơ 1954, Đảng và Nhà nước đã tập trung đầu tư để phát
triển, Công nghiệp khai thác than trở thành một trong những ngành kinh tế chủ
đạo. Với sự trợ giúp của Liên Xô, các thiết bị khai thác cơ gới như ô tô, máy xúc,
máy khoan, tàu điện…lần lượt được trang bị cho các mỏ. Các nhà máy mơ khí, sữa
chữa, cơ sở hạ tầng mới được xây dựng. Nhờ vậy sản lượng khai thác than đã từng
bước được nâng lên, đến năm 1987 sản lượng đạt gần 7 triệu tấn.

9


Từ năm 1987, nền kinh tế nước ta bắt đầu chuyển sang hoạt động theo cơ chế thị
trường, Nhà nước xóa bỏ chế độ bao cấp, các mỏ than từ chỗ được ngân hàng bao
cấp chuyển sang tự hạch toán, cân đối tài chính. Đây là giai đoạn gặp nhiều khó
khăn của ngành than, sản lượng khai thác đạt từ 4,5 đến 6 triệu tấn.
Cuối năm 1994, Tổng công ty Than Việt Nam ra đời đã tạo động lực mới cho
ngành than. Năm 1995, sản lượng than đạt 7 triệu tấn, năm 1997 đạt hơn 10 triệu
tấn, năm 2001 đạt 13 triệu tấn, năm 2002 đạt 15 triệu tấn, năm 2003 là hơn 20 triệu

tấn, năm 2004 là 28 triệu tấn, năm 2007 là 40 triệu tấn, đứng thứ 6 trong các nước
Châu Á và thứ 17 trên thế giới, chiếm 0,69% sản lượng trên thế giới. Theo báo cáo
mới nhất của Tập đoàn Công nghiệp Than-Khoáng sản Việt Nam, than tiêu thụ
tháng 7 năm 2015 ước đạt 3,08 triệu tấn, tăng 21,09% so với tháng 7 năm 2014,
tính chung 7 tháng năm 2015 ước đạt 20,83 triệu tấn, giảm 1,07% so với cùng kỳ
năm 2014.
Than khoáng sản là nguồn nguyên liệu sản xuất điện năng lớn nhất thế giới. Hiện
nay, lượng than khai thác trên thế giới và Việt Nam được sử dụng trong các ngành
năng lượng, phục vụ sản xuất nhà máy nhiệt điện và các ngành công nghiệp sử
dụng chất đốt… Sản lượng than tiêu dùng trong nước chủ yếu phân bố ở các ngành
công nghiệp điện (30-50% tổng sản lượng ngành than) và các ngành công nghiệp
khác như xi măng, phân bón, luyện kim… Trên thực tế, theo dự báo Quy hoạch
phát triển ngành than Việt Nam đến năm 2020, có xét triển vọng đến năm 2030,
Chính phủ cũng đã nêu vấn đề rằng nhu cầu than trong nước đang ngày càng tăng
cao. Năm 2015 là 56,2 triệu tấn, năm 2020 là 112,3 triệu tấn, năm 2025 là 145,5
triệu tấn, và cho đến năm 2030 Việt Nam se tiêu thụ đến 220,3 triệu tấn. Như vậy,
so với mức tiêu thụ năm 2013 (là 28 triệu tấn) đến năm 2015 tăng gấp 2 lần và đến
năm 2030 tăng gấp 8 lần. Trong khi đó sản lượng hiện nay chỉ đạt 40 triệu tấn và
cũng khó tăng thêm do những mỏ dễ khai thác thì đã khai thác, còn lại những mỏ
khó khai thác thì đầu tư chi phí rất cao (khoảng 300-400 triệu USD và 7-8 năm).
Việt Nam se trở thành nước nhập khẩu than trước năm 2020, nếu không đảm bảo
được hiệu quả khai thác thì nhập khẩu than se sớm hơn vào khoảng năm 20152018.{4} Vì vậy việc nâng cao hiệu quả trong việc khai thác than là điều rất quan
trọng đối với ngành than hiện nay, việc vận hành của cột chống hầm lò trong công
nghệ khai thác than hầm lò se đòi hỏi nhu cầu về dầu thủy lực vi nhũ để vận hành
những cột chống này. Và đây cũng chính là đối tượng nghiên cứu của đề tài nhằm
10


tìm ra những chất phụ gia và HĐBM thích hợp sử dụng cho dầu thủy lực vi nhũ
làm việc trong điều kiện khắc nghiệt của hầm lò.

1.1.2.

Cột chống thủy lực trong khai thác hầm lò

Hệ thống cột chống thủy lực bắt đầu được áp dụng tại các mỏ than của Tập
đoàn Vinacomin từ cuối những năm 90 của thế kỉ trước. Các hệ thống thủy lực này
được nhập khẩu đồng bộ (cùng với dầu thủy lực đi kèm theo tiêu chuẩn MT 76-83
của Trung Quốc) hoàn toàn từ Trung Quốc. Đến năm 2008 bắt đầu nhập và thử
nghiệm sử dụng các hệ thống giá khung thủy lực.

Hình 1.2. Hình ảnh cột chống thủy lực

11


Bảng 1.1. Thông số kỹ thuật cột chống thủy lực
Áp suất
làm việc
(Mpa)

Tải
trọng

Khối
lượng
(kg)

Tính năng

DW 16

38.2

118-157

1000-1600

43

119-157

1105-1800

46

Với dung dịch làm
việc thích hợp, cột
có ưu điểm :

DW 18

38.2

DW 20

38.2

120-157

1235-2000

48

- Sức chống lớn

DW 22

38.2

121-157

1440-2240

55

DW 25

38.2

122-157

1700-2500

58

- Chiều dài chống
thay đổi phù hợp
với các điều kiện
đường lò khác nhau

38.2

123-157

2000-2800

70

- Sử dụng đơn giản

Model

DW 28

Chiều cao
min-max (mm)

(kN)

nổi bật

- Làm việc ổn định
- Tuổi thọ cao.

Dầu nhũ thủy lực của Trung Quốc gần đây đã dần được thay thế bằng các loại
dầu thủy lực của Xí nghiệp dầu nhờn thuộc Vinacomin nhưng vẫn cần đảm bảo
theo tiêu chuẩn MT76-2002 của Trung Quốc.
Đến nay, 100% cột chống thủy lực đơn đã nội địa hóa hoàn toàn do công ty
Chế tạo máy Việt Nam (thuộc tập đoàn Vinacomin) sản xuất. Từ 2008, Tập đoàn
Vinacomin đã phối hợp với công ty TNHH Huy Việt, Cảnh Tân, Trung Quốc

nghiên cứu sản xuất và nội địa hóa các loại giá khung di động phù hợp với điều
kiện của vùng mỏ Việt Nam trên cơ sở các loại giá khung tương ứng của Trung
Quốc. Tuy nhiên do chưa thể kết hợp nghiên cứu đồng bộ nên các loại dầu thủy lực
sử dụng cho các hệ thống này vẫn đang được áp dụng theo tiêu chuẩn MT 76-2002
của Trung Quốc.

12


Một số loại hình công nghệ phù hợp tiếp tục được áp dụng tại các đơn vị khai
thác hầm lò với sản lượng khai thác cao như : giá thủy lực di động dạng khung,
xích chiếm khoảng 21% sản lượng khai thác; giá thủy lực di động XDY chiếm 2729% sản lượng khai thác; cột thủy lực đơn chiếm 21-24% sản lượng than khai thác
{5}. Điều này đặt ra yêu cầu một lượng lớn chất lỏng thủy lực dùng để vận hành
các giá thủy lực và cột chống thủy lực trong khai thác than hầm lò.

CHẤT LỎNG THỦY LỰC CHO CỘT CHỐNG HẦM LO

1.2.

1.2.1. Chức năng của dầu thủy lực
Chức năng của dầu thủy lực :
-

-

-

Truyền lực : đây là chức năng chính của dầu thủy lực. Sử dụng dầu thủy lực
để truyền lực là phương pháp hiệu quả kinh tế.
Bôi trơn các bộ phận thiết bị : dầu thủy lực bôi trơn tác dụng làm giảm ma

sát và ăn mòn,kéo dài tuổi thọ thiết bị.
Làm môi trường truyền nhiệt : đây là chức năng phụ nhưng rất cần thiết.
Nếu nhiệt sinh ra từ quá trình bơm không được nhanh chóng tản nhiệt, nhiệt
độ cao quá mức cho phép se ảnh hưởng nghiêm trọng tới hiệu quả hoạt động
của hệ thống, tăng mài mòn, và có thể khiến hệ thống không hoạt động.
Giảm chấn do sự thay đổi áp suất đột ngột.
Làm môi trường kín cho các bộ phận thiết bị của hệ thống thủy lực, tối ưu
hóa hiệu quả truyền lực, giảm rò rỉ và tránh cho hệ tiếp xúc bụi bẩn và các
tác nhân bên ngoài.
Duy trì hệ thống ở điều kiện tối ưu, chống ăn mòn, chống kẹt xước.
Theo hệ thống phân loại ISO 6743/4 có rất nhiều loại chất lỏng thủy lực tùy
theo thành phần cấu tạo (Bảng 1.1) {6,7}.
Bảng 1.2. Phân loại các chất lỏng thủy lực theo ISO 6734
Kí hiệu
HH
HL

Thành phần cơ bản chất lỏng thủy lực
Dầu khoáng tinh chế không có phụ gia
Dầu khoáng tinh chế có phụ gia ức chế oxy hóa và ức
chế gỉ

HM
HR
HV
HG

HL thêm phụ gia chống mài mòn
HL thêm phụ gia cải thiện chỉ số độ nhớt
HM thêm phụ gia cải thiện chỉ số độ nhớt

HM có tính chống kẹt dính khi trượt
13


HS
HF
HFA
HFAE
HFAS
HFB
HFC
HFD
HFDR
HFDS
HFDT
HFDU

Chất tổng hợp có tính chất chống cháy đặc biệt
Chất lỏng chống cháy, các chữ thêm vào sau chứ HF
se đặc trưng cho từng loại riêng nhưng vẫn thuộc
nhóm HF
Gồm hai loại :
Nhũ tương dầu trong nước có chứa tối đa 20% khối
lượng dầu
Chất lỏng thủy lực tổng hợp chứa tối thiểu 80% nước
trong dung dịch
Nhũ tương nước trong dầu chứa tối đa 60% khối lượng
dầu khoáng
Dung dịch chứa tối thiểu là 35% nước trong các
polyme tan trong nước

Những chất lỏng chống cháy không phải gốc nước và
được chia thành :
HFD có thành phần chủ yếu là este của axitphosphoric
HFD có thành phần chủ yếu là các hợp chất chứa
halogen
Hốn hợp của HFDR và HFDS
Chất lỏng chống cháy khác

Nước được biết đến là chất lỏng thủy lực đầu tiên, được sử dụng bởi người Ai Cập
cổ. Từ những năm 1920, các chất lỏng thủy lực dạng dầu bắt đầu được sử dụng phổ
biến thay thế cho nước do nhiều ưu điểm như : nhiệt độ sôi cao hơn nước, hao hụt
ít, bôi trơn tốt, độ bền và ổn định cao, chịu nén tốt, có khả năng chống ăn mòn kim
loại.
1.2.2. Chất lỏng thủy lực cho các hệ thống cột chống hầm lò
Hệ thống thủy lực đóng vai trò quan trọng trong thiết bị máy móc sử dụng
trong đời sống cũng như trong sản xuất, trong đó chất lỏng thủy lực (CLTL) là
thành phần thiết yếu vận hành hệ thống thủy lực với vai trò chính là truyền lực, bôi
trơn… Hệ thủy lực có thể tĩnh hay động, nhưng có thể làm việc trong không gian
kín (máy công cụ) hoặc không gian mở (các phương tiện, thiết bị thi công, thiết bị
nông nghiệp, giao thông), đôi khi ở nhiệt độ âm (máy bay). Điều kiện làm việc
khác nhau thì đòi hỏi các chất lỏng thủy lực khác nhau.

14


Ở Việt Nam, hàng năm có hàng chục nghìn tấn chất lỏng thủy lực được sử dụng
trong lĩnh vực khai thác khai khoáng như khai thác quặng than, sắt, đồng… Tuy
nhiên sản lượng quặng khai thác được vẫn chưa đáp ứng đủ nhu cầu sử dụng trong
nước dẫn đến việc phải nhập khẩu từ nước ngoài. Để đạt được nhu cầu đã đề ra ,
hiện nay, ngoài công nghệ khai thác lộ thiên đã và đang được áp dụng, các công ty

se đẩy mạnh khai thác quặng loại II bằng công nghệ khai thác hầm lò trong tương
lai gần.
Việc nghiên cứu sản xuất dầu thủy lực vi nhũ cho các hệ thống khai thác hầm lò
(như khai thác than, đồng, sắt, quặng Apatit,…) ở Việt Nam có rất nhiều tiềm năng,
nhất là trong điều kiện công nghiệp hóa, hiện đại hóa ở nước ta, góp phần đáng kể
vào việc tăng năng suất, hiệu quả của quá trình khai thác, nâng cao tuổi thọ sử
dụng hệ thống, đáp ứng nhu cầu tiêu thụ trong nước.
Chất lỏng thủy lực gốc nước (có hàm lượng nước ≥ 35% khối lượng), ngoài các
tính năng thiết yếu đối với hệ thống thủy lực như tính chịu nén, tính bôi trơn còn
có các ưu điểm nổi bật như có độ bền và ổn định cao, không gây hại đến môi
trường… và đặc biệt là khả năng chống cháy rất tốt. Các chất lỏng loại này thường
được dùng cho các hệ thống thủy lực đòi hỏi độ an toàn cao, khả năng chống cháy
đặc biệt như hệ thống vận chuyển, hệ thống nâng… trong đó một lượng lớn được
dùng trong cột chống hầm lò trong khai thác khoáng sản.
Vì lý do an toàn, trong công nghiệp khai thác hầm lò, các CLTL sử dụng cho
các cột chống thủy lực là các loại chất lỏng thủy lực chống cháy (CLTLCC). Các
rủi ro, nguy hiểm có thể xảy ra trong hệ thống thủy lực xuất phát từ sự rò rỉ xảy ra
trong hệ thủy lực trong khi vận hành, hoặc do sự quá nhiệt của hệ thống khi chịu áp
suất cao và sự tự bốc cháy của dầu. Kinh nghiệm thực tế cho thấy các mối nguy
hiểm/rủi ro trên được hạn chế khi dùng CLTLCC. Nhu cầu về CLTLCC cho lĩnh
vực khai thác khoáng sản hầm lò là rất cao và ngày càng tăng {3}.
Về cơ bản, CLTLCC thường được phân thành hai nhóm lớn :
-

Chất lỏng thủy lực chống cháy không nước (hàm lượng nước ≤ 0,1% khối
lượng) : là các CLTL thuộc nhóm HFD trong bảng 1.2. Đại diện cho phân
nhóm này là các silicon, polyclobiphenyl, este của axit phosphoric. Một số
este của axit oleic và polyglycol có điểm chớp cháy cao nhưng chỉ phù hợp
phần nào với các yêu cầu khắt khe của hệ thống thủy lực. Do giá thành cao
15

-

nên silicon không được dùng nhiều, ngoài ra xét về quan điểm bôi trơn thì
còn nhiều nhược điểm. Vì có hàm lượng clo cao, các biphenyl được polyclo
hóa (hàm lượng clo từ 35÷50%) là CLCC tốt nhất, tuy nhiên do độ độc cao
nên chúng hoàn toàn không còn xuất hiện trên thị trường. Hiện nay chỉ các
triankyl hoặc triarylphosphat hoặc hỗn hợp của chúng được sử dụng trong
thực tiễn. Độ bền oxy hóa của các trieste của axit phosphoric là khá cao,
tương đương với dầu khoáng. Tuy nhiên độ bền thủy phân hạn chế và phụ
thuộc nhiều vào cấu trúc este. Các este aryl và este của ankanol mạch ngắn
thủy phân nhanh hơn nhiều so với este có mạch dài. Để đảm bảo yêu cầu thì
các este này phải được lọc liên tục qua đất sét tẩy trắng, nhờ đó se loại các
sản phẩm oxy hóa có tính axit và các sản phẩm thủy phân (là các tác nhân có
thể gây thủy phân este) ra khỏi CLTL.
Chất lỏng thủy lực chống cháy có nước : Các CLTLCC nhóm HFA, HFB và
HFC chứa một lượng nước lớn ở dạng nhũ tương hay dung dịch thuộc loại
này. Đại diện chính là loại HFAE (nhũ tương dầu trong nước) và HFC (dung
dịch nước được làm đặc bằng polyme). Hàm lượng nước cao đảm bảo cho
khả năng cháy thấp của các chất lỏng này. Các chất này không những được
dùng trong những ứng dụng yêu cầu khả năng cháy thấp mà còn được dùng
trong các trường hợp khi có sự mất mát lớn do rò rỉ, giá thành của các chất
lỏng này rẻ hơn so với các chất lỏng chống cháy không chứa nước (tổng
hợp), trong trường hợp ứng dụng không cho phép sự có mặt của dầu khoáng.
Các tính chất cơ bản của một số phân nhóm CLTLCC chứa nước được thể
hiện ở bảng 1.3 {8}.
Bảng 1.3. Các tính chất của các loại CLTLCC có chứa nước

TT Các tính chất

1
2

HFAE

HFB

HFC

Nhũ tương dầu
trong nước

Nhũ tương
nước trong dầu

Dung dịch
Polyme

Nhiệt độ tự bốc Tùy thuộc vào quy trình kiểm tra nhưng cao hơn của
cháy
dầu khoáng, có thể trên 5000̊C trên bề mặt nóng
Khả năng PHSH

Tốt với nguyên
liệu đầu phù hợp

16

Như dầu
khoáng

Trung bình tới
kém


3

Tính bôi trơn

Phù hợp

Phù hợp đến
tốt

Tốt

4

Nhiệt độ làm việc

5÷550̊C

5÷600̊C

-20÷600̊C

5

Khả năng UCAM

Phù hợp

Tốt

Tốt

6

Yêu cầu làm kín

Không

Không

Không

7

Khả năng tương
hợp với vật liệu
làm kín

Tốt

Tốt

Tốt

8

Gây ăn mòn kim
loại

9

Truyền nhiệt, làm
mát

Rất tốt

Tốt

Tốt

10

pH

7,5÷9

7

7,5÷11

11

Hàm lượng nước

Nhỏ không đáng kể

Tối thiểu 80%

Tối thiểu 35%

Do có điểm đông đặc cao và áp suất hơi bão hòa cao nên nhiệt độ sử dụng các
nhũ tương bị giới hạn từ 5÷60vì trên nhiệt độ này thì áp suất hơi bão hòa trở nên
quá cao (đối với loại HFC cũng vậy) và như vậy se dễ dẫn đến sự sủi bọt. Các chất
lỏng HFC điển hình là hỗn hợp của glycol, ete glycol tan trong nước và polyglycol
có các phụ gia chống oxy hóa và chống gỉ. Hàm lượng nước tối thiểu là 35% đáp
ứng được các yêu cầu của CLTLCC. Trong quá trình sử dụng, nhũ tương luôn được
kiểm tra và làm sạch; đặc biệt cần dùng chất diệt khuẩn cho hệ để đảm bảo thời
gian sử dụng của nhũ.
Trong số các loại CLTL theo phân loại ở bẳng 1.2 thì HFA là thích hợp cho ứng
dụng trong các hệ thủy lực dùng trong khai thác than hầm lò vì ưu điểm nổi bật là
đáp ứng được yêu cầu chống cháy rất cao, an toàn môi trường. HFA với thành phần
chất bôi trơn nhất định đủ đáp ứng về mặt bôi trơn, chống ăn mòn mài mòn chịu áp
đến 300atm. HFA được chia thành HFA-E và HFA-S.

17


-

-

HFA-Elà nhũ tương thông thường chứa từ 1-5% khối lượng dầu trong nước.
Nhũ tạo thành là do các chất hoạt động bề mặt (HĐBM) có phần
hydrocacbon ái dầu bao bọc lấy hạt dầu và có đầu phân cực ái nước hướng
ra dung dịch nước tạo thành hạt nhũ dầu trong nước. Tùy theo kích thước
của hạt nhũ tạo thành có các hệ nhũ khác nhau (Bảng 1.4) {9}, trong đó loại

nhũ dạng dung dịch trong suốt với cỡ hạt < 100 nm là mục tiêu nghiên cứu
của đề tài.
HFA-S là dung dịch chứa đến 20% dầu tổng hợp và ≥ 80% là nước, do vậy
còn gọi là chất lỏng thủy lực nền nước HWBF (high-water-based-fluids).
Các CLTL loại này thuộc thế hệ mới, có tính thân thiện môi trường nhưng
giá thành khá cao, khó triển khai sử dụng trong điều kiện kinh tế và kỹ thuật
ở Việt Nam.

Bảng 1.4. Mối liên quan giữa kích thước hạt và trạng thái cảm quan của nhũ
Kích thước hạt nhũ
µm

Trạng thái, cảm quan của nhũ
Nhũ màu trắng sữa

0,1÷1,0 µm

Nhũ màu trắng ánh xanh

0,05÷0,1 µm

Nhũ có độ trong vừa phải, có ánh xám

0,05 µm
1 nm

Dung dịch trong suốt (vi nhũ/siêu vi nhũ)
Dung dịch thực

1.2.3 Dầu thủy lực vi nhũ

Đã có nhiều nghiên cứu về dầu nhũ thủy lực nhằm nâng cao chất lượng, cải thiện
đặc tính và tìm ra các loại dầu thủy lực mới ưu việt hơn. Hiện nay, trên thế giới
đang có xu hướng nghiên cứu và ứng dụng các loại dầu thủy lực ở dạng vi nhũ hay
siêu vi nhũ trong các hệ thống khai thác hầm lò. Các hệ dầu này khi tạo nhũ với
nước có kích thước hạt phân tán rất nhỏcỡ nanomet, nhỏ hơn nhiều so với các loại
nhũ thủy lực truyền thống (có kích thước cỡ µm) nên có nhiều tính chất ưu việt
hơn hẳn, đặc biệt là khả năng bôi trơn trên các bề mặt kim loại và độ bền. Hay nói
cách khác các hệ dầu này tạo vi nhũ trong suốt hoặc trong vừa phải với nước với
kích thước hạt nhũ 100 nm {9}.

18


Khái niệm chất lỏng vi nhũ lần đầu tiên xuất hiện vào năm 1943 do nhà khoa
học Schulman đưa ra sau khi phát hiện thấy các hệ nhũ tương có độ phân tán rất
cao, kích thước hạt nhũ khác thường, nhỏ hơn rất nhiều so với kích thước hạt nhũ
tương thông thường và ông gọi là “microemulsion”. Năm 1954, nhà khoa học
Winsor đã tiến hành các nghiên cứu cụ thể hơn về nhiệt động của hệ vi nhũ. Từ
những năm 1970, người ta bắt đầu thử nghiệm những ứng dụng thực tế đầu tiên
của các hệ vi nhũ và những năm 1980, bắt đầu thử nghiệm dầu thủy lực vi nhũ
trong khai khoáng. Từ những năm 90 của thế kỉ trước, với trình độ khoa học ngày
càng phát triển, các hệ vi nhũ có kích thước hạt vô cùng nhỏ, cỡ < 100 nm đã được
tổng hợp và người ta gọi đó là vi nhũ, hệ vi nhũ cỡ hạt < 10 nm thường được gọi
là siêu vi nhũ. Đến nay phần lớn các dầu thủy lực đang sử dụng trong ngành khai
thác khoáng (dầu khí, khai thác mỏ) tại các nước công nghiệp phát triển đều là các
loại chất lỏng vi nhũ và siêu vi nhũ.
Một hệ vi nhũ được định nghĩa đơn giản là một hệ có tối thiểu 3 thành phần :
nước, dầu và chất hoạt động bề mặt. Trong một số trường hợp có thêm thành phần
thứ tư là chất đồng hoạt động bề mặt (co-surfactant). Hệ này là một dung dịch
trong suốt, đẳng quang và ổn định nhiệt động. Quan sát bằng kính hiển vi, một siêu

vi nhũ trông như một dung dịch đồng nhất nhưng ở kích thước phân tử lại là hệ dị
thể. Các nghiên cứu về vi nhũ đã được công bố nhiều và được ứng dụng phổ biến
{9}.
Ở nồng độ cao của nước, cấu trúc bên trong của vi nhũ bao gồm những
droplet trong pha tiếp giáp nước (micelles-mixen). Với sự tăng nồng độ dầu, một
mặt phân pha không có hình dạng xác định được hình thành. Ở nồng độ dầu cao,
mặt phân pha chuyển thành cấu trúc của một droplet nước trong pha tiếp giáp dầu
(reverse micelles-mixen nghịch), cũng được gọi là một vi nhũ nước/dầu. Giá trị
kích thước của những droplet khác nhau tùy thuộc vào loại chất hoạt động bề mặt.
Hệ này rất nhạy cảm với nhiệt độ, đặc biệt với trường hợp chất hoạt động bề mặt
không ion. Việc tăng nhiệt độ se phá hủy các hạt dầu trong khi những hạt nước bị
phá hủy khi giảm nhiệt độ. Ngoài vùng tương ứng với dung dịch vi nhũ, một hệ 2
pha tồn tại {9}. Kết quả nghiên cứu của Baker {10} cũng chỉ ra rằng, số lượng pha
vi nhũ bị giảm khi tăng nhiệt độ ở nồng độ chất hoạt động bề mặt thấp hơn 15%.
Việc bổ sung muối vô cơ vào pha nước của vi nhũ được nghiên cứu bằng sử
dụng giản đồ pha. Vấn đề này được phát sinh nghiên cứu khi nước sử dụng để pha
19


chế có độ cứng cao. Kết quả cho thấy đã quan sát thấy rằng các muối thêm vào ảnh
hưởng lớn đến khả năng tan của hệ vi nhũ {9}. Theo Komesvarakul et. al.{11},
việc bổ sung muối thay đổi giản đồ pha theo hướng thành hệ dầu kỵ nước và đòi
hỏi nồng độ chất hoạt động bề mặt cao hơn.
Bản chất của sự tương tác giữa dầu và nước là lực đẩy, sự hiện diện của các
phân tử chất HĐBM làm thay đổi cân bằng giữa các lực này thành lực hấp dẫn. Tác
dụng ổn định của các chất hoạt động bề mặt được tạo ra do sự hình thành các dạng
vi cấu trúc khác nhau khiến cho tương tác dầu-nước ổn định.
Các nghiên cứu đầu tiên về vi cấu trúc của vi nhũ bao gồm chất hoạt động bề
mặt, dầu và nước đưa ra vào những năm 1950. Các nghiên cứu nhiệt động lực học
chính xác đầu tiên về hệ vi nhũ được báo cáo vào những năm 1960. Dựa vào các

nghiên cứu này, vào những năm 1970, Shinoda đã phát triển một mô hình giải thích
hiện tượng tạo vi nhũ thông qua sự hình thành cấu trúc mixen dạng log-boom,
dạng tấm, hình trụ, hình cầu, hình elip, hoặc dạng thanh {9}.
Để mô hình hóa trạng thái pha, Bennett và cộng sự đã xây dựng một chương
trình toán học để tính toán phù hợp để tính toán, thiết lập các đường liên kết tới hạn
và các điểm tới hạn trong giản đồ phân chia pha. Sự tiến bộ của quá trình phát triển
mô hình của giản đồ pha 3 cấu tử mang lại sự hiểu biết sâu hơn về hệ vi nhũ và qua
đó có thể dự đoán chính xác hơn các kết quả thực nghiệm. Trong những năm gần
đây, Kartsev và các cộng sự đã sử dụng mô hình 2 pha để nghiên cứu về nhiệt động
lực học của vi nhũ {12} với giả thiết môi trường phân tán như là 1 pha và tổng của
các hạt nano pha phân tán là pha thứ 2. Hiệu suất của mô hình được đánh giá với
các dữ liệu thử nghiệm và nó đã chứng minh rằng việc sử dụng mô hình này để
giải quyết các vấn đề nhiệt động lực học của vi nhũ mang lại nhiều kết quả khả
quan với độ sai số không quá 10%.
Dầu vi nhũ vẫn đang là chủ đề nghiên cứu hấp dẫn đối với các nhà khoa học
hóa lý. Nhiều lý thuyết đưa ra còn gây tranh cãi giữa các trường phái nghiên cứu
khác nhau. Tuy nhiên những ưu điểm của vi nhũ so với nhũ tương thông thường là
rất rõ ràng, cụ thể trong các ứng dụng như : làm dung dịch khoan để tăng cường
khả năng thu hồi dầu trong khai thác dầu mỏ, trong tổng hợp xúc tác, trong công
nghiệp khai khoáng, trong tổng hợp thuốc, ứng dụng trong y khoa…

20


1.2.4 Thành phần dầu vi nhũ thủy lực và công nghệ pha chê
Quan trọng nhất trong quá trình tổng hợp dầu nhũ thủy lực nói chung là lựa
chọn nguyên liệu phù hợp để dầu có độ bền và ổn định trong suốt quá trình bảo
quản và sử dụng, không bị tách dầu, không bị đông đặc ở nhiệt độ thấp, khi pha
vào trong nước dễ dàng tạo dung dịch nhũ, đối với vi nhũ thì tạo dung dịch trong
suốt, đạt các tiêu chuẩn quy định của chất lỏng thủy lực và duy trì được các tính

năng làm việc một cách ổn định. Cũng như tất cả các loại dầu thủy lực nói chung,
dầu vi nhũ thủy lực có thành phần gồm dầu gốc và các phụ gia.
Dầu gốc là các loại dầu khoáng tinh chế, dầu tổng hợp, dầu động thực vật hoặc
các chất béo đã biến tính bằng các quá trình sunfonat hóa, oxy hóa hoặc hydro hóa.
Các phụ gia gồm : phụ gia quan trọng nhất là chất hoạt động bề mặt (là thành phần
thiết yếu tạo vi nhũ hoặc siêu vi nhũ khi pha với nước tạo dung dịch làm việc trong
cột chống thủy lực), phụ gia ức chế ăn mòn, chống oxy hóa, diệt khuẩn, chống tạo
bọt,…
1.2.4.1

Dầu gốc

Dầu gốc là dầu thu được sau quá trình chế biến, xử lý tổng hợp bằng các quá
trình xử lý vật lý , hóa học.
Dầu gốc dùng pha chế dầu thủy lực gồm dầu khoáng tinh chế, dầu tổng hợp hoặc
dầu động thực vật.
a. Dầu gốc khoáng
Hầu hết các thiết bị thủy lực hiện nay đều hoạt động dùng dầu bôi trơn gốc
hydrocacbon nhờ các ưu điểm của dầu gốc khoáng : bôi trơn tốt, đặc tính độ nhớtáp suất tốt, phù hợp khi sử dụng ở nhiệt độ cao, tương hợp với các kim loại và làm
kín, đồng thời hạn chế ăn mòn. Nhược điểm của dầu gốc khoáng là dễ cháy nổ, dễ
bị phân hủy sinh học, ảnh hưởng xấu sức khỏe con người và môi trường nếu bị rò
rỉ ra ngoài. Vì vậy đối với việc pha chế CLTLCC thì cần lựa chọn dầu khoáng thích
hợp.
Dầu gốc khoáng được sử dụng pha chế là các dầu đã qua tinh chế, có thể là dầu
parafin hoặc naphtenic với khoảng nhiệt độ sôi từ 350-500. Các hợp chất

21


hydrocacbon thơm bị hạn chế sử dụng do có thể tạo ra các hydrocacbon thơm đa

vòng gây bệnh ung thư.
b. Dầu tổng hợp
Dầu thủy lực gốc tổng hợp được sử dụng trong các quá trình hoạt động đòi hỏi
các đặc tính vật lý và hóa học đặc biệt. Giá thành dầu gốc tổng hợp đắt hơn dầu
gốc khoáng thông thường khoảng từ 5-100 lần, nên dầu gốc tổng hợp được dùng
trong các điều kiện yêu cầu rất cao về tính bền nhiệt, bên oxy hóa, chống cháy
hoặc trong các ứng dụng ở môi trường nhiệt độ âm. Các dầu gốc tổng hợp bao gồm
{13} :
-

Các hydrocacbon thơm đã alkyl hóa
Các oligome olefin (polyalphaolefin, polybutylen)
Các este
Polyglycol
Este phosphate
Ngoài ra còn dầu silicon, este silicat, polyphenyl ete…

Độ bền và khả năng chống cháy phụ thuộc bản chất dầu gốc, và có thể săp xếp
theo thứ tự sau : hệ glycol-nước este phosphat polyol ete dầu gốc khoáng.
Các este bậc 3 của axit phosphoric với ancol, phenol được ứng dụng nhiều làm
dầu tổng hợp, dầu thủy lực chống cháy do có đặc tính chống ăn mòn và khả năng
chống cháy tốt. Điểm cháy của este phosphate rất cao, trong khoảng từ 425÷600,
tính chất bôi trơn rất tốt, do có khả năng tương hợp tốt nên este phosphat có thể
trộn được với các phụ gia, các loại dầu tổng hợp và dầu khoáng tuy nhiên lại không
tương hợp với cao su, vecni, nhựa…
Hiện nay, các este của các axit béo cũng được sử dụng trong dầu thủy lực do đặc
tính bền nhiệt và an toàn với con người và môi trường. Để khắc phục một số nhược
điểm của các este tự nhiên, người ta sử dụng các rượu như trimetylpropan (TMP),
neopentyl glycol (NPG) hoặc pentacry-thritol để tổng hợp các este polyol nhờ quá
trình chuyển vị este. Các este polyol thu được có độ bền nhiệt và bền thủy phân.

Các este tổng hợp này có nguồn gốc tự nhiên nên phân hủy sinh học tốt, không ảnh
hưởng tới môi trường {13, 14, 15, 16}.

22


c. Dầu thực vật
Hiện nay, các este của các axit béo cũng được sử dụng trong dầu thủy lực do đặc
tính bền nhiệt, có khả năng phân hủy sinh học, an toàn với con người và môi
trường. Các dầu thủy lực có khả năng phân hủy sinh học cao gồm : polyglyxerol,
dầu thực vật, polyol este, và dieste.
Thành phần axit béo của dầu thực vật bao gồm axit palmitic, axit steric, axit
oleic, axit linoleic và các axit khác, có cấu trúc mạch thẳng, phân tử chứa từ 8-22
cacbon. Các axit béo này được tổng hợp từ quá trình thủy phân mỡ động vật, dầu
dừa, dầu lạc, dầu cọ, dầu đỗ tương…{17}.
1.2.4.2. Chất phụ gia sử dụng cho dầu thủy lực vi nhũ
Phụ gia là những hợp chất hữu cơ, cơ kim và vô cơ thậm chí là những nguyên tố
được thêm vào dầu thủy lực để nâng cao các tính chất riêng biệt vốn có hoặc bổ
sung các tính chất sẵn có của dầu gốc nhằm mục đích thu được dầu có phẩm chất
tốt hơn, thõa mãn các yêu cầu đối với từng mục đích sử dụng khác nhau. Thường
mỗi loại phụ gia sử dụng với nồng độ 0,01-5%. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp
một phụ gia có thể được sử dụng từ vài phần triệu lên đến trên 10%.
Có loại phụ gia chỉ có một chức năng nhưng cũng có nhiều phụ gia có thể đảm
nhiệm nhiều chức năng khác nhau. Do vậy se có phụ gia đơn chức và phụ gia đa
chức.
Các loại phụ gia khác nhau có thể hỗ trợ lẫn nhau, gây ra hiệu ứng tương hỗ
hoặc hiệu ứng đối kháng. Trường hợp sau có thể làm giảm hiệu quả của phụ gia,
tạo ra những sản phẩm phụ gia không tan, hoặc tạo ra những sản phẩm có hại khác.
Những tương tác này hầu hết do các phụ gia đều là các chất hoạt động vì thế chúng
tác dụng qua lại với nhau ngay trong phụ gia đóng gói hoặc trong dầu tạo ra các

chất mới.
Yêu cầu chung của một số loại phụ gia :






Dễ hòa tan trong dầu;
Không ảnh hưởng đến tác dụng nhũ hóa của dầu;
Không bị phân hủy bởi nước và kim loại;
Không gây ăn mòn kim loại;
Không bị bốc hơi ở điều kiền làm việc;
23






Không làm tăng tính hút ẩm của dầu;
Hoạt tính có thể kiểm tra được;
Không độc hoặc ít độc, rẻ tiền và dễ kiếm.

Các chất phụ gia định hướng sử dụng cho sản xuất dầu thủy lực vi nhũ bao gồm :
•

•
•

Chất nhũ hóa : về bản chất là các chất hoạt dộng bề mặt, tạo được dầu thủy
lực vi nhũ trong suốt, khi pha dung dịch làm việc 3-5% trong nước se tạo
được hệ vi nhũ dầu trong nước trong suốt : 10-25%. Để tăng độ bền cho dầu
thủy lực và dung dịch làm việc ở dạng vi nhũ, các hợp chất hoạt động bề mặt
được sử dụng với hàm lượng 0-5%.
Phụ gia ức chế ăn mòn, ức chế gỉ, phụ gia ức chế oxy hóa :1-5%.
Phụ gia chống tạo bọt, phụ gia chống khuẩn,….: 1-5%.

a. Chất nhũ hóa
Chất nhũ hóa cho hệ vi nhũ chính là các chất hoạt động bề mặt (HĐBM). Đây là
thành phần không thể thiếu của các loại dầu nhũ thủy lực và dầu thủy lực vi nhũ.
Do cấu trúc phân tử có phần ưa nước – phần ưa dầu, chất nhũ hóa có khả năng
hấp phụ lên bề mặt phân chia pha giữa chất phân tán và môi trường phân tán, làm
giảm sức căng bề mặt giữa hai pha. Phần ưa dầu luôn chứa gốc hydrocacbon; tùy
theo phần ưa nước mà chất nhũ hóa được chia làm ba loại : loại anion, cation và
không ion. Những chất nhũ hóa ion bị phân tách trong dung dịch ưa nước thành
các anion hay cation hoạt động bề mặt và ion trái dấu. Khả năng hòa tan và tính
hoạt động bề mặt của các chất nhũ hóa không ion dựa trên sự hydrat hóa của các dị
nguyên tố, thường là của oxy trong liên kết ete, nitơ trong amin hay amit. Ngoài ra
còn có chất nhũ hóa dạng lưỡng tính {16}.
Chất nhũ hóa loại anion : đại diện là các muối của kim loại kiềm với axit mạch
dài, thường không no (như hỗn hợp của axit oleic, axit béo, axit naphtenic, axit
tổng hợp, …) và các sunfonamit.
Chất nhũ hóa loại cation : Các chất nhũ hóa tạo cation quan trọng là các muối
amoni có các mạch ankyl dài (như dimetyl-dodexyl benzylamoni clorua), là các
muối imidazolinium hay các muối ankylamoni.
Chất nhũ hóa không ion : Các chất nhũ hóa quan trọng thuộc loại này hầu hết
chứa các gốc polyetylenoxit (gốc này cho khả năng hòa tan trong nước và các tính
24

chất hoạt động bề mặt). Ví dụ là các ankyl-, ankyaryl-, axyl-, ankylamoni-,
axylamino-polyglycol và các mono-, dietanolamin được axylat hóa có mạch dài.
Chất HĐBM dạng anion và không ion hiện được sử dụng nhiều nhất trong sản
xuất CLTLCC (nhũ dầu trong nước), chất lỏng gia công kim loại. Tùy thuộc vào
cấu trúc phân tử, vào mối quan hệ giữa tính ưa nước và tính kỵ nước của phân tử
mà chất HĐBM có tác dụng nhũ hóa nhũ tương nghịch hay nhũ tương thuận. Tính
ưa, kị nước của chất HĐBM được đặc trưng bởi một thông số là độ cân bằng ưa kị
nước (tiếng Anh : Hydrophilic Lipophilic Balance-HLB), có giá trị trong khoảng 0
đến 20. Gần đây, một số tài liệu nghiên cứu mới đưa ra phân loại chất HĐBM theo
HLB có giá trị từ 0 đến 40. HLB càng cao thì chất HĐBM càng ưa nước, nhũ hóa
tốt nhũ tương thuận dầu trong nước. HLB càng thấp thì càng ưa dầu, nhũ hóa tốt
nhũ tương nghịch.
Giá trị HLB có thể được sử dụng để tiên đoán các tính chất hoạt động bề mặt
của chất :
Giá trị HLB

Tính chất hoạt động bề mặt

HLB < 10

Có thể hòa tan dầu (không thể hòa tan nước)

10 < HLB

Có thể hòa tan nước (không thể hòa tan dầu)

7 < HLB < 11

Chất nhũ hóa hệ nước trong dầu (W/O)

12 < HLB < 16

Chất nhũ hóa hệ dầu trong nước (O/W)

11 < HLB < 14

Tác nhân thấm ướt

12 < HLB < 15

Tác nhân tẩy rửa

16 < HLB < 20

Chất trợ tan (có thể hòa tan các chất kỵ nước vào
dung dịch nước)

Có thể tính toán chỉ số HLB của một số chất HĐBM theo phương pháp Davies
bằng công thức :
HLB = 7 + HLB các nhóm ưa nước – Ʃ HLB các nhóm kị nước
HLB của một số nhóm ưa nước : -SO4Na ; -COONa [19.1]; -N (amine) [9.4];
-COOH [2.1]; -OH (tự do) [1.9]; -O- [1.3]; -(CH2CH2O)- [0.33]
25