Thành phần pháo hoa, màu sắc và kiểm soát an toàn
28 thg 6, 2021
Bài viết
Chia sẻ bài viết
Pháo hoa, được phát triển gần hai thiên niên kỷ trước ở Trung Quốc cổ đại, ngày càng được sử dụng trong các lễ hội văn hóa trên khắp thế giới và được yêu thích bởi hầu hết mọi lứa tuổi. Là một trong những hình thức hóa học giải trí hấp dẫn nhất, pháo hoa thu hút các giác quan của chúng ta về thị giác và thính giác, mang đến vô số màu sắc, kích cỡ, hình dạng, âm thanh, và nhiều hơn nữa. Chúng ta yêu thích xem pháo hoa vì chúng làm chúng ta choáng ngợp với sự tráng lệ và bí ẩn của chúng.
Tuy nhiên, chúng không chỉ là trò chơi và niềm vui. Ngành công nghiệp pháo hoa (và lĩnh vực pháo thuật nói chung) tuân thủ nhiều quy tắc vì chúng cần được sản xuất an toàn nhất có thể và thân thiện với môi trường. Ngoài pháo hoa, các loại pháo thuật khác còn được sử dụng trong nhiều loại hình giải trí, như tại các buổi hòa nhạc, phim ảnh, và những ứng dụng nghiêm túc hơn trong lĩnh vực quốc phòng và an ninh (ví dụ: các biện pháp an toàn như pháo sáng và đèn tín hiệu).
Pháo hoa được làm từ gì?
Pháo hoa ban đầu khá nguy hiểm và được sử dụng để bảo vệ hơn là để tổ chức lễ hội, và hầu như không giống với loại pháo hoa mà chúng ta quen thuộc ngày nay.
Mọi thứ bắt đầu từ Trung Quốc cổ đại với phát minh thuốc súng, được tạo ra từ hỗn hợp than củi, lưu huỳnh và diêm tiêu (kali nitrat). Theo thời gian, khi các tiến bộ mới được thực hiện để tăng độ an toàn và tính dự đoán trong việc sử dụng pháo hoa ban đầu, việc thử nghiệm với màu sắc bắt đầu, và người ta bắt đầu sử dụng pháo hoa nhiều hơn cho các mục đích phi bạo lực. Hiện nay, có cả một ngành công nghiệp dành riêng cho việc phát triển các loại pháo hoa phục vụ cho cả người tiêu dùng và các chuyên gia.
Tìm hiểu thêm về lịch sử của pháo hoa qua các liên kết dưới đây:
![Cross-sectional diagram of a firework capsule filled with star garnitures (72) and igniter (70). [1]](https://s7e5a.scene7.com/is/image/metrohm/Fireworks-capsule-patent-1200px?ts=1732096677188&dpr=off&bfc=on "Sơ đồ cắt ngang của một viên nang pháo hoa được lấp đầy với các viên nổ (72) và bộ kích hoạt (70).")
Pháo hoa, hay còn gọi là vỏ pháo trên không, về cơ bản bao gồm ba phần chính ngoài phần vỏ: thuốc súng và bộ kích hoạt để làm cho tên lửa phát nổ, và bên trong viên nang được vận chuyển ở đỉnh có các viên nổ nhỏ thường được gọi là «sao» (mặc dù có hình dạng như hình cầu hoặc hình trụ, Hình 1, từ [1]) chứa các hóa chất để tạo ra các hiệu ứng mong muốn. Các viên nổ này bao gồm chất tạo màu, nhiên liệu, chất oxy hóa (chất cung cấp oxy, ví dụ: chlorates hoặc nitrates), và chất kết dính để giữ hỗn hợp thành phần lại với nhau thành một bánh nén chắc chắn.
Ngành công nghiệp pháo hoa đã dành rất nhiều thời gian nghiên cứu và phát triển để tạo ra các vụ nổ có hình dạng như ngôi sao, sọc, trái tim, hoặc thậm chí các hình dạng phức tạp hơn như nhân vật hoạt hình, chữ cái, và con số nếu được căn chỉnh thời gian chính xác.
Tạo ra một cầu vồng màu sắc
Những màu sắc rực rỡ của pháo hoa đến từ sự cháy của các ion kim loại, chiếm đến 20% thành phần của chúng. Kim loại đã được sử dụng để tạo màu cho ngọn lửa từ trước khi có sự ra đời của pháo hoa hiện đại (ví dụ, lửa Bengal). Về mặt hóa học, các ion kim loại này thay đổi trạng thái điện tử của chúng khi bị nung nóng (thêm năng lượng) và sau đó quay lại trạng thái năng lượng thấp hơn trước khi phát ra ánh sáng có màu sắc nhất định.
| Màu | Kim loại | Hợp chất ví dụ |
|---|---|---|
| Đỏ | Strontium (intense red) | SrCO3 (strontium carbonate) |
| Lithium (medium red) | Li2CO3 (lithium carbonate) LiCl (lithium chloride) |
|
| Cam | Calcium | CaCl2 (calcium chloride) |
| Vàng | Sodium | NaNO3 (sodium nitrate) |
| Xanh lá | Barium | BaCl2 (barium chloride) B3N3 (boron nitride) |
| Xanh dương | Copper halides | CuCl2 (copper chloride), at low temperature |
| Indigo | Cesium | CsNO3 (cesium nitrate) |
| Tím | Potassium | KNO3 (potassium nitrate) |
| Rubidium (violet-red) | RbNO3 (rubidium nitrate) | |
| Vàng gold | Charcoal, iron, or carbon black | |
| Trắng | Titanium, aluminum, beryllium, or magnesium powders |
Rất nổi bật ở đây là màu vàng từ natri, màu này cũng có thể thấy trong các bóng đèn đường cũ ở một số quốc gia. Thật không may, những màu sắc rực rỡ nhất được tạo ra lại là những màu độc hại nhất đối với môi trường, như stronti (màu đỏ) và bari (màu xanh). Những chất ô nhiễm này có thể được đo lường trong không khí, nước và thậm chí là trong đất—nhưng sẽ nói thêm về điều này sau.
Tìm hiểu thêm thông tin về cách pháo hoa có được màu sắc của chúng qua các liên kết dưới đây:
An toàn là ưu tiên hàng đầu
An toàn luôn là vấn đề quan trọng khi nói về pháo hoa, dù là liên quan đến cấu tạo, cách sử dụng hay lưu trữ chúng. Trong suốt những năm qua, đã có quá nhiều vụ tai nạn nghiêm trọng liên quan đến pháo hoa.
Tìm hiểu thêm về cách xử lý pháo hoa một cách an toàn tại đây:
Một trong những thảm họa pháo hoa lớn nhất được ghi nhận ở Châu Âu xảy ra tại Enschede (Hà Lan) vào năm 2000. Vụ nổ này xảy ra trong kho của nhà máy S.E. Fireworks, nằm ngay trung tâm khu dân cư khi thành phố phát triển và tiếp tục xây dựng nhà ở xung quanh. Cả một khu phố đã bị san bằng và vụ nổ lớn nhất có thể cảm nhận được cách xa đến 30 km.
Vì sự cố này, việc bán pháo hoa lớn ở hầu hết các quốc gia châu Âu chỉ được phép thực hiện ngoài trời. Việc tích trữ pháo hoa tại nhà để chuẩn bị cho các dịp lễ hội nên tránh, đặc biệt là trong các môi trường kín như hầm chứa hoặc căn hộ. Tốt hơn là nên lưu trữ chúng trong một nhà kho thông thoáng hoặc bãi đỗ xe để tránh các vấn đề trong trường hợp xảy ra hỏa hoạn. Ngoài ra, không nên lưu trữ pháo hoa trong thời gian dài, vì hầu hết các loại pháo hoa thương mại được thiết kế để sử dụng trong vòng 3–6 tháng sau khi sản xuất, vì các thành phần giấy có thể bị ẩm, các chất ion có thể hòa tan và tái kết tinh, do đó khả năng xảy ra sự cố tăng lên.
Trong trường hợp pháo hoa gặp sự cố: Không được nhìn ngay lập tức! Hãy đợi ít nhất 15 phút ở khoảng cách an toàn, sau đó sử dụng công cụ để xử lý—đừng bao giờ chạm vào bằng tay trần, đặc biệt là khi xử lý pháo hoa nổ hoặc tên lửa.
Nói như vậy, trong những năm qua, pháo hoa đã tích hợp một số tính năng an toàn để hoạt động hiệu quả và đáng tin cậy hơn. Ví dụ, các chất propellant đã được thay đổi từ việc chứa bột đen sang sử dụng công nghệ từ tên lửa, chẳng hạn như chất dẻo, để cải thiện hiệu suất cháy trong quá trình phóng, đồng thời giảm thiểu khói và bụi trên mặt đất. Một chuỗi phản ứng đặc biệt phải được tuân theo, nếu không nó sẽ cháy một cách vô hại.
Kiến thức là sức mạnh: Ngăn ngừa tai nạn với kiểm tra phân tích đúng cách
Để giúp ngăn ngừa các tai nạn pháo hoa như vụ ở Enschede và vô số vụ khác, việc theo dõi chặt chẽ các tham số chất lượng khác nhau là vô cùng quan trọng, bao gồm hàm lượng nước trong pháo hoa làm từ giấy, kích thước hạt của các phần tử kim loại, và độ tinh khiết cũng như thành phần của chất tạo màu, chỉ để kể tên một số yếu tố. Kiểm soát chất lượng đầy đủ mang đến trải nghiệm pháo hoa thú vị nhưng an toàn, ngay cả khi được sử dụng bởi công chúng, nếu các quy trình đúng cách được tuân thủ.
Metrohm cung cấp nhiều công nghệ phân tích và ứng dụng liên quan cho lĩnh vực nghiên cứu này. Các phép phân tích có thể được thực hiện cho nhiều loại chất và tham số chất lượng khác nhau, cũng như các vật liệu vết trong phòng thí nghiệm, ngoài đường, và trong không khí, thông qua các phương pháp hóa học ướt (ví dụ, chuẩn độ Karl Fischer, sắc ký ion, voltammetry) hoặc các kỹ thuật quang phổ (ví dụ, quang phổ hồng ngoại gần [NIRS] và quang phổ Raman).
Như đã đề cập trước đó, độ ẩm là một tham số chất lượng quan trọng khi nói về sự an toàn của các vật liệu nổ. Metrohm cung cấp hai kỹ thuật khác nhau để phân tích chính xác hàm lượng nước trong nhiều loại mẫu khác nhau, được trình bày trong các bài đăng blog sau đây.
Moisture Analysis – Karl Fischer Titration, NIRS, or both?
Moisture analysis in ammonium nitrate
Khi nói đến việc xác định nồng độ riêng biệt của các thành phần chính, một số kỹ thuật hóa học ướt thực sự nổi bật. Sắc ký anion bị ức chế là lý tưởng để đo lường các thành phần ion, ví dụ như bột pháo, vật liệu nổ khác, và thậm chí là các dấu vết vụ nổ phục vụ cho mục đích pháp y. Việc kết hợp một máy sắc ký ion với một máy phổ khối (IC-MS) mở ra nhiều khả năng phân tích hơn nữa. Đọc thêm về các nghiên cứu này (và nhiều nghiên cứu khác) bằng cách tải xuống các Ghi chú Ứng dụng miễn phí của chúng tôi.
Chlorate, nitrate, and perchlorate in firecracker powder
Ten anions in an extract of explosives
Việc sử dụng nhiều loại muối kim loại khác nhau để tạo ra màu sắc rực rỡ của pháo hoa có thể rất đẹp mắt nhưng cũng có thể gây hại cho sức khỏe của chúng ta và môi trường xung quanh. Phương pháp điện hóa voltammetry (VA) là một phương pháp phù hợp để xác định nồng độ vết và siêu vết của các kim loại nặng và các chất khác có tính điện hóa. VA không chỉ xuất sắc trong việc xác định các chất này trong phòng thí nghiệm mà còn trong thực địa, chẳng hạn như để đo lường tác động sau một buổi trình diễn pháo hoa hoặc một sự kiện không mong muốn. Hãy khám phá bộ sưu tập các thiết bị VA và ứng dụng của chúng tôi tại đây.
Metrohm: Experts in voltammetric analysis
Các kỹ thuật quang phổ như Raman có thể giúp xác định sự hiện diện của các vật liệu nổ nguy hiểm ngay cả khi giữ khoảng cách an toàn bằng cách sử dụng các phụ kiện thiết bị khác nhau. Đọc bài White Paper miễn phí của chúng tôi dưới đây về cách sử dụng MIRA DS từ Metrohm Raman để nhận diện các chất nổ một cách an toàn.
Creating Custom Libraries Detection of Binary Explosives with Mira DS
Pháo hoa thân thiện với môi trường – một mâu thuẫn?
Mặc dù pháo hoa là một hình thức giải trí rất ấn tượng, nhưng chúng có ảnh hưởng khá lớn đến môi trường sau các sự kiện văn hóa lớn hoặc ngày lễ quốc gia. Ô nhiễm không khí chung sau khi pháo hoa được bắn lên có thể được nhìn thấy qua sự gia tăng bụi và khói, nhưng cũng có sự gia tăng của hàm lượng kim loại nặng trong không khí, vì hầu hết các loại pháo hoa hiện đại sử dụng chúng để tạo màu sắc.
Vật liệu chưa cháy vẫn chứa một lượng kim loại nặng đáng kể. Sau khi rơi xuống đất, vật liệu này có thể hòa tan và đi vào nguồn nước ngầm sau khi mưa. Các vật liệu nhựa dùng để bao phủ pháo hoa vì lý do an toàn lại xuất hiện dưới dạng mảnh vỡ của vỏ hoặc vi nhựa. Việc đốt cháy các hợp chất bên trong pháo hoa dẫn đến ô nhiễm không khí tăng lên dưới dạng các hạt aerosol có thể được đo lường và đánh giá, dẫn đến kim loại nặng trong không khí, bụi mịn, và thậm chí là các hạt nano, những thứ cực kỳ có hại cho phổi của chúng ta.
Metrohm Process Analytics đã phát triển thiết bị 2060 MARGA (Monitor for AeRosols and Gases in ambient Air) được sử dụng bởi các cơ quan chính thức và các tổ chức nghiên cứu trên toàn thế giới để giám sát chất lượng không khí hoàn toàn tự động. Thiết bị này dựa trên kỹ thuật phân tích sắc ký ion và có thể được sử dụng như một thiết bị giám sát không khí liên tục chuyên dụng có thể hoạt động mà không cần giám sát trong nhiều tuần liền, hoặc như một thiết bị nghiên cứu có thể được sử dụng cho các dự án khác khi không giám sát chất lượng không khí.
Tìm hiểu thêm về thiết bị 2060 MARGA và các khả năng của nó trong bài viết blog của chúng tôi.
Continuous air quality monitoring for harmful particulate matter and aerosols
Để tìm hiểu thêm về việc sử dụng các thiết bị Metrohm để giám sát chất lượng không khí, hãy tham khảo danh sách các bài báo đã được bình duyệt khoa học dưới đây.
Air monitoring with ion chromatography: An overview of the literature references
Một thế hệ pháo hoa «xanh» mới đang được phát triển để sử dụng cho cả mục đích chuyên nghiệp và trong nhà nhằm giảm thiểu hàm lượng kim loại nặng và cũng giảm các tác nhân hình thành aerosol. Điều này khiến chúng trở nên phù hợp hơn cho các buổi trình diễn pháo hoa trong nhà và sản xuất phim. Trong các buổi trình diễn ngoài trời thông thường (ví dụ, tại các công viên chủ đề), thuốc súng dùng để vận chuyển viên pháo hoa chủ yếu đã được thay thế bằng cơ chế súng áp suất không khí.
Một lượng lớn nghiên cứu đã được thực hiện nhằm thay thế các chất tạo màu dựa trên kim loại nặng bằng các chất thay thế ít hại hơn đối với môi trường, thông qua việc tăng độ sáng của các dẫn xuất lithium bằng cách thay thế chúng cho stronti, hoặc sử dụng boron thay cho bari hoặc các hợp chất clo.
Overview of Green Pyrotechnics (in German)
Cuối cùng, các bộ phận nhựa thường được sử dụng để bao quanh pháo hoa dự kiến sẽ được thay thế bằng hỗn hợp cellulose vi tinh thể với các chất kết dính nhựa tốt hơn. Điều này mang lại độ ổn định tương tự như các vật liệu nhựa hiện tại, nhưng các vỏ bao làm từ cellulose sẽ cháy hết hoàn toàn và không để lại các chất độc hại rải rác trên mặt đất.
Tương lai của các buổi trình diễn pháo hoa
Tất cả các biện pháp an toàn không chỉ tăng cường niềm vui của pháo hoa trong suốt sự kiện mà còn sau đó—vừa thân thiện với môi trường, vừa an toàn. Nhìn về tương lai, một số buổi lễ có thể sử dụng một đội máy bay không người lái được chiếu sáng trong một điệu múa phối hợp. Điều này ngày càng trở nên phổ biến khi giá của máy bay không người lái giảm và khả năng xử lý cùng khả năng lập trình của chúng được cải thiện. Tuy nhiên, pháo hoa đã tồn tại với chúng ta suốt vài nghìn năm và có lẽ sẽ không biến mất trong thời gian tới.
Your knowledge take-aways
Metrohm Application Finder: free applications related to explosives and propellants
