Nghiên cứu mối quan hệ giữa hiện tượng giảm lực cản và cấu trúc hình thành do trượt (SIS) trong dòng chảy rối của các dung dịch surfactant

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

TRẦN VĂN NINH

NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ GIỮA HIỆN TƯỢNG
GIẢM LỰC CẢN VÀ CẤU TRÚC HÌNH THÀNH DO
TRƯỢT (SIS) TRONG DÒNG CHẢY RỐI CỦA CÁC
DUNG DỊCH SURFACTANT

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI, NĂM 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

TRẦN VĂN NINH

NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ GIỮA HIỆN TƯỢNG
GIẢM LỰC CẢN VÀ CẤU TRÚC HÌNH THÀNH DO
TRƯỢT (SIS) TRONG DÒNG CHẢY RỐI CỦA CÁC
DUNG DỊCH SURFACTANT

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số: 8520103

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. Nguyễn Anh Tuấn

HÀ NỘI, NĂM 2019


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của bản thân tôi. Các kết quả
nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một
nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được
thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Tác giả luận văn

Trần Văn Ninh

i


LỜI CẢM ƠN
Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến Tiến sĩ Nguyễn
Anh Tuấn Trường Đại học Thủy lợi, thầy đã dành nhiều thời gian tận tình
chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt quá trình tìm hiểu, triển khai và nghiên
cứu đề tài. Thầy là người đã định hướng và đưa ra nhiều góp ý quý báu
trong quá trình em thực hiện luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn chân thành tới toàn thể các thầy giáo, cơ
giáo trong khoa Cơ Khí - Trường Đại học Thủy lợi đã dạy bảo tận tình,

trang bị cho em những kiến thức quý báu, bổ ích và tạo điều kiện thuận lợi
trong suốt quá trình em học tập và nghiên cứu tại trường.
Em cũng xin chân thành cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã
ln bên em cổ vũ, động viên, giúp đỡ em trong suốt q trình học tập và
thực hiện luận văn.
Do có nhiều hạn chế về thời gian và kiến thức nên luận văn khơng
tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý
báu của quý thầy cô và các bạn cùng quan tâm.
Cuối cùng em xin gửi lời chúc sức khỏe và thành đạt tới tất cả q thầy
cơ, q đồng nghiệp cùng tồn thể gia đình và bạn bè.
Xin chân thành cảm ơn!

ii


MỤC LỤC
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................... v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. viii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ix
1. Tính cấp thiết của đề tài: .........................................................................................ix
2. Mục đích của đề tài: ................................................................................................ix
3. Kết quả dự kiến đạt được: ........................................................................................x
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu: ............................................................. x
5. Nội dung nghiên cứu: ............................................................................................... x
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM LỰC CẢN ................1
1.1 Giới thiệu chung .....................................................................................................1
1.2 Các phương pháp giảm lực cản ..............................................................................1
1.2.1 Giảm lực cản sử dụng sợi ................................................................................1
1.2.2 Giảm lực cản bằng bề mặt Riblets ...................................................................2

1.2.3 Giảm lực cản bằng chất phụ gia......................................................................3
1.3 Mục đích nghiên cứu .............................................................................................. 6
CHƯƠNG 2 SỰ GIẢM LỰC CẢN BẰNG SURFACTANT ........................................8
2.1 Surfactant ...............................................................................................................8
2.1.1 Thành phần và cấu trúc ...................................................................................8
2.1.2 Cấu trúc của pha surfactant trong nước .........................................................9
2.1.3 Phân loại ..........................................................................................................9
2.1.3.1 Surfactant anion ......................................................................................10
2.1.3.2 Cacbonxylat ............................................................................................. 11
2.1.3.4 Surfactant Zwitterion...............................................................................11
2.1.3.5 Surfactant phi ion ....................................................................................12
2.1.4 Các ứng dụng .................................................................................................12
2.1.5 Nồng độ mixen tới hạn - critical micelle concentration (CMC)....................13
2.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới giảm lực cản của dung dịch surfactant .......................15
2.2.1 Ảnh hưởng bởi nhiệt độ .................................................................................15

iii


2.2.2 Ảnh hưởng do hình dạng mixen .....................................................................15
2.2.3 Ảnh hưởng do kích thước mixen ....................................................................16
2.2.4 Ảnh hưởng do đường kính ống ......................................................................17
2.3 Cấu trúc hình thành do trượt ................................................................................18
2.4 Tổng kết chương ..................................................................................................20
CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT SỰ GIẢM LỰC CẢN VÀ ĐO ĐỘ NHỚT ........................22
3.1 Dung dịch thí nghiệm ........................................................................................... 22
3.1.1 Surfactant .......................................................................................................22
3.1.2 Đối i-on ..........................................................................................................22
3.2 Thiết lập thí nghiệm ............................................................................................. 24
3.2.1 Sơ đồ mạch đo giảm lực cản ..........................................................................24

3.2.2 Sơ đồ mạch đo profile vận tốc dòng .............................................................. 26
3.2.3 Sơ đồ mạch đo độ nhớt ..................................................................................28
3.3 Kết quả và thảo luận............................................................................................. 29
3.3.1 Đo giảm lực cản ............................................................................................. 29
3.3.2. Profile vận tốc dòng......................................................................................32
3.3.1 Đo độ nhớt .....................................................................................................36
3.4. Tổng kết chương .................................................................................................38
CHƯƠNG 4 QUAN SÁT CẤU TRÚC HÌNH ẢNH DO TRƯỢT SIS ........................39
4.1 Thiết lập thí nghiệm ............................................................................................. 39
4.1.1 Sơ đồ mạch thí nghiệm quan sát cấu trúc hình thành do trượt trong ống trịn
................................................................................................................................ 39
4.1.2. Thơng số các phần tử mạch thí nghiệm ........................................................41
4.2 Quan sát cấu trúc hình thành do trượt SIS ........................................................... 43
4.2.1 Sự hình thành cấu trúc SIS ............................................................................43
4.2.2 Quá trình hình thành và biến mất của SIS.....................................................46
4.3 Tổng kết chương ..................................................................................................47
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO..............................................48
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 49

iv


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Các cấu trúc micelle và phân tử hoạt chất bề mặt surfactant ...........................5
Hình 1.2 Nâng cao truyền nhiệt bằng các phương pháp cơ học ......................................6
Hình 2.1 Một mixen với phần đầu kị nước hòa tan trong dầu, trong khi phần ưa nước
hướng ra phía ngồi. ........................................................................................................9
Hình 2.2 Phân loại surfactant theo thành phần hóa học của nhóm đầu: phi ion, anion,
cation, lưỡng tính.. .........................................................................................................10
Hình 2.3 Minh họa về một cation surfactant và anion surfactant..................................11

Hình 2.4 Minh họa về một surfactant lưỡng tính ..........................................................12
Hình 2.5 Đồ thị biểu diễn quá trình giảm sức căng bề mặt của surfactant...................14
Hình 2.6 Một số hình dạng của mixen ..........................................................................16
Hình 2.7 Ảnh hưởng của đường kính ống đến giảm lực kéo cho nồng độ chất hoạt
động bề mặt 50ppm và tốc độ dịng chảy 6m3/h ........................................................... 18
Hình 3.1 Đối ion – Counterion ...................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.2 Sơ đồ mạch giảm lực cản ..............................................................................24
Hình 3.3 Cảm biến áp suất Validyne DP15 ...................................................................24
Hình 3.4 Thiết bị chuyển đổi dữ liệu .............................................................................25
Hình 3.5 Bộ thu dữ liệu được sử dụng trong thí nghiệm ..............................................25
Hình 3.6 Sơ đồ mạch thí nghiệm đo profile vận tốc dịng ...........................................26
Hình 3.7 Thiết bị đo vận tốc và lưu lượng ....................................................................27
Hình 3.8 Nguyên lý phương pháp đo vận tốc bằng UVP ..............................................27
Hình 3.9 Máy đo độ nhớt............................................................................................... 28

v


Hình 3.10 Hệ số ma sát của nước .................................................................................30
Hình 3.11 Hệ số ma sát của dung dịch surfactant 300ppm× 0.5 ..................................31
Hình 3.12 Hệ số ma sát của dung dịch 300ppm×1 .......................................................32
Hình 3.13 Thể hiện profile vận tốc cho 3 loại dung dịch ..............................................33
Hình 3.14 Profile vận tốc dạng Logarit của nước ........................................................34
Hình 3.15 Profile vận tốc dạng Logarit của dung dịch 300ppm×0.5, Re = 60000 ......35
Hình 3.16 Profile vận tốc dạng Logarit dung dich 300ppm×1, Re = 60000 ................35
Hình 3.17 Độ nhớt của nước và dung dịch giảm lực cản surfactant. ............................ 37
Hình 4.1 Sơ đồ mạch thí nghiệm ...................................................................................39
Hình 4.2 Ảnh chụp thực tế khi quan sát cấu trúc hình ảnh ..........................................40
Hình 4.3 Ảnh chụp thực tế sơ đồ mạch thí nghiệm .......................................................41
Hình 4.4 Biến tần được sử dụng trong thí nghiệm ........................................................41

Hình 4.5 Camera cơng nghiệp .......................................................................................43
Hình 4.6 Bộ phát laser ...................................................................................................43
Hình 4.7 Sự phát triển của cấu trúc SIS theo khoảng thời giản 0.01s của dung dịch
300ppm×1, z/D=30 Re=40000. .....................................................................................44
Hình 4.8 Sự phát triển của cấu trúc SIS theo khoảng thời giản 0.01s của dung dịch
300ppm×1, z/D=75 Re=40000. .....................................................................................45
Hình 4.9 Quá trình xuất hiện và biến mất của SIS ........................................................46

vi


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Bảng tổng hợp các tính chất và cơng thức hóa học của counterion được sử
dụng trong thí nghiệm này ............................................................................................. 22
Bảng 4.1 Thơng số của bơm ..........................................................................................42

vii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

SIS Shear-induced Structures
DR Drag Reduction
PAA Polymer Anion
CMC Critical micelle concentration
HVAC Heating, Ventilation and Air Conditioning

PPM Parts per million

viii

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài:
Các SIS đóng một vai trò quan trọng trong giảm lực cản dòng rối và sự chuyển pha là
một vấn đề quan trọng chưa được giải quyết trong lý hóa học. Các cấu trúc tế vi và
nano mới có thể được sinh ra trong quá trình chuyển pha này. Hiện tượng hình thành
SIS được cho có sự liên quan chặt chẽ với giảm lực cản. Các quan sát hình ảnh trực
tiếp các cấu trúc dạng sợi sinh ra do ứng suất cắt trong một dòng phun tia tác động lên
tường chắn của các dung dịch có hoạt tính bề mặt surfactant, và thảo luận về sự liên
quan giữa các kết quả mang tính hiện tượng của sự giảm lực cản và sự hình thành các
cấu trúc dạng sợi hình thành do lực cắt giống như SIS. Tuy nhiên, vai trò của SIS đối
với giảm lực cản vẫn còn chưa rõ ràng. Các nghiên cứu về sự hình thành, sự phá vỡ
SIS cũng như vai trò của SIS với giảm lực cản cần được nghiên cứu thêm.
Hiện tượng giảm lực cản trong dòng chảy rối bằng các phụ gia nhận được sự quan tâm
sâu sắc từ rất nhiều nhà nghiên cứu vì hiện tượng này giúp tiết kiệm năng lượng đáng
kể. Tuy nhiên, nghiên cứu hiện tượng giảm lực cản bằng các chất phụ gia vẫn còn mới
ở Việt Nam. Do vậy nghiên cứu hiện tượng giảm lực cản bằng các chất phụ gia là cần
thiết ở Việt Nam.
2. Mục đích của đề tài:
Các mục tiêu của đề tài bao gồm:
- Sự hình thành SIS trong dung dịch surfactant sẽ được quan sát hình ảnh trực tiếp
bằng hiện tượng tán xạ của ánh sáng laser cường độ cao, và đưa ra cơ chế phát triển
SIS thông qua xác định ứng suất cắt đối với SIS và thời gian tạo nên SIS.
- Quan sát hình ảnh trực tiếp SIS sẽ phát hiện sự liên hệ giữa giảm lực cản ma sát và
SIS, và giữa giảm truyền nhiệt và SIS.
- Các ảnh hưởng của bề mặt răng cưa đến sự xuất hiện SIS được nghiên cứu. Các răng
cưa có thể tạm thời phá vỡ SIS và khuyến khích phát triển dịng rối, vì vậy giúp tăng
sự truyền nhiệt trong dung dịch giảm lực cản surfactant.

ix


3. Kết quả dự kiến đạt được:
Cấu trúc dạng sợi giống SIS hình thành và biến mất cùng một thời điểm với sự giảm
lực cản bắt đầu hoặc mất đi. Các kết quả đã cho thấy sự liên hệ chặt chẽ giữa cấu trúc
dạng sợi SIS và sự giảm lực cản trong các dung dịch surfactant.
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:
Vật liệu
Các hoạt chất bề mặt surfactant ion dương với các counterion, chủ yếu là sodium
salicylate NaSal.
Các hoạt chất bề mặt surfactant ion dương thương mại (như các sản phẩm của Akzo
Nobel) đã được nghiên cứu về hiệu quả giảm lực cản là Ethoquad O12 (oleyl
bishydroxyethyl methyl ammonium chloride). Nồng độ hoạt chất bề mặt được duy trì
ở 300ppm .
Phương pháp
Các phương pháp đo sự giảm lực cản
Các thí nghiệm về giảm lực cản được thực hiện trong một hệ thống dịng tuần hồn.
Phần kiểm tra là một ống dài 4,0m với đường kính 40 mm. Hệ số ma sát trong ống
được tính từ độ giảm áp suất và so sánh với hệ số ma sát của dung dich dung môi tại
cùng một số Reynold của dung dịch dung mơi.
Quan sát hình ảnh dịng chảy
Hình ảnh quang học của dung dịch bị cắt được ghi nhận bằng cách sử dụng một máy
quay tốc độ cao. Các mẫu được chiếu sáng từ phía trên và phía trước sử dụng ánh sáng
laser hoặc nguồn sáng halogen và hình ảnh đã được ghi lại dưới dạng các tập tin
MPEG.
5. Nội dung nghiên cứu:
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM LỰC CẢN
CHƯƠNG 2 SỰ GIẢM LỰC CẢN BẰNG SURFACTANT

x


CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT SỰ GIẢM LỰC CẢN VÀ ĐO ĐỘ NHỚT
CHƯƠNG 4 QUAN SÁT CẤU TRÚC HÌNH ẢNH DO TRƯỢT SIS

xi


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM LỰC CẢN
1.1 Giới thiệu chung
Hiện nay, đi kèm với sự phát triển của thế giới là nhu cầu tiêu thụ năng lượng tăng cao
mà các nguồn tài nguyên năng lượng hóa thạch (than, dầu khí, thủy điện...) có hạn và
khơng tự tái tạo được. Tốc độ khai thác và tiêu thụ nguồn năng lượng hóa thạch của
con người cao một mức khổng lồ. Nếu khơng sử dụng một cách có tính toán, viễn cảnh
cạn kiệt nguồn năng lượng sẽ đến rất nhanh. Với ngành khoa học hiện đại cùng nhiều
giáo sư giỏi, phương pháp sử dụng nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời,
năng lượng gió, năng lượng đại dương được nghiên cứu kĩ càng và là một trong những
mũi tên đi đầu về ngành công nghiệp năng lượng trong tương lai. Nhưng hiện tại,
phương pháp này mới là những bước đi sơ khai, việc sử dụng được là có thể. Có điều
chưa thể thương mại hóa được do giá thành quá đắt đỏ. Việc cạnh tranh với ngành
công nghiệp năng lượng thông thường là điều chưa thể giải quyết được. Vì vậy, chủ đề
tiết kiệm năng lượng có ý nghĩa vô cùng quan trọng đối với sự phát triển của toàn thế
giới cũng như mỗi quốc gia, một trong những giải pháp để giải quyết vấn đề trên là
phương pháp làm giảm lực cản dòng chảy.
Giảm lực cản trong dịng chảy mang lại nhiều lợi ích trong các lĩnh vực khác nhau
như: vận chuyển các chất lỏng bằng đường ống, các hệ thống làm lạnh và sưởi, hệ
thống làm mát, hệ thống tưới tiêu trong thủy lợi, v.v… Đồng thời giảm lực cản trong
dòng chảy giúp làm tăng lưu lượng hay tốc độ dịng chảy, do đó sẽ giảm năng lượng
yêu cầu của bơm giúp bơm tăng tuổi thọ, giảm đường kính ống, tiết kiệm năng lượng,

tiết kiệm chi phí đầu tư và chi phí vận hành.
1.2Các phương pháp giảm lực cản
1.2.1 Giảm lực cản sử dụng sợi
Các dung dịch với tỷ lệ kích thước của các sợi (l/d) từ 25 – 35 cho thấy sự giảm lực
cản với nồng độ sợi cao. Với tỷ lệ kích thước tăng lên và giảm bớt đường kính sợi,
hiệu quả của các sợi hoá học tăng lên. Các hệ thống của các sợi hố học hồ trộn với
polymer đã đạt được hiệu quả giảm lực cản lên tới 95%. Mức độ giảm lực cản này cao

1


hơn mức độ giảm lực cản đối với các polymer hoặc với các sợi đơn. Các polymer
trong loại hệ thống này cũng bền hơn với sự phân rã.
Các sợi ổn định về mặt hố học và cơ học trong mơi trường nước. Do chúng khơng
nhạy với nước hố học, các vật liệu làm ống dẫn và nhiệt độ, chúng có thể hiệu quả
trên một dãy nhiệt độ rộng. Tuy nhiên, việc sử dụng các sợi hoá học bị hạn chế bởi các
trở ngại mà chúng có thể gây ra các vấn đề tắc nghẽn trong các đường ống nước do
nồng độ cao (khoảng một vài phần trăm) yêu cầu cho sự giảm lực cản. Ngoài ra, chúng
chỉ được ứng dụng vào việc giảm lực cản trong các hệ thống nhà máy công nghiệp và
gần như không được sử dụng nhiều vào các hệ thống sinh hoạt, nguồn nước dân cư do
các vấn đề về sức khoẻ và các chi phí liên quan đến việc lọc bỏ các tạp chất trong
nguồn nước.
1.2.2 Giảm lực cản bằng bề mặt Riblets
Ngoài các phương pháp sử dụng sợi trên thì sử dụng Riblet cũng là một phương pháp
làm giảm lực cản đang nhận được sự quan tâm lớn từ các nhà nghiên cứu.
Riblet là một phương pháp thụ động được nghiên cứu để làm giảm lực cản. Ưu điểm
của phương pháp sử dụng riblet so với các phương pháp trên là không làm giảm khả
năng truyền nhiệt, khơng làm thay đổi tính chất vật lý của lưu chất nên rất an toàn khi
sử dụng trong nguồn nước dân dụng, có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau
như giảm lực cản cho máy bay, tàu thủy, hệ thống làm mát, năng lượng…vv. Tuy

nhiên việc sử dụng riblet cũng có những hạn chế nhất định như hiệu quả giảm lực cản
thấp hơn những phương pháp kể trên, phụ thuộc vào biên dạng riblets, việc thiết kế,
chế tạo cũng như vận hành, bảo dưỡng gặp nhiều khó khăn hơn
Có thể nói sử dụng riblet là một phương pháp có tính ứng dụng cao so với các phương
pháp làm giảm lực cản khác, từ những phương tiện di chuyển hiện đại như máy bay,
tàu siêu tốc cho đến trái golf hay bộ đồ bơi, tất cả đều có thể ứng dụng từ phương pháp
giảm lực cản bằng riblet.
Các ứng dụng trong hệ thống kín của riblet cũng rất phổ biến như hệ thống nước nóng
trung tâm, hệ thống sưởi ấm, thơng gió và điều hịa khơng khí gọi tắt là HVAC
(Heating, Ventilation and Air Conditioning), HVAC được ứng dụng rộng rãi trong
2


cuộc sống hàng ngày của chúng ta như ứng dụng trong hệ thống điều hịa khơng khí và
thơng gió tại các tòa nhà cao tầng, trung tâm thương mại… các ngành công nghiệp
nặng như nhà máy điện, máy bay, tàu vũ trụ… Ngoài ra việc áp dụng riblet vào ống
dẫn năng lượng như gas, dầu, hệ thống nước nóng trong các tòa nhà cũng mang lại
hiệu quả cao giúp tiết kiệm chi phí nhiên liệu, tăng hiệu quả vả tuổi thọ của bơm.[2]
1.2.3 Giảm lực cản bằng chất phụ gia
Trong vài thập kỷ gần đây, hiện tượng giảm lực cản trong các dịng chảy rối bằng các
chất phụ gia có hoạt tính bề mặt surfactant đã nhận được nhiều sự quan tâm bởi vì nó
giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể trong các hệ thống tuần hồn kín dùng để làm lạnh
và cấp nhiệt. Các ứng dụng của các phụ gia làm giảm lực cản (DRAs) đang giảm đáng
kể các nhu cầu năng tiêu thụ năng lượng của hệ thống, giảm bớt đường kính ống hoặc
tăng lưu lượng… Ứng dụng nổi tiếng đầu tiên của DRAs là trong việc vận chuyển dầu
thô trong đường ống dẫn dầu ở Trans-Alaska (TAPS hoặc Alyeska) vào năm 1979.
Đường ống dài 800 dặm với đường kính 48 in. Sau khi thêm vào dung dịch cơ đặc của
một dịng chảy thuận của polymer khối lượng phân tử lớn của trạm các trạm bơm tại
các nồng độ đồng đều khoảng 1ppm, lượng dầu thô đưa vào quá trình vận chuyển
được tăng lên tới hơn 30%. Giảm lực cản bằng Polymer DRAs cũng được ứng dụng

thành công trong các đường ống vận chuyển dầu thô khác như các đường ống dẫn dầu
ở Iraq-Turkey, eo biển Bass ở Australia, ngoài khơi Mumbai và ngoài khơi biển Bắc
và trong các dây chuyền sản xuất hydrocarbon tinh chế. Trong mỗi trường hợp, thành
phần polymer phải được thiết kế cho hydrocacbon cụ thể được vận chuyển.
Polymer DRAs cũng đã được đề xuất cho các ứng dụng sau: các quá trình vận hành
mỏ dầu, đường ống vận chuyển than bùn hoặc capxun thuỷ lực, ngăn chặn sự xơ vữa
động mạch, ngăn chặn sự chết người từ sốt xuất huyết, tăng tốc độ dòng phun nước tập
trung trong thiết bị chữa cháy, ngăn chặn sự tắc nghẽn của các hệ thống nước thải sau
các trận mưa lớn, tăng lưu lượng thể tích của nước trong các nhà máy thuỷ điện và hệ
thống tưới tiêu và như các chất chống tạo sương trong nhiên liệu phản lực.
Các surfactant làm giảm lực cản có thể sử dụng trong các hệ thống làm mát và sưởi ấm
khu vực nội thành (DHC). Các hệ thống này cung cấp hoặc khử nhiệt trong các toà nhà
hoặc một quận nội thành bằng một chu trình tuần hồn kín của nước được gia nhiệt
3


hoặc làm mát tại các trạm trung gian. Sự yêu cầu năng lượng cho sự tuần hồn kín của
nước sản sinh ra khoảng 15% của năng lượng tổng cho một DHC. Để giảm yêu cầu
năng lượng tương đối lớn này, có thể đáng kể giảm bớt ma sát trong hệ thống tuần
hồn nước kín. Như vậy, sự giảm lực cản bằng các surfactant là một lựa chọn khác để
đáp ứng mục đích này. Surfactant DRAs có thể giảm bớt năng lượng yêu cầu cho bơm
từ 50-70%. Sự hiệu quả phụ thuộc vào loại phụ gia được sử dụng và các thiết kế của
hệ thống ban đầu. Sự tiết kiệm bởi DRAs tốt hơn nếu đường ống dẫn có ít các nhánh
hoặc các đường ống dẫn dài hơn hoặc số lượng các đầu nối (ví dụ như các van, các
cút…) tương đối ít.
Các thử nghiệm của lĩnh vực surfactant DRAs đã được thực hiện thành công trong các
hệ thống sưởi ấm nội thành quy mô lớn và đã giảm bớt đáng kể sự mất mát năng lượng
của dòng chảy trong ống. Các ứng dụng đại diện là ở các khu vực như Herning - Đan
Mạch, Volklingen - Đức và Prague - Cộng hoà Séc. Các Surfactant đã được thử
nghiệm trong các hệ thống làm mát nội thành tại đại học California tại Santa Barbara

và tại Nhật Bản. Takeuchi et al đã áp dụng sự giảm lực cản của surfactant với hệ thống
sưởi ấm và làm mát trung gian của toà nhà ở quảng trường thành phố Sapporo. Saeki
đã báo cáo việc sử dụng surfactant cation DRAs trong các hệ thống điều hoà thực tế
với việc tiết kiệm năng lượng sử dụng bùn than lạnh. Surfactant DRAs cũng được sử
dụng để ngăn chặn sự kết tụ của các bùn than lạnh, vấn đề này cũng đang được nghiên
cứu. Sự kết hợp của hoạt động phân tán lạnh và sự hiệu quả của sự giảm lực cản đã cải
thiện hiệu suất của các hệ thống bùn than lạnh trong các kho gia nhiệt lạnh tiên tiến,
vận chuyển và các hệ thống trao đổi nhiệt. Gần đây, Saeki đã báo cáo các surfactant
cation trong các hệ thống nước đã được sử dụng trong hơn 130 toà nhà ở Nhật Bản và
giảm 20 – 60% năng lượng bơm.
Ưu điểm chính của phương pháp giảm lực cản bằng hoạt chất bề mặt surfactant là các
phân tử có hoạt tính bề mặt có khả năng tự sửa chữa sau khi chịu ứng suất cắt cao,
điều mà thường xuất hiện trong hoạt động của máy bơm. Vì vậy, khả năng của dung
dịch surfactant bao gồm các micelle dạng sâu để giảm lực cản trong dòng chảy rối
được sử dụng trong các ứng dụng kỹ thuật. Rất nhiều các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các
phân tử hoạt chất bề mặt surfactant liên kết với nhau để hình thành các micelle dạng

4


que, chính các micelle dạng que này là yếu tố cần thiết để sinh ra hiện tượng giảm lực
cản. Hình 1.1 cho thấy cấu trúc các micelle và cấu trúc phân tử của hoạt chất bề mặt
surfactant. Các surfactant hình thành các micelle dạng que, và sự kết hợp của chúng có
thể thấy trong dung dịch.

Hình 1.1 Các cấu trúc micelle và phân tử hoạt chất bề mặt surfactant
Từ khía cạnh của cấu trúc tế vi của dung dịch, nguyên nhân cơ bản trong dòng rối bất
thường của các hoạt chất bề mặt surfactant là sự liên kết của các micelle dạng sợi theo
hướng dòng chảy. Nếu các micelle hoặc liên kết của các micelle theo hướng dòng chảy
này bị xáo trộn, sự giảm khả năng giảm lực cản và giảm khả năng giảm truyền nhiệt

của các hoạt chất bề mặt surfactant đã đạt được. Một số nghiên cứu đã báo cáo về sự
nâng cao truyền nhiệt bằng cách tạm thời phá vỡ các vi cấu trúc tế vi của hoạt chất bề
mặt surfactant bằng thiết bị cơ học dạng lưới hình chữ nhật [1], hoặc dạng ống sáo
trong ống trao đổi nhiệt [3]. Các thiết bị này có thể phá vỡ SIS tạm thời và hạn chế sự
giảm truyền nhiệt. Như vậy có một sự tương quan chặt chẽ giữa sự hình thành SIS và
giảm truyền nhiệt trong giảm lực cản bằng các hoạt chất bề mặt surfactant. Tuy nhiên,
những quan sát về sự hình thành SIS đều được dựa trên các kết quả mang tính hiện
tượng.

5


Hình 1.2 Nâng cao truyền nhiệt bằng các phương pháp cơ học
Trong cơng bố gần đây trên tạp chí Journal of Rheology đã báo cáo quan sát hình ảnh
các cấu trúc surfactant dạng sợi dài vài centimet trong dòng phun tia vào thành tường
[4]. Các sợi dài này có một pha tương tự gel tương tự với cấu trúc SIS dạng ngón tay
trong dịng Couette chảy chậm [5]. Các SIS dạng sợi mảnh thẳng hàng theo hướng
dòng dập dòng rối trong dung dịch giảm lực cản. Những kết quả này cho thấy một mối
quan hệ chặt chẽ giữa cấu trúc SIS dạng sợi mảnh dài và sự giảm lực cản. Sự nghiên
cứu về nguồn gốc của cấu trúc surfactant dạng sợi là cần thiết để đưa ra sự hình thành
và các sự phá vỡ động học SIS trong dòng chảy tầng và dịng chảy rối.
1.3 Mục đích nghiên cứu
Ngày nay, nhu cầu tiêu thụ năng lượng trên toàn thế giới đang gia tăng mạnh mẽ, trong
bối cảnh đang phải phấn đấu vượt qua những thách thức to lớn về nguy cơ hủy hoại
môi trường, nguồn tài nguyên năng lượng truyền thống (than, dầu khí, thủy điện,..)
ngày càng khan hiếm, các nguồn năng lượng mới chưa phát triển, thì chủ đề “tiết kiệm
năng lượng” có ý nghĩa vơ cùng quan trọng. Giảm lực cản đem lại lợi ích to lớn trong
các lĩnh vực khác nhau như: vận chuyển các chất lỏng bằng đường ống, các hệ thống
làm lạnh và sưởi, hệ thống làm mát, hệ thống tưới tiêu trong thủy lợi, v.v... Giảm lực
cản dòng chảy giúp làm tăng lưu lượng hay tốc độ dịng chảy. Do đó sẽ giảm năng

lượng yêu cầu của bơm, giảm đường kính ống, tiết kiệm năng lượng, tiết kiêm chi phí
đầu tư và chi phí vận hành.

6


Các SIS đóng một vai trị quan trọng trong giảm lực cản dòng rối và sự chuyển pha là
một vấn đề quan trọng chưa được giải quyết trong lý hóa học. Cấu trúc tế vi và nano
mới có thể được sinh ra trong quá trình chuyển pha này. Hiện tượng hình thành SIS
được cho có sự liên quan chặt chẽ với giảm lực cản. Chúng tôi báo cáo các quan sát
hình ảnh trực tiếp các cấu trúc dạng sợi sinh ra do ứng suất cắt trong một dòng phun
tia tác động lên tường chắn của các dung dịch có hoạt tính bề mặt surfactant, và thảo
luận về sự liên quan giữa các kết quả mang tính hiện tượng của sự giảm lực cản và sự
hình thành các cấu trúc dạng sợi do lực cắt giống như SIS [4]. Tuy nhiên, vai trò của
SIS đối với giảm lực cản vẫn còn chưa rõ ràng. Các nghiên cứu về sự hình thành, sự
phá vỡ SIS cũng như vai trò của SIS với giảm lực cản cần được nghiên cứu thêm.
Trong dòng chảy rối, các dung dịch surfactant sinh ra sự giảm lực cản được ứng dụng
để tiết kiệm năng lượng bơm trong hệ thống làm lạnh và cấp nhiệt tuần hồn kín [8].
Tuy nhiên, các dung dịch giảm lực cản surfactant giảm sự truyền nhiệt cũng như ma
sát đường ống trong dòng chảy rối. Tương tự như hiện tượng giảm lực cản, cơ chế sự
giảm truyền nhiệt của dung dịch surfactant vẫn còn chưa được hiểu rõ. Trong thực tế
ứng dụng giảm lực cản ma sát cịn mang tính thực nghiệm, thí nghiệm và sai số là tất
yếu. Với các ứng dụng ở qui mơ lớn thì có rủi ro cao. Nếu cơ chế giảm lực cản ma sát
được hiểu rõ, nó sẽ cho phép dự đoán sự giảm lực cản ma sát và giảm truyền nhiệt
trong một hệ thống đường ống phức tạp trong thực tế.
Hiện tượng giảm lực cản trong dòng chảy rối bằng các phụ gia nhận được sự quan tâm
sâu sắc từ rất nhiều nhà nghiên cứu vì hiện tượng này giúp tiết kiệm năng lượng đáng
kể. Tuy nhiên, nghiên cứu hiện tượng giảm lực cản bằng các chất phụ gia vẫn còn mới
ở Việt Nam. Do vậy nghiên cứu hiện tượng giảm lực cản bằng các chất phụ gia là cần
thiết.

7


CHƯƠNG 2 SỰ GIẢM LỰC CẢN BẰNG SURFACTANT
2.1 Surfactant
2.1.1 Thành phần và cấu trúc
Chất hoạt động bề mặt (Surfactant, Surface active agent) đó là một chất làm ướt có tác
dụng làm giảm sức căng bề mặt của chất lỏng. Là chất mà phân tử của nó phân cực:
một đầu ưa nước và một đuôi kị nước. Bởi vậy, một surfactant bao gồm một thành
phần khơng hồ tan trong nước (hoặc hoà tan trong dầu) và một thành phần hoà tan
trong nước. Các surfactant sẽ khuếch tán trong nước và hấp thụ tại mặt phân cách giữa
khí và nước hoặc tại mặt phân cách giữa dầu và nước, trong trường hợp nơi mà nước
được trộn với dầu. Nhóm kỵ nước – khơng hồ tan trong nước có thể rời ra xa khỏi
pha nước thể tích để đi vào bên trong pha khí hoặc pha dầu, trong khi nhóm đầu – hồ
tan trong nước giữ lại trong pha nước.[9]
Chất hoạt động bề mặt được dùng giảm sức căng bề mặt của một chất lỏng bằng cách
làm giảm sức căng bề mặt tại bề mặt tiếp xúc (interface) của hai chất lỏng. Nếu có
nhiều hơn hai chất lỏng khơng hịa tan thì chất hoạt hóa bề mặt làm tăng diện tích tiếp
xúc giữa hai chất lỏng đó. Khi hịa chất hoạt hóa bề mặt vào trong một chất lỏng thì
các phân tử của chất hoạt hóa bề mặt có xu hướng tạo đám (micelle, được dịch là
mixen), nồng độ mà tại đó các phân tử bắt đầu tạo đám được gọi là nồng độ tạo đám
tới hạn. Nếu chất lỏng là nước thì các phân tử sẽ chụm đuôi kị nước lại với nhau và
quay đầu ưa nước ra tạo nên những hình dạng khác nhau như hình cầu (0chiều), hình
trụ (1 chiều), màng (2 chiều). Tính ưa, kị nước của một chất hoạt hóa bề mặt được đặc
trưng bởi một thơng số là độ cân bằng kị nước (tiếng Anh: Hydrophilic Lipophilic
Balance-HLB), giá trị này có thể từ 0 đến 40. HLB càng cao thì hóa chất càng dễ hịa
tan trong nước, HLB càng thấp thì hóa chất càng dễ hịa tan trong các dung môi không
phân cực như dầu[10].

8


Hình 2.1 Một mixen với phần đầu kị nước hịa tan trong dầu, trong khi phần ưa nước
hướng ra phía ngoài.
2.1.2 Cấu trúc của pha surfactant trong nước
Trong pha nước chính, surfactant tạo ra sự tập hợp, ví dụ như các mixen, nơi các đuôi
kỵ nước tạo ra lõi của sự liên kết và các đầu ưa nước liên kết với chất lỏng xung
quanh. Các loại tập hợp khác cũng có thể được tạo ra, ví dụ như các mixen dạng trụ
hoặc dạng cầu hay các lớp lipid. Hình dạng của các tập hợp phụ thuộc vào cấu trúc hoá
học của các surfactant, ấy là sự cân xứng trong kích thước giữa đầu ưa nước là đuôi kỵ
nước. Một thước đo của sự cân xứng này là HLB Hydrophilic-lipophilic balance (sự
cân bằng giữa đầu ưa nước và đuôi kỵ nước). Surfactant giảm bớt sức căng bề mặt của
nước bằng cách hấp thu tại mặt phân cách giữa khơng khí và chất lỏng. Mối quan hệ
liên kết sức căng bề mặt và sự vượt quá giới hạn bề mặt được biết đến như đường đẳng
nhiệt Gibbs.[11]
2.1.3 Phân loại
“Đuôi” của phần lớn các surfactant đều như nhau, bao gồm các chuỗi hidrocacbon, thứ
có thể là hidrocacbon nhánh, tuyến tính hoặc thơm. Các surfactant florua có các chuỗi
floruacacbon. Các surfactant silicon oxit có các chuỗi silicon oxit.[11]

9


Nhiều loại surfactant quan trọng bao gồm một chuỗi polyeste giới hạn trong một nhóm
anion có độ phân cực cao. Các nhóm polyeste thường bao gồm các chuỗi ethoxylat
(giống polyethilen oxit) được chen vào để tăng thêm đặc tính ưa nước của một
surfactant. Ngược lại với các oxit polypopilen có thể được chen vào để tăng thêm đặc
tính hút chất béo của một surfactant.

Hình 2.2 Phân loại surfactant theo thành phần hóa học của nhóm đầu: phi ion, anion,
cation, lưỡng tính.[11]
Các phân tử surfactant có cả một đi hoặc hai đi, loại có hai đi được gọi là chuỗi
đơi.
Nhìn chung, các surfactant được phân loại theo nhóm đầu phân cực. Một surfactant phi
ion khơng thuộc nhóm mang điện tại đầu của nó. Đầu của một surfactant ion mang
điện tích âm hoặc dương. Nếu điện tích là âm, surfactant được gọi cụ thể hơn là anion;
nếu điện tích là dương, nó được gọi là cation. Nếu một surfactant bao gồm một đầu
mang cả hai nhóm điện tích âm dương, Chúng được gọi là zwitterion. [11]
2.1.3.1 Surfactant anion
Các surfactant anion bao gồm các nhóm chức anion ở phần đầu, ví dụ sunfat, phốt
phát, sunfua và cacbonxylat. Các ankyn sunfat nổi bật bao gồm amoni lauryn sunfat,
natri lauryn sunfat (natri dodecyn sunfat, SLS, hoặc SDS), và các sunfat ankyn ete liên
quan, natri lauret sunfat (natri lauryn ete sunfat hoặc SLES), và natri myret sunfat.[11]

10


2.1.3.2 Cacbonxylat
Loại này là loại surfactant thông dụng nhất và bao gồm ankyn cacbonxylat (xà phòng),
như natri sterat. Các loại cụ thể hơn bao gồm natri lauroyl sacosinat và các surfactant
florua dựa trên gốc cacbonxylat như perfluorononanoate, perfluorooctanoate(PFOA or
PFO).[11]
2.1.3.3 Các nhóm có đầu cation
Các amin bậc 1, bậc 2 hoặc bậc 3 phụ thuộc vào độ pH: Các amin bậc 1 và bậc 2 trở
thành điện tích dương với độ pH < 10.

Hình 2.3 Minh họa về một cation surfactant và anion surfactant [11]
2.1.3.4 Surfactant Zwitterion
Các surfactant Zwitterion (lưỡng tính) có cả nhân cation và anion gắn liền với các

phân tử tương đương. Phần cation dựa trên gốc amin bậc 1, bậc 2 hoặc bậc 3 hoặc các
cation amoni bậc 4. Phần anion có thể đa dạng hơn và bao gồm các muối sunfua, như
trongsultaines CHAPS [(3-Cholamidopropyl)

dimethylammonio]-1-opanesulfonate)

và cocamidopropyl hydroxysultaine. Betaines ví dụ như cocamidopropyl betaine có
một carbonxylat với amoni. Các surfactant zwitterion sinh học thơng dụng nhất có một
anion phốt phát với một amin hoặc amoni. [11]

11


Hình 2.4 Minh họa về một surfactant lưỡng tính [11]
2.1.3.5 Surfactant phi ion
Surfactant phi ion có liên kết cộng hố trị với nhóm ưa nước có chứa oxy, thứ mà được
liên kết với các cấu trúc gốc kỵ nước. Sự hồ tan trong nước của nhóm chứa oxy là kết
quả của liên kết hidro. Liên kết hydro giảm khi nhiệt độ tăng và sự hoà tan trong nước
của các surfactant phi ion do vậy giảm khi nhiệt độ tăng.[11]
Surfactant phi ion ít nhạy với độ cứng của nước hơn các surfactant anion và chúng tạo
bọt kém hơn. Những sự khác nhau nói riêng giữa các loại surfactant phi ion là không
đáng kể và lựa chọn chịu ảnh hưởng ban đầu có liên quan tới chi phí cho các đặc tính
đặc biệt, ví dụ như sự hiệu quả và hiệu suất, tính độc hại, tính phù hợp cho da và sự
phân huỷ tự nhiên, hoặc giấy phép sử dụng thực phẩm. [12]
2.1.4 Các ứng dụng
Ứng dụng phổ biến nhất của các surfactant là bột giặt, sơn, nhuộm… Và các surfactant
cũng đóng một vai trò quan trọng như các chất tẩy rửa như chất làm ẩm, chất phân tán,
chất nhũ hoá, tạo bọt và chống tạo bọt trong nhiều ứng dụng thực tế và sản phẩm, có
thể kể đến: Thuốc sát trùng, chất làm mềm vải, nhũ tương, xà phòng, sơn, keo dính,
mực, khử sương mù,sáp gắn trên ván trượt ba tanh và ván trượt tuyết, thuốc nhuận

12