COCAMIDOPROPYL BETAINE và ỨNG DỤNG TRONG mỹ PHẨM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC BÀI BÁO CÁO: HOẠT CHẤT BỀ MẶT ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG ALKYLBENZEN SULFONATE (LAS) TRONG TẨY RỬA GVHD: TS.PHAN NGUYỄN QUỲNH ANH SVTH: ĐỖ MINH TRÍ, MSSV:18139204 LỚP: DH18HT TP.HCM, tháng năm 2022 Mục lục Contents Danh mục hình vẽ Danh mục bảng hiệu LỜI MỞ ĐẦU Xà phòng chất tẩy rửa xuất văn minh giới, cho dù việc chế biến cịn thơ sơ, nhiều kỷ trước sản phẩm xa xỉ Nhờ thúc đẩy khoa học mà xà phịng ngày trở nên thơng dụng Và theo thời gian, sản phẩm cải tiến dần đời từ cách alkyl hóa sulfua hóa chất naphtalen Tuy nhiên chuỗi phân tử alkylnaphtalen q ngắn khơng thể có đầy đủ hoạt tính chất tẩy rửa Cho đến đầu năm 1960, nhà khoa học tìm giải pháp Alkylbenzen sulfonate-chất hoạt động bề mặt anion để sử dụng tẩy rửa Nó có khả hoạt động bề mặt mạnh so với loại khác, làm tác động tẩy rửa phối liệu khả lấy dầu cao, quan trọng có khả phân hủy sinh học, không làm tổn hại đến môi trường Hiện chất hoạt động bề mặt alkylbenzen sulfonate sử dụng nhiều tẩy rửa hiệu kinh tế giá thành hợp lí, an tồn cho người môi trường Chương 1: Tổng quan alkylbenzen sulfonate 1.1 Lịch sử nghiên cứu Trong nhiều năm trước xà phịng ln đáp ứng tốt nhu cầu cung ứng cho xã hội chất béo dầu động thực vật (thành phần cần thiết để tạo nên xà phòng) trở nên thiếu thốn Chiến tranh giới nổ làm cho tình hình tệ thúc đẩy người ta tìm kiếm chất thay Từ nghiên cứu nhà khoa học tìm chất hoạt động bề mặt thu dễ dàng cách tổng hợp từ hóa dầu Hoạt chất bề mặt chịu nước cứng cải thiện suất cho trình sản xuất chất tẩy rửa Giờ đây, tìm thấy nhiều sản phẩm chăm sóc cá nhân (xà phòng, dầu gội, kem đánh răng, v.v.) sản phẩm chăm sóc gia dụng (bột giặt, nước rửa chén, xịt rửa vv.) Chúng giới thiệu lần vào năm 1930 dạng alkylbenzen sulfonat phân nhánh (BAS) So với xà phòng truyền thống, BAS có khả chịu nước cứng vượt trội tạo bọt tốt Tuy nhiên, phần đuôi phân nhánh nhiều nên khó phân hủy sinh học BAS cho nguyên nhân gây hình thành dải lớn bọt ổn định khu vực xả nước thải hồ, sông vùng ven biển (bọt biển), vấn đề tạo bọt gặp phải xử lý nước thải ô nhiễm nước uống [1] Vì lo ngại mơi trường đó, BAS bị loại bỏ khỏi hầu hết sản phẩm tẩy rửa thay alkylbenzen sulfonat mạch thẳng (LAS) năm 1960 Kể từ đó, sản lượng LAS tăng đáng kể từ khoảng triệu vào năm 1980, lên khoảng 3,5 triệu vào năm 2016 Những nghiên cứu tiếp tục cải thiện suốt 60 năm qua, không ngừng cải thiện chất lượng, độ an toàn việc phát triển sản xuất LAB (nguyên liệu thô LAS) sulfonat hóa 1.2 Tên gọi Alkylbenzen sulfonate có loại alkylbenzen sulfonate mạch thẳng với tên gọi Linear Alkylbenzen Sulfonate alkylbenzen sulfonate mạch nhánh Tên thương mại alkylbenzen sulfonate mạch thẳng (LAS), tên thương mại alkylbenzen sulfonate mạch nhánh (BAS) 1.3 Định nghĩa Alkylbenzen sulfonat loại chất hoạt động bề mặt anion, bao gồm đầu sulfonat (R-SO3-) kỵ nước có 10-14 ngun tử cacbon nhóm, liên kết chúng hỗn hợp hai chất lỏng làm giảm sức căng bề mặt cấu trúc chúng giúp liên kết với hợp chất “bẩn” mỡ Alkylbenzen sulfonate tuyến tính (LAS) chất hoạt động bề mặt sử dụng chất tẩy rửa Nó phân hủy sinh học cách oxy hóa ω nhóm metyl đầu cuối phân cắt β [2] Các alkylbenzen sulfonat mạch thẳng (LAS) điều chế cơng nghiệp cách sulfonat hóa alkylbenzen mạch thẳng (LAB) Trong đường phổ biến nhất, benzen alkyl hóa monoalken mạch dài (ví dụ: dodecene) sử dụng hydro florua làm chất xúc tác Các dodecylbenzen tinh khiết (và dẫn xuất liên quan) sau sulfonat hóa với lưu huỳnh trioxit để tạo axit sulfonic Sau đó, axit sulfonic trung hịa natri hydroxit 1.4 Cấu trúc Công thức cấu tạo alkylbenzen sulfonat phân nhánh (BAS) Figure 1: Hình 1: Cơng thức BAS Công thức cấu tạo alkylbenzen sulfonat mạch thẳng LAS (Linear Alkylbenzen Sulfonate) CH3-(CH2)n-C6H4-SO3- Figure 2: Hình 2: Công thức LAS 1.5 Các vấn đề ảnh hưởng tới sức khỏe, môi trường 1.5.1 Ảnh hưởng đến sức khỏe: Các kết nghiên cứu cho thấy chứng tổng thể mơ bệnh học tác dụng gây ung thư, khơng có chứng hình thành khối u quan sát thấy nghiên cứu khả gây ung thư Các kết nghiên cứu độc tính di truyền nghiên cứu xét nghiệm sinh học động vật gặm nhấm nói chung cung cấp hỗ trợ mạnh mẽ chứng LAS không gây độc cho gen chất gây ung thư cho động vật gặm nhấm [1] Tuy nhiên, có tính axit nên LAS kích ứng tiếp xúc trực tiếp với mắt da Tính axit làm cho da bị khô sử dụng trực tiếp Qua nghiên cứu, nồng độ thấp (0,5-2,5%) khơng gây kích ứng da mắt, gây kích ứng vừa phải mức 5%, gây kích ứng nghiêm trọng nồng độ cao (khoảng 50%) Tác dụng kích ứng mắt giảm bớt rửa sau 30 giây tiếp xúc giảm nhẹ rửa sau giây tiếp xúc Để bảo đảm an toàn, cần sử dụng thiết bị bảo hộ tiếp xúc trực tiếp [1] Về bảo quản, để LAS nhà kho có mái che, tránh ánh nắng trực tiếp nhiệt độ cao Để nơi thơng thống tránh xa tầm tay trẻ em 1.5.2 Ảnh hưởng đến môi trường Trong bùn hoạt tính, cân hấp thụ giải hấp thụ LAS đạt nhanh chóng, so sánh mức độ hấp thụ phân hủy sinh học cho thấy phần hấp thụ phần hịa tan LAS có sẵn để phân hủy sinh học LAS chứng minh dễ dàng phân hủy sinh học vượt qua cửa sổ phân hủy sinh học 10 ngày kiểm tra q trình khống hóa thử nghiệm trước LAS loại bỏ xử lý nước thải sinh học với tỷ lệ phần trăm nằm khoảng từ 77- 82% lọc nhỏ giọt lên đến 99% + bùn hoạt tính Động học phân hủy sinh học chuỗi alkyl dài thường nhanh hệ số hấp phụ chúng lớn [1] 1.6 Tiêu chuẩn chất lượng 1.6.1 Tiêu chuẩn cảm quan Bảng 1.1 Các tiêu cảm quan (theo TCVN 6971:2001) [3] Tên tiêu 1.Trạng thái Yêu cầu Lỏng sánh, đồng nhất, không phân lớp kết tủa nhiệt độ nhỏ 200 độ C Màu Đồng theo mẫu đăng ký Mùi Khơng mùi có mùi dễ chịu 1.6.2 Tiêu chuẩn hóa lý Bảng 1.2 Các tiêu hóa lý (theo TCVN 6971:2001) [3] Tên tiêu Mức chất lượng 1.Hàm lượng chất hoạt động bề mặt , tính phần 10 trăm i khối lượng, không nhỏ pH dung dịch sản phẩm 6-8 Hàm lượng metanol, tính mg/kg khơng lớn 1000 Hàm lượng asen, tính mg/kg, khơng lớn Hàm lượng kim loại nặng, tính theo chì, tính mg/kg, không lớn Chất làm sáng huỳnh quang không phép Độ phân huỷ sinh học, tính phần trăm khối 90 lượng, khơng nhỏ Chương Tính chất vật lý hóa học LAS LAS dễ phân hủy sinh học điều kiện hiếu khí Khả phân hủy sinh học nghiên cứu kỹ lưỡng, bị ảnh hưởng q trình đồng phân hóa, trường hợp phân nhánh Muối vật liệu mạch thẳng có LD50 2,3 mg / lít cá, độc khoảng bốn lần so với hợp chất phân nhánh; nhiên, hợp chất tuyến tính phân hủy sinh học nhanh nhiều, làm cho trở thành lựa chọn an tồn theo thời gian Nó bị phân hủy sinh học nhanh chóng điều kiện hiếu khí với thời gian bán hủy khoảng 1–3 tuần; phân hủy oxy hóa bắt đầu chuỗi alkyl Trong điều kiện yếm khí, phân hủy chậm hồn tồn khơng, khiến tồn nồng độ cao bùn nước thải, điều không cho ngun nhân đáng lo ngại nhanh chóng phân hủy sau quay trở lại mơi trường oxy [1] Một tính chất quan trọng LAS có tính tương thích cao chất hoạt động anionic khác, chúng sử dụng đơn công nghệ acidic alkaline cho loại chất tẩy rửa dạng lỏng, dạng bột [4] Alkylbenzen sulfonate có dạng chất lỏng, sệt màu vàng nhạt, sáng màu nâu có hàm lượng 96%, khơng cháy, dễ dàng nhanh chóng hịa tan nước, khơng hịa tan dung mơi chất hữu thơng thường Ngồi Las có độc tính nhỏ, trung tính nhạy so với độ cứng nước, khơng dễ bị oxi hóa [4] Hoạt chất anion cho vào nước phân ly thành ion âm, nhóm ưa nước liên kết với nhóm kỵ nước liên kết cộng hóa trị Vì vậy, chúng có khả làm bề mặt mạnh, khả lấy dầu cao, tạo bọt nhiều [4] Khả hòa tan nước giảm chiều dài chuỗi alkyl tăng tùy thuộc vào ion dương muối Trong điều kiện lý tưởng, khả làm BAS LAS giống nhau, nhiên LAS hoạt động tốt chút điều kiện sử dụng bình thường, bị ảnh hưởng nước cứng Trong thân LAS, khả tẩy rửa đồng phân khác giống nhau, nhiên tính chất vật lý chúng (điểm Krafft, tạo bọt, v.v.) có khác biệt đáng kể Đặc biệt, điểm Krafft sản phẩm 2-phenyl cao (tức đồng 10 phân phân nhánh nhất) trì ° C lên đến 25% LAS điểm mây 2phenyl thấp ∼15 ° C Hành vi thường nhà sản xuất lợi dụng để tạo sản phẩm có màu đục.[4] Chất axit mạnh, có ứng dụng cao việc tẩy rửa Về điều chế, chất LAS sản xuất sulfonation LAB với tinh dầu lò phản ứng hàng loạt Bên cạnh đó, cịn sấy khơ thành bột ổn định Vì LAS có mạch thẳng nên cho chất thân thiện với môi trường phân hủy sinh học Nó chất nhũ hóa giúp làm tăng diện tích tiếp xúc hai chất lỏng có nhiều hai chất lỏng khơng hịa tan Điển chất nhũ hóa thuốc diệt cỏ để gia công thuốc bảo vệ thực vật Bên cạnh đó, cịn chất gắn kết sơn LAS hỗn hợp phức tạp đồng đẳng độ dài chuỗi ALKYLBENZENE khác (C10 đến C13 C14) đồng phân phenyl vị trí 2-5-phenyl tỷ lệ chi phối nguyên liệu ban đầu phản ứng điều kiện, nhóm có chứa vịng thơm sulfo vị trí para gắn liền với chuỗi alkyl tuyến tính vị trí với ngoại lệ thiết bị đầu cuối (1-phenyl) Các thuộc tính LAS khác tính chất vật lý hóa học theo chiều dài chuỗi ALKYLBENZENE, kết công thức cho ứng dụng khác Chương Phạm vi ứng dụng Linear alkylbenzene sulfonic acid sử dụng chủ yếu để sản xuất chất tẩy rửa gia dụng bao gồm loại bột giặt, chất lỏng giặt, nước rửa chén chất lỏng tẩy rửa gia dụng khác chất tẩy rửa công nghiệp, nhiều ứng dụng công nghiệp 11 chất gắn kết, chất nhũ hóa chất diệt cỏ cho nơng nghiệp nhũ tương trùng hợp Một số công dụng khác hóa chất LAS • Ngành dệt nhuộm: giúp làm mềm sợi vải, chất trợ nhuộm • Ngành khống sản: dùng làm chất tạo bọt để làm giàu khoáng sản, chất nhũ hóa, làm thuốc tuyển • Dầu khí: làm chất nhũ hóa dung dịch khoan • Ngành in: làm chất trợ ngấm phân tán mực in • Trong xây dựng: dùng để nhũ hóa nhựa đường, giúp tăng cường độ nóng rắn bê tơng • Ngành nơng nghiệp: làm chất nhũ hóa để sản xuất thuốc diệt cỏ, để gia công thuốc bảo vệ thực vật 12 Figure 3.1: Hình 3: Hóa chất LAS 13 Figure 4: Hình 3.2: Sản phẩ chứa LAS Chương Cơ chế tẩy rửa quy trình điều chế 4.1 Cơ chế tẩy rửa Sự tẩy rửa trình làm bề mặt rắn (bao gồm vải sợi) dung dịch có q trình hóa lý xảy Quá trình bao gồm: +Lấy vết bẩn khỏi bề mặt rắn +Giữ vết bẩn lấy lơ lửng để tránh chúng tái bám bề mặt rắn 14 Vết bẩn bao gồm vết bẩn không phân cực (vết bẩn dầu mỡ ) vết bẩn dạng hạt (các hạt mịn) Các vết bẩn chất béo dạng hạt tồn độc lập hay hòa lẫn vào Theo thuyết nhiệt động-phương pháp lanza: thêm chất hoạt động bề mặt vào nước, hấp phụ chúng sợi vết bẩn làm giảm sức căng bề mặt chúng (so với nước) tổng chúng trở nên nhỏ sức căng bề mặt giao diện sợi/ vết bẩn, lúc vết bẩn tự tẩy Cơ chế rolling up (cuốn đi): chất hoạt động bề mặt chúng hấp phụ lên sợi vết bẩn làm giảm sức căng bề mặt giao diện sợi/nước bẩn/nước, lúc màng dầu lại tách khỏi sợi lực học chà xát Cơ chế hòa tan: phân tử chất hoạt động bề mặt kết hợp với hình thành mixen nồng độ CMC Khi chất béo hịa tan mixen +Ở chế khơng cần giảm sức căng bề mặt mà phải tăng nồng độ hoạt chất để hình thành mixen có số mixen đủ tùy theo lượng vết bẩn có dung dịch giặt rửa Cơ chế tẩy rửa với vết bẩn dạng hạt: +Thuyết nhiệt động điện học: chất hoạt động bề mặt bị hấp phụ hạt bề mặt rắn làm cho hạt bề mặt phân cực dấu (tích điện giống nhau) làm tăng lực đẩy làm cho trình tẩy rửa xảy +Các dung dịch chất tẩy rửa có khả tạo bọt cao, phần chất bẩn tách vào bọt, ngăn không cho vết bẩn bám trở lại bề mặt tẩy rửa Các yếu tố ảnh hưởng đến khả tẩy rửa: 15 +Đối với chất hoạt động bề mặt anion LAS thêm gốc –CH vào dãy chất béo, sức căng bề mặt giảm Có thể làm giảm độ hình thành mixen cách làm tính đối xứng phân tử thêm nhánh +Nhiệt độ: • Nhiệt độ cao, độ hịa tan chất hoạt động bề mặt tốt, độ nhớt chất bẩn dạng lỏng giảm, độ hòa tan chất bẩn lớn, làm tăng hiệu suất giặt tẩy +Tuy nhiên, nhiệt độ cao làm giảm hoạt tính số chất hoạt động bề mặt dễ hòa tan, giảm độ bền hệ nhũ +Nước: hịa tan số chất điện ly làm thay đổi khả tẩy rửa chất hoạt động bề mặt +pH: dung dịch tẩy rửa mang tính kiềm tốt cho q trình tẩy rửa (9.0-11.5) +Loại vết bẩn: vết bẩn từ dầu mỡ động thực vật, … +Loại vải sợi: sợi thiên nhiên, sợi tổng hợp, … 4.2 Quy trình điều chế Alkylbenzen mạch thẳng (LAB) nguyên liệu sản xuất LAS, chuyển hóa từ dầu thô: benzen parafin mạch thẳng Hiện LAS chiếm 1/3 thành phần chất tẩy Gần tồn LAB chuyển thành LAS 16 Figure 5:Hình 4.1: Cơng thức LAB Để tạo LAS LAB cần phải qua q trình sulfo hóa Khi sulfo hóa người ta thu sulfonic acid (RSO2OH ArSO2OH) dẫn xuất acid này, nguyên tử lưu huỳnh liên kết trực tiếp với nguyên tử cacbon Sự sulfo hóa hợp chất thơm phản ứng tổng hợp hữu đưa vào sản xuất công nghiệp Bằng đường người ta điều chế phenol khác chủ yếu theo phương pháp kiềm chảy muối sulfonat Figure 6: Hình 4.2: Quá trình sulfo hóa Hình 4.2 Q trình sulfo hóa Chất hoạt động bề mặt có nhóm alkyl nối với nhân thơm (phần kỵ nước) phần ưa nước nhóm sulfonat SO2ONa Chúng chia thành loại Sulfonate dầu mỏ: tổng hợp sulfo hóa phân đoạn có chứa hydrocacbon alkylaromatic 17 Sulfonate tổng hợp: alkylarensulfonat dầu mỏ điều chế xử lí phân đoạn dầu mỏ khác oleum Q trình sulfo hóa alkylbenzen SO3 hay oleum (H2SO4.SO3) sau phản ứng trung hịa với Na Figure 7: Hình 4.3: Phản ứng tạo LAS Chương Kết luận LAS ứng dụng nhiều loại lĩnh vực tẩy rửa khác nhau, bao gồm sản phẩm dạng khô sản phẩm dạng nước LAS thành phần chủ yếu sản phẩm tẩy rửa có nhiệm vụ đảm bảo tẩy vết bẩn chất lơ lửng nước giặt để ngăn cản tái bám 18 Ngồi LAS cịn dùng để làm giảm sức căng bề mặt số chất lỏng, có nhiều chất lỏng khơng hịa tan vào LAS làm tăng diện tích tiếp xúc chất lỏng LAS dùng nhiều năm qua tiếp tục góp phần đáng kể thị trường chất hoạt động bề mặt ngày Trung bình hàm lượng LAS chiếm khoảng 5-25% khối lượng loại chất tẩy rửa 19 Tài liệu tham khảo [1] OECD SIDS (2005), linear alkylbenzen sulfonate (LAS), SIDS INITIAL ASSESSMENT REPORT; UNEP Publication [2] Sarah Erskine (2013), Use of detergent additive linear alkylbenzene sulfonate; Wheaton College, Norton, MA [3] TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam 6971:2001 [4] Công nghệ hợp chất hoạt động bề mặt, 2015, trường Đại học Sao Đỏ 20 ... chuỗi ALKYLBENZENE, kết công thức cho ứng dụng khác Chương Phạm vi ứng dụng Linear alkylbenzene sulfonic acid sử dụng chủ yếu để sản xuất chất tẩy rửa gia dụng bao gồm loại bột giặt, chất lỏng... (H2SO4.SO3) sau phản ứng trung hịa với Na Figure 7: Hình 4.3: Phản ứng tạo LAS Chương Kết luận LAS ứng dụng nhiều loại lĩnh vực tẩy rửa khác nhau, bao gồm sản phẩm dạng khô sản phẩm dạng nước LAS... cứu, nồng độ thấp (0,5-2,5%) khơng gây kích ứng da mắt, gây kích ứng vừa phải mức 5%, gây kích ứng nghiêm trọng nồng độ cao (khoảng 50%) Tác dụng kích ứng mắt giảm bớt rửa sau 30 giây tiếp xúc