Nghiên cứu về chất hoạt động bề mặt

A.Lời nói đầu.
Công nghệ hóa học được coi là một trong những ngành khoa học có
lịch sử lâu đời nhất trong lịch sử nhân loại.Từ ngàn xưa nó đã được chú
trọng phát triển vì có nhiều ứng dụng thiết thực trong cuộc sống. Cùng
với thời gian, hóa học ngày càng có những bước tiến vượt bậc trở thành
một ngành quan trọng, có ảnh hưởng lớn tới sự phát triển của các ngành
khác.
Một trong những ứng dụng khá phổ biến của ngành hóa là về việc sử
dụng các chất hoạt động bề mặt để sản xuất các chất tẩy rửa trong đời
sống sinh hoạt hằng ngày, hay sử dụng chúng để làm chất xúc tác trong
các phản ứng trong công nghiệp nhằm nâng cao hiệu suất sản xuất của
các quá trình công nghiệp.
Việc sử dụng các chất HĐBM có một lịch sử lâu dài, từ khi người ta
nhận thấy rằng một vài dịch ép thực vật, như saponin glycosit từ bồ kết
có thể hỗ trợ quá trình giặt rửa. Từ đó công nghệ sản xuất xà phòng được
phát triển nhờ áp dụng quá trình hóa học xà phòng hóa (thủy phân bằng
kiềm) đối với dầu mỡ động vật và thực vật.
Sự phát triển mạnh công nghệ các chất HĐBM diễn ra cùng với quá
trình công nghiệp hóa, nhất là trong công nghiệp dệt may. Nhưng khi đó,
chất HĐBM vẫn chỉ được dùng chủ yếu như chất giặt rửa.
Vào những năm 1950, việc chuyển từ bột xà phòng dễ bị phân hủy
sinh học đến bột chất tẩy rửa bị phân hủy sinh học chậm hơn làm xuất
hiện những nhu cầu đầu tiên đòi hỏi làm giảm tác động môi trường của
các chất tẩy rửa. Các con sông sủi bọt đã là mối lo lắng và dẫn đến những
nghiên cứu về phân hủy sinh học, mà kết quả là sự thay đổi về cấu trúc
mạch cacbon của phân tử chất HĐBM, nhờ đó hiện tượng ô nhiễm bọt ở
các con sông đã hạn chế rất nhiều.
Page 1


Cùng với những nhận thức sâu sắc hơn về môi trường và phát triển

bền vững, ngày nay còn có nhiều nghiên cứu hướng vào và mở rộng hơn
nữa những mục tiêu đó. Ngoài việc bản thân các chất HĐBM trở nên thân
thiện hơn với môi trường, những hóa chất này còn có thể sử dụng cho
những mục đích khác. Chẳng hạn, sơn và các quá trình tẩy dầu mỡ ngày
nay có thể được phối chế trong dung môi là nước, đó là nhờ các chất
HĐBM, cho phép giảm lượng các chất hữu cơ dễ bay hơi phát thải vào
khí quyển. Chẳng hạn,ứng dụng chất HĐBM làm các tác nhân tạo độ ẩm,
chất tạo nhũ, tăng độ tan, diệt khuẩn, chất chống nhiễm tĩnh điện, chống
ăn mòn...
Trong bài này, nhóm tham gia nghiên cứu của chúng tôi chỉ giới hạn
đến một số ứng dụng quan trọng và phổ biến nhất trong ngành công nghệ
các chất vô cơ: 1_Ứng dụng trong sản xuất chất tẩy rửa.
2_Ứng dụng trong tuyển nổi và khai thác khoáng sản.
3_Ứng dụng trong làm bền hệ nhũ tương và điều chế hạt
nano.
Bài viết tuy được tìm hiểu và nghiên cứu kĩ càng nhưng không thể
tránh khỏi sai sót. Chúng tôi rất mong nhận được sự góp í của thầy cô và
bạn bè.
Xin chân thành cảm ơn!

Page 2


B_Nội Dung
I_Giới thiệu về chất hoạt động bề mặt.
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.
Quá trình tìm hiểu về chất hoạt động bề mặt có liên quan đến các yếu tố
sức căng bề mặt và sự thấm ướt của vật chất.
1_ Khái niệm về sức căng bề mặt (SCBM).

Con

nhện

nước

đứng

được

trên

mặt

nước.

Mưa rơi thành hạt mà không tan ra thành hơi nước.
Khi đổ nước vào trong 1 cốc, rồi bỏ nhẹ từng viên sỏi nhỏ vào, nước
sẽ nhô cao lên khỏi miệng mà không tràn ra ngoài, cứ như là cốc được
đậy bằng một nắp vô hình nào đó.
Những hiện tượng này được giải thích nhờ khái niệm SCBM.
a.Nguồn gốc của SCBM:( σ )
SCBM có bản chất là chênh lệch lực tương tác giữa các phân tử với
nhau. Lực tương tác giữa các phân tử càng tăng thì SCBM càng lớn. Nó
khiến các phân tử ở bề mặt của chất lỏng thể hiện đặc tính của một màng
chất dẻo đang chịu lực kéo căng.

Page 3

Các phân tử trong lòng chất lỏng luôn chịu ảnh hưởng của các lực
phân tử từ các phân tử xung quanh. Với các phân tử nằm ở giữa chất
lỏng, chúng được bao quanh một cách đối xứng bởi các phân tử chất lỏng
cùng loại khác, nên lực tổng cộng được cân bằng thành 0. Ở bề mặt chất
lỏng, một bên phân tử bị các phân tử cùng loại tương tác với lực khác bên
kia do các phân tử khác loại (Chân không, không khí hay chất lỏng khác).
Lực tổng cộng có thể kéo phân tử bề mặt vào bên trong chất lỏng, như
trường hợp bề mặt giọt nước trong không khí, hay đẩy nó ra phía ngược
lại, như trường hợp giọt nước bám vào thành ống mao dẫn.

Mô hình lực tương tác giữa các phân tử
trong và trên bề mặt chất lỏng.
Đây là hiệu ứng làm cho giọt nước trong không khí có hình cầu, hỗ trợ
thực vật vận chuyển nước từ rễ lên đến lá thông qua hệ mạch dẫn phloem
bằng hiện tượng mao dẫn, giúp nhện nước bò trên mặt nước, giải thích
trạng thái cân bằng của nhũ tương cũng như tác dụng tẩy rửa của xà
phòng nói riêng hay hoạt tính nói chung của chất hoạt hóa bề mặt, ...
b.Năng lượng tự do bề mặt (Gs).
Khi nhìn một phân tử trong sự tiếp xúc qua lại với các phân tử láng
giềng, những phân tử phía trong đều có nhiều láng giềng như nhau.
Nhưng những phân tử ranh giới có những ít láng giềng hơn phân tử phía
trong và bởi vậy chúng ở trong một trạng thái bất ổn định có năng lượng
Page 4


cao, được gọi là năng lượng bề mặt. Để tối giản năng lượng đó, nó phải
tối giản số lượng những phân tử ranh giới và phải bởi vậy tối giản diện
tích bề mặt.
Gs = k.S
Trong đó: _S là diện tích bề mặt của chất lỏng.

_k là hệ số tỉ lệ, đặc trưng cho cường độ tương tác giữa
các phân tử. K phụ thuộc áp suất nội, nhiệt độ, bản chất của dung dịch
lỏng.
Năng lượng Gs tỉ lệ với diện tích bề mặt S. Diện tích bề mặt càng lớn
thì năng lượng bề mặt càng cao, hệ lỏng càng kém bền. Chính vì vậy, các
chất lỏng có xu hướng tối thiểu năng lượng bề mặt này vì đó là trạng thái
bền. Cùng 1 thể tích chất lỏng thì giọt chất lỏng càng lớn, diện tích bề
mặt càng bé. Đó là nguyên nhân tách pha của hệ nhũ tương, hệ phân tán.
Khi làm tăng diện tích bề mặt từ S1 → S2 (S2 > S1), có năng lường bề
mặt tương ứng:

Gs1 = k.S1

Gs2 = k.S2 ( năng lượng tự do bề mặt tăng )
→∆Gs = Gs1 – Gs2 = k.(S1 – S2)
→ Cần cung cấp cho hệ 1 công A, với: -A = ∆Gs = k. ∆S
K = ∆Gs /∆S = -A/∆S
→ Đặt σ = k = ∆Gs /∆S = -A/∆S . (*)

Page 5


c.Định nghĩa sức căng bề mặt:
Định nghĩa suy từ công thức (*) : 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. Như vậy nó cũng là mật độ diện tích của năng lượng; ý nghĩa này
mang lại tên gọi năng lượng bề mặt cho đại lượng vật lý này.
Cũng có thể định nghĩa sức căng bề mặt là lực căng trên một đơn vị
chiều dài của đường giao tuyến giữa mặt chất lỏng và mặt rắn.
Trong hệ đo lường quốc tế [SI], đơn vị đo sức căng bề mặt là J /m²

hoặc N/m.
2_Các yếu tố ảnh hưởng đến sức căng bề mặt.
a.Bản chất của dung dịch lỏng:
b.Nhiệt độ
Khi nhiệt độ tăng, lực tương tác giữa các phân tử lớp bề mặt chất lỏng
giảm nên sức căng bề mặt cũng giảm

Page 6


Ta có công thức:
a = -dσ/ dT => σ T – σ To = -a ( T - To )
Trong đó: a: hệ số phụ thuộc bản chất của chất lỏng
σ: sức căng bề mặt (dyn/cm) hoặc (N/m²)
To: nhiệt độ ở điều kiện chuẩn(25ºC)
T: nhiệt độ ở thời điểm đo
=> Khi nhiệt độ tăng, sức căng bề mặt giảm => việc tăng nhiệt độ có
lợi cho việc hình thành hệ vi nhũ tương.Tuy nhiên khi tăng nhiệt độ
lên quá cao như đã nói ở trên sẽ làm phá hủy các hạt dầu nên việc
chọn nhiệt độ thích hợp là rất cần thiết trong việc tạo hệ vi nhũ
tương.
c.Chất HĐBM:
Chất HĐBM 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 HĐBM có xu
hướng nổi lên trên bề mặt chất lỏng, tạo đám (micelle), làm cho cấu trúc
của hệ thay đổi → giảm năng lượng bề mặt → giảm sức căng bề mặt →
tăng khả năng hòa tan trong nước, hoặc hòa tan trong các dung môi
không phân cực như dầu, giúp cho các quá trình vật lí, hóa học diễn ra dễ

dàng hơn.
Nguyên lí làm giảm sức căng bề mặt của chất HĐBM có tính ứng
dụng cao và rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Về cơ chế của nó, ta sẽ tìm
hiểu ở phần sau.
*.Quan hệ giữa sức căng bề mặt và độ tan giữa 2 pha lỏng:
Page 7


Khi trộn 2 chất lỏng vào nhau, sẽ xảy ra các hiện tượng sau:
-

Hai chất lỏng tan lẫn vô hạn vào nhau, và không tồn tại bề

mặt phân chia pha.
-

Hai chất lỏng hoàn toàn không tan lẫn.

-

Hai chất lỏng tan lẫn có giới hạn vào nhau, tách lớp tạo ra 2

pha dung dịch: A tan bão hòa trong B và B tan bão hòa trong A.
Sức căng bề mặt trên bề mặt 2 pha lỏng tiếp xúc nhau nhỏ hơn sức căng
bề mặt của từng chất lỏng riêng biệt. Chúng được liên hệ với nhau theo
qui tắc Anatoli:
-

Nếu là 2 chất lỏng không tan lẫn, sức căng bề mặt trên bề

mặt tiếp xúc bằng hiệu sức căng bề mặt của các pha lỏng.
-

Nếu 2 chất lỏng tan có giới hạn thì sức căng trên bề mặt tiếp

xúc tỉ lệ với hiệu 2 sức căng bề mặt của các chất thành phần. Nếu
độ phân cực của 2 chất lỏng càng khác biệt thì sức căng bề mặt tiếp
xúc càng lớn.
-

Trường hợp độ phân cực của 2 chất lỏng bằng nhau thì sức

căng trên bề mặt tiếp xúc bằng 0. → 2 chất lỏng tan vô hạn vào
nhau.
3_ Chất hoạt động bề mặt (HĐBM).
a.Cấu tạo:
Cấu tạo của chất HĐBM gồm 2 phần: - Phần có cực (Hydrophile): đó
là các nhóm chức có cực: - COO‾, - CONH2, - C6H4SO3‾, - SO3‾,...Các
nhóm này liên kết mạnh với các dung môi có cực (như H2O) nên phần có
cực này gọi là đầu ưa nước.
- Phần không cực (Hydrophobe):
là các gốc hidrocacbon. Các gốc này liên kết tốt với dung môi không
phân cực nên gọi là đuôi không cực ( ưa dầu).
Page 8


Một chất HĐBM gồm 2 nhóm: ưa nước và ưa đầu kết hợp với nhau
trong phân tử nên gọi là chất HĐBM lưỡng chức.
Kí hiệu:

b.Phân loại:
Tùy theo tính chất mà chất HĐBM được phân theo các loại khác nhau.
Nếu xem theo tính chất điện của đầu phân cực của phân tử chất HĐBM
thì có thể phân chúng thành các loại sau:
•

Chất hoạt hóa ion: khi bị phân cực thì đầu phân cực bị ion

hóa.
o

Chất hoạt hóa dương: khi bị phân cực thì đầu phân

cực mang điện dương, ví dụ:


o

Cetyl

trimetylammonium

bromua

(CTAB)

Chất hoạt hóa âm: khi bị phân cực thì đầu phân cực

mang điện âm




Natri dodecyl sulfat (SDS)

Page 9




N-Lauroylsarcosine Sodium



Sodium deoxycholate (DOC) Natri deoxycholate
(DOC)

•

Chất hoạt hóa phi ion: đầu phân cực không bị ion hóa, ví dụ:

Lauryldimethylamine-oxide (LDAO)
•
•

Chất hoạt hóa lưỡng cực: khi bị phân cực thì đầu phân cực

có thể mang điện âm hoặc mang điện dương tùy vào pH của dung
môi,
Ví dụ: amino acid.

b.Cơ chế làm giảm sức căng bề mặt của chất HĐBM:
Các chất lỏng phân cực thì dễ tan trong dung môi phân cực. Và ngược
lại, các chất không phân cực thì dễ tan trong dung môi không phân cực.
Chất HĐBM có 2 đầu phân cực và không phân cực thì khi tan trong dung
môi phân cực ( như nước ) thì có xu hướng nổi lên trên bề mặt chất
lỏng,định hướng vuông góc vơi bề mặt, sao cho nhóm ưa nước nằm ở bề
mặt, nhóm kị nước hướng ra ngoài tạo thành 1 màng lỏng trên bề mặt.
Page 10


Chất HĐBM nổi lên trên bề mặt nước
Công thức tính sức căng bề mặt của dung dịch.
σ' = σ – A ln(1+BC)
C: nồng độ chất HĐBM.
A,B: hằng số. - B phụ thuộc vào bản chất của chất
HĐBM.
- A phụ thuộc vào nhiệt độ.
σ: sức căng bề mặt của nước nguyên chất
Từ biểu thức có thể nhận xét rằng, Sức căng bề mặt phụ thuộc vào
nồng độ của chất HĐBM. Khi nồng độ của chất HĐBM còn nhỏ, các
phân tử chất HĐBM bị đẩy lên bề mặt làm cho sức căng bề mặt của chất
lỏng giảm xuống. Khi bề mặt lỏng đã bị chiếm hết chỗ bởi các nhóm có
cực của chất HĐBM thì sức căng bề mặt không giảm nữa và từ đó các
phân tử chất HĐBM bắt đầu tạo ra các cấu trúc mixen và các kiểu cấu
trúc khác trong lòng chất lỏng.

Page 11


Cấu trúc của 1 mixen

Nồng độ của chất HĐBM 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 (0 chiều), hình trụ (1 chiều), màng (2
chiều). Tính ưa, kị nước của một chất HĐBM được đặc trưng bởi một
thông số là độ cân bằng ưa kị nước (HLB), giá trị này có thể từ 0 đến 40.
HLB càng cao thì hóa chất càng dễ hòa tan trong nước, HLB càng thấp
thì hóa chất càng dễ hòa tan trong các dung môi không phân cực như dầu.
Mixen có vai trò quan trọng quyết định tính tan của hệ. Chất muốn hòa
tan có cực hay không cực thì các phân tử chất đó phải chen vào mixen
của chất HĐBM.
4. Hiện tượng thấm ướt.
a.Khái niệm:
Khi ta nhỏ một giọt chất lỏng lên một bề mặt thì xảy ra hiện tượng:
•Giọt chất lỏng loang ra trên bề mặt, đó là hiện tượng bề mặt thấm ướt
lỏng.
•Giọt chất không loang ra bề mặt, là hiện tượng không thấm ướt (kị

Page 12


lỏng).

Hiện tượng thấm ướt được quyết định bởi hai loại lực tương tác:
•Lực tương tác giữa các phân tử lỏng- lỏng: f(L- L)
•Lực tương tác giữa các phân tử lỏng- rắn: f(L- R).
và : •Nếu f(L- R) > f(L- L), ta có hiện tượng thấm ướt.
•Nếu f(L- R) < f(L- L), ta có hiện tượng kỵ nước.
Ví dụ: Bông sợi thấm ướt tốt hơn nylon nhưng nếu nhúng vào dầu thì
nylon thấm ướt tốt hơn bông.

*.Góc thấm ướt:
Góc thấm ướt θ được đặc trưng bởi đường thẳng tiếp tuyến với mặt
cong phân cách rắn-lỏng-khí và phương vuông góc với chiều rơi thẳng
đứng.
θ = 180˚ → hoàn toàn không thấm ướt.

θ = 0˚ → thấm ướt hoàn toàn.
Trong thực tế, θ < 90˚ → có thấm ướt
θ > 90˚ → không có thấm ướt
Mức độ thấm ướt phụ thuộc vào bản chất của bề mặt rắn và chất lỏng.
Với mỗi loại chất rắn có 1 góc thấm ứơt tương ứng.

Page 13


b.Quan hệ giữa khả năng thấm ướt với sức căng bề mặt của các chất.
Khi giọt chất lỏng ở trên bề mặt rắn đạt cân bằng thì các phân tử tại A
chịu 3 lực tác dụng do sức căng bề mặt của chất gây ra.
σr,k: sức căng bề mặt của rắn và khí.
σl,k: sức căng bề mặt của lỏng và khí.
σr,l: sức căng bề mặt của rắn và khí.
σl,k gây ra 1 lực tác dụng vào phân tử A theo hướng kéo A về phía bên
phải.
Cos θ = (σr,k - σr,l)/ σl,k
Điều kiện để có thấm ướt : θ < 90˚ → Cos θ > 0
→ σr,k > σr,l
Khi thay đổi σl,k thì dẫn đến thay đổi Cos θ. σl,k giảm thì khả năng
thấm ướt tăng. Vì vậy, xăng dầu có sức căng bề mặt bé hơn nước sẽ thấm
ướt tốt hơn.
Nếu chất lỏng và rắn có tính chất gần giống nhau thì σr,k sẽ rất nhỏ →

Cos θ lớn nhất → thấm ướt tốt.
Trong thực tế, để cải tạo tính thấm ướt của 1 vật phải tác động đến 2
yếu tố σr,k và σl,k.
*.Thấm ướt là quá trình tự xẩy ra. Thông thường, bề mặt rắn có năng
lượng tự do bề mặt khá lớn nên có xu hướng làm giảm năng lượng năng
đó.

Page 14


Gs = k.S
dGs = σ.dS + S.dσ
Quá trình tự xảy ra nên dGs < 0 → σ giảm. Vì vậy, quá trình thấm
ướt là quá trình tỏa nhiệt.
c.Thấm ướt có tính chọn lọc, ứng dụng của nó.
Như trên đã nói, quá trình thấm ướt ưu tiên chất nào càng làm giảm
năng lượng bề mặt. Chất lỏng nào có hiệu số độ phân cực so với bề mặt
bé hơn thì khả năng thắm ướt tốt hơn.
Ví dụ: Cho 1 bề mặt rắn tiếp xúc với 2 chất lỏng là nước (ưa nước)và
Hydrocacbon (kị nước). Nếu bề mặt rắn thấm ướt chọn lọc nước thì Cosθ
> 0 (hiệu số độ phân cực rắn lỏng nhỏ hơn).
Tuyển nổi là 1 ứng dụng quan trọng của hiện tượng thấm ướt. Trong
quá trình tuyển nổi, vật rắn ( quặng ) đi từ vị trí 1 trong thể tích chất lỏng
đến vị trí 2 trên bề mặt chất lỏng. 2 bề mặt lỏng-khí và rắn-lỏng được
thay bởi bề mặt rắn-khí.
σl,k + σl,r > σr,k
f là lực nâng hạt khoáng từ (1) → (2) được xác định:
f = σl,k + σl,r - σr,k
mà:

σr,k - σr,k = σl,k. Cosθ → f = σl,k - σl,k.Cosθ
→ f = σl,k.(1 – Cosθ)

P là trọng lực của hạt quặng : P = m.g

Page 15


Để hạt khoáng nổi lên trên bề mặt lỏng thì:
f > P → σl,k.(1 – Cosθ) > m.g

→ các yếu tố tác động đến quá

trình tuyển nổi là: khối lượng của hạt quặng (m) , bản chất của quặng và
chất lỏng làm thuốc tuyển.

II_Ứng dụng của chất hoạt động bề mặt.
Hiện nay, chất hoạt động bề mặt được ưng dụng rộng rãi trong các
ngành công nghiệp và đời sống như: trong bột giặt, công nghiệp nhuộm,
công nghiệp thực phẩm, mỹ phẩm,in ấn , trong nông nghiệp, xây dựng,
dầu khí, công nghiệp khoáng sản,...
1_Ứng dụng của chất HĐBM trong sản xuất chất tây rửa ( xà
phòng ).

Xà phòng dạng lỏng và dạng bánh
a.Xà phòng, một số chất HĐBM được sử dụng trong đó.
Xà phòng hay xà bông (soap) là một chất tẩy rửa các vết bẩn, vết dầu
mỡ. Thành phần của xà phòng là muối natri hoặc kali của axít béo. Xà
phòng được dùng dưới dạng bánh, bột hoặc chất lỏng.

Page 16


Xà phòng trước kia được điều chế bằng cách cho chất béo tác dụng
với kiềm bằng phản ứng xà phòng hoá. Sản phẩm tạo ra là muối natri
hoặc kali của axit béo. Vì thế xà phòng được phân loại thành xà phòng
cứng (chứa natri) và xà phòng mềm (chứa kali). Loại xà phòng này có
một nhược điểm là không giặt được trong nước cứng vì nó tạo các kết tủa
với các ion canxi và magiê bết lên mặt vải làm vải chóng mục.
Về sau, xà phòng được sản xuất từ dầu mỏ. Vì thế nó đã khắc phục
được nhược điểm trên để có thể giặt được quẩn áo bằng nước cứng.
- Cấu trúc của chất HĐBM trong xà phòng:
+ Phần phân cực ưa nước gồm các nhóm – OH, ONa, - COOH...
+ Phần không phân cực : kị nước là các gốc hydro cacbon ,có thể là gốc
alkyl, aryl
Khả năng hoạt động bề mặt của chúng phụ thuộc vào :
- Bản chất của nhóm phân cực .
- Vị trí của nhóm phân cực trong mạch cacbon: nhóm phân cực ở đầu
mạch thường có khả năng tẩy rửa tốt hơn ở giữa mạch; nhóm phân cực
thông dụng là -COONa, SO3Na...
- Nhóm kỵ nước có cấu tạo mạch thẳng khả năng hoạt động bề mặt tốt
hơn mạch nhánh, nhóm có thành phần hỗn hợp alkyl và arese tốt hơn
alkyl hoặc aryl đơn thuần.
Tùy theo đặc tính của nhóm ưa nước người ta chia các chất hoạt động
bề mặt tổng hợp thành 3 loại :
- Loại anion: chủ yếu là loại có nhóm -SO3‾ ,
-OSO3‾ , (-O3Na, - OSO3Na), có thể sử dụng trong môi trường acid yếu
và nước cứng .
Cấu trúc: R - SO3Na : alkyl sunfonat Natri. (R có C12 ® C18).
Page 17

Ví dụ :

R - C6H4 - SO3Na .
C18H37OSO3Na (Sunfat natri của alcol octa dexilyc).
-Loại cation:có chứa nhóm amin bậc 4
-Loại không ion (trung tính) có nhóm phân cực là

nhóm -OH, ete, este...
Ví dụ: Ar (RO - CH2 - CH2O) x -CH2 - CH2 - OH
R= C18H37
Thay R = Ar = phenyl ,

x=10
x = 20

RCOO(CH2 CH2O) x CH2 CH2 OH
RCOO-: gốc acid béo, x = 30 → dis mougal
Ngoài chất HĐBM, bột giặt, xà phòng thường là hỗn hợp gồm nhiều
thành phần khác :
- Chất hoạt động bề mặt: chiếm từ 30% → 80%.
- Các chất phụ gia và chất độn : Na2CO3, Na5P3O10, Na2SiO3,
Na2SO4, nhựa thông,... có trong thành phần bột giặt, xà bông làm chất
phụ gia tạo thành môi trường kiềm thủy phân các chất bẩn, làm tăng độ
tan, giảm độ cúng của nước.
- Chất ổn định bọt hữu cơ và vô cơ.
- Chất màu, Chất tạo hương, chất chông oxi hóa.
b.Cơ chế tẩy rửa.
Công việc giặt quần áo, rửa bát, đĩa, gội đầu sẽ trở nên dễ dàng nếu

các chất bẩn được hòa tan trong nước. Dung môi nước là dung môi rất dễ
hòa tan. Tuy nhiên, nếu các phân tử dung môi liên kết với nhau mạnh hơn
liên kết với chất bẩn thì việc hòa tan chất bẩn sẽ trở nên khó khăn. Và
không may, rất nhiều chất bẩn chúng ta muốn loại bỏ lại có liên kết yếu
với nước.
Nước là một dung môi tuyệt vời cho các chất phân cực như các muối
dễ phân ly thành các ion mang điện hoặc các loại đường có các vùng tích
Page 18


điện. Chính nước cũng bao gồm các phân tử phân cực: hyđro có điện tích
dương và oxy có điện tích âm yếu. Khi các phân tử nước gặp phân tử chất
bẩn có cực, lực hút tĩnh điện sẽ bẫy phân tử này và mang nó đi. Một số
chất không phân cực, ví dụ dầu và chất béo không có vùng tích điện nên
không tan trong nước. Những chất bẩn này chỉ có thể được hòa tan trong
các dung môi không phân cực (ví dụ percloetylen và naphta) nhưng
thường các hóa chất này độc hại và làm tổn hại đến môi trường.
Đặc tính tẩy rửa của xà phòng và chất tẩy rửa là ở chỗ: các phân tử của
chúng có 1 đầu phân cực và 1 đầu không phân cực, vì vậy chúng cân
bằng được trong các môi trường có cực cũng như không có cực. Trong
nước, các phân tử này tạo thành những cấu trúc hình cầu nhỏ được gọi là
mixen, với các đầu phân cực hướng ra ngoài và các đầu không phân cực
hướng vào trong. ở bên trong, phần mixen không phân cực này sẽ hòa tan
trong các phần tử dầu. Vì vậy, khi giặt, các mixen của xà phòng sẽ bắt
các phần tử không có cực (dầu, mỡ) và mang chúng đi.
Tác dụng tẩy rửa của xà phòng cũ có thể bị hạn chế trong nước cứng.
Các ion dương của sắt, magiê, canxi trong nước cứng kết hợp với đầu
mang điện âm của các chuỗi phân tử trong xà phòng, cản trở sự tạo thành
mixen. Tuy nhiên, các chất tẩy rửa hay xà phòng tổng hợp có thể giải
quyết được khó khăn này. Các chất tẩy rửa tổng hợp có các nhóm có cực

như các hợp chất sulfonat (-SO3‾ ) hoặc etoxysulfat được gắn vào các
chuỗi hyđrocacbon. Các nhóm tổng hợp này mang điện âm, chúng chỉ
liên kết yếu với các ion (của sắt, magiê, canxi) trong nước cứng và nhờ
đó khả năng làm sạch vẫn rất tốt.
Tựu trung, cơ chế tẩy rửa của xà phòng hay chất tẩy rửa nhờ chất
HĐBM bao gồm 3 quá trình:
-

Tăng khả năng thấm ướt của vải, bằng cách làm giảm sức

căng bề mặt của nước. Dung dịch xà phòng có thể thâm nhập vào
Page 19


bên trong các mao quản nhỏ của sợi vải mà nước thường không thể
thấm vào được.
-

Tẩy rưả chất bẩn: các phân tử xà phòng hấp phụ lên bề mặt

sợi vải, tạo áp suất tách, hòa tan chất bẩn từ sợi vải vào các mixen.
-

Tạo bọt với tác dụng tăng sự cọ sát cơ học, giúp kéo chất bẩn

ra khỏi môi trường và làm nổi chúng bằng các bong bóng khí.
2_Ứng dụng của chất hoạt động bề mặt vào quy trình tuyển nổi
quặng trong công nghiệp
a.Sơ lược về tuyển nổi quặng.
Tuyển nổi là kĩ thuật làm giầu phổ biến sử dụng để tách các quặng

sunfua đa kim, tách apatit ra khỏi neplin, làm giầu than đá và rất nhiều
tính chất khác. Nguyên lý của kĩ thuật này là dựa trên khả năng thấm ướt
và bám dính của các bọt khí một cách chọn lọc khác nhau của các hạt
quặng nghiền khi đưa vào trong nước cùng với sự sục khí liên tục qua lớp
bùn quặng, khả năng thấm ướt của các hạt khoáng đặc trưng chủ yếu bởi
góc thấm ướt Ө của chúng.

Một ngăn máy tuyển nổi

Page 20


Sức căng bề mặt của những hạt không thấm ướt là động lực đẩy nó lên
trên mặt nước và được gạt ra ngoài trong khi đó các hạt bị thấm ướt được
giữ lại trong lòng chất lỏng. Điều kiện để các hạt không thấm ướt nổi lên
trên bề mặt chất lỏng là tỉ trọng của tập hợp hạt bọt quặng phải nhỏ hơn
tỷ trọng của hỗn hợp quặng nước.
Trong thực tế khả năng thấm ướt của các thành phần khoáng trong
quặng khác nhau không nhiều nên muốn cho quá trình tuyển nổi đạt hiệu
quả cao người ta thường thêm vào các chất hỗ trợ chọn lọc đối với từng
thành phần, được gọi là thuốc tuyển. Mỗi loại thuốc tuyển hỗ trợ một
cách tương đối chọn lọc cho sự thấm ướt của thành phần này hoặc sự bám
dính với bọt khí của thành phần kia. Các thuốc tuyển (chất gom) được sử
dụng nhiều nhất là các chất hoặt động bề mặt. Các chất này là các chất
hữu cơ mạch dài một đầu ưa nước và một đầu kỵ nước bao quanh và tạo
điều kiện dễ dàng cho quặng bám dính vào bọt khí. Để tạo ra những bọt
khí có độ bền cao hơn, trong tuyển nổi người ta đưa thêm chất tạo bọt với
liều lượng thích hợp.
b.Cơ sở khoa học của quá tình tuyển nổi
Những cơ sở lý thuyết cơ bản về tuyển nổi dựa trên thành tựu nghiên

cứu hóa lý hiện đại. Ngày nay, người ta dựa trên cơ sở lý thuyết đó để
điều khiển quá trình công nghệ tuyển nổi, điều chỉnh tỷ lệ thành phần các
cấu tử tạo ra đơn thuốc tập hợp phù hợp với tính chất của từng loại quặng
cần tuyển.
Ðể giải thích sự bám dính của thuốc tuyển lên bề mặt hạt khoáng
người ta đưa ra nhiều giả thuyết giải thích bằng hoá học lượng tử giữa
mức năng lượng của các orbital đầy điện tử của tác nhân thuốc tập hợp
với orbital trống của hạt khoáng, hoặc là giải thích bằng mô hình orbital
phân tử. Tựu trung lại, ngày nay người ta phân biệt 3 loại cơ chế cơ bản
về sự bám dính của các tác nhân thuốc tuyển lên bề mặt hạt khoáng:
- Sự hấp phụ do lực tĩnh điện
Page 21


- Sự hấp phụ hóa học
- Sự hấp phụ vật lý
Sự hấp phụ hoá học là quan trọng hơn cả vì nó quyết định tính chọn
riêng và tính tập hợp của thuốc đối với một khoáng chất nhất định.
Những tính chất này được quyết định bởi độ dài, cấu trúc của hidrocabon,
cấu tạo của nhóm chức và thành phần tỉ lệ của các cấu tử có mặt trong hệ
thống thuốc tuyển.
Sự hấp phụ hoá học được xảy ra do sự hình thành liên kết phối trí giữa
thuốc tuyển và hạt khoáng. Mối liên kết phối trí này được tạo nên trong
phần lớn các trường hợp có sự tác dụng của tác nhân thuốc tuyển (trong
thành phần có chứa những nguyên tử có đôi điện tử tự do như N, S, O, P
hoặc là các liên kết đôi) với hạt khoáng, mà nó chứa các cation có số
lượng tử chính n ≥2.
Sự bám dính của các phân tử tác nhân thuốc tuyển có chứa các nguyên
tử cho điện tử có thể xảy ra trên bất kỳ vị trí nào của bề mặt hạt khoáng
mà ở đó có chứa các orbital trống được hình thành trong quá trình đập vỡ

hoặc nghiền quặng.
Ðiều kiện cần thiết để có sự tác dụng giữa khoáng chất và tác nhân
thuốc tuyển dạng ion (Y-) (ngoại trừ trường hợp xảy ra phản ứng dị thể)
là sự thủy phân hoặc oxi hoá khoáng chất tạo nên liên kết phân cực trên
lớp bề mặt. Kết quả sự tách và đẩy hạt tích điện âm xảy ra dễ dàng.
Dạng liên kết phối trí này có tính đối ứng δ và π. Như vậy, sự bám dính
giữa các tác nhân thuốc tuyển và bề mặt hạt khoáng xảy ra chặt chẽ hơn
và chọn lọc hơn khi mối liên kết của chúng có những tính chất cơ bản
(như: độ dài, năng lượng, số phối trí) gần với liên kết trong mạng tinh thể
của khoáng vật. Hạn chế của quan điểm này là không xem xét về bản chất
liên kết tác nhân - khoáng chất. Không có sự nhìn nhận nhất quán về sự
tác dụng của tác nhân ion và non - ion.

Page 22


Sử dụng những khái niệm trên cho phép ta có một số quan điểm thống
nhất về sự bám dính lên bề mặt hạt khoáng của bất kỳ một loại thuốc
tuyển nào và hình dung được cơ chế sự bám dính của bất kỳ một loại
thuốc tuyển này trên bề mặt hạt khoáng.
Trong quá trình hấp phụ phần lớn các thuốc tập hợp trong phân tử của
nó có chứa O, N, P biểu hiện các tính chất theo những quy luật sau:
•

Tính axit của các thuốc tuyển càng yếu thì nó càng bám chặt

lên bề mặt hạt khoáng, phù hợp với quy luật của sự hình thành
phức chất trong dung dịch.
Lgβ = a(-LgKa)+b
Trong đó:

•

Ka là hằng số proton hoá

•

β là hằng số tạo phức

Khi có sự hình thành liên kết π hoặc có sự tác dụng tĩnh điện thì xảy ra
quy luật ngược lại. Giá trị hằng số phức của thuốc tuyển với các cation
kim loại có trong mạng tinh thể của các hạt khoáng cần tách càng lớn thì
thuốc tập hợp càng có tính chọn lọc cao. Giá trị hằng số tạo phức K và
tính hoạt hoá Khh đặc trưng cho sự bám dính của thuốc tuyển ion liên hệ
với nhau theo phương trình sau:
Khh = S/K
Trong đó:
•

S là nồng độ phân tử của các hợp chất ít tan.

Dựa vào đây người ta có thể đánh giá được ảnh hưởng về tính chất
axit bazơ của thuốc tuyển, kim loại và pH của dung dịch lên sự hấp phụ
Page 23


tối đa của thuốc tuyển. Sự hấp phụ tối đa của thuốc tập hợp bị dịch
chuyển vào vùng pH thấp hơn khi ta tăng tính axit của thuốc tuyển và các
cation trong mạng tinh thể. Ðể tính toán giá trị pH tối đa (pHopt) sử dụng
mối tương quan sau:
(H+)opt = KHRKW/KMeOH)1/2

Trong đó:
•

KHR là hằng số ion hoá thuốc tuyển

•

KW là tích số ion của nước

•

KMeOH là hằng số không bền của phức hidroxo kim loại

Tăng sự chọn lựa của thuốc tuyển dạng tạo phức cho phép thực hiện
tuyển nổi khoáng vật trong môi trường axit do tính tan của hợp chất phức
trong điều kiện nay tăng và dẫn đến giải hấp phụ của những trung tâm
hấp phụ hoạt hoá yếu của khoáng chất đồng hành. Quan niệm về cơ chế
phối trí giữa thuốc tuyển và hạt khoáng cho phép ta giải thích sự tác dụng
cộng hưởng khi sử dụng hỗn hợp các loại thuốc tập hợp. Bề mặt của
khoáng chất có thể xem xét như một tổ hợp của những trung tâm hấp phụ
với lực axit - bazơ Lewis và Bronsted khác nhau. Như vậy cùng một lúc
làm đầy những trung tâm này bằng các thuốc tuyển anion, electrophin và
trung tính gây nên một sự hấp phu cực đại, do đó dẫn đến sự kị nước hoá
và ưa nước hoá bề mặt hạt khoáng.
c.Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất quặng phốt-phát (quặng
apatit).
Phương pháp tuyển quặng được áp dụng phổ biến nhất trong ngành sản
xuất phốtphát trên thế giới là phương pháp tuyển nổi anion-cation, còn
được gọi là “Quy trình Crago” do Arther Crago phát triển từ năm 1942.
Page 24

Đây là một phương pháp tinh chế quặng một cách hiệu quả và dễ áp
dụng, đồng thời hiệu suất thu hồi quặng khá cao.
Trong quy trình Crago, ban đầu quặng phốtphát được sàng để loại bỏ đất
sét mịn và chia thành 3 loại: quặng dạng đá sỏi, quặng thô và quặng mịn.
Phần quặng dạng đá sỏi có thể được sử dụng như tinh quặng phốtphat mà
không cần xử lý tinh chế tiếp. Nhưng phần quặng mịn chứa khoảng 70%
cát nên phải được tinh chế bằng tuyển nổi trong 3 giai đoạn:
_Tuyển nổi anion: chất gom anion, được sử dụng để tuyển nổi quặng
phốtphat, có thành phần chủ yếu là axit béo, dầu nhiên liệu hoặc dầu tái
chế thu được từ ngành sản xuất dầu mỏ. Axit béo cũng có thể được thu
hồi từ ngành sản xuất giấy. Dầu nhiên liệu đóng vai trò quan trọng vì nó
làm tăng hiệu quả của axit béo và giảm liều lượng sử dụng.
Hỗn hợp bùn quặng được khuấy kỹ trước khi xả vào bể tuyển nổi. Quá
trình tuyển nổi anion cho phép loại bỏ khoảng 80-90% cát và đất sét còn
sót.
_Làm sạch: Trước khi tiến hành tuyển nổi giai đoạn 2, người ta loại
bỏ các thuốc gom cation bằng cách đưa axit sunfuric vào bùn quặng. Sau
đó hỗn hợp được khuấy, rửa và tách nước.
_Tuyển nổi cation: Để tinh chế quặng đạt chất lượng tiêu chuẩn sử
dụng cho sản xuất các hóa chất chứa phốtpho, người ta loại bỏ cát bằng
giai đoạn tuyển nổi ngược. Trong giai đoạn tuyển nổi này, phế thải được
cho nổi lên trên, còn tinh quặng phốtphat nằm lại bên dưới. ở đây người
ta sử dụng các thuốc gom cation từ nhóm các amin. Nhìn chung, phân tử
thuốc gom càng lớn thì càng bao bọc các hạt cát và phế thải tốt hơn, đồng
thời cũng bám dính vào các bọt không khí tốt hơn. Ngoài ra, người ta
cũng bổ sung dầu hỏa hoặc dầu điêzen để kéo dài thời gian sử dụng các
amin đắt tiền. Đặc biệt, ở giai đoạn này sự cuốn theo của cát mịn trong
nước (có trong nước tái sử dụng hoặc do tách rời từ các hạt đất sét lớn) có

Page 25