thực trạng và ứng dụng hoạt động bề mặt trong ngành công nghệ các chất vô cơ

A.Lời nói đầu. Công nghệ hóa học được coi là một trong những ngành khoa học có lịch sử lâu đời nhất trong lịch sử nhân loại.Từ ngàn xưa nó đã được chú trọng phát triển vì có nhiều ứng dụng thiết thực trong cuộc sống. Cùng với thời gian, hóa học ngày càng có những bước tiến vượt bậc trở thành một ngành quan trọng, có ảnh hưởng lớn tới sự phát triển của các ngành khác. Một trong những ứng dụng khá phổ biến của ngành hóa là về việc sử dụng các chất hoạt động bề mặt để sản xuất các chất tẩy rửa trong đời sống sinh hoạt hằng ngày, hay sử dụng chúng để làm chất xúc tác trong các phản ứng trong công nghiệp nhằm nâng cao hiệu suất sản xuất của các quá trình công nghiệp. Việc sử dụng các chất HĐBM có một lịch sử lâu dài, từ khi người ta nhận thấy rằng một vài dịch ép thực vật, như saponin glycosit từ bồ kết có thể hỗ trợ quá trình giặt rửa. Từ đó công nghệ sản xuất xà phòng được phát triển nhờ áp dụng quá trình hóa học xà phòng hóa (thủy phân bằng kiềm) đối với dầu mỡ động vật và thực vật. Sự phát triển mạnh công nghệ các chất HĐBM diễn ra cùng với quá trình công nghiệp hóa, nhất là trong công nghiệp dệt may. Nhưng khi đó, chất HĐBM vẫn chỉ được dùng chủ yếu như chất giặt rửa. Vào những năm 1950, việc chuyển từ bột xà phòng dễ bị phân hủy sinh học đến bột chất tẩy rửa bị phân hủy sinh học chậm hơn làm xuất hiện những nhu cầu đầu tiên đòi hỏi làm giảm tác động môi trường của các chất tẩy rửa. Các con sông sủi bọt đã là mối lo lắng và dẫn đến những nghiên cứu về phân hủy sinh học, mà kết quả là sự thay đổi về cấu trúc mạch cacbon của phân tử chất HĐBM, nhờ đó hiện tượng ô nhiễm bọt ở các con sông đã hạn chế rất nhiều. Cùng với những nhận thức sâu sắc hơn về môi trường và phát triển bền vững, ngày nay còn có nhiều nghiên cứu hướng vào và mở rộng hơn nữa những mục tiêu đó. Ngoài việc bản thân các chất HĐBM trở nên thân thiện hơn với môi trường, những hóa chất này còn có thể sử dụng cho những mục đích khác. Chẳng hạn, sơn và các quá trình tẩy dầu mỡ ngày nay có thể được phối chế trong dung môi là nước, đó là nhờ các chất HĐBM, cho phép giảm lượng các chất hữu cơ dễ bay hơi phát thải vào khí quyển. Chẳng hạn,ứng dụng chất HĐBM làm các tác nhân tạo độ ẩm, chất tạo nhũ, tăng độ tan, diệt khuẩn, chất chống nhiễm tĩnh điện, chống ăn mòn... Trong bài này, nhóm tham gia nghiên cứu của chúng tôi chỉ giới hạn đến một số ứng dụng quan trọng và phổ biến nhất trong ngành công nghệ các chất vô cơ: 1_Ứng dụng trong sản xuất chất tẩy rửa. 2_Ứng dụng trong tuyển nổi và khai thác khoáng sản. 3_Ứng dụng trong làm bền hệ nhũ tương và điều chế hạt nano. Bài viết tuy được tìm hiểu và nghiên cứu kĩ càng nhưng không thể tránh khỏi sai sót. Chúng tôi rất mong nhận được sự góp í của thầy cô và bạn bè. Xin chân thành cảm ơn! B_Nội Dung I_Giới thiệu về chất hoạt động bề mặt. Chất hoạt động bề mặt (Surfactant, Surface active agent) là một chất làm ướt có tác dụng làm giảm sức căng bề mặt của một chất lỏng. Quá trình tìm hiểu về chất hoạt động bề mặt có liên quan đến các yếu tố sức căng bề mặt và sự thấm ướt của vật chất. 1_ Khái niệm về sức căng bề mặt (SCBM). Con nhện nước đứng được trên mặt nước. Mưa rơi thành hạt mà không tan ra thành hơi nước. Khi đổ nước vào trong 1 cốc, rồi bỏ nhẹ từng viên sỏi nhỏ vào, nước sẽ nhô cao lên khỏi miệng mà không tràn ra ngoài, cứ như là cốc được đậy bằng một nắp vô hình nào đó. Những hiện tượng này được giải thích nhờ khái niệm SCBM. a.Nguồn gốc của SCBM:( σ ) SCBM có bản chất là chênh lệch lực tương tác giữa các phân tử với nhau. Lực tương tác giữa các phân tử càng tăng thì SCBM càng lớn. Nó khiến các phân tử ở bề mặt của chất lỏng thể hiện đặc tính của một màng chất dẻo đang chịu lực kéo căng. Các phân tử trong lòng chất lỏng luôn chịu ảnh hưởng của các lực phân tử từ các phân tử xung quanh. Với các phân tử nằm ở giữa chất lỏng, chúng được bao quanh một cách đối xứng bởi các phân tử chất lỏng cùng loại khác, nên lực tổng cộng được cân bằng thành 0. Ở bề mặt chất lỏng, một bên phân tử bị các phân tử cùng loại tương tác với lực khác bên kia do các phân tử khác loại (Chân không, không khí hay chất lỏng khác). Lực tổng cộng có thể kéo phân tử bề mặt vào bên trong chất lỏng, như trường hợp bề mặt giọt nước trong không khí, hay đẩy nó ra phía ngược lại, như trường hợp giọt nước bám vào thành ống mao dẫn. Mô hình lực tương tác giữa các phân tử trong và trên bề mặt chất lỏng. Đây là hiệu ứng làm cho giọt nước trong không khí có hình cầu, hỗ trợ thực vật vận chuyển nước từ rễ lên đến lá thông qua hệ mạch dẫn phloem bằng hiện tượng mao dẫn, giúp nhện nước bò trên mặt nước, giải thích trạng thái cân bằng của nhũ tương cũng như tác dụng tẩy rửa của xà phòng nói riêng hay hoạt tính nói chung của chất hoạt hóa bề mặt, ... b.Năng lượng tự do bề mặt (Gs).

A.Lời nói đầu.

Công nghệ hóa học được coi là một trong những ngành khoa học cólịch sử lâu đời nhất trong lịch sử nhân loại.Từ ngàn xưa nó đã được chútrọng phát triển vì có nhiều ứng dụng thiết thực trong cuộc sống Cùngvới thời gian, hóa học ngày càng có những bước tiến vượt bậc trở thànhmột ngành quan trọng, có ảnh hưởng lớn tới sự phát triển của các ngànhkhác

Một trong những ứng dụng khá phổ biến của ngành hóa là về việc sửdụng các chất hoạt động bề mặt để sản xuất các chất tẩy rửa trong đờisống sinh hoạt hằng ngày, hay sử dụng chúng để làm chất xúc tác trongcác phản ứng trong công nghiệp nhằm nâng cao hiệu suất sản xuất củacác quá trình công nghiệp

Việc sử dụng các chất HĐBM có một lịch sử lâu dài, từ khi người tanhận thấy rằng một vài dịch ép thực vật, như saponin glycosit từ bồ kết

có thể hỗ trợ quá trình giặt rửa Từ đó công nghệ sản xuất xà phòng đượcphát triển nhờ áp dụng quá trình hóa học xà phòng hóa (thủy phân bằngkiềm) đối với dầu mỡ động vật và thực vật

Sự phát triển mạnh công nghệ các chất HĐBM diễn ra cùng với quátrình công nghiệp hóa, nhất là trong công nghiệp dệt may Nhưng khi đó,chất HĐBM vẫn chỉ được dùng chủ yếu như chất giặt rửa

Vào những năm 1950, việc chuyển từ bột xà phòng dễ bị phân hủysinh học đến bột chất tẩy rửa bị phân hủy sinh học chậm hơn làm xuấthiện những nhu cầu đầu tiên đòi hỏi làm giảm tác động môi trường củacác chất tẩy rửa Các con sông sủi bọt đã là mối lo lắng và dẫn đến nhữngnghiên cứu về phân hủy sinh học, mà kết quả là sự thay đổi về cấu trúcmạch cacbon của phân tử chất HĐBM, nhờ đó hiện tượng ô nhiễm bọt ởcác con sông đã hạn chế rất nhiều

Cùng với những nhận thức sâu sắc hơn về môi trường và phát triểnbền vững, ngày nay còn có nhiều nghiên cứu hướng vào và mở rộng hơnnữa những mục tiêu đó Ngoài việc bản thân các chất HĐBM trở nên thânthiện hơn với môi trường, những hóa chất này còn có thể sử dụng chonhững mục đích khác Chẳng hạn, sơn và các quá trình tẩy dầu mỡ ngàynay có thể được phối chế trong dung môi là nước, đó là nhờ các chấtHĐBM, cho phép giảm lượng các chất hữu cơ dễ bay hơi phát thải vàokhí quyển Chẳng hạn,ứng dụng chất HĐBM làm các tác nhân tạo độ ẩm,chất tạo nhũ, tăng độ tan, diệt khuẩn, chất chống nhiễm tĩnh điện, chống

ăn mòn

Trong bài này, nhóm tham gia nghiên cứu của chúng tôi chỉ giới hạn đến một số ứng dụng quan trọng và phổ biến nhất trong ngành công nghệ các chất vô cơ: 1_Ứng dụng trong sản xuất chất tẩy rửa

2_Ứng dụng trong tuyển nổi và khai thác khoáng sản 3_Ứng dụng trong làm bền hệ nhũ tương và điều chế hạt nano

Bài viết tuy được tìm hiểu và nghiên cứu kĩ càng nhưng không thể tránh khỏi sai sót Chúng tôi rất mong nhận được sự góp í của thầy cô và bạn bè

Xin chân thành cảm ơn!

B_Nội Dung

I_Giới thiệu về chất hoạt động bề mặt.

Chất hoạt động bề mặt (Surfactant, Surface active agent) là một

chất làm ướt có tác dụng làm giảm sức căng bề mặt của một chất lỏng.Quá trình tìm hiểu về chất hoạt động bề mặt có liên quan đến các yếu tốsức căng bề mặt và sự thấm ướt của vật chất

1_ Khái niệm về sức căng bề mặt (SCBM).

Con nhện nước đứng được trên mặt nước

Mưa rơi thành hạt mà không tan ra thành hơi nước

Khi đổ nước vào trong 1 cốc, rồi bỏ nhẹ từng viên sỏi nhỏ vào, nước

sẽ nhô cao lên khỏi miệng mà không tràn ra ngoài, cứ như là cốc đượcđậy bằng một nắp vô hình nào đó

Những hiện tượng này được giải thích nhờ khái niệm SCBM

a.Nguồn gốc của SCBM:( σ )

SCBM có bản chất là chênh lệch lực tương tác giữa các phân tử vớinhau Lực tương tác giữa các phân tử càng tăng thì SCBM càng lớn Nókhiến các phân tử ở bề mặt của chất lỏng thể hiện đặc tính của một màngchất dẻo đang chịu lực kéo căng

Các phân tử trong lòng chất lỏng luôn chịu ảnh hưởng của các lựcphân tử từ các phân tử xung quanh Với các phân tử nằm ở giữa chấtlỏng, chúng được bao quanh một cách đối xứng bởi các phân tử chất lỏngcùng loại khác, nên lực tổng cộng được cân bằng thành 0 Ở bề mặt chấtlỏng, một bên phân tử bị các phân tử cùng loại tương tác với lực khác bênkia do các phân tử khác loại (Chân không, không khí hay chất lỏng khác).Lực tổng cộng có thể kéo phân tử bề mặt vào bên trong chất lỏng, nhưtrường hợp bề mặt giọt nước trong không khí, hay đẩy nó ra phía ngượclại, như trường hợp giọt nước bám vào thành ống mao dẫn

b.Năng lượng tự do bề mặt (Gs)

Khi nhìn một phân tử trong sự tiếp xúc qua lại với các phân tử lánggiềng, những phân tử phía trong đều có nhiều láng giềng như nhau.Nhưng những phân tử ranh giới có những ít láng giềng hơn phân tử phíatrong và bởi vậy chúng ở trong một trạng thái bất ổn định có năng lượng

cao, được gọi là năng lượng bề mặt Để tối giản năng lượng đó, nó phảitối giản số lượng những phân tử ranh giới và phải bởi vậy tối giản diệntích bề mặt.

Gs = k.S

Trong đó: _S là diện tích bề mặt của chất lỏng

_k là hệ số tỉ lệ, đặc trưng cho cường độ tương tác giữacác phân tử K phụ thuộc áp suất nội, nhiệt độ, bản chất của dung dịchlỏng

Năng lượng Gs tỉ lệ với diện tích bề mặt S Diện tích bề mặt càng lớnthì năng lượng bề mặt càng cao, hệ lỏng càng kém bền Chính vì vậy, cácchất lỏng có xu hướng tối thiểu năng lượng bề mặt này vì đó là trạng tháibền Cùng 1 thể tích chất lỏng thì giọt chất lỏng càng lớn, diện tích bềmặt càng bé Đó là nguyên nhân tách pha của hệ nhũ tương, hệ phân tán

Khi làm tăng diện tích bề mặt từ S1 → S2 (S2 > S1), có năng lường bềmặt tương ứng: Gs1 = k.S1

Gs2 = k.S2 ( năng lượng tự do bề mặt tăng )

c.Định nghĩa sức căng bề mặt:

Định nghĩa suy từ công thức (*) : Sức căng bề mặt là công cơ học thựchiện khi lực căng làm cho diện tích bề mặt thay đổi một đơn vị đo diệntích Như vậy nó cũng là mật độ diện tích của năng lượng; ý nghĩa nàymang lại tên gọi năng lượng bề mặt cho đại lượng vật lý này

Cũng có thể định nghĩa sức căng bề mặt là lực căng trên một đơn vịchiều dài của đường giao tuyến giữa mặt chất lỏng và mặt rắn

Trong hệ đo lường quốc tế [SI], đơn vị đo sức căng bề mặt là J/m² hoặc N/m.

2_Các yếu tố ảnh hưởng đến sức căng bề mặt.

a.Bản chất của dung dịch lỏng:

b.Nhiệt độ

Khi nhiệt độ tăng, lực tương tác giữa các phân tử lớp bề mặt chất lỏnggiảm nên sức căng bề mặt cũng giảm

Ta có công thức:

a = -dσ/ dT => σ T – σ To = -a ( T - To )

Trong đó: a: hệ số phụ thuộc bản chất của chất lỏng

σ: sức căng bề mặt (dyn/cm) hoặc (N/m²)

To: nhiệt độ ở điều kiện chuẩn(25ºC)

T: nhiệt độ ở thời điểm đo

=> Khi nhiệt độ tăng, sức căng bề mặt giảm => việc tăng nhiệt độ cólợi cho việc hình thành hệ vi nhũ tương.Tuy nhiên khi tăng nhiệt độ lênquá cao như đã nói ở trên sẽ làm phá hủy các hạt dầu nên việc chọn nhiệt

độ thích hợp là rất cần thiết trong việc tạo hệ vi nhũ tương

c.Chất HĐBM:

Chất HĐBM được dùng để làm giảm sức căng bề mặt của một chấtlỏng Nếu có nhiều hơn hai chất lỏng không hòa tan thì chất hoạt hóa bềmặt làm tăng diện tích tiếp xúc giữa hai chất lỏng đó Khi hòa chất hoạthóa bề mặt vào trong một chất lỏng thì các phân tử của chất HĐBM có xuhướng nổi lên trên bề mặt chất lỏng, tạo đám (micelle), làm cho cấu trúccủa hệ thay đổi → giảm năng lượng bề mặt → giảm sức căng bề mặt →tăng khả năng hòa tan trong nước, hoặc hòa tan trong các dung môikhông phân cực như dầu, giúp cho các quá trình vật lí, hóa học diễn ra dễdàng hơn

Nguyên lí làm giảm sức căng bề mặt của chất HĐBM có tính ứngdụng cao và rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Về cơ chế của nó, ta sẽ tìmhiểu ở phần sau

*.Quan hệ giữa sức căng bề mặt và độ tan giữa 2 pha lỏng:

Khi trộn 2 chất lỏng vào nhau, sẽ xảy ra các hiện tượng sau:

- Hai chất lỏng tan lẫn vô hạn vào nhau, và không tồn tại bềmặt phân chia pha.

- Hai chất lỏng hoàn toàn không tan lẫn

- Hai chất lỏng tan lẫn có giới hạn vào nhau, tách lớp tạo ra 2pha dung dịch: A tan bão hòa trong B và B tan bão hòa trong A Sức căng bề mặt trên bề mặt 2 pha lỏng tiếp xúc nhau nhỏ hơn sức căng

bề mặt của từng chất lỏng riêng biệt Chúng được liên hệ với nhau theoqui tắc Anatoli:

- Nếu là 2 chất lỏng không tan lẫn, sức căng bề mặt trên bềmặt tiếp xúc bằng hiệu sức căng bề mặt của các pha lỏng

- Nếu 2 chất lỏng tan có giới hạn thì sức căng trên bề mặt tiếpxúc tỉ lệ với hiệu 2 sức căng bề mặt của các chất thành phần Nếu

độ phân cực của 2 chất lỏng càng khác biệt thì sức căng bề mặt tiếpxúc càng lớn

- Trường hợp độ phân cực của 2 chất lỏng bằng nhau thì sứccăng trên bề mặt tiếp xúc bằng 0 → 2 chất lỏng tan vô hạn vàonhau

3_ Chất hoạt động bề mặt (HĐBM).

a.Cấu tạo:

Cấu tạo của chất HĐBM gồm 2 phần: - Phần có cực (Hydrophile): đó

là các nhóm chức có cực: - COO‾, - CONH2, - C6H4SO3‾, - SO3‾, Cácnhóm này liên kết mạnh với các dung môi có cực (như H2O) nên phần cócực này gọi là đầu ưa nước

- Phần không cực (Hydrophobe):

là các gốc hidrocacbon Các gốc này liên kết tốt với dung môi khôngphân cực nên gọi là đuôi không cực ( ưa dầu)

Một chất HĐBM gồm 2 nhóm: ưa nước và ưa đầu kết hợp với nhautrong phân tử nên gọi là chất HĐBM lưỡng chức.

 Chất hoạt hóa ion: khi bị phân cực thì đầu phân cực bị ionhóa

o Chất hoạt hóa dương: khi bị phân cực thì đầu phâncực mang điện dương, ví dụ:

 Cetyl trimetylammonium bromua (CTAB)

o Chất hoạt hóa âm: khi bị phân cực thì đầu phân cựcmang điện âm



 Natri dodecyl sulfat (SDS)

 Chất hoạt hóa lưỡng cực: khi bị phân cực thì đầu phân cực

có thể mang điện âm hoặc mang điện dương tùy vào pH của dungmôi,

Ví dụ: amino acid

b.Cơ chế làm giảm sức căng bề mặt của chất HĐBM:

Các chất lỏng phân cực thì dễ tan trong dung môi phân cực Và ngượclại, các chất không phân cực thì dễ tan trong dung môi không phân cực.Chất HĐBM có 2 đầu phân cực và không phân cực thì khi tan trong dungmôi phân cực ( như nước ) thì có xu hướng nổi lên trên bề mặt chấtlỏng,định hướng vuông góc vơi bề mặt, sao cho nhóm ưa nước nằm ở bềmặt, nhóm kị nước hướng ra ngoài tạo thành 1 màng lỏng trên bề mặt

Chất HĐBM nổi lên trên bề mặt nước

Công thức tính sức căng bề mặt của dung dịch

σ' = σ – A ln(1+BC)

C: nồng độ chất HĐBM.

A,B: hằng số - B phụ thuộc vào bản chất của chấtHĐBM

- A phụ thuộc vào nhiệt độ

σ: sức căng bề mặt của nước nguyên chất

Từ biểu thức có thể nhận xét rằng, Sức căng bề mặt phụ thuộc vàonồng độ của chất HĐBM Khi nồng độ của chất HĐBM còn nhỏ, cácphân tử chất HĐBM bị đẩy lên bề mặt làm cho sức căng bề mặt của chấtlỏng giảm xuống Khi bề mặt lỏng đã bị chiếm hết chỗ bởi các nhóm cócực của chất HĐBM thì sức căng bề mặt không giảm nữa và từ đó cácphân tử chất HĐBM bắt đầu tạo ra các cấu trúc mixen và các kiểu cấutrúc khác trong lòng chất lỏng

Cấu trúc của 1 mixen

Nồng độ của chất HĐBM mà tại đó các phân tử bắt đầu tạo đám đượcgọi là nồng độ tạo đám tới hạn Nếu chất lỏng là nước thì các phân tử sẽchụm đuôi kị nước lại với nhau và quay đầu ưa nước ra tạo nên nhữnghình dạng khác nhau như hình cầu (0 chiều), hình trụ (1 chiều), màng (2chiều) Tính ưa, kị nước của một chất HĐBM được đặc trưng bởi mộtthông số là độ cân bằng ưa kị nước (HLB), giá trị này có thể từ 0 đến 40.HLB càng cao thì hóa chất càng dễ hòa tan trong nước, HLB càng thấpthì hóa chất càng dễ hòa tan trong các dung môi không phân cực như dầu

Mixen có vai trò quan trọng quyết định tính tan của hệ Chất muốn hòatan có cực hay không cực thì các phân tử chất đó phải chen vào mixencủa chất HĐBM

4 Hiện tượng thấm ướt.

a.Khái niệm:

Khi ta nhỏ một giọt chất lỏng lên một bề mặt thì xảy ra hiện tượng:

•Giọt chất lỏng loang ra trên bề mặt, đó là hiện tượng bề mặt thấm ướtlỏng

•Giọt chất không loang ra bề mặt, là hiện tượng không thấm ướt (kị

Hiện tượng thấm ướt được quyết định bởi hai loại lực tương tác:

•Lực tương tác giữa các phân tử lỏng- lỏng: f(L- L)

•Lực tương tác giữa các phân tử lỏng- rắn: f(L- R)

và : •Nếu f(L- R) > f(L- L), ta có hiện tượng thấm ướt

•Nếu f(L- R) < f(L- L), ta có hiện tượng kỵ nước

Ví dụ: Bông sợi thấm ướt tốt hơn nylon nhưng nếu nhúng vào dầu thìnylon thấm ướt tốt hơn bông

*.Góc thấm ướt:

Góc thấm ướt θ được đặc trưng bởi đường thẳng tiếp tuyến với mặtcong phân cách rắn-lỏng-khí và phương vuông góc với chiều rơi thẳngđứng

θ = 180˚ → hoàn toàn không thấm ướt

θ = 0˚ → thấm ướt hoàn toàn

Trong thực tế, θ < 90˚ → có thấm ướt

θ > 90˚ → không có thấm ướt

Mức độ thấm ướt phụ thuộc vào bản chất của bề mặt rắn và chất lỏng.Với mỗi loại chất rắn có 1 góc thấm ứơt tương ứng

b.Quan hệ giữa khả năng thấm ướt với sức căng bề mặt của các chất.

Khi giọt chất lỏng ở trên bề mặt rắn đạt cân bằng thì các phân tử tại Achịu 3 lực tác dụng do sức căng bề mặt của chất gây ra

Khi thay đổi σl,k thì dẫn đến thay đổi Cos θ σl,k giảm thì khả năng

thấm ướt tăng Vì vậy, xăng dầu có sức căng bề mặt bé hơn nước sẽ thấmướt tốt hơn

Nếu chất lỏng và rắn có tính chất gần giống nhau thì σr,k sẽ rất nhỏ →

bé hơn thì khả năng thắm ướt tốt hơn

Ví dụ: Cho 1 bề mặt rắn tiếp xúc với 2 chất lỏng là nước (ưa nước)vàHydrocacbon (kị nước) Nếu bề mặt rắn thấm ướt chọn lọc nước thì Cosθ

> 0 (hiệu số độ phân cực rắn lỏng nhỏ hơn)

Tuyển nổi là 1 ứng dụng quan trọng của hiện tượng thấm ướt Trongquá trình tuyển nổi, vật rắn ( quặng ) đi từ vị trí 1 trong thể tích chất lỏngđến vị trí 2 trên bề mặt chất lỏng 2 bề mặt lỏng-khí và rắn-lỏng đượcthay bởi bề mặt rắn-khí

Để hạt khoáng nổi lên trên bề mặt lỏng thì:

f > P → σl,k.(1 – Cosθ) > m.g → các yếu tố tác động đến quá

trình tuyển nổi là: khối lượng của hạt quặng (m) , bản chất của quặng vàchất lỏng làm thuốc tuyển

II_Ứng dụng của chất hoạt động bề mặt.

Hiện nay, chất hoạt động bề mặt được ưng dụng rộng rãi trong cácngành công nghiệp và đời sống như: trong bột giặt, công nghiệp nhuộm,công nghiệp thực phẩm, mỹ phẩm,in ấn , trong nông nghiệp, xây dựng,dầu khí, công nghiệp khoáng sản,

1_Ứng dụng của chất HĐBM trong sản xuất chất tây rửa ( xà

phòng ).

Xà phòng dạng lỏng và dạng bánh

a.Xà phòng, một số chất HĐBM được sử dụng trong đó.

Xà phòng hay xà bông (soap) là một chất tẩy rửa các vết bẩn, vết dầu

mỡ Thành phần của xà phòng là muối natri hoặc kali của axít béo Xàphòng được dùng dưới dạng bánh, bột hoặc chất lỏng

Xà phòng trước kia được điều chế bằng cách cho chất béo tác dụngvới kiềm bằng phản ứng xà phòng hoá Sản phẩm tạo ra là muối natrihoặc kali của axit béo Vì thế xà phòng được phân loại thành xà phòngcứng (chứa natri) và xà phòng mềm (chứa kali) Loại xà phòng này cómột nhược điểm là không giặt được trong nước cứng vì nó tạo các kết tủavới các ion canxi và magiê bết lên mặt vải làm vải chóng mục.

Về sau, xà phòng được sản xuất từ dầu mỏ Vì thế nó đã khắc phụcđược nhược điểm trên để có thể giặt được quẩn áo bằng nước cứng

- Cấu trúc của chất HĐBM trong xà phòng:

+ Phần phân cực ưa nước gồm các nhóm – OH, ONa, - COOH

+ Phần không phân cực : kị nước là các gốc hydro cacbon ,có thể là gốcalkyl, aryl

Khả năng hoạt động bề mặt của chúng phụ thuộc vào :

- Bản chất của nhóm phân cực

- Vị trí của nhóm phân cực trong mạch cacbon: nhóm phân cực ở đầumạch thường có khả năng tẩy rửa tốt hơn ở giữa mạch; nhóm phân cựcthông dụng là -COONa, SO3Na

- Nhóm kỵ nước có cấu tạo mạch thẳng khả năng hoạt động bề mặt tốthơn mạch nhánh, nhóm có thành phần hỗn hợp alkyl và arese tốt hơnalkyl hoặc aryl đơn thuần

Tùy theo đặc tính của nhóm ưa nước người ta chia các chất hoạt động

bề mặt tổng hợp thành 3 loại :

- Loại anion: chủ yếu là loại có nhóm -SO3‾ ,

-OSO3‾ , (-O3Na, - OSO3Na), có thể sử dụng trong môi trường acid yếu

và nước cứng

Cấu trúc: R - SO3Na : alkyl sunfonat Natri (R có C12 ® C18)

Ví dụ : R - C6H4 - SO3Na

C18H37OSO3Na (Sunfat natri của alcol octa dexilyc)

-Loại cation:có chứa nhóm amin bậc 4

-Loại không ion (trung tính) có nhóm phân cực lànhóm -OH, ete, este

Ví dụ: Ar (RO - CH2 - CH2O) x -CH2 - CH2 - OH

R= C18H37 x=10

Thay R = Ar = phenyl , x = 20

RCOO(CH2 CH2O) x CH2 CH2 OH

RCOO-: gốc acid béo, x = 30 → dis mougal

Ngoài chất HĐBM, bột giặt, xà phòng thường là hỗn hợp gồm nhiềuthành phần khác :

- Chất hoạt động bề mặt: chiếm từ 30% → 80%

- Các chất phụ gia và chất độn : Na2CO3, Na5P3O10, Na2SiO3,Na2SO4, nhựa thông, có trong thành phần bột giặt, xà bông làm chấtphụ gia tạo thành môi trường kiềm thủy phân các chất bẩn, làm tăng độtan, giảm độ cúng của nước

- Chất ổn định bọt hữu cơ và vô cơ

- Chất màu, Chất tạo hương, chất chông oxi hóa

b.Cơ chế tẩy rửa.

Công việc giặt quần áo, rửa bát, đĩa, gội đầu sẽ trở nên dễ dàng nếucác chất bẩn được hòa tan trong nước Dung môi nước là dung môi rất dễhòa tan Tuy nhiên, nếu các phân tử dung môi liên kết với nhau mạnh hơnliên kết với chất bẩn thì việc hòa tan chất bẩn sẽ trở nên khó khăn Vàkhông may, rất nhiều chất bẩn chúng ta muốn loại bỏ lại có liên kết yếuvới nước

Nước là một dung môi tuyệt vời cho các chất phân cực như các muối

dễ phân ly thành các ion mang điện hoặc các loại đường có các vùng tích

điện Chính nước cũng bao gồm các phân tử phân cực: hyđro có điện tíchdương và oxy có điện tích âm yếu Khi các phân tử nước gặp phân tử chấtbẩn có cực, lực hút tĩnh điện sẽ bẫy phân tử này và mang nó đi Một sốchất không phân cực, ví dụ dầu và chất béo không có vùng tích điện nênkhông tan trong nước Những chất bẩn này chỉ có thể được hòa tan trongcác dung môi không phân cực (ví dụ percloetylen và naphta) nhưngthường các hóa chất này độc hại và làm tổn hại đến môi trường.

Đặc tính tẩy rửa của xà phòng và chất tẩy rửa là ở chỗ: các phân tử củachúng có 1 đầu phân cực và 1 đầu không phân cực, vì vậy chúng cânbằng được trong các môi trường có cực cũng như không có cực Trongnước, các phân tử này tạo thành những cấu trúc hình cầu nhỏ được gọi làmixen, với các đầu phân cực hướng ra ngoài và các đầu không phân cựchướng vào trong ở bên trong, phần mixen không phân cực này sẽ hòa tantrong các phần tử dầu Vì vậy, khi giặt, các mixen của xà phòng sẽ bắtcác phần tử không có cực (dầu, mỡ) và mang chúng đi

Tác dụng tẩy rửa của xà phòng cũ có thể bị hạn chế trong nước cứng.Các ion dương của sắt, magiê, canxi trong nước cứng kết hợp với đầumang điện âm của các chuỗi phân tử trong xà phòng, cản trở sự tạo thànhmixen Tuy nhiên, các chất tẩy rửa hay xà phòng tổng hợp có thể giảiquyết được khó khăn này Các chất tẩy rửa tổng hợp có các nhóm có cựcnhư các hợp chất sulfonat (-SO3‾ ) hoặc etoxysulfat được gắn vào cácchuỗi hyđrocacbon Các nhóm tổng hợp này mang điện âm, chúng chỉliên kết yếu với các ion (của sắt, magiê, canxi) trong nước cứng và nhờ