CÔNGNGHỆCHẤT HOẠT ĐỘNG bề MẶTPGS

CÔNG NGHỆ
CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
Chương 1: Giới thiệu chung về chất hoạt
động bề mặt

PGS. TS. Lê Thị Hồng Nhan
Đại học Bách Khoa TP.HCM
2014
1


Giới thiệu
•Tình hình
Là một trong những nhóm hóa chất sử dụng nhiều nhất trên
thế giới
Sử dụng trong lĩnh vực: tẩy rửa, mỹ phẩm, công nghiệp liên
quan vi điện tử, môi trường, dầu khí, sinh học, ức chế ăn
mòn, …

Thị trường chất hoạt động bề mặt cao (khoảng 3 tỷ USD
trong 1997)
2


Giới thiệu
Thị trường chất họat động bề mặt trên thế giới 1995-2005 ( ngàn tấn)
Vùng

1995

2005

% tăng /năm

Nhật

565

655

1,5

Tây Âu

2100

2165

0,3

Bắc Mỹ

1800

1960

1,0

Châu Á Thái bình dương

2690

4340

6,1

Châu Mỹ la tinh

1575

1785

2,6

Các vùng còn lại

1645

2765

6,8

Tổng cộng

10220

13870

3,6

Tây âu, Bắc Mỹ : khoảng 80% chất họat động bề mặt ở trên cơ sở dầu

mỏ
châu Á Thái bình dương: 55-65% chất họat động bề mặt trên cơ sở dầu
béo thiên nhiên.

3


Giới thiệu
Lượng chất họat động bề mặt được sử dụng ở các lĩnh vực
và các vùng khác nhau trên thế giới năm 1995)

Household Products

AsiaPacific

Western
Europe

North
America

58 %

56%

40%

Industrial & Institutional Cleaners
All others industrial uses ( pulp
and paper, textile, construction,…..

2%

9%

10%

40%

35%

50%

% used in all industrial application

42%

43%

60%

Tổng cộng (triệu tấn)

2,8

1,9

2,5

Tổng cộng trong sử dụng công

nghiệp (triệu tấn)

1,18

0,82

1,50
4


Giới thiệu
•Tên gọi
Surfactant = Surface-active agent

Tồn tại ở nồng độ thấp trong hệ thống
Hấp thu lên bề mặt hay mặt phân chia pha => thay đổi

năng lượng tự do của bề mặt.

5


Sức căng bề mặt
A

A
B

B

B

Phân tử chịu tương tác của các phân tử bao quanh: lưỡng
cực- lưỡng cực; ;lưỡng cực- lưỡng cực cảm ứng; Khuếch
tán => Lực liên kết Van der Walls
(B): lực cân bằng

(A) lực không cân bằng

lực ép vào trong lòng chất lỏng = nội áp
Nội áp kéo phân tử từ bề mặt phân chia pha => giảm bể mặt
6
đến mức tối thiểu


Sức căng bề mặt
•Thế năng (A) > Thế năng (B)
 D năng lượng (A) và (B) = năng lượng bề mặt
•Muốn tăng bề mặt: đưa phân tử trong lòng ra bề mặt -> thực
hiện công chống lại lực tương tác phân tử -> năng lượng dư
bề mặt dEs

dEs   .ds

dEs

ds

= năng lượng tạo ra 1 unit bề mặt = sức căng bề mặt = Lực
tác dụng trên một đơn vị chiều dài giới hạn (chu vi) bề mặt

phân chia pha và làm giảm bề mặt của chất lỏng
(dyn.cm-1,erg.cm-2 )
7


Sức căng bề mặt
•Các yếu tố ảnh hưởng sức căng bề mặt
-Bản chất pha tiếp xúc
-Nhiệt độ
-Áp suất
-Độ cong bề mặt

-Sự xuất hiện của chất thứ hai trong chất lỏng

8


Sức căng bề mặt
-Bản chất pha tiếp xúc
•
Chất lỏng phân cực mạnh-> tương tác phân tử
lớn, nội áp lớn -> sức căng bề mặt lớn
•

Mật độ phân tử

•
Dưới tác dụng của sức căng bề mặt, thể tích
khối chất lỏng sẽ hướng tới dạng hình cầu ( nếu không
có ngoại lực) vì bề mặt hình cầu là bề mặt bé nhất giới

hạn một thể tích chất lỏng đã cho

9


Sức căng bề mặt
Nếu hai chất lỏng chỉ hòa tan một phần vào nhau thì sức căng bề

mặt trên giới hạn lỏng lỏng gần bằng hiệu số giữa sức căng bề
mặt của mỗi chất ( đã bảo hòa chất kia) so với không khí.

Sức căng bề mặt của các chất lỏng tiếp xúc với không khí (o) và của chất
lỏng tiếp xúc với nước (I) ở 20oC ( dyn/cm
o

I

o

I

Nước

72,75

-

Ethanol

22,30

-

Benzen

28,88

35,00

n-octanol

27,50

8,50

Acid acetic

27,60

-

n-hexan

18,40

51,10

CCl4

26,80

45,10

n-octan

21,80

50,80

Glycerin

66,00

-

Anilin

42,90

-

Chất lỏng

Chất lỏng

10


Sức căng bề mặt
Nếu hai chất lỏng chỉ hòa tan một phần vào nhau thì sức căng bề

mặt trên giới hạn lỏng lỏng gần bằng hiệu số giữa sức căng bề
mặt của mỗi chất ( đã bảo hòa chất kia) so với không khí.

Bề

mặt
lỏng

chất

Nhiệt
độ
(oC)

Sức căng bề mặt lỏngkhông khí (dyn/cm)

Sức căng bề mặt lỏnglỏng
(dyn/cm)

Lớp hữu cơ

Lớp nước

Tính toán

Thực
nghiệm

Benzen/nước

19

28,8

63,2

34,4

34,4

Anilin/nước

26

42,2

46,4

4,2

4,8
11


Chất hoạt động bề mặt
Sức căng bề mặt
(2)

(3)

(1)
Nồng độ

(1) Chất hoạt động bề mặt
(2) Chất không họat động bề mặt
(3) Chất không ảnh hưởng đến sức căng bề mặt
12


Chất hoạt động bề mặt
• Các chất họat động bề mặt:
-Chất có khả năng làm giảm sức căng bề mặt của dung môi
chứa chúng.
Thường là: các chất hữu cơ như các acid béo, muối của acid
béo, ester, rượu, alkyl sulfate….
• Cấu tạo: gồm hai phần:
+ Phần phân cực ( ái nước, ưa nước, háo nước=lyophilic
group)
+ Phần không phân cực ( kỵ nước, ghét nước hay ái dầu, háo
dầu, ưa dầu= lyophobic group)
13


Chất hoạt động bề mặt
• Các chất họat động bề mặt:
-Chất có khả năng làm giảm sức căng bề mặt của dung môi
chứa chúng.
Thường là: các chất hữu cơ như các acid béo, muối của acid
béo, ester, rượu, alkyl sulfate….
• Cấu tạo: gồm hai phần:

+ Phần phân cực ( ái nước, ưa nước, háo nước=lyophilic
group)
+ Phần không phân cực ( kỵ nước, ghét nước hay ái dầu, háo
dầu, ưa dầu= lyophobic group)
14


Chất hoạt động bề mặt
• Mô hình chất họat động bề
mặt:
• Cấu trúc thực tế:
Phần kỵ nước

Phần ái nước

15


Phân loại
Phân loại theo:
• Cấu trúc hóa học
• Tính chất vật lý ( độ tan trong nước hoặc dung môi)
• Ứng dụng hóa học

Phân loại theo bản chất nhóm háo nước
Phân loại theo bản chất nhóm kỵ nước
Phân loại theo bản chất liên kết giữa nhóm háo nước và
kỵ nước
16

Phân loại
theo bản chất nhóm háo nước

-Anionic
-

- Cationic

+
- Non ionic (NI) ( không phân ly)

- Lưỡng tính ( Amphoteric)

+

17


Phân loại
theo bản chất nhóm háo nước
•Anionic:
Hòa tan trong nước phân ly thành ion HĐBM điện tích
âm
Bao gồm các nhóm chính:
• Acid carbocylic: RCOO(-)
• Ester sulfuric ( Sulfate): ROSO2O(-)
• Alkan sulfonic acid: RSO3(-)
• Alken sulfonic acid: R-CH=CH-CH2-SO3(-)
• Alkyl aromatic sulfonic acid: R-C6H4-SO3(-)

• Các nhóm khác: Phosphate và phosphonic acid,
persulfate, thiosulfate, sulfamic acid,
sulfosuccinate…

18


Phân loại
theo bản chất nhóm háo nước
•Anionic:
H3C (CH2)n

-

H3C

C

Parafin sulfonate
( SAS: Secondary Alkyl Sulfonate)

CH3

CH2 C CH2 C

CH3

CH3

CH3

CH3

SO3

Sulfate rượu bậc một
( PAS: Primery Alcohol Sulfate)
CH3

(CH2)m
-

R O SO3

CH3

H
C

-

SO3

Alkyl benzen sulfonat (ABS)
ABS nhánh

H3C

(CH2)n

SO3

ABS thẳng
(LAS: Linear Alkylbenzene Sulfonate)
19


Phân loại
theo bản chất nhóm háo nước
•Cationic:
Hòa tan trong nước phân ly thành ion HĐBM điện tích
dương
R3

R1
+

N
R2

X
R4

X: halogenua, sulfate, methyl sulfate,…
R1: alkyl mạch dài
R2, R3, R4: Hydro hay nhóm alkyl mạch ngắn, alkyl aryl.
20


Phân loại

theo bản chất nhóm háo nước
•Cationic:
CH3

R-CH2
+

N

Cl
CH3

H3C

O
R C

Một dây alkyl

CH3SO4-

+

N

O
R C

O-CH2-CH2

CH2-CH2OH

Dialkyl ester thế bốn lần của
methosulfate triethanolamine

+

H3C

CH3

O-CH2-CH2

N

N

(CH2)2NH

R
imidazolin bậc bốn

C R
O
21


Phân loại
theo bản chất nhóm háo nước
•Nonionic:

Không tạo ion khi tan trong dung dịch nước
Cấu tạo:
-Phần kỵ nước: akyl phenol, alcol, acid béo, amide,…
-Phần ái nước: ethylene oxide, propylene oxide,
glycerin orbitol,…

Hoạt động được trong môi trường chứa chất điện ly
lớn

22


Phân loại
theo bản chất nhóm háo nước
•Nonionic:
R O

(CH2-CH2O)n

H

Các rượu béo ethoxy hóa
H

(O-CH2-CH2)m

O

(CH2-CH-O)n

(O-CH2-CH2)m-H

Copolymer oxide ethylene (OE) và oxide propylene (OP)
H
R C N
O

CH2-CH2-OH

Alkyl monoethanol amide

CH2-CH2-OH
R C N
O

CH2-CH2-OH

Alkyl diethanol amide
23


Phân loại
theo bản chất nhóm háo nước
•Nonionic:
R CHOH-CH2-(OCH2-CHOH-CH2)n -OH
Polyglycerol ester

CH2OH
O

OH
O

OH

O

R

n

alkylpolyglucoside (APG)
24


Phân loại
theo bản chất nhóm háo nước
•Lưỡng tính:
Có chứa cả nhóm acid và base trong phần ái nước
Gồm 2 loại chính:

-HĐBM lưỡng tính carboxylic
-HĐBM lưỡng tính sulfate/sulfonate

25