Tài liệu Nghiên cứu, nâng cao, tối ưu hóa nguồn nguyên liệu đầu vào trong quá trình sản xuất thuốc nổ nhũ tương tại công ty tnhh mtv hóa chất 21

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu, nâng cao, tối ưu hóa nguồn nguyên liệu đầu vào trong quá trình sản xuất thuốc nổ nhũ tương tại Công ty TNHH MTV Hóa chất 21 CHU HẢI QUÂN Ngành Quản lý công nghiệp Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS La Thế Vinh Viện: Kỹ thuật Hóa học HÀ NỘI, 2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu, nâng cao, tối ưu hóa nguồn nguyên liệu đầu vào trong quá trình sản xuất thuốc nổ nhũ tương tại Công ty TNHH MTV Hóa chất 21 CHU HẢI QUÂN Ngành Quản lý công nghiệp Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS. La Thế Vinh Chữ ký của GVHD Viện: Kỹ thuật Hóa học HÀ NỘI, 2022 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả luận văn: Chu Hải Quân Đề tài luận văn: Nghiên cứu, nâng cao, tối ưu hoá nguồn nguyên liệu đầu vào trong quá trình sản xuất thuốc nổ nhũ tương tại Công ty TNHH MTV Hoá chất 21 Chuyên ngành: Quản lý công nghiệp Mã số SV: 20202605M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 21/10/2022 với các nội dung sau: - Sửa lại các lỗi chính tả, lỗi viết thiếu thông tin, loại bỏ bớt thông tin không cần thiết trong luận văn. - Bổ sung trích dẫn tài liệu tham khảo nguồn dữ liệu và danh mục ký hiệu, chữ viết tắt trong luận văn. - Bổ sung phần mở đầu giới thiệu về tính cấp thiết, mục đích nghiên cứu, nội dung chính của luận văn. - Bổ sung phần tính toán giá trị làm lợi về mặt kinh tế, năng lượng cho luận văn. Ngày Giáo viên hướng dẫn PGS.TS La Thế Vinh CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TS. Nguyễn Văn Xá tháng 10 năm 2022 Tác giả luận văn Chu Hải Quân LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian học tập, nghiên cứu và dưới sự hướng dẫn tận tình của các giảng viên trường Đại học bách khoa Hà Nội, luận văn thạc sỹ “Nghiên cứu, nâng cao, tối ưu hóa nguồn nguyên liệu đầu vào trong quá trình sản xuất thuốc nổ nhũ tương tại Công ty TNHH MTV Hóa chất 21” đã được hoàn tất. Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin cảm ơn chân thành PGS.TS. La Thế Vinh giảng viên trường Đại học bách khoa Hà Nội là cán bộ hướng dẫn của luận văn đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ về mọi mặt để hoàn thành luận văn. Xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo và cán bộ các phòng ban của công TNHH MTV Hóa chất 21 đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả thu thập số liệu, lấy thông tin và hoàn thành đề tài luận văn. Trân trọng./. Tác giả Chu Hải Quân MỤC LỤC DANH MỤC ĐỒ THỊ ................................................................................. 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN....................................................................... 1 1.1. Tổng quan về thuốc nổ .......................................................................... 1 1.1.1. Định nghĩa ................................................................................... 1 1.1.2. Phân loại ..................................................................................... 1 1.1.3. Nhóm thuốc gợi nổ...................................................................... 1 1.1.4. Nhóm thuốc nổ phá ..................................................................... 1 1.2. Giới thiệu chung về thuốc nổ nhũ tương................................................ 4 1.2.1. Lịch sử phát triển. ....................................................................... 4 1.2.2. Định nghĩa và phân loại thuốc nổ nhũ tương.............................. 6 1.2.3. Cấu tạo thuốc nổ nhũ tương ........................................................ 6 1.3. Một số đặc trưng hóa lý của thuốc nổ nhũ tương ................................ 10 CHƯƠNG 2. KHẢO SÁT TÁC ĐỘNG CỦA CÁC NGUYÊN LIỆU TRONG QUÁ TRÌNH TẠO NHŨ TƯƠNG .......................................... 13 2.1. Pha chất oxy hóa của nhũ tương .......................................................... 13 2.1.1. Các chất oxi hóa và ảnh hưởng đến quá trình tạo nhũ .............. 13 2.1.2. Cơ chế tạo hạt và ảnh hưởng của chất oxy hóa đến quá trình tạo hạt thuốc nổ nhũ tương................................................................................ 19 2.1.3. Tác động của nhiệt độ và sự kết tinh của pha chất oxy hóa lên quá trình tạo nhũ tương. ..................................................................................... 19 2.1.4. Tác động của độ pH trong pha chất oxy hóa lên quá trình tạo nhũ tương............................................................................................................ 20 2.2. Pha chất cháy (pha dầu) ....................................................................... 21 2.3. Chất hoạt động bề mặt (chất tạo nhũ) .................................................. 24 2.4. Các cấu tử tạo nhạy. ............................................................................. 29 2.4.1.Tạo độ nhạy bằng các bọt khí đưa vào nhũ tương ..................... 31 2.4.2. Sử dụng không khí. ................................................................... 33 2.4.3. Sử dụng các vật liệu rỗng xốp................................................... 34 2.4.4. Tăng nhạy bằng các chất sinh khí ............................................. 38 CHƯƠNG 3. TỔNG QUAN VỀ SẢN XUẤT THUỐC NỔ NHŨ TƯƠNG TẠI CÔNG TY TNHH MTV HÓA CHẤT 21 ....................... 42 3.1. Giới thiệu về dây chuyền sản xuất thuốc nổ nhũ tương....................... 42 3.1.1. Tổng quan về dây chuyền sản xuất thuốc nổ nhũ tương Công ty TNHH MTV hóa chất 21. ........................................................................... 42 3.1.2. Công nghệ sản xuất thuốc nổ nhũ tương dạng thỏi................... 46 3.1.3. Nguyên vật liệu và các chỉ tiêu của nguyên vật liệu sản xuất thuốc nổ nhũ tương................................................................................................ 47 CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ................................... 49 4.1. Đối tượng nghiên cứu........................................................................... 49 4.2. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................... 49 4.3. Hóa chất, thiết bị .................................................................................. 49 4.3.1. Hóa chất..................................................................................... 49 4.3.2. Thiết bị ...................................................................................... 50 4.4. Quá trình thực nghiệm.......................................................................... 50 4.4.1. Quá trình thử nghiệm đối với pha chất oxy hóa ....................... 50 4.4.2. Quá trình thử nghiệm đối với pha chất cháy ............................. 60 4.4.3. Quá trình thử nghiệm đối với chất nhũ hóa .............................. 64 4.5. Hiệu quả quá trình tối ưu hóa nguồn nguyên liệu tại Công ty TNHH MTV hóa chất 21......................................................................................... 69 KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG ...................................................... 71 Kết luận ....................................................................................................... 71 Phương hướng ............................................................................................. 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................ 73 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Giai đoạn tăng tốc quá trình biến đổi hóa nổ ......................... 2 Hình 1.2 Quá trình sản xuất thuốc nổ nhũ tương .................................. 7 Hình 1.3 Cấu tạo của thuốc nổ nhũ tương .......................................... 10 Hình 3.1 Tổng quan dây chuyền sản xuất thuốc nổ nhũ tương Công ty TNHH MTV hóa chất 21 .................................................................... 42 Hình 3.2 Khu vực chuẩn bị chất Oxy hóa........................................... 43 Hình 3.3 Khu vực pha chất cháy ......................................................... 44 Hình 3.4 Khu vực sản xuất nhũ tương dạng rời .................................. 45 Hình 3.5 Bể chứa nhũ tương nền ........................................................ 45 Hình 3.6 Sơ đồ công nghệ sản xuất thuốc nổ nhũ tương dạng thỏi .... 46 Hình 3.7 Thỏi thuốc nổ nhũ tương ...................................................... 46 Hình 4.1 Nguyên liệu NH 4 NO 3 sử dụng trong sản xuất nhũ tương ... 51 Hình 4.2 Dung dịch chất oxy hóa kết tinh .......................................... 53 Hình 4.3 Bể lưu trữ dung dịch chất oxy hóa ....................................... 53 Hình 4.4 Hỗn hợp dung dịch 8% NaNO 3 kết tinh ở nhiệt độ 900C .... 58 Hình 4.5 Các bóng khí trong thuốc nổ nhũ tương .............................. 60 Hình 4.6 Hệ hai chất hoạt động bề mặt Span 80 - LPE ...................... 67 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Tính chất của 1 số nguyên liệu trong sản xuất ........................ 13 Bảng 2.2 Ảnh hưởng của các chất phụ gia trong NH 4 NO 3 đến quá trình tạo nhũ tương....................................................................................... 16 Bảng 2.3 Chỉ tiêu hóa lý của NH 4 NO 3 ............................................... 17 Bảng 2.4 Chỉ tiêu hóa lý của NaNO 3 .................................................. 17 Bảng 3.1 Chỉ tiêu nguyên liệu NH 4 NO 3 ............................................. 47 Bảng 3.2 Chỉ tiêu nguyên liệu NaNO 3 ............................................... 47 Bảng 3.3 Chỉ tiêu nguyên liệu chất hoạt động bề mặt ........................ 48 Bảng 4.1 Các nguyên liệu trong pha dầu và chất gia khí dùng thử nghiệm sử dụng nguyên liệu NH 4 NO 3 ............................................... 51 Bảng 4.2 Kết quả phân tích các chỉ tiêu nguyên liệu NH 4 NO 3 sử dụng trong thử nghiệm ................................................................................. 52 Bảng 4.3 Nhiệt độ kết tinh của dung dịch sử dụng các nguyên liệu NH4NO3 (0C)....................................................................................................... 52 Bảng 4.4 Kết quả thử nghiệm sản phẩm CE21-TX1 với NH 4 NO 3 .... 54 Bảng 4.5 Kết quả thử nghiệm sản phẩm CE21 – TS60 với NH 4 NO 3 55 Bảng 4.6 Kết quả sử dụng thuôc nổ nhũ tương dạng rời tại mỏ khai thác Đồng – Sin Quyền – Lào Cai .............................................................. 56 Bảng 4.7 Kết quả phân tích các chỉ tiêu nguyên liệu NaNO 3 sử dụng trong thử nghiệm ................................................................................. 57 Bảng 4.8 Nhiệt độ kết tinh của pha chất oxy hóa sử dụng hỗn hợp NH 4 NO 3 (Thái Bình), NaNO 3 và H 2 O (0C) ....................................... 58 Bảng 4.9 Kết quả thử nghiệm sản phẩm CE21-TX1 thay thế NaNO 3 59 Bảng 4.10 Kết quả thử nghiệm sản phẩm CE21-TS60 thay thế NaNO 3 ............................................................................................................. 59 Bảng 4.11 Kết quả phân tích các chỉ tiêu nguyên liệu Sáp sử dụng trong thử nghiệm .................................................................................................. 61 Bảng 4.12 Kết quả thử nghiệm sản phẩm CE21-TX1 thay thế mẫu sáp ............................................................................................................. 61 Bảng 4.13 Kết quả phân tích các chỉ tiêu chất hoạt động bề mặt ....... 65 Bảng 4.14 Kết quả thử nghiệm sản phẩm sử dụng chất hoạt động bề mặt Lubrizol và Anfomil 1254-LQ ............................................................ 65 Bảng 4.15 Tỷ lệ pha chế hệ chất hoạt động bề mặt (Span 80/ LPE) và chất lượng nhũ tương tạo thành trong sản phẩm CE21-TX1 .............. 67 Bảng 5.1 Kết luận các nguyên liệu được sử dụng trong sản xuất thuốc nổ nhũ tương tại Công ty TNHH MTV hóa chất 21 ........................... 71 DANH MỤC ĐỒ THỊ Đồ thị 4.1 Tốc độ nổ của thuốc nổ nhũ tương sử dụng NH 4 NO 3 từ các mẫu thử nghiệm................................................................................... 54 Đồ thị 4.2 Năng lượng nổ của thuốc nổ nhũ tương sử dụng NH 4 NO 3 từ các mẫu thử nghiệm ............................................................................ 55 Đồ thị 4.3 Năng lượng nổ của thuốc nổ nhũ tương ............................ 63 Đồ thị 4.4 Năng lượng nổ của thuốc nổ nhũ tương CE21-TS60 khi sử dụng các mẫu sáp sau 4 tháng ............................................................. 63 Đồ thị 4.5 Tốc độ nổ của thuốc nổ nhũ tương CE21-TS60 khi sử dụng các mẫu sáp ......................................................................................... 64 Đồ thị 4.6 So sánh tốc độ nổ của thuốc nổ nhũ tương sử dụng chất hoạt động bề mặt Lubrizol .......................................................................... 66 Đồ thị 4.7 Chất lượng thuốc nổ nhũ tương sử dụng chất hoạt động bề mặt (Span 80/ LPE) sau lưu trữ .......................................................... 68 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT STT 1 2 3 4 5 6 7 8 Ký hiệu chữ viết tắt TNT ANFO VOD Chất HĐBM GMB HDPE PE MEMU Chữ viết đầy đủ Trinitro Toluen Amoni nitrate and fuel oil Tốc độ nổ Chất hoạt động bề mặt Vi cầu thủy tinh Hight Density Poli Etilen Poli Etilen Mobile Exprosives Manufacturing Unit CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về thuốc nổ 1.1.1. Định nghĩa Thuốc nổ là hợp chất hóa học đơn lẻ hoặc hỗn hợp cơ học các chất khác nhau về bản chất, có khả năng dưới tác động bên ngoài (xung kích thích) làm biến đổi hóa học tự lan truyền với sự tạo thành các sản phẩm khí và tỏa ra một nhiệt lượng lớn nung nóng chúng tới nhiệt độ cao. 1.1.2. Phân loại Dựa vào cơ chế biến đổi hóa nổ, lĩnh vực sử dụng thực tế thuốc nổ được chia thành 4 nhóm chính: - Nhóm thuốc gợi nổ (thuốc nổ sơ cấp); - Nhóm thuốc nổ phá (thuốc nổ thứ cấp); - Nhóm thuốc phóng; - Nhóm thuốc hỏa thuật. 1.1.3. Nhóm thuốc gợi nổ Đặc điểm của nhóm thuốc nổ này là rất nhạy, với tác dụng của xung lực ngoài rất nhỏ như ngọn lửa, ma sát, va đập, đâm chọc,... thì sinh ra cháy hay nổ thực chất khi cháy chuyển nhanh sang nổ và tốc độ nổ đạt tới giá trị cực đại trong thời gian rất ngắn. Thuốc gợi nổ được sử dụng để kích nổ các loại thuốc nổ khác, theo thành phần hóa học được chia thành 2 loại: - Thuốc gợi nổ đơn: Phuminat Thủy ngân Hg(ONC) 2 , Chì Azotua Pb(N 3 ) 2 , Chì Stipnat C 6 H(NO 2 ) 3 O 2 Pb.H 2 O, Tetraxen C 2 H 8 ON 10 . - Thuốc gợi nổ hỗn hợp: là loại thuốc gợi nổ có từ hai thành phần trở lên, trong đó có ít nhất một thành phần là thuốc gợi nổ, các thành phần còn lại có thể là thuốc gợi nổ hoặc chất không nổ. 1.1.4. Nhóm thuốc nổ phá Sự biến đổi hóa học đặc trưng: độ nhạy đối với tác dụng xung bên ngoài kém hơn thuốc gợi nổ, khi cháy chuyển thành nổ và gia tốc biến đổi nổ để đạt tốc độ nổ cực đại nhỏ hơn thuốc gợi nổ chính, vì thế nó có đặc trưng nổ ổn định hơn thuốc gợi nổ. Tốc độ nổ và các đặc trưng năng lượng lớn hơn các loại thuốc nổ khác. 1 Thuốc nổ phá thường dùng để nhồi trong bom, mìn, đạn,... Muốn gây nổ thuốc nổ phá phải dùng xung kích thích của kíp nổ, trạm nổ, ngòi nổ. Hình 1.1 Giai đoạn tăng tốc quá trình biến đổi hóa nổ Trong đó: - Dm, Dp: Tốc độ nổ ổn định của thuốc gợi nổ và thuốc nổ phá; - tm, tp: Thời gian để đạt tốc độ nổ ổn định của thuốc gợi nổ và thuốc nổ phá. Theo thành phần, thuốc nổ phá được chia thành thuốc nổ đơn và thuốc nổ hỗn hợp: + Thuốc nổ đơn: chỉ có một hợp chất trong thành phần. Theo bản chất hóa học, thuốc nổ phá đơn chủ yếu là các chất hữu cơ, chứa một hay nhiều nhóm nitro NO 2 , O-NO 2 . Các hợp chất nitro bao gồm các thuốc nổ dãy vòng thơm, dãy amin thơm, dãy mạch thẳng và dãy dị vòng. Các hợp chất nitrat (nitroeste) có thể nhận được từ ancol có một hay nhiều nhóm chức với axit nitric. Một số thuốc nổ phá đơn điển hình: - Thuốc nổ TNT; - Thuốc nổ Hexogen (RDX); - Thuốc nổ Tetryl; - Thuốc nổ Pentrit (TEN); - Thuốc nổ Octogen; + Thuốc nổ hỗn hợp: là hỗn hợp cơ học các hợp chất và các chất bao gồm thuốc nổ hoặc không phải là thuốc nổ theo thành phần tỉ lệ nhất định tạo nên. Các hệ thuốc nổ phá hỗn hợp được thiết lập theo nguyên tắc đạt được cân bằng oxi bằng không hoặc gần bằng không. Thuốc nổ hỗn hợp được sử dụng rộng rãi hơn nhiều so với thuốc nổ 2 đơn, điều này được lý giải trên các yếu tố: công nghệ; khai thác sử dụng; năng lượng; yếu tố kinh tế; Các ưu điểm của thuốc nổ hỗn hợp như sau: - Tạo ra thuốc nổ có độ nhạy, đặc trưng năng lượng phù hợp với yêu cầu sử dụng. Theo công dụng, thuốc nổ phá hỗn hợp có thể chia thành 2 nhóm: thuốc nổ quân sự và thuốc nổ công nghiệp. Thuốc nổ công nghiệp bao gồm các loại: Thuốc nổ công nghiệp (dạng hỗn hợp): thông thường trong thành phần của nó chứa các cấu tử giàu oxi, ví dụ: amoni nitrat (NH 4 NO 3 ), kali nitrat (KNO 3 ), natri nitrat (NaNO 3 ), amoni peclorat (NH 4 ClO 4 ),...cũng như chứa các cấu tử cháy trong quá trình nổ một phần hay hoàn toàn do oxi của cấu tử đầu. Trong số các chất cháy có chất không phải là thuốc nổ (parafin, dầu mỏ, bột gỗ, bột nhôm,...) hoặc thuốc nổ mà trong thành phần của nó không đủ oxi để oxi hóa hoàn toàn C và H (TNT, hexogen,...). Trong công nghiệp thuốc nổ sử dụng rộng rãi nhất trên cơ sở Amoni Nitrat. Theo thành phần, được chia thành các loại: amonit, amonal, đinamon và thuốc nổ chứa nước (Acvatol, acvanit, acvanal, ifzanit, cacbotol,...), thuốc nổ nhũ tương. - Amonit: hỗn hợp dạng bột NH 4 NO 3 với TNT (hoặc Hexogen, Dinitronaftalen) và các hợp chất cháy không nổ, có thể thêm các phụ gia ví dụ: chất dập lửa là muối clorua của kim loại kiềm. - Amonal: là các amonit chứa nhôm. - Đinamon: NH 4 NO 3 và các thành phần không nổ (mùn cưa, than bùn, mùn từ vỏ thông, bột nhôm, dầu khoáng, parafin,...), trạng thái hạt gọi là granulit, ngoàira còn có igranit hay còn gọi là ANFO: hỗn hợp NH 4 NO 3 với dầu Diezen. - Thuốc nổ Acvatol là thuốc nổ huyền phù điền nước thể chảy loãng, pha rắn là amonit hai hợp phần ở trạng thái hạt hoặc Amonal ở trạng thái hạt, còn pha lỏng là dung dịch NH 4 NO 3 đậm đặc bão hòa. - Acvanit và Acvanal là các thuốc nổ huyền phù điền nước ở thể dẻo, mà cơ sở hoạt động của chúng với sự có mặt của Ca(NO 3 ) 2 hoặc NaNO 3 và 3 các phụ gia hóa dẻo. Ví dụ trong thành phần thuốc nổ chứa nước (Watergel): chất oxi hóa là NH 4 NO 3 + NaNO 3 hoặc Ca(NO 3 ) 2 , chất cháy là TNT, chất tạo gel là bột sắn, chất tăng nhạy là (NH 4 ) 2 Cr 2 O 7 . - Ifzanit là các thuốc nổ huyền phù chứa dung dịch, mà pha rắn của chúng (hỗn hợp Nitrat và TNT dạng hạt được điền đầy bằng dung dịch NH 4 NO đặc tại nơi sử dụng và thời điểm nạp xuống lỗ mìn. - Cacbotol là các thuốc nổ đông cứng rót nóng, được chế tạo tại nơi sử dụng trên cơ sở hỗn hợp cùng tính dễ nóng chảy của các hợp phần tan trong nước với lượng nước nhỏ. Theo trạng thái vật lý có thể chia thành thuốc nổ rắn liền khối (đúc, nén), rời (dạng bột hoặc hạt), dẻo huyền phù hoặc chảy loãng. Theo các đặc điểm đặc trưng nhất các thuốc nổ công nghiệp hiện đại có thể chia thành thuốc nổ chịu nước (ANFO chịu nước, watergel) và không chịu nước (ANFO thường). Theo lĩnh vực và các điều kiện sử dụng an toàn: - Thuốc nổ không an toàn: + Thuốc nổ chỉ cho công tác nổ mỏ lộ thiên; + Thuốc nổ cho công tác nổ mỏ lộ thiên và dưới đất, trừ các mỏ nguy hiểm về khí hoặc bụi. - Thuốc nổ an toàn: được phân loại theo các mức độ an toàn khác nhau + Thuốc nổ an toàn dùng cho hầm lò nguy hiểm về khí mê tan ; + Thuốc nổ an toàn dùng cho các hầm lò than và hỗn hợp của các mỏ nguy hiểm về khí hoặc bụi; + Các loại thuốc nổ an toàn nâng cao dùng cho các hầm lò than và hỗn hợp các công tác đặc biệt trong các mỏ + Thuốc nổ an toàn cao để đào than và các công tác đặc biệt trong các mỏ nguy hiểm đặc biệt về khí.[1] 1.2. Giới thiệu chung về thuốc nổ nhũ tương. 1.2.1. Lịch sử phát triển. Lịch sử phát triển sản xuất, sử dụng thuốc nổ công nghiệp bao gồm một số giai đoạn chính mà chúng ta có thể sắp xếp và phân loại theo thời gian như sau: thuốc đen, Dinamit, thuốc nổ TNT (Trinitrotoluen), các hỗn hợp 4 chứa muối Nitrat và Amoni, ANFO (Amoni nitrate and fuel oil), các thuốc nổ có chứa nước. Sau đó, ở các nước có nền công nghiệp khai thác mỏ phát triển đã nghiên cứu ra một loại thuốc nổ công nghiệp mới an toàn, không gây độc hại đến môi trường và có thể sử dụng dưới môi trường nước với tên gọi chung là thuốc nổ nhũ tương. Loại thuốc nổ này bao gồm rất nhiều thành phần nhạy hóa trên nhũ tương “nước trong dầu”. Các hỗn hợp này đáp ứng tất cả các yêu cầu ngày càng cao đối với thuốc nổ công nghiệp. Một số nhà nghiên cứu đã không có cơ sở khi cho rằng sự xuất hiện của thế hệ các dạng nhũ tương mới được tạo lập bằng cách loại bỏ được nhược điểm của các loại thuốc nổ chứa nước như kém ổn định, khả năng chịu nước thấp và gọi chúng là các thuốc nổ mới trong seri thuốc nổ công nghiệp chứa nước. Tuy nhiên, việc nghiên cứu chế tạo thuốc nổ nhũ tương được tiến hành theo một nguyên lý hoàn toàn mới, cả theo đơn phối trộn các thành phần, cả theo công nghệ chế tạo và do vậy, hợp lý hơn cả là xếp chúng vào một họ thuốc nổ mới. Ý tưởng đặt nền móng cho việc nghiên cứu chế tạo thuốc nổ nhũ tương là thành phần chất Oxy hóa được hòa tan vào dung dịch sẽ là pha dung dịch của nhũ tương, còn pha còn lại sẽ là một số chất cháy hoặc phụ gia. Thuốc nổ nhũ tương được chia ra dạng thỏi và dạng rời. Khác với các thuốc nổ chịu nước dạng gel, nhũ tương không cần làm đặc điều này đơn giản hóa việc chế tạo thuốc cũng như hạ được giá thành sản phẩm. Trong thành phần của thuốc nổ nhũ tương, ta có thể thêm rất nhiều phụ gia khác nhau, các phụ gia này có thể được thêm vào dung dịch chất Oxy hóa hoặc vào nhũ tương nền. Ngay từ những thử ngiệm đầu tiên, thuốc nổ nhũ tương đã chứng tỏ các ưu điểm không thể tranh cãi được của chúng so với các họ thuốc nổ khác như: - Độ an toàn cao khi chịu các tác động cơ học (va đập, ma sát, nhiệt, lửa, đạn bắn xuyên qua...) và từ nhiệt; - Khả năng điều chỉnh các đặc trưng nổ trong một dải rộng mật độ thuốc (từ 0,5 đến 1,5 g/cm3); - Khả năng chịu nước tuyệt vời, nhờ đó thuốc giữ được các đặc tính nổ trong nước chảy và thậm chí cả ở dưới độ sâu; 5 - Độ nhạy chọn lọc khi bị kích nổ bằng kíp tiêu chuẩn và khi cần, chỉ bị kích nổ bởi kíp trung gian; - Không có bụi, không sinh điện, không tạo ra các chất độc hại; - Cơ giới hóa toàn bộ khâu nạp thuốc xuống lỗ khoan khi nổ mìn (nhũ tương dạng rời); - Việc thay đổi các tính chất lưu biến của nhũ tương cho phép sản xuất thuốc nổ thành các khối thuốc có kiểu dáng và kích thước khác nhau, chế tạo ngay tại nơi sử dụng khi nạp kín tiết diện và tạo thành các khối thuốc hóa cứng thống nhất; - Nguồn nguyên liệu rẻ, dễ kiếm cho phép ta thu được một trong các loại thuốc nổ công nghiệp không đắt, nhưng khi sử dụng lại có hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao; - Các lĩnh vực sử dụng thuốc nổ nhũ tương rất đa dạng trong khai thác tự nhiên và khai thác hầm lò, trong đó có cả việc sử dụng trong các mỏ có khí cháy và bụi nổ, nổ mìn theo mạng, hàn và cắt kim loại, kíp nổ trung gian và các công việc nổ mìn chuyên biệt; 1.2.2. Định nghĩa và phân loại thuốc nổ nhũ tương Định nghĩa: Thuốc nổ nhũ tương là loại thuốc nổ bao gồm muối giàu oxi (chủ yếu là muối amoni nitrat ở trạng thái lỏng) đây là giai đoạn không liên tục và một giai đoạn pha dầu được trộn liên tục với một hoặc nhiều chất nhũ hóa[12]. Phân loại: Thuốc nổ nhũ tương có thể được phân loại dựa vào độ nhạy(thuốc nổ nhũ tương nhạy và không nhạy với kíp nổ), theo mục đích sử dụng (thuốc nổ nhũ tương phá đá, thuốc nổ nhũ tương an toàn), theo hình thức bao gói và hình thức sản phẩm (có thể chia ra thuốc nổ nhũ tương dạng thỏi, thuốc nổ nhũ tương dạng rời). 1.2.3. Cấu tạo thuốc nổ nhũ tương Về thành phấn thuốc nổ nhũ tương bao gồm 04 thành phần chính: chất oxi hóa, chất cháy, chất nhũ hóa, chất tăng nhạy. 6 Hình 1.2 Quá trình sản xuất thuốc nổ nhũ tương a. Chất oxi hóa Những muối có khả năng giải phóng Oxi thích hợp để sử dụng trong đa số các thuốc nổ công nghiệp bao gồm: các nitrat kim loại kiềm và kiềm thổ, các muối clorat và peclorat, amoni nitrat, amoni clorat, amoni peclorat, các hợp chất dạng peoxit và các hỗn hợp của chúng. Trong thuốc nổ nhũ tương người ta thường dùng hỗn hợp các chất oxi hóa sau: NH 4 NO 3 , NaNO 3 và Ca(NO 3 ) 2 .4H2O. NaNO 3 và Ca(NO 3 ) 2 là hai chất oxi hóa hóa giàu oxi hơn NH 4 NO 3 . Chúng đều ở dạng kết tinh và có tỷ trọng lớn, chúng không có tính nổ, khi bị phân hủy thì giải phóng khí và tạo thành oxit, lượng khí thoát ra ít hơn so với amoni nitrat. b. Chất cháy Một số vấn đề quan trọng trong thuốc nổ nhũ tương đó là tìm chất cháy có hệ số cân bằng oxi âm lớn đủ để cân bằng lượng oxi dương rất lớn của các hỗn hợp muối muối oxi hóa. Vấn đề này tương đối đơn giản bởi vì hầu hết các chất cháy rẻ tiền thỏa mãn các tính chất vật lý yêu cầu. Chất cháy phải thỏa mãn một số các yêu cầu sau: - Chúng phải có khả năng bị oxi hóa trong điều kiện nổ để cung cấp nhiệt lượng lớn. - Sản phẩm nổ phải có thể tích khí lớn và các tính chất vật lý của chúng phải tích ứng với các tính chất của hệ nhũ tương. Thông thường các chất cháy cho vào trong hỗn hợp với các chất oxi hóa sẽ làm tăng khả năng phân hủy và có tác dụng như những chất tăng nhạy. Mức độ tác động đến độ nhạy 7 chung của hỗn hợp là khác nhau, xong một điểm chung nhất nhằm cho phản ứng oxi hóa xảy ra hoàn toàn và tăng nhiệt lượng phân hủy của phản ứng nổ, làm cho sản phẩm nổ trở nên ít độc hại hơn. Các chất cháy được dùng trong thành phần thuốc nổ nhũ tương chủ yếu là các loại dầu béo, dầu khoáng, Parafin, benzen, toluen, xylen, hỗn hợp Hydrocacbua lỏng lấy từ sản phẩm dầu thực vật như dầu ngô, dầu lạc, dầu bông và dầu đậu nành. Trên thực tế thường dùng dầu khoáng, Parafin, sáp, sáp tinh thể làm chất cháy trong thuốc nổ nhũ tương. Đối với thuốc nổ nhũ tương dùng cho các mỏ lộ thiên người ta còn dùng bột nhôm làm chất cháy. Bột nhôm trong thành phần có tác dụng làm tăng độ nhạy và tăng nhiệt lượng nổ, do đó làm tăng uy lực nổ cho thuốc nổ nhũ tương. Phần lớn nhiệt lượng nổ tỏa ra trong phản ứng của bột nhôm có tác dụng duy trì áp suất nổ cao trong thời gian dài hơn so với thuốc thuốc nổ không có bột nhôm. c. Chất nhũ hóa Như trên đã nêu, thuốc nổ nhũ tương bao gồm những hạt siêu mịn của dung dịch oxi hóa quá bão hòa, được hòa vào trong một pha dầu liên tục. Hai pha của nhũ tương “nước trong dầu” về bản chất là đẩy nhau, vì vậy cần phải có một chất hoạt động bề mặt để liên kết chặt chẽ chúng lại với nhau. Chất này còn gọi là chất nhũ hóa trong thuốc nổ nhũ tương. Chất nhũ hóa này đóng vai trò rất quan trọng trong thuốc nổ nhũ tương. Người ta chọn chất nhũ hóa đi từ các nhóm có chứa bis-alkanolamin hoặc bis-polyol, sorbitan este béo của nó... Nhũ tương bền vững là nhờ chất nhũ hóa hấp thụ trên bề mặt làm giảm sức căng bề mặt và gây ra lực đẩy giữa các hạt. Độ bền vững phụ thuộc vào bản chất và nồng độ của chất nhũ hóa. Ngoài ra bản chất của chất nhũ hóa còn quyết định loại nhũ tương. Nếu chất nhũ hóa tan trong nước tốt hơn trong Hiđrocacbon (ưa nước) thì sẽ tạo thành nhũ tương dầu trong nước. Còn khi chất nhũ hóa tan trong Hiđrocacbon tốt hơn trong nước (ưa dầu) thì nhũ tương sẽ là nước trong dầu. Công nghệ chế tạo chất nhũ hóa là một bí quyết của các nhà công nghệ cũng là bí quyết của thuốc nổ nhũ tương. 8 d. Chất tăng nhạy Đối với thuốc nổ nhũ tương thì yêu cầu độ nhạy với các dạng xung ban đầu ở mức trung bình. Do cấu tạo thành phần của thuốc nổ nhũ tương, khi có tác dụng va đập, sự nung nóng các hạt thuốc nổ do ma sát phải chia bớt phần nhiệt để nung nóng các phần tử dung dịch oxi hóa và “nước trong dầu”. Mặt khác “nước trong dầu” và lớp nhũ hóa đã làm “mềm hóa các va chạm” nên thực tế các loại thuốc nổ nhũ tương đều khó nổ với các dạng xung ban đầu, thậm chí khó nổ ngay cả với trạm nổ thông thường. Chính các bọt khí này khi bị nén đột ngột dưới tác động của các xung ban đầu sẽ làm tăng đột ngột nhiệt độ tại điểm đó và kích thích phản ứng nổ cho lớp thuốc nổ xung quanh. Mặt khác việc tạo ra các bọt khí đã làm giảm tỷ trọng nhưng lại làm tăng độ nhạy của thuốc nổ. Để tạo ra các bọt khí làm tăng độ nhạy của thuốc nổ nhũ tương, quá trình này có thể tạo ra các bóng khí thủy tinh hay chất dẻo có kích thước phù hợp, sau đó phân tán chúng vào hỗn hợp nổ bằng cách khuấy trộn cơ học. Các bong bóng khí này tồn tại và duy trì một cách ổn định hiệu năng tác dụng của nó trong suốt thời gian bảo quản. Ngoài ra nó còn cho phép ta điều chỉnh tỷ trọng thuốc nổ tạo được các mật độ nhồi trong các điều kiện thích hợp, thu được hỗn hợp có tốc độ nổ, khả năng sinh công phù hợp với các loại đất đá có độ rắn khác nhau. Hiện nay, các nhà công nghệ vẫn không thỏa mãn với việc dùng các bóng khí bằng thủy tinh hay chất dẻo làm chất tăng nhạy trong thuốc nổ nhũ tương, mà tiếp tục nghiên cứu để tìm ra tác nhân tăng nhạy bằng các bọt khí sinh ra từ phản ứng hóa học. Người ta sử dụng các hợp chất có khả năng phản ứng sinh khí trong điều kiện môi trường hỗn hợp nổ như các chất: NaNO 2 , KNO 2 , Na 2 CO 3 cùng các chất phụ trợ thích hợp khác như thioure…. Nếu chỉ đơn thuần với các hóa chất như thế này thì việc tạo khí sẽ không làm chủ được tốc độ sinh khí và hỗn hợp nổ sẽ không ổn định. 9 Chất hoạt động bề Bóng Pha dung khí dị h NH4NO3 + NaNO3 + H2O Pha dầu Hình 1.3 Cấu tạo của thuốc nổ nhũ tương Để khắc phục nhược điểm trên, người ta đã đưa vào thành phần thuốc nổ nhũ tương một loại hóa chất, có tác dụng kìm hãm tốc độ sinh khí. e. Phụ gia khác Nước được dùng trong các thành phần của thuốc nổ nhũ tương chiếm từ (9÷20)% tổng khối lượng hỗn hợp, đóng vai trò như phụ gia. Nước hòa tan các chất oxi hóa ở nhiệt độ cao để trở thành dung dịch oxi hóa quá bão hòa và được hòa vào trong một pha dầu liên tục. Ngoài ra để thuốc nổ nhũ tương được ổn định trong quá trình sản xuất, cần ổn định được giá trị pH của thuốc nổ nhũ tương do đó một số loại axit và kiềm được sử dụng để điều chỉnh giá trị pH, các loại axit và kiềm này có thể là: CH 3 COOH, C 6 H 8 O 7 .H 2 O, NaOH… 1.3. Một số đặc trưng hóa lý của thuốc nổ nhũ tương - Thuốc nổ nhũ tương có màu trắng hoặc màu xám tùy thuộc vào từng loại thuốc nổ (thuốc nổ nhũ tương có màu xám là loại trong thành phần có bột nhôm). - Thuốc nổ nhũ tương có khả năng chịu nước, ít nhạy dưới tác dụng của va đập. 10