Công nghệ chất hoạt động bề mặt PGS.TS. Lê Thị Hồng Nhan Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM, 2012
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.03 MB, 66 trang )
Trường Đại Học Bách Khoa-Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh
Khoa Kỹ Thuật Hóa Học
Bộ môn Kỹ Thuật Hữu Cơ
CÔNG NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG
BỀ MẶT
PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ CHẤT HOẠT
ĐỘNG BỀ MẶT
PGS.TS. Lê Thị Hồng Nhan
Tp. HCM, 2012
PGS.TS. LÊ THỊ HỒNG NHAN_CÔNG NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
1
MỤC LỤC
MỤC LỤC ........................................................................................................................................ 2
LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT ........................... 6
CHƯƠNG 1
1.1
SỨC CĂNG BỀ MẶT VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ......................................... 6
1.1.1
Sức căng bề mặt......................................................................................................... 6
1.1.2
Các yếu tố ảnh hưởng đến sức căng bề mặt............................................................. 8
1.2
CÁC CHẤT HỌAT ĐỘNG BỀ MẶT, CHẤT KHÔNG HỌAT ĐỘNG BỀ MẶT VÀ
CHẤT KHÔNG ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỨC CĂNG BỀ MẶT ................................................. 9
1.3
ĐỘ HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT – QUY TẮC TRAUBE I ............................................. 12
1.4
CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SỨC CĂNG BỀ MẶT ..................................... 13
1.4.1
Xác định sự biến đổi mực chất lỏng trong mao quản ........................................... 13
1.4.2
Phương pháp cân giọt lỏng ..................................................................................... 13
1.4.3
Phương pháp kéo vòng Lecomte du Nouy ............................................................ 14
CHƯƠNG 2
TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT TRONG DUNG
DỊCH
15
2.1
CẤU TẠO LỚP BỀ MẶT TRÊN GIỚI HẠN LỎNG-KHÍ ....................................... 15
2.2
SỰHÌNH THÀNH MICELLE...................................................................................... 16
2.3
NỒNG ĐỘ MICELLE TỚI HẠN ................................................................................ 18
2.4
ĐIỂM KRAFT ............................................................................................................... 19
2.5
ĐIỂM ĐỤC .................................................................................................................... 20
2.6
HLB (HYDROPHILE-LIPOPHILE BALANCE) ...................................................... 20
2.7
ĐẶC TÍNH BỀ MẶT LỎNG-RẮN VÀ QUAN HỆ BỀ MẶT TRONG HỆ BA PHA23
PHÂN LOẠI VÀ ỨNG DỤNG CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT ............... 25
CHƯƠNG 3
3.1
GIỚI THIỆU CHUNG .................................................................................................. 25
3.1.1
Phân loại theo bản chất nhóm háo nước ................................................................ 25
3.1.2
Phân loại theo bản chất nhóm kỵ nước .................................................................. 25
3.1.3
Phân loại theo bản chất liên kết nhóm kỵ nước và ái nước .................................. 26
3.2
CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT ANION .................................................................... 26
3.2.1
Chất hoạt động bề mặt nguồn gốc acid carboxylic ............................................... 26
3.2.1.1
Xà phòng .......................................................................................................... 26
PGS.TS. LÊ THỊ HỒNG NHAN_CÔNG NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
2
3.2.1.2
Các chất hoạt động bề mặt từ acid carboxylic thiên nhiên khác.................. 27
3.2.1.3
Các chất hoạt động bề mặt từ acid carboxylic tổng hợp .............................. 28
3.2.2
Chất hoạt động bề mặt sulfate ................................................................................ 28
3.2.3
Chất hoạt động bề mặt sulfonate ............................................................................ 29
CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT CATION .................................................................. 31
3.3
3.3.1
Giới thiệu ................................................................................................................. 31
3.3.2
Một số ứng dụng...................................................................................................... 33
CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT LƯỠNG TÍNH ........................................................ 35
3.4
3.4.1
Giới thiệu ................................................................................................................. 35
CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT KHÔNG ION .......................................................... 36
3.5
3.5.1
Giới thiệu ................................................................................................................. 36
3.5.2
Một số ứng dụng...................................................................................................... 37
ỨNG DỤNG TỔNG QUÁT ......................................................................................... 40
3.6
CHƯƠNG 4
KHẢ NĂNG TẠO NHŨ TƯƠNG ................................................................. 41
4.1
PHÂN LOẠI NHŨ TƯƠNG ........................................................................................ 41
4.2
HIỆN TƯỢNG NHŨ HÓA .......................................................................................... 42
4.3
CHẤT NHŨ HÓA ......................................................................................................... 43
4.3.1
Khái niệm................................................................................................................. 43
4.3.2
Phân loại chất nhũ hóa ............................................................................................ 43
4.3.3
Vai trò của nhũ hóa trong sự hình thành nhũ ........................................................ 44
4.4
ĐỘ BỀN VỮNG CỦA TẬP HỢP NHŨ TƯƠNG...................................................... 45
4.5
ĐIỀU CHẾ VÀ PHÁ VỠ HỆ NHŨ TƯƠNG-SỰ ĐẢO NHŨ (ĐẢO PHA) ............ 46
4.6
CÁC BIỆN PHÁP LÀM BỀN NHŨ............................................................................ 47
4.6.1
Cơ sở về tính ổn định của nhũ tương ..................................................................... 47
4.6.2
Các yếu tố ảnh hưởng độ bền nhũ .......................................................................... 48
4.6.3
Các biện pháp làm bền nhũ ..................................................................................... 49
4.7
MỘT SỐ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT ĐƯỢC DÙNG LÀM CHẤT NHŨ HÓA
O/W
50
CHƯƠNG 5
CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT VÀ CÁC HỆ BỌT .................................... 53
5.1
ĐỘ BỀN VỮNG CỦA TẬP HỢP BỌT ...................................................................... 53
5.2
CÁC NGUYÊN NHÂN LÀM BỀN BỌT ................................................................... 54
5.3
CÁC TÁC NHÂN LÀM TĂNG BỌT (FOAM BOOTSTER)................................... 54
PGS.TS. LÊ THỊ HỒNG NHAN_CÔNG NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
3
5.3.1
Chọn lựa chất hoạt động bề mặt ............................................................................. 55
5.3.2
Sử dụng các chất phụ gia làm tăng bọt .................................................................. 55
5.4
CÁC TÁC NHÂN CHỐNG BỌT (ANTIFOAMER) ................................................. 56
5.4.1
Cơ chế phá vỡ bọt bằng các hạt kỵ nước ............................................................... 56
5.4.2
Cơ chế chảy loang (spreading) ............................................................................... 57
5.5
ĐIỀU CHẾ VÀ PHÁ VỠ BỌT .................................................................................... 57
CHƯƠNG 6
6.1
KHẢ NĂNG TẨY RỬA ................................................................................. 59
CƠ CHẾ TẨY RỬA...................................................................................................... 59
6.1.1 Tẩy các vết bẩn có chất béo ......................................................................................... 59
6.1.2
Tẩy các vết bẩn dạng hạt ..................................................................................... 62
6.2
CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH TẨY RỬA ................................ 63
6.3
ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TẨY RỬA ......................................................................... 64
6.4
CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT VÀ CÁC CHỈ TIÊU KHÁC .................................. 64
6.4.2
Khả năng tạo hệ huyền phù .................................................................................... 64
6.4.3
Khả năng thấm ướt .................................................................................................. 65
6.4.4
Chỉ số canxi chấp nhận ........................................................................................... 65
PGS.TS. LÊ THỊ HỒNG NHAN_CÔNG NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
4
Hình 1.1: Bề mặt phân chia pha lỏng-khí của một chất lỏng nguyên chất ................................... 7
Hình 1.2: Quan hệ tuyến tính giữa sức căng bề mặt và nhiệt độ................................................... 9
Hình 1.3: Sự phụ thuộc của sức căng bề mặt theo nồng độ (đẳng nhiệt) .................................. 11
Hình 1.4: Độ hoạt động bề mặt của đồng đẳng acid formic ........................................................ 12
Hình 1.5: Phân bố của chất hoạt động bề mặt tại giới hạn lỏng-khí. (a) khi nồng độ thấp và (b) khi
nồng độ đủ lớn ................................................................................................................................ 15
Hình 1.6: Sự hình thành cấu trúc micelle của chất hoạt động bề mặt ......................................... 16
Hình 1.7: Các dạng cấu trúc micelle khác nhau ........................................................................... 17
Hình 1.8: Các dạng micelle trong môi trường nước và dung môi khác nhau. ........................... 17
Hình 1.9: Sự thay đổi đột ngột tính chất vật lý của dung dịch chất hoạt động bề mặt khi tại điểm
CMC ................................................................................................................................................ 18
Hình 1.10: Hệ ba pha của giọt chất lỏng nằm trên bề mặt rắn trong không khí ........................ 24
Hình 2.1: Cấu tạo màng bọt ........................................................................................................... 53
Hình 2.2: Sự thay đổi của sợi sau khi giặt .................................................................................... 33
Hình 2.3: Tác động của chất làm mềm lên bề mặt vải sợi........................................................... 33
PGS.TS. LÊ THỊ HỒNG NHAN_CÔNG NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
5
CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ
CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
Các quá trình dị thể bất kỳ (như hình thành hay phân hủy các chất rắn, hòa tan các chất rắn,
lỏng và khí, bay hơi, thăng hoa, tẩy rửa, tạo nhũ tương, bọt ….) đều là những quá trình xảy ra
trên bề mặt phân chia pha. Trạng thái các chất ở bề mặt phân chia pha rất khác với vật chất trong
lòng các pha vì có sự khác biệt về tương tác giữa các phân tử với nhau. Sự khác biệt đó làm sản
sinh các hiện tượng đặc biệt trên bề mặt phân chia pha.
Việc nghiên cứu hiện tượng bề mặt có sức lôi cuốn lớn vì nó có tầm quan trọng lý thuyết và
thực tế. Nghiên cứu các hiện tượng bề mặt có thể đánh giá được năng lượng và hiểu rõ được bản
chất tương tác phân tử. Ý nghĩa thực tế của các hiện tượng bề mặt là ở chỗ, vật chất có bề mặt lớn
rất phổ biến trong tự nhiên và được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật. Vì vậy việc tìm hiểu về sức
căng bề mặt đóng một vai trò rất quan trọng.
1.1 SỨC CĂNG BỀ MẶT VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG
1.1.1
Sức căng bề mặt
Xét trên một bề mặt phân chia pha lỏng- khí của một chất lỏng nguyên chất. Mọi phân tử chất
lỏng đều chịu sự tương tác của các phân tử bao quanh (tương tác lưỡng cực-lưỡng cực, lưỡng
cực- cảm ứng, tương tác khuếch tán- đây là ba thành phần của liên kết Van der Waals). Tuy
nhiên:
+ Đối với các phân tử trong lòng pha lỏng các lực tương tác là cân bằng với nhau
+ Đối với các phân tử ở trên ranh giới phân chia pha, lực tương tác về phía pha lỏng lớn
hơn về phía pha khí, nên tạo ra một lực ép lên phần chất lỏng về phía bên trong. Áp suất tạo ra đó
(lực trên một đơn vị bề mặt) gọi là áp suất phân tử -chính là nội áp pi trong phương trình van der
Waals. Nội áp này kéo các phân tử chất lỏng từ bề mặt phân chia pha, do đó có xu hướng làm cho
bề mặt giảm đến mức tối thiểu.
PGS.TS. LÊ THỊ HỒNG NHAN_CÔNG NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
6
A
A
B
B
B
Hình 1.1: Bề mặt phân chia pha lỏng-khí của một chất lỏng nguyên chất
Vậy các phân tử ở lớp bề mặt có thế năng lớn hơn so với thế năng của của các phân tử bên
trong. Phần năng lượng lớn hơn đó gọi là năng lượng bề mặt của chất lỏng. Muốn làm tăng bề
mặt, cần phải phải đưa thêm các phân tử từ trong lòng pha lỏng đến lớp bề mặt, tức là thực hiện
một công chống lại lực tương tác của các phân tử. Công đó trong điều kiện đẳng nhiệt thuận
nghịch bằng độ tăng của năng lượng dư bề mặt dEs. Khi bề mặt tăng một giá trị ds thì năng lượng
bề mặt cũng tăng một giá trị dEs.
dEs = ds hay = dEs/ds
Trong đó năng lượng tạo ra một đơn vị bề mặt hay còn gọi là sức căng bề mặt. Nói cách
khác: “ Lực tác dụng trên một đơn vị chiều dài của giới hạn (chu vi) bề mặt phân chia pha và làm
giảm bề mặt của chất lỏng gọi là sức căng bề mặt ”. (erg/cm2 hay dyn/cm vì 1 erg = 1 dyn/cm)
Sức căng bề mặt phụ thuộc vào bản chất của chất tiếp xúc.
Chất lỏng càng phân cực, tương tác phân tử càng lớn, nội áp càng lớn, do đó sức căng bề mặt
càng lớn.
Do mật độ phân tử của khí hoặc hơi nhỏ hơn rất nhiều so với mật độ phân tử của chất lỏng
nên tương tác giữa các phân tử có thể bỏ qua được. Điều này không thể thực hiện được.
Sự có mặt trên lớp chất lỏng thứ nhất lớp chất lỏng thứ hai không trộn lẫn với nó luôn luôn
làm sức căng bề mặt giảm. Sự giảm sức căng bề mặt càng nhiều nếu sự khác biệt về độ phân cực
của hai chất lỏng càng bé. Các chất lỏng có độ phân cực càng gần nhau sẽ tan lẫn với nhau càng
nhiều và do đó sức căng bề mặt giữa chúng sẽ bằng không.
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 bão hòa chất kia) so với không khí.
PGS.TS. LÊ THỊ HỒNG NHAN_CÔNG NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
7
Bảng 1.1: 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).
Chất lỏng
o
I
Nước
72,75
-
Benzene
28,88
Acid acetic
Chất lỏng
o
I
Ethanol
22,30
-
35,00
n-octanol
27,50
8,50
27,60
-
n-hexane
18,40
51,10
CCl4
26,80
45,10
n-octane
21,80
50,80
Glycerin
66,00
-
Anilin
42,90
-
Bề mặt chất lỏng
Nhiệt độ
Sức căng bề mặt lỏng-không
Sức căng bề mặt lỏng-lỏng
(oC)
khí (dyn/cm)
(dyn/cm)
Lớp hữu cơ
Lớp nước
Tính toán
Thực nghiệm
Benzene/nước
19
28,8
63,2
34,4
34,4
Anilin/nước
26
42,2
46,4
4,2
4,8
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.
1.1.2
Các yếu tố ảnh hưởng đến sức căng bề mặt
a. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sức căng bề mặt
Ngoài yếu tố bản chất của các pha tiếp xúc có ý nghĩa quyết định đến giá trị sức căng bề mặt,
sức căng bề mặt còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như nhiệt độ, áp suất, độ cong của bề mặt
và đặc biệt là sự có mặt của chất thứ hai trong chất lỏng. Trong phần này chỉ đề cập đến mối quan
hệ giữa sức căng bề mặt và nhiệt độ, các yếu tố khác sẽ thảo luận sau.
Sức căng bề mặt của đa số chất lỏng giảm gần như tuyến tính khi nhiệt độ tăng (trừ các kim
loại nóng chảy) theo phương trình của W. Ramsay và J. Shields sau khi hiệu chỉnh phương trình
của R. Eotvos:
V2/3 = k (T c - T – 6)
Trong đó:
PGS.TS. LÊ THỊ HỒNG NHAN_CÔNG NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
8
V: Thể tích mol của chất lỏng
T c: Nhiệt độ tới hạn, ở đó sức căng bề mặt bằng không
k : hằng số, đa số chất lỏng có k 2,1 erg/ độ
Van der Waals và người theo trường phái của ông là Guggenheim còn đưa ra phương trình có
dạng sau:
= o (1 – T/T c)n
Với chất hữu cơ có n = 11/9 và với kim loại có n 1.
Nói chung quan hệ tuyến tính giữa sức căng bề mặt và nhiệt độ có dạng sau:
T = - T (d/dT)
Với (d/dT) = const.
(dyn/cm)
T (oC)
Hình 1.2: Quan hệ tuyến tính giữa sức căng bề mặt và nhiệt độ
b. Quan hệ giữa khối lượng riêng và sức căng bề mặt
Theo phương trình Mc Leod: /(D-d)4 = Const
D: Khối lượng riêng pha lỏng và d: khối lượng riêng pha khí (g/cm3).
1.2 CÁC CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT, CHẤT KHÔNG HOẠT
ĐỘNG BỀ MẶT VÀ CHẤT KHÔNG ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỨC
CĂNG BỀ MẶT
Trên đây đã khảo sát sức căng bề mặt của các chất lỏng nguyên chất, đối với dung dịch, hiện
tượng này trở nên phức tạp hơn do sự hấp phụ. Tùy theo khả năng hấp phụ tại gới hạn lỏng khí
của một chất hòa tan, có thể chia làm hai loại: chất hoạt động bề mặt và chất không hoạt động bề
mặt.
PGS.TS. LÊ THỊ HỒNG NHAN_CÔNG NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
9
Các chất hoạt động bề mặt là những chất có khả năng làm giảm sức căng bề mặt của dung
môi chứa nó. Các chất này có khả năng hấp phụ lên lớp bề mặt, có độ tan tương đối nhỏ, nếu
không chúng có xu hướng rời khỏi bề mặt vào trong lòng chất lỏng
Các chất hoạt động bề mặt trong nước đa số là các chất hữu cơ như các acid béo, muối của
acid béo, ester, rượu, alkyl sulfate…. Các phân tử chất hoạt động bề mặt bao gồm hai phần:
+ Phần phân cực (ái nước, ưa nước, háo nước) thường chứa các nhóm carboxylate, sulfonate,
sulfate, amine bậc bốn…… Nhóm này làm cho phân tử chất hoạt động bề mặt có ái lực lớn đối
với nước và bị kéo vào lớp nước.
+ Phần không phân cực (kỵ nước, ghét nước hay ái dầu, háo dầu, ưa dầu) là các gốc
hydrocarbon không phân cực kỵ nước, không tan trong nước, tan trong pha hữu cơ không phân
cực nên bị đẩy đến pha không phân cực. Phân tử chất hoạt động bề mặt được biểu diễn như sau:
Phần ái nước
Phần kỵ nước
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. Các chất này có độ hòa tan cao, sẽ có xu hướng rời khỏi bề mặt
để đi vào bên trong thể tích dung dịch.
Các chất không hoạt động bề mặt so với nước là tất cả các muối vô cơ điện ly, các acid, base
vô cơ. Phân tử của các chất này không có phần kỵ nước mà sẽ điện ly trong nước thành các ion
phân cực, bị hydrate hóa mạnh. Các chất không hoạt động bề mặt hữu cơ có rất ít, đó là những
chất có thể ion hóa và phần không phân cực của phân tử không có hoặc rất bé như HCOOH,
CH3COOH….
Trong các dung môi hữu cơ, các chất điện cũng làm tăng sức căng bề mặt, mức độ gia
tăng tùy thuộc vào bản chất của dung môi. Ví dụ khi thêm NaI vào CH3OH: sức căng bề mặt sẽ
tăng nhiều, nếu thêm NaI vào C2H5OH thì độ tăng này giảm 2 lần.
Ngoài các chất hoạt động bề mặt và không hoạt động bề mặt, có những chất phân bố đều đặn
trên cả lớp bề mặt và trong lòng dung dịch do đó không ảnh hưởng đấn sức căng bề mặt của dung
môi. Ví dụ như đường saccarose, hòa tan vào nước không làm thay đổi sức căng bề mặt trên giới
hạn lỏng khí.
PGS.TS. LÊ THỊ HỒNG NHAN_CÔNG NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
10
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
Hình 1.3: Sự phụ thuộc của sức căng bề mặt theo nồng độ (đẳng nhiệt)
Có thể nhận thấy khi tăng nồng độ chất hoạt động bề mặt, lúc đầu sức căng bề mặt giảm
mạnh. Do lúc đầu một lượng nhỏ chất hoạt động bề mặt có trong dung dịch hầu như di chuyển
hết đến bề mặt, do thể tích của lớp bề mặt nhỏ hơn rất nhiều so với thể tích của pha lỏng, nên chỉ
có một lượng nhỏ chất hoạt động bề mặt cũng sẽ làm thay đổi rất lớn sức căng bề mặt. Tiếp theo
ở nồng độ trung bình của chất hoạt động bề mặt, sức căng bề mặt tiếp tục giảm nhưng chậm hơn
do phần lớn bề mặt đã bị chiếm chỗ. Ở nồng độ lớn sức căng bề mặt ít phụ thuuộc vào nồng độ.
Đối với chất không hoạt động bề mặt, do có độ tan lớn nên các phân tử chất không hoạt động
bề mặt luôn có xu hướng rời khỏi bề mặt để đi vào lòng dung dịch, làm tăng sức căng bề mặt.
Trên giới hạn lỏng – khí chỉ có một lượng nhỏ chất không hoạt động bề mặt nên sức căng bề mặt
tăng chậm.
Đối với chất không làm thay đổi sức căng bề mặt của dung môi thì đường đẳng nhiệt là một
đường thẳng song song với trục toạ độ.
Lưu ý:
Tính hoạt động bề mặt của một chất không chỉ phụ thuộc vào bản chất của nó mà còn phụ
thuộc vào môi trường chứa nó (dung môi). Nếu dung môi có sức căng bề mặt cao thì chất
đã cho có thể biểu hiện tính hoạt động bề mặt cao. Tuy nhiên nếu dung môi có sức căng
bề mặt thấp thì cũng chính chất ấy lại không có tính hoạt động bề mặt. Ví dụ: một số chất
có tính hoạt động bề mặt với nước nhưng không có tính hoạt động bề mặt trong rượu.
Trong kỹ thuật thường dùng nước làm dung môi. Ở chương trình này chỉ khảo sát các
chất hoạt động bề mặt trong môi trường nước.
PGS.TS. LÊ THỊ HỒNG NHAN_CÔNG NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
11
Sức căng bề mặt của chất lỏng nguyên chất gần như giảm đều đặn khi nhiệt độ tăng còn
dung dịch chứa chất hoạt động bề mặt có thể là một đường biểu diễn có cực đại. Điểm cực
đại được giải thích là trong một khoảng nhiệt độ nhất định, xảy ra sự giải hấp phụ các chất
hoạt động bề mặt trên bề mặt lỏng- khí, dẫn đến sự gia tăng sức căng bề mặt trong khoảng
đó.
1.3 ĐỘ HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT – QUY TẮC TRAUBER I
Độ hoạt động bề mặt -d/dc là biến thiên sức căng bề mặt theo nồng độ chất hoạt động bề
mặt còn gọi là đại lượng Gibbs -d/dc = G*.
Độ hoạt động bề mặt của các chất trong dãy đồng đẳng biến đổi có quy luật. Ví dụ như trong
dãy đồng đẳng acid có 6 nC 2 khi nồng độ tăng lên, sức căng bề mặt của acid mà trong phân
tử có mạch carbon dài hơn sẽ giảm nhanh hơn. Hiện tượng tương tự cũng xảy ra ở các dãy đồng
đẳng khác.
, dyn/cm
(1)
(2)
65
(3)
50
(1)HCOOH
(2) CH3COOH
(3) CH3CH2COOH
(4) CH3(CH2)2COOH
(5)(CH3)2CHCH2COOH
(4)
(5)
35
0,16
0,36
0,54
C, mol/l
Hình 1.4: Độ hoạt động bề mặt của đồng đẳng acid formic
Trên cơ sở thực nghiệm DuclauX J và Trauber I đã tổng kết thành quy tắc thường gọi là 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 –”. Quy tắc này là cơ sở để tổng hợp các chất hoạt động bề mặt có độ hoạt
động bề mặt theo yêu cầu.
PGS.TS. LÊ THỊ HỒNG NHAN_CÔNG NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
12
1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SỨC CĂNG BỀ MẶT
Các phương pháp phổ biến để xác định sức căng bề mặt là:
1) Xác định sự biến đổi của mực chất lỏng trong mao quản
2) Cân giọt chất lỏng
3) Phương pháp Lecomte du Nouy
4) Bản phẳng L. Wilhelmy
5) Áp suất cực đại của bọt khí
6) Xác định hình dạng hạt và bọt khí
1.4.1
Xác định sự biến đổi mực chất lỏng trong mao quản
Đây là một trong những phương pháp chính xác nhất để xác định sức căng bề mặt
Nguyên tắc đo: đo chiều cao cột chất lỏng trong mao quản
P = P1 – P2 = gh (1-2) = 2/r
: góc dính ướt, cos = Ro /r
Ro : bánh kính của mao quản, r bán kính mặt khum ở nơi tiếp xúc
P1 và P2 : áp suất pha khí ở trong và ngoài ống mao quản
Suy ra
1.4.2
= (1/2) (Ro gh (1-2) / cos
Phương pháp cân giọt lỏng
Đây là phương pháp khá chính xác, được sử dụng phổ biến trong phòng thí nghiệm để xác
định sức căng bề mặt trên giới hạn lỏng – khí và lỏng – lỏng.
Nguyên tắc đo: thu các giọt lỏng hình thành dưới mao quản, cân để xác định chính xác khối
lượng một giọt bằng phương pháp lấy trung bình.
Biểu thức toán (định luật Tate T) có dạng đơn giản sau:
W= mg = vg = 2Ro
Nguyên nhân có sự xuất hiện sức căng bề mặt là lực cực đại giữ giọt chất lỏng chính bằng
sức căng bề mặt gây ra trên toàn chu vi. Tuy nhiên có sai số là khối lượng cân được thường nhỏ
hơn giá trị lý tưởng do tính không bền của các đuôi giọt lỏng và luôn để lưu lại ở đầu mao quản
đến 40% khối lượng.
PGS.TS. LÊ THỊ HỒNG NHAN_CÔNG NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
13
Harkins W.D. và Brown F.E. đã đề nghị hiệu chỉnh w theo phương trình sau
w = mg = vg = 2Rof*
Trong đó f* = (R0/v1/3) : hệ số hiệu chỉnh
V: thể tích giọt
Suy ra:
1.4.3
= vg / 2Rof*
Phương pháp kéo vòng Lecomte du Nouy
Phương pháp này được đề xuất năm 1919.
Nguyên tắc đo: xác định lực kéo vòng kim loại ra khỏi bề mặt chất lỏng
Wk = 4Ro’ = f
(*)
Wk: khối lượng của vòng, f là lực kéo vòng (dyn)
Để khắc phục sai số thì đưa vào hệ số hiệu chỉnh * (bù trừ biến dạng mặt phẳng khi kéo
vòng, hệ số này là hàm của (R3/V, Ro/ro)
* = /’ = f(R3/V, Ro/ro)
’: sức căng bề mặt được tính theo phương trình (*)
V: Thể tích bề mặt cong
ro : bán kính của tiết diện vòng
R0: bán kính của vòng
Hệ số hiệu chỉnh * có thể tra trong sổ tay về sức căng bề mặt hoặc dựa vào đồ thị Harkins
W.D, Jordan H.F., cũng có thể tính được * theo phương trình Znidema- Waters
(* -a)2 = (4b/ 2).(1/Rò 2).(f/(4Ro.(1 - 2))) + c
1 và 2 khối lượng riêng của chất lỏng ở dưới và trên vòng
a = 0,7250 và b = 9,075 . 10 -4 đối với mỗi loại vòng
c = 0,04434 – 1,679 ro/Ro
PGS.TS. LÊ THỊ HỒNG NHAN_CÔNG NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
14
CHƯƠNG 2 TÍNH CHẤT HÓA LÝ CỦA
CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT TRONG
DUNG DỊCH
2.1 CẤU TẠO LỚP BỀ MẶT TRÊN GIỚI HẠN LỎNG-KHÍ
Để tìm hiểu cấu tạo lớp bề mặt trên giới hạn lỏng khí người ta tìm hiểu mối quan hệ giữa độ
hấp phụ và nồng độ C của chất hoạt động bề mặt có trong một đơn vị diện tích bề mặt. Kết quả
cho thấy sự hấp phụ tăng tỷ lệ với chiều dài mạch carbon trong một dãy đồng đẳng và các đường
này đạt giá trị giới hạn khi nồng độ chất hoạt động bề mặt đủ lớn.
Như vậy ở nồng độ đủ lớn, một đơn vị bề mặt sẽ chứa cùng một số lượng phân tử chất hoạt
động bề mặt có chiều dài phần kỵ nước khác nhau, người ta giải thích điều này như sau: khi bị
hấp phụ, nhóm phân cực của chất hoạt động bề mặt bị nước kéo mạnh vào lòng dung dịch, phần
không phân cực thì bị đẩy ra phía pha không phân cực tức pha khí, các phân tử chất hoạt động bề
mặt sẽ được phân bố thành một lớp phân tử. Khi nồng độ C nhỏ, mạch hydrocarbon sẽ bị đẩy về
phía không khí, có thể bị ngã nghiêng do mạch hydrocarbon linh động và có khối lượng riêng bé,
phần phân cực ở trong nước. Khi nồng độ C lớn, số phân tử chất hoạt động bề mặt tăng lên, mạch
hydrocarbon dựng đứng lên, song song với nhau, vuông góc với mặt nước, tạo thành một màng
sít chặt gọi là màng ngưng tụ. Các phân tử chất hoạt động bề mặt sẽ chiếm cùng diện tích dù cho
chúng có chiều dài khác nhau.
Hình 2.1: Phân bố của chất hoạt động bề mặt tại giới hạn lỏng-khí. (a) khi nồng độ thấp và (b) khi nồng độ đủ lớn
PGS.TS. LÊ THỊ HỒNG NHAN_CÔNG NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
15
2.2 SỰ HÌNH THÀNH MICELLE
Trạng thái các chất hoạt động bề mặt trong dung dịch được khảo sát trên muối của acid béo
(xà phòng). Tính chất của các chất hoạt động bề mặt khác cũng tương tự.
Thực nghiệm cho thấy trong dung dịch, xà phòng có thể tồn tại dưới dạng các phân tử không
ion hóa RCOONa, ion RCOO- và Na+, các sản phẩm do thủy phân RCOOH, dạng tập hợp các
phân tử không ion hóa, các ion và các acid béo: xRCOONa.yRCOOH.zRCOO-.z’Na+.
Khi nồng độ chất hoạt động bề mặt tăng lên một giá trị nào đó, từ các phân tử hòa tan riêng
biệt, một số lớn các micelle bắt đầu hình thành trong hệ. Các micelle này là các hình cầu trong đó
các phân tử chất hoạt động bề mặt liên kết với nhau bằng đầu hydrocarbon và hướng nhóm phân
cực ra dung dịch nước.
Hình 2.2: Sự hình thành cấu trúc micelle của chất hoạt động bề mặt
Số phân tử xà phòng trong một tập hợp như vậy vào khoảng 50, đường kính hình cầu
khoảng gấp đôi chiều dài phân tử xà phòng tạo nên nó. Người ta giải thích sự tạo thành micelle
như sau:
+ Do lực hút Van der Waals giữa các phần hydrocarbon kỵ nước, do lực đẩy của các nhóm
tích điện cùng dấu.
PGS.TS. LÊ THỊ HỒNG NHAN_CÔNG NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
16
+ Do lực hút giữa các phân tử nước, các phân tử nước sẽ đẩy mạnh hydrocarbon kỵ nước ra
khỏi dung dịch và do đó làm cho chúng phải liên kết lại với nhau.
Ở các nồng độ cao hơn, các micelle có kích thước tăng lên và các gốc hydrocarbon mỗi lúc
mỗi thêm song song với nhau hình thành các micelle tấm hay các hình dạng khác.
Hình 2.3: Các dạng cấu trúc micelle khác nhau
Cần lưu ý rằng các micelle có thể được tạo thành không chỉ trong các dung dịch nước mà còn
ở dung dịch xà phòng trong dung môi. Khi đó các phân tử xà phòng trong micelle sẽ hướng các
nhóm phân cực vào phía trong micelle còn phần kỵ nước sẽ quay ra ngoài. Lúc này xà phòng
không điện ly, dung dịch xà phòng là dung dịch phân tử chứ không là dung dịch của các ion.
Hình 2.4: Các dạng micelle trong môi trường nước và dung môi khác nhau.
PGS.TS. LÊ THỊ HỒNG NHAN_CÔNG NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
17
2.3 NỒNG ĐỘ MICELLE TỚI HẠN
Khi nồng chất hoạt động bề mặt tăng lên đến một giá trị nào đó, từ các phân tử riêng lẻ sẽ có
sự hình thành các micelle. Nồng độ dung dịch chất hoạt động bề mặt mà ở đó sự hình thành
micelle trở nên đáng kể gọi là nồng độ micelle tới hạn (CRITICAL MICELLE
CONCENTRATION).
Khi nồng độ dung dịch chất hoạt động bề mặt đạt đến giá trị CMC, sẽ có sự thay đổi rõ rệt
tính chất vật lý của dung dịch như sự thay đổi độ đục, độ dẫn điện, sức căng bề mặt, áp suất thẩm
thấu….. Dựa vào sự thay đổi tính chất vật lý đột ngột như vậy người ta xác định được CMC.
Áp suất thẩm thấu
Độ đục
Sức căng bề mặt
Độ dẫn điện
Nồng độ
CMC
Hình 2.5: Sự thay đổi đột ngột tính chất vật lý của dung dịch chất hoạt động bề mặt khi tại điểm CMC
*Các yếu tố ảnh hưởng đến CMC:
+ Khi tăng chiều dài của phần kỵ nước trong phân tử chất hoạt động bề mặt sẽ tạo điều kiện
thuận lợi cho sự hình thành micelle, tức là giảm CMC. Trong môi trường nước cất, CMC của các
chất hoạt động bề mặt ion giảm đi ½ lần khi mạch carbon tăng thêm 1 nhóm –CH2- . Đối với chất
hoạt động bề mặt không ion, sự khác biệt này còn rõ ràng hơn, điều này đúng đến C16. Khi mạch
C 18 thì CMC hầu như không đổi.
Ví dụ: CMC của chất hoạt động bề mặt alkyl sulfate Natri trong nước ở 40 oC
Số nguyên tử C
8
10
12
14
16
18
CMC x 10 3 mol/L
140
33
8,6
2,2
0,58
0,23
PGS.TS. LÊ THỊ HỒNG NHAN_CÔNG NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
18
+ Khi hạ nhiệt độ dung dịch, sẽ xúc tiến cho sự hình thành của các micelle vì khi đó cường
độ chuyển động nhiệt của các phân tử giảm, làm tăng khả năng kết hợp của các phân tử tức làm
giảm CMC.
+ Khi thêm chất điện ly vào dung dịch chất hoạt động bề mặt, chúng liên kết với nước do sự
hydrate hóa, điều này tương tự như việc tăng nồng độ chất hoạt động bề mặt lên. Mặc khác, khi
có mặt chất điện ly, sự ion hóa của chất hoạt động bề mặt giảm (giảm độ tan), xúc tiến cho sự liên
kết các phân tử lại với nhau, do đó CMC giảm.
Ví dụ: CMC của lauryl sulfate natri trong dung dịch NaCl ở 25oC
Nồng
độ
NaCl
0
0,01
0,03
0,1
0,3
8,1
5,6
3,1
1,5
0,7
(mol/L)
CMC x 103 mol/L
+ Việc thêm các chất hữu cơ vào dung dịch chất hoạt động bề mặt ảnh hưởng đến CMC theo
những hướng khác nhau tùy thuộc vào bản chất của chất thêm vào. Một số rượu mạch trung bình
có thể làm giảm CMC, thêm urea hay formamide lại làm tăng CMC. Dung dịch chứa nhiều chất
hoạt động bề mặt có CMC nhỏ hơn CMC của các dung dịch chứa từng chất hoạt động bề mặt
riêng biệt.
2.4 ĐIỂM KRAFT
Các chất hoạt động bề mặt anion có một đặc điểm là khả năng hòa tan của chúng tăng theo
nhiệt độ. Điểm Kraft là nhiệt độ tại đó chất hoạt động bề mặt có độ hòa tan bằng CMC. Khi đạt
đến nhiệt độ này một lượng lớn chất hoạt động bề mặt sẽ được phân tán trong dung dịch dưới
dạng micelle. Như vậy ở nhiệt độ thấp hơn điểm Kraft, độ tan của chất hoạt động bề mặt anion
không đủ lớn để hình thành micelle. Khi nhiệt độ tăng, độ tan tăng, khi đạt đến nhiệt độ Kraft,
micelle hình thành. Đối với chất hoạt động bề mặt anion, khi chiều dài mạch C tăng, điểm Kraft
cũng tăng.
Bảng 2.1: Điểm Kraft của dung dịch alkyl sulfate trong nước
Số nguyên tử C
10
12
14
16
18
Điểm Kraft (oC)
8
16
30
45
56
Lưu ý rằng các giá trị này có thể thay đổi khi có mặt của các thành phần khác.
PGS.TS. LÊ THỊ HỒNG NHAN_CÔNG NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
19
2.5 ĐIỂM ĐỤC
Đối với các chất hoạt động bề mặt không ion, độ tan của chúng là do liên kết hydro giữa nước
và phần phân cực (chuỗi polyoxyethylene). Khi nhiệt độ tăng đến một mức nào đó, liên kết hydro
bị phá vỡ, xảy ra sự mất nước, làm độ tan của chất hoạt động bề mặt không ion giảm. Điểm đục
là nhiệt độ tại đó chất hoạt động bề mặt không ion không thể hòa tan, tách ra khỏi dung dịch làm
dung dịch trở nên đục. Đối với chất hoạt động bề mặt không ion trên cơ sở ethylene oxide, điểm
đục sẽ giảm khi độ dài gốc alkyl tăng hoặc khi lượng ethylene oxide trong phân tử giảm xuống.
2.6 HLB (HYDROPHILE-LIPOPHILE BALANCE)
Các tính chất của các chất hoạt động bề mặt liên quan đến mối tương quan giữa phần ái nước
và phần kỵ nước. Nếu phần ái nước tác dụng mạnh hơn phần kỵ nước thì chất hoạt động bề mặt
dễ hòa tan trong nước hơn, ngược lại nếu phần kỵ nước tác dụng mạnh hơn phần ái nước thì chất
hoạt động bề mặt dễ tan trong pha hữu cơ hơn. Từ đó dựa vào mối tương quan giữa phần kỵ nước
và ái nước mà chất hoạt động bề mặt được sử dụng vào các mục đích khác nhau. Mối tương quan
giữa phần ái nước và kỵ nước được đặc trưng bằng giá trị HLB (cân phần ái nước-ái dầu).
HLB cho biết tỷ lệ giữa tính ái nước so với tính kỵ nước, được biểu thị bằng thang đo có giá
trị từ 1-20. Các chất hoạt động bề mặt có tính ái nước thấp sẽ có HLB nhỏ, các chất hoạt động bề
mặt có tính ái dầu thấp sẽ có HLB lớn. Sự gia tăng HLB tương ứng với sự gia tăng của tính ái
nước.
Có thể ước lượng sơ bộ giá trị HLB dựa trên tính chất hòa tan trong nước hay tính phân tán
của chất hoạt động bề mặt trong nước. Ứng với độ phân tán khác nhau thì giá trị HLB khác nhau.
Bảng 2.2: Ước tính HLB dựa trên mức độ phân tán của chất hoạt động bề mặt trong nước
Mức độ phan tán
HLB
- Không phân tán trong nước
1-4
- Phân tán kém
3-6
- Phân tán như sữa sau khi lắc
6-8
- Phân tán như sữa bền
8-10
- Phân tán trong mờ đến trong
10-13
- Dung dịch trong
> 13
PGS.TS. LÊ THỊ HỒNG NHAN_CÔNG NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
20
+ Davies đã chuyển cấu trúc chất hoạt động bề mặt thành các nhóm thành phần để xác định
HLB. Giá trị HLB của các nhóm cho trong bảng dưới đây:
Nhóm ái nước
HLB
- SO 4Na
38,7
-COOK
21,1
- COONa
19,1
-N<
9,4
- ester (vòng sorbitol)
6,8
- ester (tự do)
2,4
- COOH
2,1
- OH (tự do)
1,9
- O-
1,3
-OH (vòng sorbitol)
0,5
-CH2-CH2-O-
0,33
-CH2-CH2-CH2-O-
0,15
Nhóm kỵ nước
HLB
-CH<,-CH2-, -CH3, =CH-
0,475
Từ cấu trúc đã cho giá trị HLB được tính theo biểu thức sau:
HLB = 7 + HLB nhóm ái nước - HLB nhóm kỵ nước
+ Công thức của Kawakami:
HLB = 7 + 11,7 log (Mn/Md)
Mn : Khối lượng phần tử ưa 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: Chỉ số xà phòng hóa của ester
A: Chỉ số acid của acid béo
Nếu ester không đo được chỉ số xà phòng thì có công thức sau:
HLB = (E + P) / 5
PGS.TS. LÊ THỊ HỒNG NHAN_CÔNG NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
21
E, P là phần trăm khối lượng của EO và rượu đa chức trong phân tử.
+Theo Griffin, nếu hỗn hợp có nhiều chất hoạt động bề mặt thì
HLB hh = xi HLBi
Với xi là phần khối lượng trong tổng lượng chất hoạt động bề mặt
Hiếm có trường hợp mà ái lực của phần kỵ nước đối với dầu lại bằng ái lực của đầu ưa nước
đối với nước. Có thể thấy rằng tỉ lệ giữa các lực này là yếu tố quan trọng để quyết định tính năng
chất nhũ hóa trong hệ nhũ, vì vậy cần có sự đánh giá mức độ cân bằng này.
Trong chất nhũ hóa làm đặc, nhóm alkyl gắn liền với nhóm polyoxide ethylene, mỗi nguyên
tử O tương đương với 3 nhóm –CH2 –. Mỗi nhóm (CH2-CH2-O) cân bằng với mỗi nhóm –CH2 –
trong gốc alkyl. Sau đây là sự tham khảo tính cân bằng này từ sự ngưng tụ sản phẩm của ethylene
oxide và stearylalcohol:
n H2C
CH2
+
H3C
(CH2)16 CH2OH
=
H3C
(CH2)16 CH2(OCH2CH2)n OH
O
(n thay đổi từ 2 đến 30 trong những sản phẩm trên thị trường)
Đếm mỗi nhóm –CH2- hay CH3- như một đơn vị thì gốc kỵ nước là 18 và gốc ái nước là 3+n
(O là 3 và –CH2-CH2O- là n). Nếu n<15 tính kỵ nước sẽ cao hơn, nếu n>15 thì xu hướng ngược
lại. Tính cân bằng giữa phần kỵ nước và ái nước rất quan trọng vì nó quyết định loại nhũ tương
hình thành. Công ty hóa học Atlas đã phát minh một cách định lượng cho phép thể hiện mức độ
cân bằng của chất nhũ hóa được nêu lên như một con số thuần – HLB. Con số đơn giản này là do
sự đo % của phần ái nước trong phân tử chia cho 5. Nếu chất nhũ hóa nonionic có 100% ái nước
thì nó sẽ có giá trị HLB là 100/5. Thang đo HLB kéo dài từ 0 đến 20 (theo lý thuyết). Trong
trường hợp polyethylene glycol ether của stearyl alcohol, HLB được tính như sau :
Trọng lượng gốc kỵ nước của stearyl : C18H37 = 253
Trọng lượng gốc ái nước: 44n+17
+Nếu n=3, trọng lượng phân tử = 253+[(44.3)+17]=253+149=403
HLB= 149/403*100/5=7.4
+Nếu n=20, trọng lượng phân tử =253+897=1150
HLB= 897/1150*100/5=15.6
Kết quả tính toán giá trị HLB từ giá trị nhóm được trình bày trong bảng sau:
PGS.TS. LÊ THỊ HỒNG NHAN_CÔNG NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
22
Bảng 2.3: Sự tương quan HLB giữa thực tế và tính toán
Chất hoạt động bề mặt
Giá trị thực
Giá trị tính toán
Tween 18
15
15,8
Tween 81
10
10,9
Span 20
8,6
8,5
Span 40
6,7
7,0
Span 60
4,7
5,7
Span 80
4,3
5,0
Glycerol Stearate
3,8
3,7
Span 65
2,1
2,1
2.7 ĐẶC TÍNH BỀ MẶT LỎNG-RẮN VÀ QUAN HỆ BỀ MẶT
TRONG HỆ BA PHA
Các bề mặt rắn tương tự như các bề mặt lỏng cũng chứa một năng lượng tự do vì sự
không cân bằng của lực tác dụng lên các phân tử trên lớp bề mặt. Trong điều kiện bình thường,
các chất rắn khó đạt tính đẳng hướng như ở các chất lỏng, do đó năng lượng bề mặt ở các điểm
khác nhau sẽ khác nhau không giống như ở các chất lỏng. Do đó việc nghiên cứu sức căng bề mặt
chất rắn sẽ khó khăn hơn. Không có một phương pháp nào có thể đo trực tiếp được sức căng bề
mặt của bề mặt rắn. Có thể xác định sức căng bề mặt của các chất rắn dựa vào định luật
Thomson, biểu thị mối liên quan giữa độ tan, kích thước của các phần tử hạt nhỏ và các sức căng
bề mặt .
Bảng 2.4: Sức căng bề mặt của một số chất rắn
Chất rắn
Sức căng bề mặt (dyn/cm)
CaF2 (30oC)
2500
BaSO4 (25oC)
1250
PbF2 (25oC)
900
CaSO4. 2H2O
270
PGS.TS. LÊ THỊ HỒNG NHAN_CÔNG NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
23
Khi một chất lỏng tiếp xúc với bề mặt rắn (không tan vào chất lỏng), các phân tử của cả hai
pha sẽ tương tác với nhau (thông qua lực hút) qua bề mặt phân chia pha, do đó làm giảm sức căng
bề mặt. Có một đặc điểm khác biệt so với bề mặt lỏng lỏng là ở đây các phân tử của hai pha
không thể chuyển động qua lại bề mặt phân chia pha. Cũng tương tự như bề mặt lỏng-lỏng, bề
mặt phân chia pha ở đây cũng có xu hướng giảm đến mức tối thiểu trong những điều kiện cho
phép.
Trong thực tế có những bề mặt liên quan đến ba pha. Về mặt hình học ba pha chỉ tiếp xúc với
nhau theo một đường giao tuyến. Hệ ba pha thường gặp là : L-R-K, L-L-K, L-L-R. Hệ ba pha
gồm hai pha rắn rất quan trọng nhưng rất khó nghiên cứu. Các hệ ba pha gồm ba chất lỏng không
tan lẫn thì rất hiếm gặp.
Hệ ba pha thường gặp nhất là hệ R-L-K, đơn giản nhất là trường hợp một giọt chất lỏng nằm
trên bề mặt rắn trong không khí.
LK
(Khí)
(Lỏng)
RK
LR
(Rắn)
Hình 2.6: Hệ ba pha của giọt chất lỏng nằm trên bề mặt rắn trong không khí
Trên một đơn vị chiều dài của chu vi giọt lỏng có tác dụng của ba lực, các lực có xu hướng
làm giảm bề mặt phân chia pha nên sẽ có hướng như hình vẽ.
được gọi là góc dính ướt
Khi < 90 o : chất lỏng sẽ chảy loang ra trên bề mặt rắn gọi là hiện tượng dính ướt, lúc này
các phân tử chất lỏng tác dụng với các phân tử chất rắn mạnh hơn tương tác giữa chúng với nhau
(RK > RL + LK)
Khi > 90o giọt chất lỏng sẽ co lại, tương tác giữa các phân tử chất lỏng mạnh hơn so với
tương tác giữa các phân tử lỏng và rắn, bề mặt lỏng rắn có xu hướng thu về một điểm gọi là hiện
tượng trượt ướt.
Hiện tượng dính ướt được sử dụng để giải quyết một loạt các vấn đề thực tế trong công
nghiệp nhuộm, tẩy giặt, trong việc sử dụng thuốc trừ sâu hay trong tuyển quặng.
PGS.TS. LÊ THỊ HỒNG NHAN_CÔNG NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
24
CHƯƠNG 3 PHÂN LOẠI VÀ ỨNG DỤNG
CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
3.1 GIỚI THIỆU CHUNG
Các chất hoạt động bề mặt có thể được phân loại theo cấu trúc hóa học, theo tính chất vật lý
(độ tan trong nước hoặc dung môi), theo ứng dụng hóa học.
Phân loại theo cấu trúc hóa học có thể phân theo:
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
3.1.1
Phân loại theo bản chất nhóm háo nước
Theo bản chất nhóm háo nước các chất hoạt động bề mặt được chia thành các nhóm chính
như sau: các chất hoạt động bề mặt anion, cation, lưỡng tính và không ion.
- Anionic
-
- Cationic
+
- Non ionic (NI) (không phân ly)
- Lưỡng tính (Amphoteric)
+
3.1.2
-
Phân loại theo bản chất nhóm kỵ nước
•
Gốc alkyl mạch thẳng, C8-18
•
Gốc alkyl mạch ngắn C3-C12 gắn vào nhân thơm
PGS.TS. LÊ THỊ HỒNG NHAN_CÔNG NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
25
