CHẤT HOẠT ĐỘNG bề mặt POLYOXYETHYLENE AMIN và ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM ĐỀ TÀI TIỂU LUẬN CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT POLYOXYETHYLENE AMIN VÀ ỨNG DỤNG TRONG NƠNG NGHIỆP SVTH: NGUYỄN VIỆT HỒNG MSSV: 17126046 LỚP : DH18HD TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM ĐỀ TÀI TIỂU LUẬN CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT POLYOXYETHYLENE AMIN VÀ ỨNG DỤNG TRONG NƠNG NGHIỆP SVTH: NGUYỄN VIỆT HỒNG MSSV: 17126046 LỚP : DH18HD MỤC LỤC MỤC LỤC III DANH MỤC HÌNH ẢNH IV MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Mục tiêu đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Hoạt chất bề mặt 1.2 Phân loại hoạt chất bề mặt theo chất nhóm háo nước 1.2.1 Chất hoạt động bề mặt anionic 1.2.2 Chất hoạt động bề mặt cationic 1.2.3 Chất hoạt động bề mặt lưỡng tính 1.2.4 Chất hoạt động bề mặt không ion CHƯƠNG POLYOXYETHULENE AMINE (POEA) 2.1 Định nghĩa POEA 2.2 Cấu trúc 2.3 Tổng hợp 2.4 Công dụng 2.4.1 Tác động tới trồng 2.4.2 Tác động tới người CHƯƠNG ỨNG DỤNG CỦA POLYOXYETHULENE AMINE (POEA) TRONG NÔNG NGHIỆP 3.1 Thuốc diệt cỏ glyphosate 3.2 Độc tính POEA glyphosate 3.3 Sự hấp thu POEA đất trồng 10 CHƯƠNG KẾT LUẬN 11 TÀI LIỆU THAM KHẢO 12 iii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình cấu tạo phân tử chất hoạt động bề mặt cấu trúc mixen dầu nước Hình phân loại chung tính chất đặc trưng loại hoạt chất bề mặt Hình cấu trúc POEA Hình sơ lược tổng hợp POEA Hình phân tích khối phổ hỗn hợp POEA tinh khiết có sẵn thị trường Hình cấu trúc glyphosate iv MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Trong ngành nông nghiệp, chất hoạt động bề mặt sử dụng chủ yếu để ổn định loại thuốc trừ sâu khác nhau, phân bón, phân hóa học, thuốc bảo vệ thực vật, v.v…Ngồi cịn dùng làm chất nhũ hóa hòa tan vào hợp chất để phun xịt Chất hoạt động bề mặt nâng cáo hiệu thuốc trừ sâu qua nhiều chế khác Do đó, việc lựa chọn tá dược cơng thức hóa chất nơng nghiệp quan trọng Chất hoạt động bề mặt bao gồm chất hoạt động bề mặt anion, khơng ion, lưỡng tính cation Polyoxyethylene amine (POEA) loại hoạt chất bề mặt ứng dụng rộng rãi nơng nghiệp từ năm 1970, sử dụng thành phần công thức thuốc diệt cỏ glyphosate, thuốc diệt cỏ sử dụng rộng rãi Thuốc diệt cỏ Glyphosate sử dụng nông trường đô thị khuân viên, công viên Lượng thuốc diệt cỏ glyphosate sử dụng lịch sử lớn Thuốc diệt cỏ glyphosate có khả diệt cỏ tốt, khả có liên quan lớn tới loại chất hoạt động bề mặt sử dụng cơng thức, có POEA Mục tiêu đề tài Mục đích tiểu luận đưa khái niệm bản, tính chất, công dụng POEA nông nghiệp tác động POEA tới môi trường, hệ sinh thái nơi sử dụng CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Hoạt chất bề mặt Hoạt chất bề mặt hay chất hoạt động bề mặt (tiếng Anh: Surfactant) chất làm giảm sức căng bề mặt hai chất lỏng chất lỏng chất rắn Phân tử phân cực: đầu ưu nước kị nước Hình 1: cấu tạo phân tử chất hoạt động bề mặt cấu trúc mixen dầu nước Chất hoạt động bề mặt (chất HĐBM) dùng để làm giảm sức căng bề mặt chất lỏng cách làm giảm sức căng bề mặt bề mặt tiếp xúc hai chất lỏng Khi hịa chất hoạt hóa bề mặt vào chất lỏng phân tử chất hoạt hóa bề mặt có xu hướng tạo đám (micelle, dịch mixen)(1) Nếu chất lỏng nước phân tử chụm đuôi kị nước lại với quay đầu ưa nước hình thành hệ dầu nước, tạo nên hình dạng khác hình cầu , hình trụ , màng Ngược lại, mơi trường kị nước (như dầu, mỡ, ) phân tử quay đuôi kị nước bên ngồi quay đầu ưu nước lại với hình thành hệ nước dầu Tính ưa, kị nước chất hoạt hóa bề mặt đặc trưng thông số độ cân ưa kị nước (tiếng Anh: Hydrophilic Lipophilic Balance-HLB), giá trị từ đến 40 HLB cao hóa chất dễ hịa tan nước, HLB thấp hóa chất dễ hịa tan dung mơi không phân cực dầu.(1) 1.2 Phân loại hoạt chất bề mặt theo chất nhóm háo nước Các chất hoạt động bề mặt (HĐBM) phân loại theo cấu trúc hóa học, theo tính chất vật lý (độ tan nước dung môi), theo ứng dụng hóa học(2) Phân loại theo chất nhóm háo nước dễ quan sát dễ nắm bắt Theo chất nhóm háo nước chất hoạt động bề mặt chia thành nhóm sau: chất hoạt động bề mặt anion, cation, lưỡng tính khơng ion.(2) Hình 2: phân loại chung tính chất đặc trưng loại hoạt chất bề mặt(3) 1.2.1 Chất hoạt động bề mặt anionic Hoạt chất bề mặt anionic hòa tan nước phân ly thành ion HĐBM điện tích âm Các nhóm háo nước hầu hết trường hợp nhóm sulfonat, sulfat cacboxylat với natri canxi (hình 2) 1.2.2 Chất hoạt động bề mặt cationic Hoạt chất bề mặt cationic hòa tan nước phân ly thành ion HĐBM điện tích dương Chất HĐBM cationic chứa ion amoni bậc bốn làm phần ưu nước chúng.(hình 2) X: halogenua, sulfate, methyl sulfate,… R1: alkyl mạch dài R2, R3, R4: hydro hay nhóm alkyl mạch ngắn , alkyl aryl 1.2.3 Chất hoạt động bề mặt lưỡng tính chất HĐBM lưỡng tính chứa nhóm acid base (nhóm cation anion) phần nước.(hình 2) Gồm hai loại - HĐBM lưỡng tính carboxylic - HĐBM lưỡng tính sulfate/sulfonate Chất HĐBM lưỡng tính hịa tan nước cho thấy khả tương thích tốt với chất hoạt động bề mặt khác, tạo thành mixen hỗn hợp Sự thay đổi điện tích theo pH chất hoạt động bề mặt lưỡng tính ảnh hưởng đến trình thấm ướt, tẩy rửa, tạo bọt, v.v Các đặc tính chất hoạt động bề mặt lưỡng tính giống với đặc tính chất khơng ion Chất hoạt động bề mặt lưỡng tính có đặc tính da liễu tuyệt vời, chúng gây kích ứng mắt thường sử dụng dầu gội đầu sản phẩm chăm sóc cá nhân khác Các chất hoạt động bề mặt lưỡng tính bắt đầu sử dụng cơng thức hóa chất nơng nghiệp.(3) 1.2.4 Chất hoạt động bề mặt không ion Chất HĐBM không ion loại không tạo ion tan dung dịch nước.(hình 2) Cấu tạo: phần kỵ nước: akyl phenol, alcol, acid béo, amide,… phần ưu nước: ethylene oxide, propylene oxide,… Chất hoạt động bề mặt không ion tìm thấy ứng dụng chất tẩy rửa, chất nhũ hóa, chất làm ướt chất phân tán Chúng sử dụng nhiều lĩnh vực, bao gồm sản phẩm tẩy rửa gia dụng, công nghiệp thể chế, chế biến dệt, chế biến bột giấy giấy, trùng hợp nhũ tương, sơn, chất phủ hóa chất nơng nghiệp Một lượng lớn sử dụng chất bổ trợ nhiều cơng thức hóa chất nông nghiệp.(3) CHƯƠNG POLYOXYETHULENE AMINE (POEA) 2.1 Định nghĩa POEA Polyoxyetylen amine (cũng Polyethoxylated tallow amine, POEA ) dùng để loạt chất hoạt động bề mặt khơng ion có nguồn gốc từ mỡ động vật, có đặc tính giống xà phịng POEA khơng phải phân tử đơn lẻ, mà nhóm chất hoạt động bề mặt với đặc điểm cấu trúc chung POEA sản xuất alkyl amin khơng phải từ mỡ động vật có đặc tính cấu trúc chức tương đương, ví dụ coco amin polyethoxyl hóa (từ dầu dừa) amin đậu nành polyethoxyl hóa (từ đậu nành) Cấu trúc hóa học phân tử bao gồm hỗn hợp POEA thường so sánh được, nguồn gốc amin (chất béo thực vật hay động vật) (7) Mỡ động vật thủy phân để tạo hỗn hợp axit béo tự , điển hình oleic (37– 43%), palmitic (24–32%), stearic (20–25%), myristic (3–6%) linoleic (2 –3%) Sau đó, chúng chuyển đổi thành amin béo thơng qua q trình nitrile trước etoxyl hóa với ethylene oxide Chiều dài mỡ mức độ etoxyl hóa xác định đặc tính tổng thể chất hoạt động bề mặt Do tổng hợp từ vật liệu không tinh khiết nên POEA hỗn hợp hợp chất khác nhau.(5) 2.2 Cấu trúc Hình 3: cấu trúc POEA Thành phần chất hoạt động bề mặt POEA bao gồm hỗn hợp phức tạp amin béo chuỗi dài polyethoxyl hóa, gồm chuỗi ethoxylate Chất HĐBM polyoxyetylen amin biểu thị công thức chung RN- (CH2 CH2O) x H, 'R-N' amin '(CH2 CH2O) X ' chuỗi tạo thành từ tập hợp phân tử etylen oxit R chuỗi hidrocacbon acid béo Thời gian bán hủy POEA (21– 42 ngày) (7) 2.3 Tổng hợp Hình 4: sơ lược tổng hợp POEA(7) (Quả cầu đỏ: nguyên tử oxi; cầu màu trắng: nguyên tử hiđro ; cầu xanh lam: nguyên tử nitơ; hình cầu xám: nguyên tử cacbon) Amoniac phản ứng với chất chiết xuất từ mỡ động vật (mỡ động vật) để tạo amin mỡ động vật Sau đó, amin mỡ động vật etoxyl hóa để tạo thành amin mỡ động vật polyoxyetylen (POEA) - Mỡ động vật Trên thực tế, mỡ động vật bao gồm hỗn hợp axit béo có độ dài chuỗi khác nhau: ví dụ trình bày có chiều dài chuỗi 16 ngun tử cacbon axit béo có hỗn hợp mỡ động vật có từ 12 đến 18 nguyên tử cacbon Ngoài ra, phân tử etylen oxit thêm vào amin béo khác khác phản ứng xảy với tốc độ khác phân tử Do đó, chất hoạt động bề mặt POEA tạo từ phản ứng hóa học hỗn hợp hợp chất đơn lẻ.(7) - Amine 'Amine' polyoxyethylene amine nói chung amin dựa lipid Chúng tổng hợp cách cho axit béo phản ứng với amoniac Nếu axit béo từ mỡ động vật (mỡ động vật), amin béo thường gọi amin mỡ động vật Nếu axit béo từ dầu dừa, amin béo tạo thành gọi amin dừa Polyoxyetylen công thức chung cho POEA chất đồng phân oligome etylen oxit Các hóa chất nằm danh mục POE đơi cịn gọi polyethylene oxide (PEO), polyethylene glycol (PEG) Trong công thức thuốc trừ sâu, etylen oxit thêm vào amin béo để tạo amin polyoxyetylen Sự cộng liên tiếp phân tử etylen oxit vào nguyên tử nitơ amin mỡ động vật tạo amin polyoxyetylen mỡ động vật, chất hoạt động bề mặt từ họ hợp chất POEA (Hình 4).(7) - Ethoxyl hóa Trong q trình tổng hợp, ethylene phản ứng với hợp chất khác ete, axit béo amin, q trình gọi ethoxyl hóa Khi sử dụng hợp chất amin, sản phẩm phản ứng trở thành hỗn hợp “polyoxyetylen amin” (POEA), chứa amin trở nên liên kết với oligome đơn vị etylen Đổi lại, đơn vị ethylene có độ dài khác nhau, dẫn đến đa dạng lớn hợp chất họ POEA Ethoxyl hóa đơi gọi alkoxyl hóa Alkoxyl hóa thuật ngữ chung bao gồm polyme hóa đơn vị epoxyde (ví dụ, etylen oxit) với số nguyên tử cacbon khác (etylen oxit có hai nguyên tử cacbon) Trong số trường hợp, chất hoạt động bề mặt propoxyl hóa Propoxyl hóa tương tự etoxyl hóa, bao gồm việc bổ sung monome propylen oxit thay etylen oxit Etylen oxit thường sử dụng để tổng hợp chất hoạt động bề mặt thuốc trừ sâu POEA, chiều dài oligomer etylen oxit dễ dàng thay đổi để thay đổi tính chất tẩy rửa cơng thức.(7) Các chất xúc tác axit bazơ trộn với etylen oxit để thực tác dụng mở phân tử etylen oxit kết hợp chúng lại với để tạo thành POE Các chất xúc tác thường sử dụng bao gồm natri hydroxit, kali hydroxit, benzoyl clorua , toluenesulfonyl clorua, triisopropylsilan, dichloromethane , axit trifluoroacetic Một loạt quy trình kỹ thuật hóa học sử dụng để sản xuất POEA, lý tạp chất nồng độ chúng khác quy trình sản xuất sang quy trình sản xuất khác POEA khơng phải hóa chất tinh khiết, mà hỗn hợp (Hình 5) Việc bổ sung liên tiếp phân tử etylen oxit để tạo thành POE không xảy với tốc độ phân tử melange Khi phản ứng hóa học dừng lại, chuỗi POE phản ứng tạo có độ dài khác POE trọng lượng phân tử thấp thường chất lỏng nhớt không màu không mùi, polyme mạch dài chất rắn Chất hoạt động bề mặt có cấu trúc cịn gọi 'chất hoạt động bề mặt amin etoxyl hóa'.(7) Hình 5: phân tích khối phổ hỗn hợp POEA tinh khiết có sẵn thị trường (mua từ ChemService, West Chester, PA, Hoa Kỳ)(7) Mỗi cực đại tạo từ máy quang phổ khối lượng tương ứng với phân tử khác có hỗn hợp amin polyoxyetylen tallow Quan sát thấy đỉnh amin động vật polyoxyetylen amin động vật polyoxyetylen với số độ dài chuỗi polyoxyetylen khác Một amin mỡ động polyoxyetylen định tự hỗn hợp phân tử có độ dài chuỗi ankyl khác Cấu trúc chi tiết polyoxyetylen (15) palmitamine hiển thị hộp màu đỏ.(7) 2.4 Công dụng POEA sử dụng chủ yếu làm chất nhũ hóa chất làm ướt cho cơng thức hóa chất nơng nghiệp , chẳng hạn thuốc trừ sâu thuốc diệt cỏ (ví dụ glyphosate ) Nó cịn chứa thuốc diệt cỏ Roundup Nồng độ POEA nằm khoảng từ