Bài giảng Công nghệ các chất hoạt động bề mặt

CÔNG NGHỆ CÁC CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT NỘI DUNG Phần 1: Tổng quan về các CHĐBM Phần 2: Tổng hợp các CHĐBM Phần 3: Sản xuất bột giặt và các sản phẩm tẩy rửa khác Chất hoạt động bề mặt là gì? Chương 1  Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM Công đưa thêm các phân tử trong lòng pha lỏng đến lớp bề mặt dEs = σ.ds hay σ = dEs/ds dEs: năng lượng dư bề mặt ds: đơn vị diện tích bề mặt σ : sức căng bề mặt Đơn vị của σ: J/m2 theo cgs là erg/cm2 N/m theo cgs là dyne/cm Lực tương tác giữa các phân tử trên bề mặt và trong lòng pha lỏng Sức căng bề mặt? 1.1. Sức căng bề mặt và các yếu tố ảnh hưởng Sức căng bề mặt (surface tension hay interfacial tension) Chương 1  Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM Các yếu tố ảnh hưởng đến sức căng bề mặt - Sức căng bề mặt phụ thuộc vào bản chất của chất tiếp xúc Bảng 1.1 sức căng bề mặt của các chất lỏng tiếp xúc với không khí (σx) và của chất lỏng tiếp xúc với nước (σ1) ở 20C (dyne/cm) Nếu 2 chất lỏng chỉ hòa tan 1 phần vào nhau thì σ trên giới hạn L – L gần bằng hiệu số giữa σ của mỗi chất (đã bão hòa chất kia) so với không khí Chương 1  Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM - Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sức căng bề mặt - W. Ramsay và J. Shields sau khi hiệu chỉnh phương trình của R. Eotvos: σ.V2/3 = k(Tc – T – 6) Trong đó: V: thể tích mol của chất lỏng Tc: nhiệt độ tới hạn k: hằng số, đa số chất lỏng có k ≈ 2,1 (erg/độ) Ngoài ra: σ = σx(1 – T/Tc)n Với chất hữu cơ n = 11/9, với kim loại n ≈ 1 Chương 1  Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM - Quan hệ giữa khối lượng riêng và sức căng bề mặt Theo phương trình McLeod: σ = K.(D – d)4 Trong đó: D: khối lượng riêng pha lỏng (g/cm3) d: khối lượng riêng pha khí (g/cm3) K: là hằng số phụ thuộc nhiệt độ và tính chất của chất lỏng Chương 1  Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM 1.2. Chất hoạt động bề mặt, chất không hoạt động bề mặt và chất không ảnh hưởng đến sức căng bề mặt Các chất hoạt động bề mặt (surfactant: surface active agent) Là chất có khả năng làm giảm sức căng bề mặt của dung môi chứa nó, có khả năng hấp phụ lên lớp bề mặt, có độ tan tương đối nhỏ Sodium lauryl sulfate Các gốc hydrocarbon không phân cực kỵ nước, không tan trong nước, tan trong pha hữu cơ không phân cực Các nhóm carboxylate, sulfonate, sulfate, amine bậc 4, … Chương 1  Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM Các chất không hoạt động bề mặt Là những chất mà khi nồng độ của nó trong dung dịch tăng lên thì sức căng bề mặt tăng lên Trong nước, các muối vô cơ điện ly, các acid, base vô cơ không có phần kỵ nước. Có rất ít các chất không hoạt động bề mặt hữu cơ: HCOOH, CH3COOH, … . Trong các dung môi hữu cơ, các chất điện ly cũng làm tăng sức căng bề mặt, tuy nhiên mức độ gia tăng này tùy thuộc vào bản chất của dung môi Ví dụ: khi thêm NaI vào MeOH thì sức căng bề mặt sẽ tăng nhiều, nếu thêm NaI vào EtOH thì độ tăng này giảm đi 2 lần Chương 1  Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM Chất không ảnh hưởng đến sức căng bề mặt là những chất phân bố đều đặn trên cả lớp bề mặt và trong dung dịch, do đó không ảnh hưởng nhiều đến sức căng bề mặt của dung môi Ví dụ: đường saccharose hòa tan vào trong nước không làm thay đổi sức căng bề mặt trên giới hạn lỏng – khí Chương 1  Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM Tính hoạt động bề mặt của một chất thì không chỉ phụ thuộc vào bản chất của nó mà còn phụ thuộc vào môi trường chứa nó (dung môi) Sức căng bề mặt của chất lỏng nguyên chất gần như giảm đều đặn khi nhiệt độ tăng, còn dung dịch chứa CHĐBM có thể là một đường biểu diễn có cực đại Chương 1  Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM 1.3 Độ hoạt động bề mặt Độ hoạt động bề mặt –dσ/dc là biến thiên sức căng bề mặt theo nồng độ CHĐBM còn gọi là đại lượng Gibbs G* = –dσ/dc Độ hoạt động bề mặt của các chất trong dãy đồng đẳng biến đổi có quy luật Ví dụ: trong dãy đồng đẳng acid có 2 ≤ n ≤ 6, khi nồng độ tăng lên thì sức căng bề mặt của phân tử có mạch carbon dài hơn sẽ giảm nhanh hơn Trên cơ sở thực nghiệm DuclauX J và Trauber I đã tổng kết thành quy tắc Trauber I: “Độ hoạt động bề mặt tăng lên từ 3 đến 3,5 lần khi tăng chiều dài mạch carbon lên 1 nhóm – CH2 – ” Chương 1  Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM 1.4. Các phương pháp xác định sức căng bề mặt Phương pháp xác định sự biến đổi của mực chất lỏng trong ống mao quản Phương pháp cân giọt chất lỏng Phương pháp Lecomte du Nouy Phương pháp bản phẳng L. wilhelmy Phương pháp áp suất cực đại của bọt khí Xác định hình dạng hạt và bọt khí Đây là một trong những phương pháp chính xác nhất để xác định sức căng bề mặt Nguyên tắc đo: Đo chiều cao mực chất lỏng trong mao quản P = P1 – P2 = g.h.(ρβ – ρα) = 2σ/r θ: góc dính ướt, cosθ = R0/r R0: bán kính mao quản r: bán kính mặt khum ở nơi tiếp xúc P1, P2 : áp suất pha khí ở trong và ngoài ống mao quản  σ = 1/2 (R0.g.h(ρβ – ρα))/cosθ Chương 1  Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM 1.5. Tính chất vật lý của dung dịch CHĐBM Cấu tạo lớp bề mặt trên giới hạn lỏng – khí Sự hấp phụ tăng tỷ lệ với chiều dài mạch carbon trong một dãy đồng đẳng và các đường này đều đạt giá trị giới hạn Γm khi nồng độ chất hoạt động bề mặt đủ lớn Các đường đẳng nhiệt hấp phụ trên ranh giới lỏng – khí của dãy đồng đẳng  - số phân tử CHĐBM có trong một đơn vị diện tích bề mặt phân chia pha Chương 1  Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM 1.5. Tính chất vật lý của dung dịch CHĐBM (tt) Chương 1  Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM Trạng thái phân tử CHĐBM trong dung dịch Khi tăng nồng độ CHĐBM tăng đến một độ nào đó thì nó tồn tại dạng tập hợp với nhau, hướng các đầu kỵ nước lại với nhau tạo thành micelle (trong môi trường nước) Chương 1  Các lý thuyết cơ bản về HĐBM Cấu trúc và hình dạng của micelle Chương 1  Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM 1.6. Nồng độ micelle tới hạn (critical micelle concentration) Nồng độ dung dịch CHĐBM mà ở đó sự hình thành micelle trở nên đáng kể được gọi là nồng độ micelle tới hạn. (CMC) Chương 1  Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM Các yếu tố ảnh hưởng đến CMC của CHĐBM - Khi mạch carbon tăng lên, CMC giảm xuống; nhưng đến khi số nguyên tử Carbon > 18, CMC hầu như không đổi CMC của CHĐBM sodium alkyl sulfate trong nước ở 40C - Khi hạ nhiệt độ dung dịch => làm giảm CMC - Khi thêm chất điện ly vào dung dịch CHĐBM, CMC giảm xuống. Tác dụng làm giảm CMC của các ion giảm dần theo dãy sau: K+ > NH4+ > Na+ > Li+ Chương 1  Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM 1.7. Điểm Kraft Điểm kraft là nhiệt độ tại đó CHĐBM có độ hòa tan bằng CMC Bảng điểm kraft của dung dịch alkyl sulfate trong nước 1.8. Điểm đục Điểm đục là nhiệt độ tại đó CHĐBM không ion không thể hòa tan, tách ra khỏi dung dịch làm dung dịch trở nên đục Chương 1  Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM 1.9. HLB (hydrophilic lipophilic balance) HLB cho biết tỷ lệ giữa tính ái nước so với tính kỵ nước HLB được biểu diễn bằng thang đo có giá trị từ 1 – 40 Các CHĐBM có tính ái nước thấp sẽ có HLB nhỏ, các CHĐBM có tính ái dầu thấp sẽ có HLB lớn. Sự gia tăng HLB tương ứng với sự gia tăng của tính ái nước Mối liên hệ giữa mức độ phân tán của CHĐBM trong nước với giá trị HLB Chương 1  Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM Công thức thực nghiệm để tính giá trị HLB Tính theo cấu trúc HLB = 7 + HLB nhóm ái nước - HLB nhóm kỵ nước Chương 1  Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM Ví dụ 1 Tính giá trị HLB của phân tử axít Oleic - Công thức phân tử: CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH - Nhóm ưa nước: -COOH có giá trị HLB là 2,1 - Nhóm kỵ nước: CH3- (1); CH2- (14), CH- (2), tổng số bằng 17*0.475 = 8.075 Vậy HLB của axit Oleic là: 7-8,075+2,1=1,025 Ví dụ 2 Tính giá trị HLB của phân tử Sodium oleate - Công thức phân tử: CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COONa - Nhóm ưa nước: -COONa, có giá trị HLB là 19,1 - Nhóm kị nước: CH3- (1); CH2- (14), CH- (2), tổng số bằng 17*0,475 = 8.075 Vậy HLB của sodium oleate là: 7-8.075+19.1=18.1 Chương 1  Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM Công thức kawakami HLB = 7 + 11,7 log (Mn/Md) Mn: khối lượng phần tử ái nước trong phân tử Md: khối lượng phần tử ưa dầu trong phân tử Công thức tính ester của acid béo và rượu đa chức HLB = 20.(1 - S/A) S: là chỉ số xà phòng hóa của ester A : chỉ số acid của acid béo Chương 1  Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM Theo Griffin Nếu hỗn hợp có nhiều CHĐBM thì HLBhh = xi.HLBi Với xi phần khối lượng trong tổng lượng CHĐBM Ví dụ Một hỗn hợp của 20% paraffin wax (HLB = 10) và 80% aromatic mineral oil (HLB = 13) thì tạo thành hệ nhũ có HLB là (10 x 0,2) + (13 x 0,8) = 12,4