Chất hoạt động bề mặt Tiểu luận Công nghệ tổng hợp hợp chất trung gian Nguyễn Hồng Liên ĐHBKHN

Tiểu Luận Môn Học

GV: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên

Chương 1: Tổng Quan Về Chất Hoạt Động Bề Mặt
1. Khái niêm
1.1. Khái niệm
Chất hoạt động bề mặt (tiếng Anh: Surfactant, Surface active agent) đó 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 [1].

1.2. Sự hình thành micelle
Chất hoạt động bề mặt được dùng giảm sức căng bề mặt của một chất lỏng
bằng cách làm giảm sức căng bề mặt tại bề mặt tiếp xúc (interface)của hai 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). 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 hoạt hóa bề mặt được đặc trưng bởi một thông số là độ cân
bằng ưa kị nước (tiếng Anh: Hydrophilic Lipophilic Balance-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 [1].

P a g e 1 | 73


Tiểu Luận Môn Học

GV: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên

2. Phân loại và ứng dụng
2.1. Phân loại
Có nhiều cách phân loại chất hoạt động bề mặt nhưng cách phân loại theo
cấu tạo hóa học là hợp lý nhất. Phân loại theo cấu tạo hóa học chia chất hoạt
động bề mặt ra làm 2 loại: chất sinh ra ion và chất không sinh ra ion. Chất sinh
ra ion được chia làm ba loại: hoạt tính anion, hoạt tính caction và lưỡng tính.
2.1.1 Chất hoạt động bề mặt không sinh ion (NI)
Các chất tẩy rửa khi hòa tan vào trong nước không phân ly thành ion gọi
là chất tẩy rửa không sinh ion.
NI có khả năng hoạt động bề mặt không cao. Êm dịu với da, lấy dầu ít.
Làm bền bọt, tạo nhũ tốt. Có khả năng phân giải sinh học. Ít chịu ảnh hưởng của
nước cứng và pH của môi trường, tuy nhiên có khả năng tạo phức với một số ion
kim loại nặng trong nước....
Hiện nay để tổng hợp chúng, phương pháp được dùng phổ biến nhất là
quá trình etoxy hóa từ rượu béo với oxyt etylen.
Công thức chung: R-O-(CH2-CH2-O-)nH.
Các rượu béo này có nguồn gốc thiên nhiên như dầu thực vật, mỡ động
vật thông qua phản ứng H2 hóa các axit béo tương ứng.
Hoặc bằng con đường từ rượu tổng hợp: bằng cách cho olefin-1 phản ứng
với H2SO4, rồi thủy phân (thu được rượu bậc 2). Trong thương mại, loại này có
tên gọi: tecitol 15-s-7, union caride 15-s-9...
Chất hoạt động bề mặt không sinh ion được phân loại thành các dạng cơ
bản sau:
Copolimer có công thức chung: HO-(OE)n-(OP)m-(OE)n-H, hoặc HO(OP)n-(OE)m-(EP)n-H. Tỷ số PO/OE có thể thay đổi: 4 - 1 hoặc 9 - 1. Trọng
lượng phân tử thấp nhất: 2000đvC, thông dụng nhất hiện nay là loại n = 2 và m
P a g e 2 | 73

Tiểu Luận Môn Học

GV: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên

= 30, chúng tạo bọt kém nên dùng phổ biến trong các sản phẩm tẩy rửa chuyên
dùng cho máy: máy rửa chén, máy giặt, không gây hại cho môi trường, độc tính
yếu. Tuy nhiên dùng lượng không lớn vì khả năng phân hủy sinh học chậm.
Các oxit amin, ankyl amin, rượu amit, polyglycerol ete, polyglucosit
(APG)... Nhóm này có tính chất nổi trội là rất ổn định với chất tẩy có clo, nước
javel, chất oxy hóa... thường dùng làm tác nhân nền, tăng tính ổn định bọt, làm
sệt, tạo ánh ánh xà cừ cho sản phẩm ... đặc biệt dễ bị phân hủy sinh học, đó là
oxit amin, ankyl amin, ankylmonoetanolamit, polyglycerol ete, ankyl
polyglucosit (APG), sunfonat Betain, ankylaminopropylsunfo betain, betain
etoxy hóa.
2.1.2 Chất hoạt động bề mặt anion
Chất hoạt động bề mặt mà khi hòa tan vào nước phân ly ra ion hoạt động
bề mặt âm, chiếm phần lớn kích thước toàn bộ phân tử hay chính là mạch
Hidrocacbon khá dài, và ion thứ hai không có tính hoạt động bề mặt. Đó là chất
hoạt động bề mặt anion.
Có khả năng hoạt động bề mặt mạnh nhất so với các loại khác. Làm tác
động tẩy rửa chính trong khi phối liệu. Khả năng lấy dầu cao. Tạo bọt to nhưng
kém bền... Bị thụ động hóa hay mất khả năng tẩy rửa trong nước cứng, cứng tạm
thời, các ion kim loại nặng (Fe3+, Cu2+...).
Chất hoạt động bề mặt anion rất đa dạng và từ rất lâu con người đã biết sử
dụng trong công việc giặt giũ. Chia làm hai loại chính:
Có nguồn gốc thiên nhiên: Đó chính là sản phẩm từ phản ứng xà phòng
hóa của các estec axit béo với glyxerin (dầu cọ, dầu dừa, dầu nành, dầu lạc, dầu
cao su... mỡ heo, mỡ cừu, mỡ bò, mỡ hải cẩu, mỡ cá voi...).
Có nguồn gốc từ dầu mỏ: Thông qua phản ứng ankyl hóa, sunfo hóa các
dẫn xuất anlkyl, aryl, ankylbenzen sunfonic.

2.1.3 Chất hoạt động bề mặt cation
Chất hoạt động bề mặt mà khi hòa tan vào nước phân ly ra ion hoạt động
bề mặt dương, chiếm phần lớn kích thước toàn bộ phân tử hay chính là mạch
Hidrocacbon khá dài, và ion thứ hai không có tính hoạt động bề mặt.
Có khả năng hoạt động bề mặt không cao. Chất hoạt động bề mặt cation
có nhóm ái nước là ion dương, ion dương thông thường là các dẫn xuất của
muối amin bậc bốn của clo.
P a g e 3 | 73


Tiểu Luận Môn Học

GV: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên

Êm dịu với da, tẩy dầu ít, không dùng với mục đích tạo bọt. Làm bền bọt,
tạo nhũ tốt... Có khả năng phân giải sinh học kém, hiện nay người ta dùng clorua
ditearyl diamin amoni bậc bốn vì khả năng phân giải sinh học tốt hơn.
Tương lai trên thị trường, sẽ có các cation dạng nhóm chức este dễ phân
giải sinh học hơn cho môi trường, và giảm khả năng gây dị ứng khi sử dụng.
Chủ yếu làm triệt tiêu tĩnh điện cho tóc, vải sợi... nên lượng dùng rất ít.
2.1.4 Chất hoạt động bề mặt lưỡng tính
Những chất hoạt động bề mặt mà tùy theo môi trường là axit hay bazo mà
có hoạt tính cation với axit hay anion với bazo, hay nói cách khác là chất hoạt
động bề mặt có các nhóm lưỡng cực vừa tích điện âm vừa tích điện dương (amin,
este).
Có khả năng hoạt động bề mặt không cao, Ở pH thấp chúng là chất hoạt
động bề mặt cationic và là anionic ở pH cao. Có khả năng phân hủy sinh học.
Lượng dùng khoảng 0,2% -1% trong các sản phẩm tẩy rửa.
Phân loại:
Trong nhóm các chất hoạt động bề mặt lưỡng tính, hiện nay các dẫn xuất

từ betain được sử dụng rộng rãi nhất. Chúng gồm các nhóm chính sau:
Ankylamino propyl betain.
Khi R là gốc lauryl thì có tính tẩy rửa rất tốt, khả năng tạo bọt mạnh,
không là khô da, dịu cho da... hiện nay trên thị trường thường thấy phối trong:
dầu gội, sữa tắm, nước rửa chén... với tên gọi: cocoamino propyl betain (CAPB).
2.2. Ứng dụng của chất hoạt động bề mặt
Chất hoạt hóa bề mặt ứng dụng rất nhiều trong đời sống hàng ngày. Ứng
dụng phổ biến nhất là bột giặt, sơn, nhuộm.
Ngoài ra những ứng dụng trong các lĩnh vực khác như.
Trong công nghiệp dệt nhuộm: Chất làm mếm cho vải sợi, chất trợ nhuộm.
Trong công nghiệp thực phẩm: Chất nhũ hóa cho bánh kẹo, bơ sữa và đồ hộp.
Trong công nghiệp mỹ phẩm: Chất tẩy rửa, nhũ hóa, chất tạo bọt.
Trong ngành in: Chất trợ ngấm và phân tán mực in.
Trong nông nghiệp: Chất để gia công thuốc bảo vệ thực vật.
Trong xây dựng: Dùng để nhũ hóa nhựa đường, tăng cường độ đóng rắn của
bê tông.
P a g e 4 | 73


Tiểu Luận Môn Học

GV: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên

Trong dầu khí: Chất nhũ hóa dung dịch khoan.
Trong công nghiệp khoáng sản: Làm thuốc tập hợp, chất nhũ hóa, chất tạo
bọt để làm giàu khoáng sản.
3. Các tính chất cơ bản
3.1 Tính thấm ướt
Tính thấm ướt tạo điều kiện để vật cần giặt rửa, các vết bẩn tiếp xúc với
nước một cách dễ dàng nên đóng vai trò rất quan trọng.

Vải sợi có khả năng thấm ướt dễ dàng nhưng nước khó thấm sâu vào bên
trong cấu trúc vì sức căng bề mặt rất lớn, nhất là khi vải sợi bị dây bẩn bằng dầu
mỡ. Vì thế, dùng xà phòng để làm giảm sức căng bề mặt của nước và vải sợi –
nước.
3.2 Khả năng tạo bọt
Bọt được hình thành do sự phân tán khí trong môi trường lỏng. Hiện
tượng này làm cho bề mặt dung dịch chất tẩy rửa tằng lên.
Khả năng tạo bọt và độ bền bọt phụ thuộc vào cấu tạo của chính chất đó,
nồng độ, nhiệt độ của dung dịch, độ pH và hàm lượng ion Ca2+, Mg2+ trong
dung dịch chất tẩy rửa.
3.3. Khả năng hòa tan
Tình hòa tan phụ thuộc vào các yếu tố:
- Bản chất và vị trí của nhóm ưa nước. Nhóm ưa nước ở đầu mạch dễ
hòa tan hơn nhóm ở giữa mạch.
- Chiều dài của mạch Hydrocacbon. Nhóm kỵ nước mạch thẳng dễ hòa
tan hơn mạch nhánh.
- Nhiệt độ.
-

Bản chất của ion kim loại: với ion Na+, K+ dễ hòa tan hơn các ion
Ca2+, Mg2+…

3.4. Khả năng hoạt động bề mặt
Nước có sức căng bề mặt lớn. Khi hòa tan xà phòng vào nước, sức căng
bề mặt của nước giảm. Một lớp hấp thụ định hướng hình thành trên bề mặt
nhóm ưa nước hướng vào nước, nhóm kỵ nước hướng ra ngoài. Nhờ có lớp hấp
thụ đó mà sức căng bề mặt của nước giảm vì bề mặt nước – không khí được thay
bằng kỵ nước – không khí (giữa các pha).
P a g e 5 | 73

Tiểu Luận Môn Học

GV: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên

3.5. Khả năng nhũ hóa
Nhũ tương là hệ phân tán không bền vững nên muốn thu được hệ bền
vững thì phải cho thêm chất nhũ hóa.
Xà phòng thường được dùng làm chất ổn định nhũ tương. Tác dụng của
chúng là làm giảm sức căng bề mặt của hai hướng dầu – nước. sau đó, làm cho
hệ nhũ tương dễ dàng ổn định.
3.6. Điểm Kraft – điểm đục
Khả năng hòa tan của các chất hoạt động bề mặt anion tăng lên theo nhiệt
độ. Khả năng hòa tan này tăng trưởng đột ngột khi tác nhân bề mặt hòa tan đủ để
tạo thành Micell. Điểm Kraft là điểm mà tại nhiệt độ đó các Micell có thể hòa
tan được.
Độ tan của các chất hoạt động bề mặt NI phụ thuộc vào lien kết hydro
trong nước với chuỗi polyoxyetylen. Năng lượng của liên kết hydro rất lớn khi
tăng nhiệt độ vì khi đó sự mất nước làm giảm độ tan. Điểm đục là điểm tại nhiệt
độ đó các chất hoạt động bề mặt NI không hòa tan được.
3.7. HLB (tính ưa nước – tính ưa dầu – cân bằng)
HLB là một đơn vị đo lường lưỡng tính đối cực của phân tử
Giá trị của HLB
1 – 4 không phân tán trong nước
3 – 6 ít phân tán
8 – 10 phân tán đục nhưng ổn định
13 dung dịch trong
4. Một số yếu tố ảnh hưởng đến các tính chất của các chất hoạt động bề
mặt
4.1 Nhiệt độ

Nhiệt độ càng cao, độ hòa tan của các chất hoạt động bề mặt càng tốt, độ
nhớt của các chất bẩn dạng lỏng càng giảm, độ hòa tan của chất bẩn càng lớn,
phản ứng trung hòa chất bẩn có tính axit và phản ứng xà phòng hóa chất béo xảy
ra càng dễ dàng, làm tăng hiệu suất giặt tẩy.
Tuy nhiên, nhiệt độ cao cũng làm giảm hoạt tính của một số chất hoạt
động bề mặt dễ hòa tan, giảm độ bền của hệ nhũ. Một số loại vải không thể chịu
được nhiệt độ dung dịch cao.
P a g e 6 | 73


Tiểu Luận Môn Học

GV: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên

Đối với các chất hoạt động bề mặt NI, sự hấp phụ tăng theo nhiệt độ và
sau điểm đục, sức căng bề mặt và giao diện của các chất NI có thay đổi.
4.2 Loại phân tử
Sức căng bề mặt hay giao diện phụ thuộc vào loại phân tử cấu thành nên
chất hoạt động bề mặt.
Đối với chất hoạt động bề mặt Anion, khi thêm gốc –CH2 vào trong dãy
chất béo, sức căng bề mặt giảm đi (giảm nồng độ). Có thể làm giảm độ hình
thành Micell bằng cách làm mất tính đối xứng trong phân tử bằng cách phân
nhánh hoặc thay thế hai nhánh ngắn hơn thành một nhánh dài duy nhất. Độ hấp
phụ cũng tăng lên theo độ dài của dãy kỵ nước.
Đối với chất hoạt động bề mặt NI, khi tăng dây béo C12 – C14 sức căng
bề mặt giảm vì khi đó khả năng phân cực của đầu phân cực giảm. Sự hấp phụ
giảm khi tăng số oxyetylen ưa nước.
4.3 Chất điện ly
Sự hấp phụ: thêm chất điện ly sẽ làm giảm độ hòa tan của các tác nhân bề
mặt dẫn đến làm tăng sự hấp phụ ở các giao diện.

Các chất điện ly sẽ làm giảm CMC vì các chất điện ly trong dung dich
chất tẩy rửa sẽ ngăn cản khả năng hình thành các Micell.
5. Giới thiệu một số chất hoạt động bề mặt
5.1 Cetylpyridinium clorua (CPC)
Cetylpyridinium clorua là một hợp chất cation amoni bậc bốn, được sử dụng
trong một số loại nước súc miệng , kem đánh răng , thuốc xịt họng, thuốc khử
mùi, và thuốc xịt mũi. Nó là một chất khử trùng diệt vi khuẩn và các vi sinh vật
khác. Nó được chứng minh là có hiệu quả trong việc ngăn ngừa răng mảng bám
và giảm viêm nướu. Nó cũng đã được sử dụng như là một thành phần trong một
số thuốc trừ sâu. Tuy nhiên, CPC cũng được cho là gây ra các vết bẩn màu nâu
giữa các răng tương tự như chlorhexidine.

Cetylpyridinium clorua có công thức phân tử C21H38NCL và ở dạng tinh
khiết của nó là ở trong trạng thái rắn ở nhiệt độ phòng. Nó có điểm nóng chảy là
77°C khi khan hoặc 80-83°C trong monohydrat của nó. Nó không hòa tan trong
P a g e 7 | 73


Tiểu Luận Môn Học

GV: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên

acetone, acetic acid, hoặc ethanol. CPC có mùi hôi, dễ cháy, độc hại khi nuốt và
rất độc khi hít vào.
Trong một số sản phẩm, bromide cetylpyridinium được sử dụng thay thế.
Tính chất của chúng hầu như giống hệt nhau. CMC của CPC là 0,00124M,
tương ứng với 0,042% trong nước.
5.2 Sodium lauryl sulfate (SLS)
Sodium lauryl sulfate (SLS), laurilsulfate dodecyl sulfate natri hoặc natri
(SDS hoặc NaDS) (C12H25SO4Na) là một chất hoạt động bề mặt anion được sử

dụng trong nhiều sản phẩm vệ sinh làm sạch. Phân tử có một đuôi 12 nguyên tử
carbon, gắn liền với một nhóm sulfate, đặc trưng cho tính chất cần thiết của một
chất tẩy rửa .
SLS là một hoạt động bề mặt hiệu quả cao và được sử dụng trong bất kỳ
công việc đòi hỏi phải có việc loại bỏ các vết bẩn và bã nhờn. Ví dụ, nó được
tìm thấy ở nồng độ cao hơn với sản phẩm công nghiệp bao gồm chất tẩy rửa sàn
nhà, và xà phòng rửa xe. Nó được sử dụng ở nồng độ thấp hơn với kem đánh
răng, dầu gội, và bọt cạo râu.
SLS chưa được chứng minh là gây ung thư khi một trong kích ứng trực
tiếp lên da hoặc tiêu hóa. Tuy nhiên, nó có thể gây kích ứng da trên khuôn mặt
và nếu dùng liên tục hơn một giờ đối với người trung niên.

5.3 Natri lauryl ether sulfate (SLES)
Natri lauryl ether sulfate (SLES), hoặc sodium laureth sulfate, là một chất
hoạt động bề mặt anion, được tìm thấy trong nhiều sản phẩm chăm sóc cá nhân
(xà phòng, dầu gội, kem đánh răng, vv.) SLES là một chất tạo bọt rất hiệu quả.
Công thức hóa học của nó là CH3(CH2)10CH2(OCH2CH2)nOSO3Na.
Đôi khi số đại diện bởi n được quy định trong tên, cho sulfate laureth-2, ví dụ:
Các sản phẩm thương mại là không đồng nhất trong số nhóm ethoxyl, trong đó n
là có ý nghĩa. phổ biến cho các sản phẩm thương mại là n = 3.
SLES, SLS và ALS là những chất hoạt động bề mặt được sử dụng trong
nhiều sản phẩm mỹ phẩm tẩy rửa. Chúng có tính chất tương tự như xà phòng.

P a g e 8 | 73


Tiểu Luận Môn Học

GV: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên

Mặc dù SLES được xem là an toàn khi ở nồng độ được sử dụng trong các
sản phẩm mỹ phẩm. Nó là một chất kích thích tương tự như các chất tẩy rửa, với
sự kích ứng tăng theo nồng độ. Một số sản phẩm có chứa SLES đã được tìm
thấy có chứa nồng độ thấp của chất gây ung thư được biết đến 1,4- dioxane.
5.4 LAS và LAB
a. Tính chất vật lý và hóa học của LAB.
LAB là một hợp chất thu được từ parafin và benzene dùng làm nguyên
liệu để sản xuất LAS. Dưới những điều kiện bình thường thì LAB là một chất
lỏng trong suốt, không mùi.

Công thức cấu tạo của LAB:

LAB là một alkylbenzen mạch thẳng là nguyên liệu sản xuất LAS, được
chuyển hoá từ dầu thô: benzen và các parafin mạch thẳng.
LAB ở bề ngoài ở 600C có màu sáng, tỉ trọng ở 150C là 0.854, độ nhớt tại
400C là 18mm2/S và độ nhớt ở 1000C là 4mm2/S, điểm chớp cháy là 1840C.
Khối lượng phân tử là 390 đVC.
b.Tính chất vật lý, hóa học của LAS
Công thức cấu tạo của LAS:
-

Khối lượng phân tử trung bình: 342 đVc.
P a g e 9 | 73


Tiểu Luận Môn Học

GV: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên

-

m + n = 7-10.

-

Nhánh alkyl thẳng, sunfonat ở vị trí para.

Ở trạng thái vật lý LAS là chất lỏng sệt có màu nâu, điểm nóng chảy:
100C, điểm sôi: 3150C, trong điều kiện bình thường có độ ổn định. không cháy,
nhanh chóng hòa tan trong nước, không hòa tan trong dung môi hữu cơ thông
thường.
-

LAS dễ phân hủy sinh học trong điều kiện hiếu khí.

Khả năng hòa tan trong nước giảm khi chiều dài chuỗi alkyl tăng và
tùy thuộc vào ion dương của muối.
-

Ở nhiệt độ phòng, LAS (C12) là chất rắn màu vàng nhạt.

-

LAS bền trong môi trường oxy hóa.

Một trong những tính chất quan trọng của LAS là nó có tính tương
thích cao hơn các chất hoạt động bề mặt anionic khác, do đó chúng có thể sử
dụng trong cả công nghệ acidic và alkaline như một chất tẩy rửa dạng lỏng hay
dạng bột đều được.
-

LAS là hợp chất cơ tính ổn định cao.

c. Ứng dụng của LAB và LAS.
LAB là những hợp chất có tầm quan trọng đáng kể trong thương
mại. Vì LAB dễ dàng phân hủy sinh học hơn alkylbenzen có nhánh nên LAB đã
dần thay thế alkylbenzen có nhánh trong sản xuất chất tẩy rửa và các sản phẩm
P a g e 10 | 73


Tiểu Luận Môn Học

GV: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên

khác. Một số LAB có ứng dụng trong ngành công nghiệp như mực in, sơn cách
nhiệt và điện.
LAS là một chất hoạt động bề mặt anionic được tổng từ
alkylbenzen mạch thẳng (LAB). Khoảng 99% sản lượng LAB được chuyển
thành LAS qua quá trình sulphonat hóa. LAS thì hầu hết được sử dụng dành
riêng trong thành phần chất tẩy rửa. Và trong một vài trường hợp đặc biệt thì
LAS cũng được sản xuất từ dẫn xuất khác.
Trong công nghiệp thực phẩm: Chất nhủ hóa cho bánh kẹo, bơ sữa
và đồ hộp...
nhuộm..

Trong công nghiệp mỹ phẩm: Chất tẩy rửa, nhũ hóa, chất tạo bọt..
Trong công nghiệp dệt nhuộm: Chất làm mềm sợi vải, chất trợ

-

Trong ngành in: Chất trợ ngấm và chất phân tán mực in...

-

Trong nông nghiệp: Chất để gia công thuốc bảo vệ thực vật...

Trong xây dựng: Dùng để nhũ hóa nhựa đường, tăng cường độ
đóng rắn của bê tông...
-

Trong dầu khí: Chất nhũ hóa dung dịch khoan

Trong công nghiệp khoáng sản: Làm thuốc tuyển nổi, chất nhũ hóa,
chất tạo bọt để làm giàu khoáng sản.
d. Tình hình sản xuất LAB và LAS ở Việt Nam và trên thế giới.
Linear Alkylbenzen Sulfonate (LAS) là chất hoạt động trong các
chất bột giặt, nước rửa chén, chất lau chùi công nghiệp và sinh hoạt.
LAS loại chất bẩn bằng cơ chế hóa lý và là một trong các chất hoạt
động bề mặt sử dụng rộng rãi nhất trong các chất tẩy rửa lỏng và dạng bột. Chất
hoạt động bề mặt anion, chúng ion hóa trong dung dịch, mang điện tích âm, nhìn
chung tạo bọt nhiều.
Với sự phân bố 27% tổng tiêu thụ chất hoạt động bề mặt trong các
loại chất tẩy rửa gia đình, LAS được dùng hơn 30 năm qua và tiếp tục góp phần
đáng kể trong thị trường chất hoạt động bề mặt ngày nay. Trung bình hàm lượng
LAS chiếm khoảng 5%-25% khối lượng trong mỗi loại chất tẩy rửa ở châu Âu
(dung dịch rửa chén, bột giặt…).
P a g e 11 | 73


Tiểu Luận Môn Học

GV: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên

P a g e 12 | 73


Tiểu Luận Môn Học

GV: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên

Chương 2: Công Nghệ Sản Xuất Một Số Chất Hoạt
Động Bề Mặt
1. Công nghệ sản xuất LAB
1.1. Công nghệ Hydroflouric alkylation
Tính đến năm 2006, xấp xỉ 80 % của LAB được sản xuất trên toàn thế giới
được sản xuất bằng cách sử dụng HF alkyl hóa . Một sơ đồ alkyl hóa HF điển
hình được thể hiện trong hình vẽ dưới đây. Hình ảnh chỉ dẫn một sơ đồ phản
ứng 2 cấp. Tại cấp thứ nhất, chủ yếu xảy ra sự alkyl hóa. Trong lò phản ứng giai
đoạn thứ hai, các dấu vết cuối cùng của hydrocarbon không bão hòa tái phản
ứng, và một phần lớn polyaromatics sinh ra như các sản phẩm phụ được tách ra.
Các nguồn nguyên liệu chứa diene thấp hơn có thể sử dụng một lò phản
ứng đơn như thiết kế. Các nguyên liệu olefin và benzene được đưa vào các lò
phản ứng sơ cấp. Các phản ứng xảy ra trong pha lỏng ở áp suất khí quyển và
50°C. Độ axit được duy trì từ 80-90% HF. Hỗn hợp phản ứng cấp 1 được đưa
vào tháp tách pha nơi mà pha axit và hydrocacbon tách biệt. Phần lớn pha axit
được đưa trở lại đầu vào của thiết bị phản ứng sơ cấp. Một phần HF từ tháp tách
pha sẽ được đưa đi tái sinh, do chứa các thành phần alkylate nặng không mong
muốn (polyme), và được tách ra tại phần đáy thiết bị. Đồng thời thiết bị cũng
tách nước lẫn trong HF do từ nguyên liệu hydrocacbon. Nước được tách ra dưới
dạng hỗn hợp đẳng phí (CBM) và tại đáy thiết bị tái sinh. Sau giai đoạn phân

tách của hỗn hợp tại đáy thiết bị, CBM được loại bỏ và vô hiệu hóa để xử lý an
toàn. Pha polymer cũng được rửa sạch bằng vôi hoặc dung dịch kiềm để loại bỏ
acid HF còn lại và thường được sử dụng làm nhiên liệu cho các đầu đốt đặc biệt
trong các lò đốt được sử dụng trong quá trình HF hoặc một quá trình nằm gần
đó.
Pha hydrocacbon tại giai đoạn phản ứng cấp 1 được đưa sang thiết bị phản
ứng cấp 2, nó được trộn với nhiều axit hơn. Hỗn hợp sau phản ứng lại được phân
tách. Axit sẽ được đưa trở lại đầu vào thiết bị phản ứng cấp 1.
Pha hydrocacbon từ thiết bị phản ứng cấp 2 được đưa vào tháp chưng tách
HF để tách hoàn toàn HF khỏi sản phẩm. Do trong hỗn hợp đáy tháp còn dư
benzen nên được đưa sang tháp thu hồi benzen. Dòng benzen thu được sẽ đưa
trở lại tháp phản ứng cấp 1.

P a g e 13 | 73


Tiểu Luận Môn Học

GV: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên

Phụ thuộc vào nguyên liệu thì có thể đưa thêm tháp chưng vào khối sản
xuất. VD: đầu vào khối sản xuất là khí của quá trình dehydro hóa thì có lẫn
parafin trong nguyên liệu olefin. Để chưng tách và thu hồi các parafin này thì
phần đáy tháp tách benzen được đưa sang tháp thu hồi parafin, parafin thu được
tại đỉnh tháp sẽ được đưa trở lại phân đoạn dehydro hóa. Sản phẩm sẽ được đưa
sang tháp thu hồi sản phẩm. Cặn quá trình là các alkylate cao phân tử (HAB) sẽ
thu ở đáy.

1.2.Công nghệ alkyl hóa dùng AlCl3

P a g e 14 | 73


Tiểu Luận Môn Học

GV: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên

Tính đến năm 2006, ~2 % của LAB được sản xuất trên toàn thế giới được
sản xuất bằng cách sử dụng AlCl3 alkyl hóa .
- Công nghệ xúc tác dị thể (2 pha lỏng lỏng)
- Giúp tăng chuyển hóa alkylate thành LAB và giảm HAB
- HCl dễ thu hồi và xử lý
- HAB có thể chuyển về thiết bị alkyl hóa để chuyển hóa thành LAB
1.3.Công nghệ xúc tác pha rắn của UOP/CEPSA
Tính đến năm 2006 thì sản phẩm của công nghệ này chiếm khoảng 18%
lượng sản xuất LAB của thế giới. Dự tính đến năm 2011 thì nó sẽ chiếm khoảng
22% khả năng sản xuất của thế giới.
- Công nghệ sử dụng pha rắn
- Hạn chế ăn mòn thiết bị
- Hệ thống đơn giản hơn 2 công nghệ còn lại

P a g e 15 | 73


Tiểu Luận Môn Học

GV: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên

2.Các công nghệ sản xuất LAS
2.1Sơ đồ công nghệ Sulphurex F của Ballestra

1-

Thiết bị làm lạnh

6- Thiết bị phản ứng

2-

Lò đốt lưu huỳnh

7- Xyclon

3-

Tháp hấp phụ

8- Thiết bị tách bọt

4-

Tháp chuyển hóa SO2

9- Thiết bị già hóa

5-

Tháp tách sương

10- Thiết bị hydrat hóa

P a g e 16 | 73


Tiểu Luận Môn Học

GV: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên

a.Nguyên liệu
-

LAB (Linear Alkylbenzen)

-

Lưu huỳnh: dạng hạt nhỏ, độ tinh khiết 99,8%.

b.Quy trình công nghệ
Quy trình công nghệ gồm các công đoạn chính:
-

Hóa lỏng lưu huỳnh

-

Làm khô khí

-

Sản xuất SO3

-

Phản ứng tạo LAS

-

Làm già và hydrat hóa

-

Xử lý khí thải

Lưu huỳnh được nấu chảy bằng thiết bị hóa lỏng lưu huỳnh, rồi được bơm sang lò
đốt lưu huỳnh. Không khí được quạt hút vào hệ thống, làm khô qua thiết bị làm lạnh
và tháp hấp phụ bằng silicagen (2 tầng làm việc luân phiên nhau nhờ các van). Khi hấp
phụ thì khí đi từ trên xuống còn khi nhả hấp phụ thì không khí nóng sẽ đi từ dưới lên.
Không khí sau khi sấy khô rồi thổi vào lò đốt lưu huỳnh. Lưu huỳnh được phun vào
tháp dưới dạng tia qua pép phun, chảy xuống lớp bi sứ đặt ở dưới đáy tháp. Không khí
khô dẫn từ đáy thiết bị đi lên ở lớp bi sứ. Lưu huỳnh cháy trong không khí tạo SO2.
Khí SO2 được đưa sang tháp chuyển hóa xúc tác cố định 4 tầng, chuyển thành SO3.
SO2 được dẫn từ trên xuống. Trong quá trình chuyển hóa thành SO3, do nhiệt độ của
dòng khí tăng quá cao so với nhiệt độ thuận lợi cho phản ứng nên làm nguội dòng khí
bằng thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm ở 2 tầng trên và làm nguội trực tiếp bằng không
khí ở 2 tầng dưới. Hỗn hợp khí ra khỏi tháp chuyển hóa được làm mát qua 2 thiết bị
trao đổi nhiệt dạng ống chùm rồi đưa qua thiết bị lọc sương, loại bỏ oleum vẫn còn lẫn
trong khí rồi dẫn vào tháp phản ứng.
LAB được bơm từ téc chứa vào tháp phản ứng. Tại đây LAB và SO3 tiếp xúc và
phản ứng với nhau. Sản phẩm phản ứng được dẫn vào thiết bị phân tách lỏng khí. Phần
lỏng được đưa sang thiết bị làm già ủ để phản ứng tiếp tục xảy ra, nâng cao hiệu suất

phản ứng, rồi đưa sang thiết bị hydrat hóa. Sau đó dòng sản phẩm làm mát bằng thiết
bị trao đổi nhiệt đạng tấm về nhiệt độ môi trường trước khi đưa ra ngoài téc chứa sản
phẩm. Hỗn hợp khí được đưa sang xyclon tách giọt, lỏng thi được sẽ quay trở lại
đường ống đưa sang thiết bị làm già. Hỗn hợp khí sau khi tách giọt gồm SO2, SO3.
Hỗn hợp khí được đưa sang lọc tĩnh điện để loại bỏ mù LAS, rồi qua tháp đệm hấp thụ
loại bỏ SO2, SO3 trước khi xả khí thải ra môi trường.
P a g e 17 | 73


Tiểu Luận Môn Học

GV: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên

c.Tháp chuyển hóa SO2
Trước khi tháp chuyển hóa làm việc, cần phải sấy lớp xúc tác lên khoảng 400oC để
hoạt hóa xúc tác.

1-

Cửa vào của khí

4- Tấm đỡ

2-

Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm

5- Cửa vào của không khí

3-

Lớp bi sứ

6- Cửa ra của khí
P a g e 18 | 73


Tiểu Luận Môn Học

GV: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên

SO2 trước khi dẫn vào tháp được làm nguội xuống khoảng 500oC. Vào tháp, hỗn
hợp khí qua thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm nằm ngang để giảm nhiệt độ xuống
khoảng 400oC, thích hợp cho quá trình chuyển hóa. Tại tầng đầu tiên, quá trình chuyển
hóa được khoảng 935. Sau khi ra khỏi tầng thứ nhất, nhiệt độ của hỗn hợp khí tăng lên
khoảng 550oC. Lúc này hỗn hợp khí lại được làm nguội xuống 400oC, rồi chuyển
xuống tầng xúc tác thứ 2. Tại tầng xúc tác thứ 2, quá trình chuyển hóa đạt khoảng 95%.
Ở 2 tầng dưới, do SO2 đã chuyển hóa gần như hoàn toàn nên phản ứng chuyển hóa xảy
ra không mãnh liệt, do đó chỉ cần làm mát bằng không khí, đồng thời bổ sung thêm O2
để tăng khả năng chuyển hóa. Khả năng chuyển hóa ở 2 tầng dưới khoảng 98%.
Sau khi chuyển hóa, hỗn hợp khí lúc có nhiệt độ khoảng 410oC được đưa ra
ngoài sang thiết bị trao đổi nhiệt để hạ nhiệt độ. Tháp chuyển hóa cao khoảng 10m,
đường kính 1,4m.
d) Thiết bị phản ứng:
Thiết bị gồm có 37 ống phản ứng. Bên ngoài có lớp nước làm mát. Khí SO3 được
đưa vào đỉnh tháp. LAB được đưa vào từ bên cạnh qua 3 vòi phân phối. LAB chảy qua
phễu phân phối, chảy màng vào ống phản ứng. LAB phản ứng với SO3 trong ống phản
ứng tạo LAS. LAS sinh ra chảy xuống thiết bị tách bọt. Tháp phản ứng cao 7m, đường
kính thân 0,4m.

P a g e 19 | 73


Tiểu Luận Môn Học

GV: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên

1-

Cửa vào của SO3

5- Cửa ra của nước làm

2-

Phễu trộn

6- Cửa vào của nước

3-

Tấm ngăn

7- Cửa ra của LAB

4-

Ống phản ứng

mát

làm mát

P a g e 20 | 73


Tiểu Luận Môn Học

GV: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên

2.2. Sản xuất LAS ở áp suất cao trong môi trường Carbon dioxide quá tới hạn [6]
a.Phản ứng ở áp suất cao
Đánh giá tác động của áp suất cao đến cân bằng hóa học và tốc độ phản ứng là rất
quan trọng để phản ánh được sự thay đổi khối lượng chất phản ứng trong tất cả các
phản ứng.
Sự thay đổi khối lượng phụ thuộc vào mức độ nén của hệ thống phản ứng và có
thể được xác định bằng các thông số khác như hằng số điện môi, cũng phụ thuộc vào
áp suất.
- Nén khí: mối quan hệ giữa áp suất – khối lượng – nhiệt độ của khí thực có
thể được xác định bởi Vader Waals, Peng – Robinson và phương trình Virial.
- Nén lỏng: áp suất ảnh hưởng ít hơn so với khí nhưng ở áp suất cao thì ảnh
hưởng đó là đáng kể. Cân bằng hóa học, tốc độ phản ứng, hằng số điện môi, độ
nhớt thường xuyên bị ảnh hưởng vì nén. Ở nhiệt độ thường hầu hết chất lỏng giảm
4-10% khối lượng khi áp suất tăng lên 1-1000atn. Cấu trúc phân tử cũng ảnh
hưởng đến quá trình nén.
- Áp suất và độ nhớt của khí: ở áp suất thấp và nhiệt độ nhớt của khí là độc lập
với áp suất và nó liên quan trực tiếp tới nhiệt độ. Áp suất tăng, hoạt động của khí
trở nên gần giống lỏng và độ nhớt tăng khi áp suất răng và giảm khi tăng nhiệt độ.
- Áp suất và độ nhớt của lỏng: ảnh hưởng của áp suất đến độ nhớt của lỏng là
khá cao. Áp suất tăng thì độ nhớt tăng, độ nhớt tăng ảnh hưởng đến tốc độ phản
ứng hóa học.

- Áp suất và hằng số điện môi: Các hằng số điện môi của chất khí không phân
cực và các chất lỏng tăng chậm với áp suất.
b.Phản ứng trong môi trường Cacbon dioxide quá tới hạn
Tính chất của Cacbon dioxide quá tới hạn
Trạng thái vật lí của một chất có thành phần cố định có thể được mô tả bằng đồ thị
áp suất – nhiệt độ (hình 2.1)

P a g e 21 | 73


Tiểu Luận Môn Học

GV: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên

Nhiệt độ tới hạn là nhiệt độ cao nhất mà một chất khí có thể chuyển thành dạng
lỏng khi tăng áp suất. Áp suất tới hạn là áp suất cao nhất mà một chất lỏng có thể
chuyển thành dạng khí khi tăng nhiệt độ. Một chất lỏng được gọi là quá tới hạn khi
nhiệt độ và áp suất của nó ở trên nhiệt độ tới hạn và áp suất tương ứng.
Một số tính chất của CO2 quá tới hạn thay đổi theo áp suất và nhiệt độ là tỷ trọng,
khuếch tán, độ nhớt, độ dẫn điện, hằng số điện môi, một phần khối lượng phân tử,
nhiệt. Ở áp suất thấp, tỷ trọng của CO2 quá tới hạn giảm đáng kể khi nhiệt độ tăng. Ở
áp suất cao, sự thay đổi nhiệt độ ít ảnh hưởng đến tỷ trọng.

P a g e 22 | 73


Tiểu Luận Môn Học

GV: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên

Độ giảm tỷ trọng theo độ giảm áp suất (Pr), nhiệt độ (Tr) được thể hiện ở trên:
- 1< Tr < 1.2: sự tăng nhỏ áp suất làm tỷ trọng tăng đáng kể
c.Hiệu quả của việc sử dụng CO2 quá tới hạn

P a g e 23 | 73


Tiểu Luận Môn Học

GV: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên

Tăng hệ số khuếch tán: Chất lỏng quá tới hạn có tính khuếch tán cao hơn so với
chất lỏng thường do chất lỏng thường có tỷ trọng thấp hơn. Ngoài ra, nhiệt độ và áp
suất có ảnh hưởng đến hệ số khuếch tán. Hệ số khuếch tán khá khác nhau trong vùng
quanh điểm tới hạn vì vậy người ta hi vọng tăng hệ số khuếch tán của phản ứng kiểm
soát.
Tăng khả năng hòa tan của chất phản ứng và loại bỏ truyền khối. Một số phản ứng
bình thường được thực hiện trong nhiều pha hoạt động có thể thuận lợi bởi quá trình
một pha quá tới hạn.
Tạo điều kiện cho việc tách: Tính tan của các chất hòa tan trong chất lỏng quá tới
hạn rất mạnh ở nhiệt độ trong khu vực nén gần điểm tới hạn. Do đó cần cẩn thận lựa
chọn điều kiện hoạt động sao cho có thể dễ dàng kết tủa sản phẩm nếu nó tan ít hơn
chất phản ứng.
a.Sơ đồ công nghệ

Trong tháp hấp phụ xử lý hỗn hợp khí chứa 3000ppm SO2 qua lớp than hoạt tính.
Bộ điều khiển lưu lượng (MFC) được sử dụng để được dòng khí có thành phần mong
muốn. Tháp AC1, -AC2 có chứa lớp than hoạt tính cố định. Một máy phân tích khí
SO2 được kết nối với một hệ thống thu thập dữ liệu để đo và ghi chép nồng độ SO2 của
khí thải cột AC. Một lưu lượng kế kiểm soát lưu lượng thể tích khí đi qua thông qua

P a g e 24 | 73


Tiểu Luận Môn Học

GV: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên

các máy phân tích. SO3 được hình thành trền than hoạt tính đã được tách sử dụng
cacbon dioxit quá tới hạn (SCCO2). Pha nén CO2 – SO3 liên kết với LAB để sản xuất
LAS (sulfo hóa). Một bơm áp suất cao, nhiệt tuần hoàn, thiết bị trao đổi nhiệt được sử
dụng để tạo áp lực và làm nóng dòng CO2 để đạt trạng thái quá tới hạn. LAB1, LAB2,
LAB3 đại diện cho 3 tháp LAB sử dụng trong quá trình sunfo hóa. Bộ điều chỉnh áp
suất trở lại (BPR) được sử dụng để duy trì áp suất mong muốn trong tháp AC và tháp
LAB. Một cột nước (H2O) ở đáy của tháp phản ứng LAB giữ lại SO3 và SO2 chưa
phản ứng. Bộ lọc được sử dụng ở đỉnh của MFC để giữ những mảnh vỡ và ngăn chặn
thiệt hại từ bộ điều chỉnh áp suất trở lại, khí phân tích SO2, MFC và bơm. Tháp AC1,
AC2 có thể làm việc luân phiên nhưng các tháp LAB làm việc liên tiếp nhau.

Gồm có 1 tháp hấp phụ, 1 tháp than hoạt tính, xi lanh khí (2536ppm SO2 trong N2),
dòng khí (không khí, N2, SO2), bộ điều khiển lưu lượng, phân tích khí SO2, lưu lượng
kế, hệ thống thu thập số liệu.
Máy phân tích khí được kéo về 0 trước mỗi lần hấp phụ. Xi lanh khí và N2 sử dụng
cho mục đích đó. Để đo chính xác người ta đặt một lưu lượng kế trước máy phân tích
khí để kiểm soát tốc độ dòng khỉ chảy qua. Trong khi may phân tích khí về 0 thì áp
suất được duy trì ở 15psi bằng điều khiển xi lanh bơm khí. Tốc độ dòng chảy tối ưu là
1 l/phút.
Áp suất đầu ra của MFC là 15psi, áp suất đầu vào đối với không khí và nitro là
40psi, đối với SO2 là 30psi. Để thực hiện quá trình oxi hóa, SO2, không khí và N2 được
P a g e 25 | 73