Báo cáo Thí nghiệm hóa dầu - Đo sức căng bề mặt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HỮU CƠ HOÁ DẦU & BÁO CÁO THÍ NGHIỆM CHUYÊN NGÀNH II BÀI 8: ĐO SỨC CĂNG BỀ MẶT Hà Nội, 9/2012 Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Khánh Diệu Hồng Sinh viên thực hiện: Nguyễn Minh Ngọc MSSV: 20081898 Lớp: Hoá Dầu 1 Khoá: 53 I. Khái niệm. 1. Chất hoạt động bề mặt: (Surfactant, Surface active agent) là một chất làm ướt có tác dụng làm giảm sức căng bề mặt của một chất lỏng. Là chất mà phân tử của nó phân cực: một đầu ưa nước và một đuôi kị nước. Chất hoạt động bề mặt được dùng để làm giảm sức căng bề mặt của một chất lỏng. Nếu có nhiều hơn hai chất lỏng không hòa tan thì chất hoạt hóa bề mặt làm tăng diện tích tiếp xúc giữa hai chất lỏng đó. Khi hòa 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. 2. Sức căng bề mặt: • Sức căng bề mặt được là lực căng trên một đơn vị chiều dài cắt ngang bề mặt. Trong hệ đo lường quốc tế, sức căng bề mặt được đo bằng Newton trên mét (N/m). • Cũng có thể định nghĩa sức căng bề mặt là công cơ học thực hiện khi lực căng làm cho diện tích bề mặt thay đổi một đơn vị đo diện tích. II. Mục đích thí nghiệm: • Thực hành một trong những phương pháp đo sức căng bề mặt của một dung dịch chất hoạt động bề mặt. • Mang lại cho sinh viên khả năng quan sát thực tế và thao tác trên thiết bị chuyên dụng. • Trong Nội dung thí nghiệm là "phương pháp tách vòng". III. Ý nghĩa bài thí nghiệm: • Các chất hoạt động bề mặt và chất tẩy rửa được ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống và trong công nghiệp. • Chỉ tiêu quan trọng của các chất HĐBM và CTR lại là sức căng bề mặt, và chỉ tiêu này càng giảm thì khả năng tẩy rửa càng tăng. • Do đó nghiên cứu và đo đạc thông số này mang lại rất nhiều ý nghĩa quan trọng trong việc nghiên cứu, chế tạo và sử dụng các chất HĐBM và CTR. IV. Các phương pháp đo SCBM của chất lỏng: 1. Phương pháp dâng mao quản Định nghĩa: dựa vào sự chênh lệch mức nước bên ngoài và bên trong mao quản, khi tao nhúng một ống nhỏ(mao quản) vào trong dung dịch thì dung dịch sẽ dâng lên trong ống và tạo ra độ chênh lệch giữ chiều cao mức chất lỏng trong và ngoài ống. Khi áp suất thủy tĩnh cân bằng với áp suất khí quyển thì chiều cao mức chất lỏng sẽ dừng lại. P = D.g.h Trong đó: • g là gia tốc trọng trường. • D là khối lượng riêng của chất lỏng • h là chiều cao của cột chất lỏng. • P là áp suất khí quyển. Ta lại có P= 2 σ/ R = D.g.h Với σ là SCBM chất lỏng R là bán kính bề mặt thoáng dung dịch trong mao quản - coi gần bằng r là bán kính mao quản. σ = D.g.h.r/2 Dùng phép đo với nước ta có: σo = Do.g.ho.r/2 Vậy σ/σ o =D.h/Do.ho σ = σo.D.h/Do.ho (1) Từ các thông số của nước có thể tra cứu được như σo và Do thay vào công thức (1) ta sẽ tính được SCBM của dung dịch cần đo. Hiện tượng mà chất lỏng dâng cao hơn hoặc thấp hơn trong mao quản so với mặt thoáng bên ngoài gọi là hiện tượng mao dẫn. Đánh giá sai số: số liệu phụ thuộc nhiều vào thông số thí nghiệm, tính chính xác không cao. 2. Phương pháp đếm giọt. Định nghĩa: là phương pháp đo sức căng bề mặt dựa trên tính chất của giọt lỏng ở đầu ống nhỏ giọt cân bằng với trọng lượng của nó. Phương pháp tiến hành: cho một lượng chất lỏng chính xác vào ống nhỏ giọt và đếm số giọt chảy ra để xác định thể tích của một giọt. Cơ sở: khi giọt lỏng bám ở đầu ống nhỏ giọt là nhờ vào sức căng bề mặt của nó. Sức căng này lớn hơn trọng lượng của bản thân nó nên nó không rơi xuống. Khi giọt lỏng ngày càng lớn và đến khi nó bắt đầu rơi thì đó là thời điểm cân bằng giữa trọng lượng và lực của sức căng bề mặt. Do sức căng bề mặt của chất lỏng là cố định nên thể tích mỗi giọt sẽ là như nhau. Tính toán: Từ thể tích của lượng Chất lỏng và số giọt chảy ra ta sẽ kính được thể tích của một giọt lỏng. Ta có P = v.D.g v là thể tích giọt lỏng D là khối lượng riêng g là gia tốc trọng trường. Lực căng bề mặt chất lỏng được đo bằng: F = 2 π .r. σ r là bán kính ống mao quản. σ Là sức căng bề mặt. Khi giọt lỏng bắt đầu rơi thì cân bằng F = P Từ đó ta có: σ= v.D.g/(2 π .r) (2) Từ công thứ (2) thì ta lại đo cho nước trước rồi đo cho dung dịch Cần đo và tính toán theo công thức tỉ lệ: σ = σo.D.v/(Do.vo) hay còn dùng công thức: σ= σo.D.no/(Do.n) Với n là số giọt, n tỷ lệ nghịch với v. Sai số: số liệu phụ thuộc nhiều vào các thao tác thí nghiệm nên tính chính xác không cao. 3. Phương pháp đo sức căng bề mặt áp suất lớn nhất của bọt khí. Định nghĩa: phương pháp này đo sức căng bề mặt bằng cách tạo ra các bọt khí giống nhau bằng cách thổi không khí qua ống dẫn mao quản đã biết trước bán kính sau khi nhúng ống vào chất lỏng cần đo SCBM. Cơ sở và cách tiến hành: Trong quá trình thổi thì sức căng bề mặt lớn nhất khi bán kính bóng bằng đúng bán kính ống dẫn mao quản và tại đó SCBM được tính như sau: σ =ΔPmax.r/2 r là bán kính mao quản. σ Là sức căng bề mặt. ΔPmax là độ giảm áp suất tối đa. Đánh giá phương pháp: Phương pháp này thường được dùng để đo cho hệ thống có chứa Chất hoạt động bề mặt vì nó không đòi hỏi đo góc tiếp xúc và có độ chính xác cao, thời gian đo nhanh chóng. Ngoài ra nó thích hợp cho những dung dịch sinh học như huyết thanh vì nó không đòi hỏi một số lượng lớn của mẫu. 4. Phương pháp tách vòng Đây là phương pháp cho kết quả nhanh và chính xác, ít sai số nên được thực hiện trong bài thí nghiệm và Nội dung chi tiết tại mục V. V. Nội dung thí nghiệm đo SCBM bằng phương pháp tách vòng 1. Ưu điểm: Phương pháp thực hiện trên máy, thao tác đơn giản hoàn toàn trên máy. Quá trình thực hiện nhẹ nhàng, không mất sức, quan sát đơn giản hoàn toàn bằng mắt thường. Thời gian thực hiện rất nhanh chóng cho kết quả luôn. 2. Nhược điểm: Do là quan sát bằng mắt trực quan nên không tránh khỏi sự sai khác giữa những lần đó và những người đo khác nhau. Nhược điểm nhỏ về kỹ năng dùng thiết bị đó là yêu cầu để máy ổn định, máy phải để cân bằng, không vênh vòng, cốc đựng mẫu phải tuyệt đối sạch, cách nhấn nút enter phải dứt khoát. 3. Đánh giá sai số. • Phương pháp này nếu thực hiện đúng theo quy trình thì sai số mắc phải là rất nhỏ. Chủ yếu sai số là quá trình quan sát của mắt người khi vòng vừa dứt da khỏi mặt chất lỏng. • Sai số còn mắc phải khi thiết bị bị rung giật cho tác động bên ngoài • Sai số nếu thao tác vặn con lăn nâng vòng lên không được chuẩn và quá nhanh trong vùng chỉnh tinh. • Quá trình đo ta gặp một sai số đó là nhiệt độ thí nghiệm không phải là 25 độ C nhưng ta vẫn chọn là 25 độ C do không đủ thời gian và điều kiện để xác định thật chính xác thông số này. Rõ ràng nó sẽ làm sai số trong kết quả. • Khi bật máy phải chờ 10 phút để ổn định. • Sau khi máy cho ta 2 thông số a và b sẽ thay trực tiếp vào công thức tính nên sẽ không gặp sai số tính toán. 4. Kết quả thí nghiệm: Các thông số nhập vào máy: • Thông số vòng: 6,1858 • R/r: 54,2857 • D/d: 1,184/0,901 là tỉ trọng giữa không khí và dầu thông. • Nhiệt độ tiến hành là 25 độ C. Và cho ta kết quả như sau: Từ các thông số đo được ta xác định SCBM theo công thức sau: σ =σo - a . ln (1+ b.C) Trong đó: σ, σo là sức căng bề mặt của dung dịch ở nồng độ C và của dung môi nước nguyên chất. a, b là hai hằng số thực nghiệm đo được ở trên. Tra sổ tay Hoá Công I trang 301 ta có: σo của H2O tại 20 độ C là 72,8 mN/m. σo của H2O tại 40 độ C là 69,6 mN/m. Nội suy ta có: σo của H2O tại 25 độ C là 72,0 mN/m. C = 1 mol/lit. Thay vào công thức tính ta có: σ = 72,0 - 30,887 x ln(1+ 0,367 x 1) = 62,34 mN/m. Lần 1 Lần 2 Lần 3 Trung Bình a 30,549 30,964 31,148 30,887 b 0,364 0,368 0,370 0,367 VI. Kết luận. SCBM là một thông số rất quan trọng trong đánh giá chất lượng, nghiên cứu, sản xuất,...các chất hoạt động bề mặt và chất tẩy rửa. Có nhiều phương pháp xác định thông số này và mỗi phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm riêng. Phương pháp tách vòng là một trong những phương pháp ưu Việt.