đồ án tốt nghiệp các phương pháp chế tạo nhũ tương bitum caption.DOC

Khi nhào trộn Bitum với vật liệu khoáng, các hạt khoáng đợc thấm ớt bằngBitum và tạo thành một lớp hấp phụ, khi đó các phân tử Bitum ở trong lớp hấpphụ sẽ tơng tác với các phân tử của vậ

lời cảm ơn !

Em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo.TS Lê Văn Hiếu, Cô Giáo.PGS.TS.Nguyễn Thị Minh Hiền cùng toàn thể các Thầy, Cô giáo trong bộ môn Công Nghệ Hữu Cơ - Hoá Dầu

đã hết lòng giúp đỡ, tận tình chỉ bảo cho em về kiến thức khoa học và phơng pháp nghiên cứu để em hoàn thành bản đồ án này.

Em xin chân thành cảm ơn Thạc sĩ Nguyễn Hàn Long,

Kỹ S Hoàng Hữu Hiệp, Thạc sĩ .Lê Anh Vũ, Kỹ S Nguyễn Hà Hạnh và các Anh, Chị phòng thí nghiệm hữu- cơ hoá dầu đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình

em làm nghiên cứu tại phòng.

Xin chân thành cảm ơn Bạn Khúc Quang Trung đã làm cùng đề tài với tôi, và tất cả các bạn sinh viên trong lớp hoá dầu

3, các em sinh viên cao đăng đã luôn nhiệt tình giúp đỡ, động viên tôt trong quá trình nghiên cứu.

Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè những ngời thân đã nuôI dỡng, giúp đỡ tôi trởng thành nh ngày hôm nay.

Một lần nữa xin cảm ơn tất cả mọi ngời !

Mục lục

Lời mở đầu 5

Phần 1 Tổng Quan 7

Chơng 1 Tổng quan về bitum dầu mỏ 7

I Những kiến thức chung về bitum dầu mỏ 7

II Các tính chất của bitum trong xây dựng và trong sản xuất 11

III ứng dụng của Bitum dầu mỏ 15

Chơng 2 Nhũ tơng Bitum 17

I Lý thuyết chung về nhũ tơng bitum 17

I.1 Định nghĩa 17

I.2 Phân loại nhũ tơng 18

I.3 ứng dụng của nhũ tơng bitum 19

I.4.Ưu điểm của nhũ tơng bitum trong xây dựng đờng ôtô 21

II.Phơng pháp chế tạo nhũ tơng bitum 21

II.1 Phơng pháp ngng tụ 21

II.2 Phơng pháp phân tán 22

III Chất nhũ hoá 22

III.1 Định nghĩa 22

III.2 Phân loại 23

IV Vấn đề ổn định nhũ tơng 26

V Một số chỉ tiêu quan trọng của nhũ tơng bitum trong chế tạo và kiểm định 33

V.1 Độ nhớt của nhũ tơng 33

V.2 Độ ổn định khi lu trữ 35

V.3 Tốc độ phân tách và hiệu thế Zeta 36

V.4 Tính bám dính 37

V.5 Tính đồng nhất 38

VI Lựa chọn chất nhũ hoá 38

VII Công nghệ chế tạo nhũ tơng bitum 41

VII.1 Qui trình chế tạo nhũ tơng bitum 41

VII.2 Vấn đề chọn chất nhũ hoá cho phù hợp 41

Phần II Thực Nghiệm 43

Chơng 1 Quá trình tổng hợp chất nhũ hoá 43

I Quá trình thuỷ phân dầu 45

I.1 Thuỷ phân dầu lạc và dầu sở 46

I.1.1 ảnh hởng của lợng Las 46

I.1.2 ảnh hởng của lợng H2SO4 47

I.1.3 ảnh hởng của lợng H2O 47

I.1.4 ảnh hởng của nhiệt độ 47

I.1.5 ảnh hởng của thời gian 47

I.1.6 Các yếu tố ảnh hởng khác 48

I.2 Thuỷ phân dầu hớng dơng 48

I.2.1 ảnh hởng của nhiệt độ 49

I.2.2 ảnh hởng của thời gian 49

I.2.3 ảnh hởng của lợng KOH 50

I.2.4 Các yếu tố ảnh hởng khác 50

II Quá trình tổng hợp chất nhũ hoá 50

II.2.1 ảnh hởng của nhiệt độ 50

II.2.2 ảnh hởng của tỷ lệ axit/diethanolamin 51

II.2.3 ảnh hởng của thời gian 51

III Các phơng pháp đánh giá quá trình thuỷ phân dầu và tổng hợp chất nhũ hoá 52

Chơng 2 Quá trình chế tạo nhũ tơng bitum 54

I Chế tạo nhũ tơng bitum……… 54

I.1 ảnh hởng của chất nhũ hoá 54

I.2 ảnh hởng của bitum 54

I.3 ảnh hởng của độ PH 55

I.4 ảnh hởng của thời gian khuấy trộn 55

I.5 ảnh hởng của tốc độ khuấy trộn 56

I.6 ảnh hởng của lợng CaCl2 đến chất lợng nhũ 56

I.7 ảnh hởng của lợng dầu hoả 57

II Sơ đồ chế tạo 61

III Các phơng pháp kiểm định chất lợng nhũ tơng bitum 62

Chơng 3 Hoá chất và thiết bị thí nghiêm 67

Phần III Kết quả và thảo luận 69

I Quá trình thuỷ phân dầu 69

I.1 Kết quả thuỷ phân dầu lạc và dầu sở 69

I.2 Kết quả thuỷ phân dầu hớng dơng 80

II Quá trình tổng hợp chất nhũ hoá 84

III Chế tạo nhũ tơng bitum 86

III.1 Kết quả ảnh hởng của chất nhũ hoá 86

III.2 Kết quả ảnh hởng của lợng bitum 91

III.3 Kết qủa ảnh hởng của tốc độ khuấy trộn 93

III.4 Kết quả ảnh hởng của độ PH 94

III.5 Kết quả ảnh hởng của CaCl2……… 95

III.6 Kết quả ảnh hởng của kích thớc hạt 96

III.7 Kết quả đo độ nhớt 96

III.8 Kết quả xác định chỉ số phân tách 97

III.9 Kết quả chụp SEM 98

IV Kết qủa nghiên cứu đối với chất nhũ hoá của Mỹ (DF-41 99

IV.1 Kết quả nghiên cứu ảnh hởng của lợng chất nhũ hoá DF-41 99

IV.2 Kết quả nghiên cứu ảnh hởng của lợng Bitum 100

IV.3 Kết quả nghiên cứu ảnh hởng của PH 101

IV.4 Kết quả nghiên cứu ảnh hởng của lợng CaCl2 102

V So sánh hai chất nhũ hoá 102

 Kết luận

 Phơng hớng

Lời mở đầu

gày nay trong công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nớc, toàn

đảng, toàn dân, toàn quân ta trong mọi ngành nghề đang cố gắng nỗ lực hết sức thi đua nhau sản xuất đa nớc ta từ một nớc nông nghiệp lạc hậu từng bớc phấn đấu đến năm 2020 cơ bản trở thành một nớc công nghiệp phát triển, muốn vậy chúng ta phải tập trung xây dựng cơ sở hạ tầng, vật chất kỹ thuật ngày càng khang trang hiện đại đòi hỏi sự đầu t tiền của, công sức của mọi ngành, mọi cấp

N

Hoà cùng khí thế phát triển mạnh mẽ của nớc ta trong thế kỷ mới thì Bộ giao thông vận tải Bộ khoa học công nghệ và môi trờng đã trực tiếp chỉ đạo phải xây dựng đợc một mạng lới giao thông hoàn chỉnh, thông suốt có chất l-ợng cao góp phần quan trọng thúc đẩy sự phát triển của các ngành khác nh

th-ơng mại, du lịch, vận tải hành khách,… nhằm thu hút nguồn đầu t từ nớc ngoài Đối với một đất nớc đã phải trải qua chiến tranh, cơ sở hạ tầng còn yếu kém nh nớc ta, mạng lới giao thông vẫn cha đáp ứng nhu cầu cho vận tải lu thông hàng hoá thì việc xây dựng và nâng cấp là rất cần thiết để phù hợp với

xu thế phát triển kinh tế và xã hội

Để đạt đợc những chỉ tiêu trên thì khi xây dựng và phát triển chúng ta phải

đảm bảo đợc những yêu cầu cần thiết nh : Mặt đờng phải nhẵn bóng, bền đẹp,

có tính ổn định cao để đáp ứng nhu cầu giao thông đi lại, chống chịu đợc áp lực của các luồng xe chạy liên tục ngày đêm, đảm bảo đợc lu thông an toàn, kinh tế hiệu quả và các điều kiện khí hậu khắc nghiệt nh ở nớc ta: ma, gió, nắng, bão…

Chính vì vậy mà vấn đề thiết kế và đảm bảo vật liệu thi công trong điều kiệncho phép hiện nay đóng một vai trò quan trọng Tuỳ thuộc từng loại đờng màkết cấu, vật liệu và khả năng thi công có thể khác nhau.

Tuy mới đợc áp dụng vào ngành giao thông từ Thế Kỷ 19 nhng Bitum dầu mỏ

đã trở thành một ngành nguyên liệu quan trọng hàng đầu trong công nghệ làm

đờng vì nó đáp ứng đợc mọi yêu cầu về kỹ thuật, cũng nh kinh tế

Trong các công trình giao thông thì Bitum đợc sử dụng theo hai dạng sau + Công nghệ nhựa nóng: Trớc đây công nghệ này là chủ đạo, khi thi công cần

đun nóng nhựa lên nhiệt độ thích hợp để làm chúng chảy lỏng rồi mới thi công

ợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực nh duy tu bảo dỡng, sửa chữa, rải lớp lángmặt, lớp bám dính và lớp bảo dỡng chống thấm nhập Cũng nh tới thấm nhựa,gia cố và cấp phối ở dạng trộn nguội, và rải nguội

Bởi vì khi sử dụng nhũ tơng bitum thì việc thi công các công trình giao thông

sẽ rất dễ dàng, thuận tiện Không cần đun nóng, không gây ô nhiễm môi ờng, an toàn cho công nhân và ngời đi đờng Có thể cho phép tiến hành thicông trên mặt đờng ẩm ớt vào mùa ma.Tiết kiệm đợc từ 15-30% so với côngnghệ nhựa nóng.Trong nhũ tơng bitum có chứa nớc nên khả năng lèn chặt mặt

tr-đờng đợc dễ dàng hơn.Thế cho nên việc nghiên cứu và chế tạo nhũ tơng bitumtại việt nam là rất cần thiết để đáp ứng đòi hỏi, yêu cầu hiện nay

Trong điều kiện của nớc ta hiện nay và trong khuôn khổ bản đồ án tốt nghiệpnày, em xin trình bày phần tổng quan lý thuyết về nhũ tơng bitum và các ph-

ơng pháp nghiên cứu chế tạo ổn định nhũ tơng bitum cation phù hợp với hoàncảnh nớc ta

Phần I : Tổng quanChơng 1 : tổng quan về bitum dầu Mỏ

I Những kiến thức chung về bitum dầu mỏ

Bitum là một vật liệu xây dựng công trình đợc sử dụng rất rộng rãi,song ngay đối với những ngời thờng xuyên tham gia vào các công việc có sửdụng Bitum, đặc biệt là trong lĩnh vực xây dựng và bảo trì đờng giao thông,các đặc tính của nó vẫn còn là những điều bí ẩn Tình trạng này nảy sinh docác cơ sở giáo dục nhìn chung là không cung cấp đầy đủ các chơng trình họcphù hợp trong chơng trình đào tạo cả về đại cơng cũng nh chuyên ngành Hậuquả là trong thực tiễn, việc sử dụng bitum về bản chất vẫn còn mang tính thủcông nhiều hơn là tính công nghệ

Trong bối cảnh đó chúng ta cần có những nghiên cứu sâu hơn về bitum, để cónhững kiến thức sâu sắc về chúng, để sử dụng một cách hiệu quả hơn, kinh tếhơn

Để tìm hiểu về bitum trớc hết ta đi tìm hiểu nguồn gốc, thành phần và phơngpháp sản xuất bitum

I.1 Nguồn gốc, xuất xứ của bitum

Bitum là sản phẩm khá quan trọng trong các ngành công nghiệp hoáchất nói chung và hoá dầu nói riêng

Bitum có nhiều nguồn gốc khác nhau, có thể từ than nhng chủ yếu vẫn là sảnphẩm của công nghệ chế biến dầu thô và hoá dầu

Bitum dầu mỏ tại nhiệt độ thờng ở dạng rắn, khi tăng nhiệt độ lên khoảng trên

70oC thì bắt đầu chảy mềm chuyển sang dạng nửa lỏng tuỳ theo từng loại dầunhiệt độ chảy mềm có thể khác nhau

Bitum dầu mỏ không tan trong nớc, thành phần bao gồm nhiều loạicacbuahydro và các dẫn xuất lu huỳnh, oxy, nitơ,…

Bitum dầu mỏ chủ yếu đợc sản xuất từ phần cặn của quá trình chng cất trựctiếp các loại dầu mỏ có nhiều nhựa, quá trình chng cất chân không, cũng cóthể lấy từ các quá trình hydrocracking, cracking nhiệt, cracking xúc tác, cốchoá,… các quá trình khử atfan, chiết, lọc, rửa và tinh chế dầu nhờn

I.2.Vấn đề sản xuất bitum dầu mỏ hiện nay

Có 3 phơng pháp sản xuất bitum từ dầu mỏ là

+ Cô đặc các thành phần cặn từ dầu mỏ

+ Tách asphan trong quá trình khử atphan từ các thành phần dầu mỏ cô đặc.+ Dùng không khí để oxyhoá ở nhiệt độ cao các phần cặn của quá trình chếbiến dầu mỏ nh cặn gudron, các cặn chiết, asphan…

Theo phơng pháp sản xuất, Bitum đợc chia làm 2 loại:

Bitum đợc chế biến theo phơng pháp cô đặc và phơng pháp tách đợc gọi làbitum gốc

Bitum đợc chế biến theo phơng pháp thứ 3 đợc gọi là Bitum oxy hoá

Bitum gốc đợc sản xuất trong thiết bị chân không thông thờng, ngoài ra để tậnthu các phân đoạn dầu nhờn từ trong phần cặn của dầu mỏ, ngời ta còn trang

bị thêm tháp cất chân không, thiết bị bốc hơi…

Bitum đợc sản xuất theo phơng pháp này là loại sản phẩm mềm dễ nóng chảy,

có độ lún kim khá lớn

Từ những loại Bitum nói trên, có thể chế biến thành các loại Bitum rắn hơnbằng phơng pháp oxy hoá Quá trình oxy hoá gudron hoặc Bitum gốc đợc thựchiện bằng cách thổi khí ở nhiệt độ cao khi đi qua chúng Do kết quả các phảnứng oxy hoá và trùng hợp xảy ra dới tác dụng của oxy một phần cacbuahydrodâù nhờn chuyển thành nhựa rồi sau đó trở thành asphaten Quá trình oxy hoá

và trùng hợp càng sâu thì lợng nhựa và atphan thu đợc càng nhiều

Trong quá trình oxy hoá xảy ra phản ứng dẫn đến việc gia tăng hàm lợng cácatphan, để nâng cao nhiệt độ chảy mềm của Bitum và nhựa giúp cải thiện đợctính chất kết dính và tính dẻo của bitum thơng phẩm Hàm lợng các thànhphần dầu trong các quá trình đó cũng đợc giảm đi

Loại Bitum đợc chế biến bằng phơng pháp oxy hoá có tính đàn hồi và ổn địnhnhiệt tốt hơn loại Bitum gốc

Trong cùng một nhiệt độ nh nhau, loại Bitum oxy hoá có độ mềm lớn hơnBitum gốc (độ lún kim cao hơn), nhng đối với cùng một độ lún kim nh nhauthì nhiệt độ chảy mềm của Bitum oxy hoá lại tơng đối cao hơn

Nếu nhiệt độ chảy mềm và hàm lợng các chất bay hơi trong nguyên liệu gốcbằng nhau thì loại Bitum đợc chế biến bằng phơng pháp oxy hoá có khả năngchịu đựng thời tiết tốt hơn và có trị số xà phòng hoá nhỏ hơn loại Bitum gốc.Bitum đợc chế biến từ phần cặn cracking thờng có phẩm chất xấu hơn Bitumchế biến từ phần cặn chng cất dầu mỏ trực tiếp một ít Các chất không hoà tan

nh cacben và cacboit trong phần cặn cracking làm giảm sút tính kết dính củaBitum và phá hoại tính đồng nhất của chúng Những bitum này có độ giãn dàithấp, có hàm lợng chất không hoà tan cao và khối lợng hao hụt lớn, nếu gianhiệt

Ngành công nghiệp chế biến dầu mỏ thờng sản xuất ra các loại Bitum thơngphẩm sau đây:

- Bitum nhựa đờng

- Bitum xây dựng.

- Bitum chuyên dùng (dùng cho các sản phẩm sơn nhuộm Matit ắc qui, vàcông nghiệp điện tử)

- Bitum có độ nóng chảy cao (dùng cho chế tạo cao su rabrac)

Bitum dầu mỏ đợc sử dụng rộng rãi trong nền kinh tế quốc dân, đặc biệt là đốivới các nớc có nền công nghiệp phát triển vì nó có các đặc tính kỹ thuật thoảmãn đợc các yêu cầu trong xây dựng, giao thông, làm đờng xá, cầu cống, vậtliệu cho các công trình thuỷ lợi, chống thấm cho các đờng hầm, đờng ống,trong ngành sản xuất vật liệu tấm lợp, trong công nghiệp điện và nhiều ngànhcông nghiệp khác

Tuy nhiên do Bitum đợc dùng nhiều cho việc làm nhựa dải đờng cho nên ngàynay khi nói đến nhựa đờng và thuật ngữ Bitum- Nhựa đờng đã trở thành têngọi quen thuộc khi gọi tên Bitum

I.3 Những thành phần hoá học của bitum dầu mỏ

Bitum là hỗn hợp phức tạp của các hydrocacbon có phần tử lớn (Alkan,naphtalen, các loại mạch vòng ), các chất nhựa atphaten, một lợng nhỏ cácchất có cấu trúc tơng tự hợp chất dị vòng, và các nhóm chức năng có lu huỳnh,nitơ và nguyên tử oxy

Bitum cũng chứa một lợng nhỏ các dẫn xuất kim loại nh vanadi, niken, sắt,magie,và canxi… ới dạng muối hữu cơ, oxyt, hoặc các cấu trúc porphyrin d

Nó có màu đen, hoà tan trong benzene, clorofooc, và mội số dung môi khác.Các phân tích thành phần nguyên tố các loại Bitum đợc sản xuất từ các nguồndầu thô khác nhau cho thấy hầu hết các loại Bitum chứa:

Nhóm atphanten đảm bảo cho bitum có độ rắn và độ chảy mềm cao Nhựa làmtăng tính chất kết dính và tính đàn hồi của bitum Dầu nhờn là môi trờng phaloãng, có tác dụng hoà tan nhựa và làm trơng nở atphanten

Trong bitum, các hydrocacbon có cấu tạo rất phức tạp, dạng hỗn hợp củamạch cacbon thẳng vòng naphten, vòng thơm, vòng ngng tụ Chất nhựaatphanten cũng là những chất có cấu trúc rất phức tạp, có phân tử lợng lớn.Một loại bitum tốt, chịu thời tiết tốt, có độ bền cao phải có thành phần nh sau:25% nhựa, 15-18% atphanten, 52-54% dầu Tỷ lệ dầu / nhựa vào khoảng 2/5 Cặn dầu mỏ có chứa nhiều parafin rắn là nhiên liệu xấu nhất trong sản xuấtBitum Bitum sẽ có độ bền thấp, tính gắn kết kém do có nhiều hydrocacbonkhông phân cực.

Ngợc lại cặn dầu mỏ loại aromatic hoặc naphaten- aromatic là nguyên liệu rấttốt để sản xuất Bitum

Các bitum có chất lợng cha tốt có thể biến tính để thu đợc Bitum có chất lợngcao hơn bằng cách oxy hoá bằng không khí ở 170-2600C

Trong quá trình oxy hoá, một số bộ phận dầu sẽ chuyển sang nhựa, nhựa sẽchuyển thành atphanten, do đó có thể thay đổi đợc thành phần của loại Bitumkhông tốt

II Các tính chất của Bitum trong xây dựng đờng và trong sản xuất.

Do có nhiều loại Bitum khác nhau đợc sản xuất, nên cần phải xác địnhcác chỉ tiêu kỹ thuật của các phẩm cấp Bitum khác nhau Phẩm chất của Bitumnói chung đợc xác định bằng cách kết hợp các tính chất hoá lý sau đây:

II.1.Độ quánh của Bitum

Tính quánh của Bitum đợc thay đổi trong một phạm vi khá rộng Nó

ảnh hởng nhiều đến tính chất cơ học của hỗn hợp vật liệu khoáng với chất kếtdính, đồng thời quyết định công nghệ chế tạo và thi công loại vật liệu sử dụngBitum

Độ quánh của Bitum phụ thuộc vào hàm lợng các nhóm cấu tạo và nhiệt độmôi trờng Khi hàm lợng nhóm atphan tăng lên và hàm lợng nhóm chất dầugiảm, độ quánh của Bitum tăng lên Khi nhiệt độ môI trờng tăng cao, nhómchất nhựa sẽ bị chảy lỏng, độ quánh của Bitum giảm xuống

Các tính chất này đảm bảo cho bitum có độ xuyên thấm cần thiết vào trong cốtliệu, pha trộn với các khoáng chất và bao phủ hoàn toàn các hạt rắn trong quátrình xử lý mặt đờng

Ngời ta dùng chỉ tiêu độ xuyên kim để đánh giá độ quánh của bitum, đơn vị

đo của độ quánh là bằng độ ( 1 độ bằng 0,1mm) Tính đồng nhất của độ lúnkim trong Bitum phân loại theo độ kim lún hay của Bitum thổi khí đợc xác

định bằng thí nghiệm độ xuyên kim Trong thí nghiệm này một chiếc kim cókích thớc đợc sử dụng xuyên vào một mẫu Bitum, dới một trọng lợng xác định

(100g) ở một nhiệt độ xác định (250C) và trong một thời gian xác định (5giây) Độ sâu của chiếc kim đâm vào mẫu nhựa đờng gọi là độ kim lún

II.2 Độ giãn dài

Độ giãn dài biểu thị khả năng dính, dẻo, đàn hồi của Bitum và nó còncho biết tỷ lệ giữa các thành phần Bitum Hay còn qui định là độ giãn dài haytính dẻo.Tính dẻo đặc trng cho khả năng biến dạng dới tác dụng của nhiệt độ

và ngoại lực Nó phụ thuộc vào nhiệt độ và thành phần của nhóm Khi nhiệt độtăng thì tính dẻo cũng tăng và ngợc lại.Trong trờng hợp đó, Bitum dùng làmmặt đờng hay trong kết cấu khác có thể bị nứt Những loại Bitum đợc coi là tốtnếu có khả năng giãn dài lớn

Tính dẻo của bitum đợc tính bằng cm khi kéo căng một mẫu có tiết diện qui

định ở 250C với tốc độ kéo là 5cm/phút Độ kéo dài càng lớn thì tính dẻo củaBitum càng cao

II.3 Thành phần cất phân đoạn

Thành phần cất phân đoạn biểu thị tỷ lệ các phân đoạn sôi trong một nhiệt độ

cụ thể nào đó và xác định tốc độ đông đặc của Bitum

II.4 Độ bền đối với n ớc

Độ bền đối với nớc hay khả năng chịu nớc của Bitum đợc xác định qua hàm ợng các hợp chất tan trong nớc

l-II.5 Nhiệt độ chảy mềm

Nhiệt độ chảy mềm biểu thị khả năng chịu nhiệt của Bitum, là nhiệt độ

mà tại đó mẫu Bitum tiêu chuẩn sẽ chảy và biến dạng

Nhiệt độ chảy mềm càng cao thì Bitum càng chứa nhiều atphanten và khảnăng chịu nhiệt càng tốt

II.6.Nhiệt độ chớp cháy của Bitum

Nhiệt độ chớp cháy của Bitum là nhiệt độ mà tại đó các chất dầu nhẹtrong Bitum bốc hơi bão hoà lẫn vào môi trờng xung quanh tạo nên một hỗnhợp dễ cháy, khi ta đa ngọn lửa lại gần thì ngọn lửa bùng cháy và lan nhanhkhắp mặt Bitum

Nhiệt độ chớp cháy của Bitum biểu thị mức độ an toàn phòng cháy của nó

II.7 Tính ổn nhiệt

Khi nhiệt độ thay đổi tính cứng và tính dẻo của Bitum thay đổi, sự thay

đổi càng nhỏ thì Bitum có tính ổn nhiệt càng cao

Tính ổn nhiệt của Bitum phụ thuộc vào thành phần hoá học của nó Khi hàm ợng atphanten tăng lên thì tính ổn nhiệt của Bitum tăng lên và hàm lợng nhómatphanten giảm thì tính chất này giảm.

l-Khi Bitum chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái quánh rồi trạng thái lỏng vàngợc lại trong một khoảng nhiệt độ nhất định Do đó tính ổn định nhiệt độ củaBitum có thể biểu thị bằng khoảng nhiệt độ đó

II.8 Tính già hoá của Bitum

Do ảnh hởng của thời tiết mà tính chất và thành phần hoá học củaBitum bị thay đổi Ngời ta gọi sự thay đổi đó là sự già hoá của Bitum Nguyênnhân là do thành phần nhóm atphanten tăng lên Sự bay hơi của nhóm dầucũng làm tính quánh và tính giòn của Bitum tăng lên, làm thay đổi lớp cấu tạophân tử tạo thành nên các hợp chất mới Quá trình già hoá Bitum sẽ dẫn đếnquá trình già hoá của bêtông atphan Độ giòn cao của Bitum làm cho mặt đờngxuất hiện các vết nứt, tăng quá trình phá hoại do ăn mòn

II.9.Tính ổn định khi gia nhiệt

Khi dùng Bitum ngời ta thờng phải đun nóng nó lên cao khoảng 1600Ctrong thời gian khá lâu do đó các thành phần dầu nhẹ có thể bị bốc hơi làmthay đổi tính chất của Bitum

Các loại Bitum dầu mỏ loại quánh sau thí nghiệm này phải có hao hụt về trọnglợng không đợc lớn hơn 1%, độ xuyên kim và độ giãn dài thay đổi không đợclớn hơn 40% khối lợng so với trị giá ban đầu

II.10 Tính thấm ớt vật liệu khoáng

Tính thấm ớt vật liệu khoáng của Bitum phụ thuộc vào hàm lợng cácchất hoạt tính bề mặt có cực và tính chất của vật liệu khoáng

tính thấm ớt đợc đặc trng bằng góc thấm ớt Đó là góc giữa bề mặt vật liệukhoáng và tiếp tuyến với bề mặt giọt chất kết dính tại ranh giới tiếp xúc với vậtliệu Nếu góc thấm ớt càng nhọn thì tính thấm ớt càng tốt Khi đó lực hút giữacác phân tử giữa chất kết dính và bề mặt vật liệu khoáng gần bằng lực hútphân tử bên trong chất kết dính Nếu nh góc thấm ớt lớn thì tính thấm ớt kém,lực hút phân tử với bề mặt vật liệu khoáng yếu Do đó chất kết dính càng thấm

ớt tốt vật liệu khoáng thì lực hút phân tử trong chúng càng yếu và lực bámdính giữa chất kết dính với bề mặt vật liệu khoáng càng mạnh

Những vật liệu khoáng kị nớc là những vật liệu dính bám chất kết dính hữu cơtốt

II.11 Tính liên kết của Bitum với bề mặt vật liệu khoáng

Sự liên kết của bitum với bề mặt vật liệu khoáng có liên quan đến quátrình thay đổi lý hoá khi hai chất tiếp xúc tơng tác với nhau Sự liên kết này

đóng vai trò quan trọng trong việc tạo nên cờng độ và tính ổn định với nớc, vớinhiệt độ của hỗn hợp Bitum và vật liệu khoáng

Khi nhào trộn Bitum với vật liệu khoáng, các hạt khoáng đợc thấm ớt bằngBitum và tạo thành một lớp hấp phụ, khi đó các phân tử Bitum ở trong lớp hấpphụ sẽ tơng tác với các phân tử của vật liệu khoáng ở lớp bề mặt Tơng tác đó

có thể là tơng tác hoá học hoặc lý học

Lực liên kết hoá học lớn hơn nhiều so với lực liên kết lý học, do đó khi bitumtơng tác hoá học với các vật liệu khoáng thì cờng độ liên kết sẽ lớn nhất Liênkết của bitum với vật liệu khoáng trớc tiên phụ thuộc vào tính chất của bitum.Bitum có sức căng bề mặt ngoài càng lớn nghĩa là có độ phân cực càng lớn thìliên kết với vật liệu càng tốt Độ phân cực của bitum phụ thuộc vào hàm l ợngcủa nhóm chất nhựa, đặc biệt là nhựa axit Bitum chứa nhóm chất nhựa càngnhiều thì sự liên kết của nó với vật liệu khoáng càng tốt

Liên kết của bitum với vật liệu khoáng còn phụ thuộc vào tính chất của vậtliệu khoáng Các loại đá bazơ liên kết với bitum tốt hơn các loại đá axit vì cóthể xảy ra liên kết hoá học

Trờng hợp độ hoạt tính của bitum thấp , sự liên kết của nó với bề mặt vật liệukhoáng kém thì cần cho thêm vào bitum chất phụ gia hoạt động bề mặt đểbitum có độ hoạt tính cần thiết

III ứng dụng của bitum dầu mỏ.

III.1 ứ ng dụng

+ Trong nông nghiệp: Làm chất chống thấm và bảo vệ các đập nớc, các côngtrình kiến trúc, chất khử trùng, sơn phủ các hàng rào, làm chất phủ bảo vệ,làm giấy lợp, phủ sân kho, chuồng gia súc, bảo vệ bồn nớc, chậu vạt, quét lêncây, các lớp giữ ẩm, giữ nớc, phòng chống rửa trôi đất do gió ma gây ra

+ Trong các công trình xây dựng:

- Sàn: Làm chất chống thấm và chống ẩm, các hỗn hợp phủ sàn, sơn phủ bảo

vệ, các loại giấy vải đợc phủ bằng bitum có tác dụng bảo ôn, phủ lên trên cácbậc lên xuống

- Lợp : các loại giấy xây dựng, các tấm lợp, các chất phủ chống thấm trên bềmặt…

+ Kiểm soát rửa trôi và trong xây dựng các công trình thuỷ lợi : vật liệu chốngthấm bảo vệ các con kênh, vùng lu vực, vùng tụ nớc Vữa lỏng chát hồ chứa n-

ớc, bảo vệ đê, bờ bao kè đá …

III.2 Cách sử dụng: Bitum có tính quánh (nhớt) càng cao thì càng tốt, nhngkhi nhớt càng cao thì Bitum càng đặc và do đó bitum sẽ giòn , khó thi công Vìvậy khi chọn mác bitum cần phải căn cứ vào phơng pháp thi công, điều kiệnkhí hậu để cho phù hợp

Dới đây là một số ứng dụng của bitum trong công nghệ làm đờng:

+ Làm lớp tráng mặt sử dụng cuả bitum mác 200/300

+ Gia cố đất, làm lớp tráng mặt, làm lớp thâm nhập khi vật liệu đá yếu , chếtạo bê tông atphan làm bề mặt đờng ôtô ở vùng khí hậu ôn hoà sử dụng bitummác 130/200

+ Làm lớp thâm nhập của mặt đờng đá dăm sỏi, chế tạo bê tông asphan xâydựng bề mặt đờng ôtô cho xe nặng chạy ở vùng khí hậu lục địa thì sử dụngbitum mác 90/130

+ Chế tạo bê tông asphan xây dựng mặt đờng ở những xứ nóng, chế tạo vậtliệu và cách nớc sử dụng mác 60/90

+ Chế tạo bê tông asphan xây dựng mặt đờng ôtô ở xứ nóng cho xe nặng chạy

sử dụng bitum mác 40/60

Chơng 2 : Nhũ tơng bitum

+Tình hình thế giới : Trên thế giới lần đầu tiên mặt nhựa đờng đã ra đời vàonăm 1175 do ngời Đức thực hiện, rồi ngời Pháp cũng đa nhựa bitum vào đểrải đờng vào năm 1854 Loại nhựa đợc dùng đầu tiên là cặn Gudron Sau đócông nghiệp hoá ngày càng phát triển, Nhựa bitum, một ít sản phẩm phụ củacông nghiệp hoá dầu, với tính công nghiệp cao hơn thế nhựa gudron

Ngày 9/5/1922 một nhà bác học ngời Anh là Hugh Alan Mackay đã đợc cấpbằng sáng chế sổ 202021 về nhũ tơng nhựa bitum, sử dụng dới dạng nhựanguội hoặc ấm dễ dàng thi công cho công nhân, tạo ra một bớc ngoặt mớitrong lĩnh vực sử dụng bitum dầu mỏ

Nhũ tơng Bitum là một hệ phân tán lỏng – lỏng trong đó pha phân tán lànhựa bitum đợc phân tán thành các hạt nhỏ mịn vào pha nớc dới tác dụng cơhọc và đợc ổn định bằng chất nhũ hoá

+ Tình hình tại Việt Nam: Mặc dù trên thế giới công nghệ chế tạo nhũ tơngbitum đã rất phát triển, nhng ở việt nam chúng ta, thuật ngữ “nhũ tơng bitum”vẫn còn mới mẻ và chính vì vậy các công trình nghiên cứu về phơng pháp chếtạo nhũ tơng bitum còn ít, hầu hết còn dừng ở mức độ lý thuyết, ít đợc áp dụngvào trong thực tế Chính vì thế trong đề tài của mình, em muốn đi sâu nghiêncứu về nhũ tơng bitum cation để có thể áp dụng vào trong thực tiễn dựa vàonguồn nguyên liệu sẵn có trong nớc

I Lý thuyết về nhũ tơng

I.1 Định nghĩa

Nhũ tơng là hỗn hợp của 2 chất lỏng không tan lẫn vào nhau Trong đó

có một chất lỏng phân tán vào chất lỏng kia dới dạng những hạt nhỏ li ti, và

đ-ợc gọi là pha phân tán, còn chất lỏng kia đđ-ợc gọi là môi trờng phân tán Kíchthứơc của các giọt lỏng đợc biến đổi trong phạm vi rất rộng

Để nhũ tơng có tính ổn định ngời ta cho thêm vào một chất gọi là chất nhũhoá Chất nhũ hoá sẽ hấp phụ trên bề mặt các giọt bitum làm giảm sức căng bềmặt ở mặt phân chia pha giữa bitum và nớc Đồng thời nó tạo ra trên bề mặtcác giọt bitum một lớp màng mỏng kết cấu bề vững, có tác dụng ngăn cản sựkết tụ của chúng làm cho nhũ tơng đợc ổn định

I.2 Phân loại nhũ tơng

Có rất nhiều cách để ngời ta phân loại nhũ tơng bitum, mỗi một nớc,hay hãng sản xuất lại có cách phân loại khác nhau, nhng tựu lại có thể phânloại theo các cách: Phân loại nhũ tơng theo kiểu và loại, theo tốc độ phân tách,theo hàm lợng nhựa chứa trong nhũ tơng

I.2.1 Phân loại theo pha phân tán và môi tr ờng phân tán

Chủ yếu là hai loại

- Nhũ tơng thuận: Pha phân tán là Bitum, môi trờng phân tán là nớc

- Nhũ tơng nghịch: Pha phân tán là nớc, môi trờng phân tán là bitum

I.2.2 Phân loại theo tính chất hoạt động bề mặt

Chủ yếu là các loại sau

I.2.3 Phân loại theo khả năng phân tách – theo ASTM D997-86

Đợc phân theo 3 loai chính, trong mỗi loại có các mác tơng ứng

- Nhũ tơng phân tách nhanh

- Nhũ tơng phân tách trung bình

- Nhũ tơng phân tách chậm

I.2.4 Phân loại theo Pháp NF T66-16

Đợc phân ra phụ thuộc vào loại hoạt tính chất hoạt động bề mặt (Cation hoạttính hoặc anion hoạt tính ) và tốc độ phân tách nhũ tơng

- Nhũ tơng Cation hoạt tính, kí hiệu là C

- Nhũ tơng Anion hoạt tính, kí hiệu là A

I.2.5 Phân loại theo khả năng thi công – theo Caltex

- Premix grade : Là một công thức nhũ tơng có độ ổn định lớn hơn so với loạispray grade, thích hợp để trộn với vật liệu đá có đờng kính danh nghĩa lớn hơnhoặc bằng 3mm

- Raped setting grade: Là một công thức nhũ tơng thích hợp để trộn với cáchạt khoáng mịn, hỗn hợp ở dạng vữa và tốc độ phân tách nhanh

- Spray grade: là một công thức nhũ tơng thích hợp với thiết bị phun cơ họcdùng để xử lý bề mặt đờng (láng mặt, làm lớp dính bám …) và không đạt yêucầu trộn với vật liệu đá.

- Stable mix grade: Là một công nhũ tơng thích hợp để trộn với các hạtkhoáng mịn, cát nghiền Hỗn hợp ở dạng mịn và có tốc độ phân tách chậm

I.3 ứng dụng của nhũ tơng Bitum

Đợc phát minh ra ở châu âu từ cách đây hơn 60 năm, ngày nay nhũ

t-ơng nhựa bitum đợc sản xuất và rải ra trên toàn thế giới

Nớc pháp là nớc tích cực nhất trong việc phát triển loại chất kết dính này vànghiên cứu hoàn chỉnh các kỹ thuật thi công Từ trớc đến nay nớc Pháp vẫn lànớc đứng đầu trong danh sách những nớc sản xuất nhũ tơng nhựa bitum trênthế giới, dù là tính về số lợng so với số dân, khối lợng so với diện tích hay sốlợng so với tổng lợng nhựa bitum dùng trên mặt đờng ôtô

Bên cạnh nớc Pháp, Anh, Nga, Mỹ và rất nhiều nớc khác trên thế giới cũng đã

đa vào sản xuất và ngày càng hoàn thiện công nghệ chế tạo nhũ tơng nhựabitum

Sở dĩ bitum nhũ tơng đợc các nớc sản xuất và sử dụng mạnh mẽ nh vậy là vì

nó có những ứng dụng hết sức to lớn vào các mục đính sau:

- Duy trì bảo dỡng, sửa chữa, rải lớp láng mặt của đờng ôtô và trong trờng hợpnày ta dùng loại nhũ tơng có độ phân tách nhanh, nhất là nhũ tơng Cationhoạt tính

- Rải lớp thành mặt hoặc trộn đá tại nơi thi công, thờng dùng loại nhũ tơng có

- Công nghệ chống thấm đợc sử dụng để tạo ra màng chống thấm giữa các lớpmóng bêtông và phần kết cấu bêtông phía trên công trình xây dựng, mục đích

là giữ độ chắc của lớp bê tông đang đợc thi công ở phía trên công trình, ngăn

không cho nớc ở kết cấu bê tông phía trên thấm xuống kết cấu móng phía dới.Lớp nhũ tơng ngăn không cho móng và kết cấu bêtông phía trên đông kết liềnnhau, vì đây là hai lớp bêtông có tuổi khác nhau, cờng độ khác nhau, và qua

đó ngăn ngừa đợc tình trạng bêtông phải chịu những tải trọng bên trong kếtcấu

- Lớp phủ bảo vệ các công trình bê tông, đờng ống và các kết cấu kim loại chônngầm dới đất Để nâng cao tính bám dính của lớp chất liên kết mỏng dạng cong,ngời ta sử dụng nhũ tơng cải tiến bằng mủ cao su

- Trám khe hở và thấm nhập, nhũ tơng Bitum thờng sử dụng các loại có chứa

mủ cao su là loại vật liệu rẻ tiền và có hiệu quả để chèn các khe hở trong cácvật liệu gia cố Bitum để ngăn nớc xâm nhập vào bên trong các lớp cấu trúcmặt đờng

I.4 Những u điểm vợt trội của nhũ tơng Bitum trong xây dựng đờng ôtô.

- Khi thi công, sử dụng không cần phải đun nóng gia nhiệt do đó đỡ tốn kémhơn

- Không gây nguy hiểm cho công nhân, không gây độc hại cho những ngờicông nhân trực tiếp dải đờng, ngời đi đờng, ngời dân sống quanh nơi thi côngcông trình và cũng không gây ô nhiễm môi trờng, góp phần làm xanh, sạch,

đẹp môi trờng và giúp môi trờng bền vững hơn

- Sau khi dải đờng các tính chất cơ bản của nhựa đờng lại đợc nhanh chóng hồiphục, đảm bảo nhanh chóng trả lại mặt đờng láng mợt thông thoáng cho cácphơng tiện tham gia giao thông trên đờng

- Có khả năng thi công trên mọi địa hình, trong mọi điều kiện thời tiết bất lợi

và khí hậu khặc nghiệt nh ma, bão, giông tố thất thờng, giúp cho tiến độ thicông luôn đợc đảm bảo hoàn thành theo đúng dự án kế hoạch ban đầu màkhông phải phụ thuộc vào bất cứ yếu tố nào

- Việc dự trữ, vận chuyển nhũ tơng nhựa bitum từ nơi sản xuất đến nơi thicông cũng đặc biệt thuận lợi vì có thể tập kết ở kho gần, do đó giảm đợc tối đachi phí vận chuyển, mang lại lợi nhuận cao hơn

- Thành phần dung môi thấp nên khá rẻ tiền lại không gây độc hại gì cho môitrờng, thật là hết sức thuận lợi

II Phơng pháp chế tạo nhũ tơng bitum.

Có hai phơng pháp chế tạo nhũ tơng bitum : Phơng pháp ngng tụ và phơngpháp phân tán

II.1 Phơng pháp ngng tụ

Khi chất lỏng M đợc hoà tan vào chất lỏng N ở trạng thái quá bão hoà,nếu trạng thái quá bão hoà bị vỡ sẽ tạo thành nhũ tơng Có thể phá vỡ trạng

thái quá bão hoà bằng cách hạ thấp nhiệt độ của dung dịch hoặc thay đổi nồng

độ của dung dịch để giảm độ hoà tan

Phơng pháp này ít đợc sử dụng trong công nghiệp so với phơng pháp phân tán

II.2 Phơng pháp phân tán

Phơng pháp phân tán để chế tạo nhũ tơng bitum gồm hai dạng Quátrình nhũ hoá xảy ra một cách tự nhiên với dầu có khả năng nhũ hoá hay hoàtan, hoặc quá trình nhũ hoá xaỷ ra do có lực tác dụng bằng thiết bị nhũ hoá đểphân tán một pha lỏng thành những hạt nhỏ vào pha lỏng kia

III Chất hoạt động bề mặt

Có nhiều cách định nghĩa chất hoạt động bề mặt, về bản chất có thể

định nghĩa chất hoạt động bề mặt nh sau

III.1 Định nghĩa : Chất hoạt động bề mặt là hợp chất hoá học, khi hoà tan

trong một chất lỏng sẽ làm giảm sức căng bề mặt của chất lỏng ấy hoặc lựccăng ở mặt tiếp xúc của nó với một chất lỏng khác do quá trình hấp phụ vàochất này hay chất kia ở bề mặt tiếp xúc

Phân tử chất hoạt động bề mặt gồm hai phần có hai ái lực trái ngợc nhau

- Phần thứ nhất có một ái lực đợc tạo ra bởi nhóm có cực, làm cho phân tử cónhững tính chất háo nớc (nhóm a nớc)

- Phần thứ hai có một ái lực đợc tạo ra bởi một nhóm không có cực, làm chophân tử có những tính chất háo dầu (nhóm kị nớc) Nhóm này thờng là cáchydrocarbon mạch dài từ 14 đến 20 nguyên tử Carbon

Khi nồng độ chất hoạt động bề mặt rất thấp, phân tử của nó phân bố rải ráctrong dung dịch Khi nồng độ chất hoạt động bề mặt tăng sẽ dẫn đến hiện tợngtạo các mixen bao gồm vài chục phân tử chất hoạt động bề mặt kết hợp lại vớinhau Trong mỗi mixen, nhóm kị nớc sẽ định hớng vào bên trong giọt bitum,còn nhóm a nớc sẽ định hớng ra bên ngoài

Một ứng dụng quan trọng của chất hoạt động bề mặt là sử dụng làm chất nhũhoá Nhũ tơng là một hệ không ổn định về mặt nhiệt động Để nhũ tơng ổn

định hơn phải pha vào hệ một cấu tử thứ ba, mục đích làm giảm năng lợng bềmặt Cấu tử thứ ba này là chất nhũ hoá Chất nhũ hoá còn ngăn cản xu hớngkeo tụ phá vỡ hệ nhũ tơng

III.2 Phân loại chất hoạt động bề mặt

Chất hoạt động bề mặt đợc chia thành bốn loại chính dựa theo tính chất

điện tích:

- Chất hoạt động bề mặt mang điện tích âm (anionic)

- Chất hoạt động bề mặt mang điện tích dơng (cationic)

- Chất hoạt động bề mặt mang cả hai dấu điện (ampholyte).

- Chất hoạt động bề mặt không mang dấu điện (nonionque)

III.2.1 Chất hoạt động bề mặt Anion

Đây là những chất hoạt động bề mặt khi đợc hoà tan trong nớc sẽ cungcấp những ion mang điện tích âm và những ion này là nguyên nhân của hoạttính bề mặt Bao gồm :

Các muối của những axit béo, gọi chung là xà phòng nh muối kiềm của axitbéo, muối kim loại của axit béo, muối gốc hữu cơ của các axit béo

- Các muối sulfat của những axit béo: Đây là những chất hoạt động bề mặtđã

đợc sử dụng từ lâu và đợc dùng rộng rãi để làm gốc chế tạo các loại nớc gội

đầu, các chất sáp tạo nhũ hoá, các chất tẩy rửa

- Các dẫn xuất sulfon: Các chất sulfonat của dầu hoả, các chất lignosulfat, cácchất alkylarylsulfonat

- Các chất hữu cơ photpho: Công thức của những chất này hiện nay có nhiềuứng dụng trong công nghiệp Các loại alkylphotphat là những chất đợc ứngdụng nhiều nhất làm chất nhũ hoá, đặc biệt để chế tạo vi nhũ tơng

Khi sử dụng chất hoạt động bề mặt anion, ta sẽ có nhũ tơng anion Công thứcchung của các loại xà phòng anion là: RCOONa hoặc RCOOK Với R làmạch hydrocarbon đặc trng của axit béo và có tính háo dầu Nhóm –COONa

là phần có cực và háo nớc Khi hoà tan vào nớc, là dung môi phân cực thì cácphân tử xà phòng trở nên mang điện, các ion Na+, K+ là những ion mang dấu

điện dơng, bị hấp thụ vào nớc, còn các ion RCOO – mang dấu điện âm thì bịhấp thụ vào các hạt nhựa nhỏ li ti

III.2.2 Chất hoạt động bề mặt Cation

Đây là những chất hoạt động bề mặt tự ion hoá khi pha trong nớc đểcung cấp những ion hữu cơ mang điện tích dơng và chịu trách nhiệm về hoạttính bề mặt.Tuy chất hoạt động bề mặt Cation đã đợc điều chế từ lâu nhng chỉmới phát triển mạnh từ sau chiến tranh thế giới thứ hai Ngày nay, chúng đợcphát triển mạnh trong những lĩnh vực nh chống ăn mòn, tác nhân tuyển quặng,dùng làm chất nhũ hoá và nhất là làm chất là mềm sợi vải

Lĩnh vực sử dụng của chúng đặc biệt là trên các vật liệu mang điện tích âm.Ngoài một gốc hydrocarbon, phần lớn các phân tử này chứa một nguyên tửNitơ mang điện tích dơng, có thể là những chất hữu cơ hoặc là mạch hở hoặc

là những vòng phức tạp Sự khác biệt này thờng dùng làm một chỉ tiêu phânloại

Với những đặc tính nh dễ sử dụng trên nhiều bề mặt cốt liệu, khả năng tạo nhũcao, bám dính tốt nên hiện nay, các chất nhũ hoá cation đợc tâp trung nghiêncứu và đợc ứng dụng rộng rãi

Các chất hoạt động thờng gặp là:

- Các muối alkylamin: Các chất này đợc dùng nhiều nhất để làm mềm sợi vải

- Các muối amoni bậc 4 alkyl: Các phân tử này có khả năng diệt khuẩn rấtcao, vì vậy mà một số đợc sử dụng làm chất sát trùng

- Các muối amoni bậc 4 có cấu hình phức tạp: Trong nhóm này có thể kể làm

ví dụ nh các chất setylpyridin bromua và setylpyridin clorua

- Các dẫn xuất của hoá dầu

- Các amin oxit: Các chất này đợc dùng chủ yếu làm mỹ phẩm

- Các dẫn xuất không có Nitơ

Các chất hoạt động bề mặt Cation có công thức chung là R’N+H3Cl - Khi mộtnhũ tơng đợc tạo ra với một muối amin, cation tích điện dơng định vị bám trên

bề mặt giọt bitum, các ion Cl – tích điện âm đợc hút vào bề mặt tích điện dơng

và cùng với nớc tạo ra một lớp điện tích kép Tức là gốc R’N+H3 bị hấp thụvào các hạt nhựa nhỏ li ti, gốc –R’ là phần háo dầu chui vào bên trong cáchạt nhựa, còn nhóm N+H3 quay mặt tiếp xúc ra bên ngoài, tạo hệ bitum - nớc.Các ion âm bị hấp thụ và hoà tan trong nớc

Chất hoạt động bề mặt Cation đợc tạo ra nh sau:

RNH2 + HCl RN+H3Cl –

III.2.3 Các chất hoạt động bề mặt mang cả hai dấu điện

Các hợp chất này cũng tơng tự nh các oxyt, vừa có hiệu ứng kiềm vừa

có hiệu ứng axit Đây là những chất hoạt động bề mặt có hai hoặc nhiều nhómchức năng và tuỳ theo điều kiện của dung môi có thể ion hoá trong dung dịchnớc và tạo cho hợp chất này biểu hiện tính ion của mình tuỳ theo độ pH, là ionkhi ở điểm cân bằng điện

Ngoài những chất tổng hợp bằng phơng pháp hoá học, trong nhóm này còn cócác axit của các axit amin hay các protein thực vật (nh chất lestin của đậu t-

ơng) hoặc động vật (nh casein trong sữa)

Khi đó tính anion trong môi trờng kiềm nh sau:

COO-M+

R M+ có thể là Na+ hoặc K+

NH2

Còn tính chất cation trong môi trờng axit sẽ có dạng:

COOH

R M’ – có thể là Cl -

N+H3M’ -

Loại chất hoạt động này bao gồm:

- Các dẫn xuất từ benzen nh alkylbetan, alkylaminobetan có khả năng làm ớt,gây bọt vầ tẩy rửa, ít độc hại và có khả năng tự huỷ, không gây ô nhiễm môitrờng Các chất này chủ yếu dùng làm đồ mỹ phẩm

- Các dẫn xuất từ imidazolin: Những chất này có khả năng nhũ hoá rất mạnh

- Các dẫn xuất của các axit amin: Các chất hoạt động bề mặt này đợc dùng đểgây bọt và diệt khuẩn

III.2.4 Các chất hoạt động bề mặt không ion

Các chất này có thể hoà tan đợc trong nớc là do thành phần cuả chúng

có những nhóm hoạt động rất háo nứơc, ở bất kì pH nào, chúng đều có thể tácdụng với các chất hoạt động bề mặt ion Có thể phân loại theo kiểu liên kếtgiữa các nhóm háo nớc và háo dầu:

- Liên kết kiểu este: Este glycol, glycol, este poly glycol, estepolyetylenglycol, este đờng sorbitol, este của các axit béo, dùng chủ yếu làmdợc phẩm, mỹ phẩm và thực phẩm

- Liên kết kiểu ete: Thờng dùng để chế tạo nhũ tơng dùng cho công nghiệpsơn và công nghiệp mỹ phẩm

- Liên kết kiểu amit: Dùng trong công nghiệp mỹ phẩm và bột giặt

- Các chất khác: Còn một số chất hoạt động bề mặt không ion nữa nh nhựa đaphân tử alkylen oxyt, mercaptan và polyoxyety

IV Vấn đề ổn định nhũ tuơng

IV.1 Sức căng bề mặt của dung dịch chất nhũ hoá

Giữa các phân tử chất lỏng hay chất rắn luôn có lực liên kết Các phân

tử nằm bên trong chất lỏng có lực liên kết về mọi phía của phân tử Các phân

tử chất lỏng nằm trên bề mặt có một phía không liên kết với các phân tử lỏngkhác, do đó có năng lợng cao hơn Chất lỏng có su hớng tạo thành hình cầusao cho diện tích tiếp súc nhỏ nhất, để có năng lợng thấp nhất

Sức căng bề mặt là khái niệm dùng để mô phỏng lực liên kết giữa các phân tửtại bề mặt.Sức căng bề mặt của một pha là do các phân tử ở bề mặt pha cónăng lợng cao hơn pha kia Lực liên kết giữa các phân tử của pha nào lớn hơn

sẽ có sức căng bề mặt lớn hơn

Khi hai chất lỏng A và B tiếp xúc nhau, giữa các phân tử của chúng cũng cólực liên kết Giả sử sức căng bề mặt của chất lỏng A là A, của chất lỏng B là B

, sức căng bề mặt giữa hai chất lỏng AB là AB thì

AB = A + B -2AB

AB là lực liên kết giữa phân tử Avà B

Khi lực liên kết giữa phân tử A và B rất lớn, sức căng bề mặt giữa chúng nhỏ

Điều này nghĩa là năng lợng của chúng giảm do có sự tiếp xúc giữa 2 pha Do

2 chất lỏng dần bị phân tán vào nhau nhằm tăng diện tích tiếp xúc Giới hạncủa quá trình phân tán này là 2 chất lỏng trộn lẫn vào nhau tạo thành dungdịch A và B

Có thể giải thích cơ chế sức căng bề mặt giữa pha dầu và pha nớc dới tác dụngcủa chất nhũ hoá nh sau: Trong dung dịch chất nhũ hoá, các phân tử chất hoạt

động bề mặt tập chung và bị hấp thụ ở bề mặt dung dịch, các nhóm kị nớc ớng vào không khí, bề mặt dung dịch đợc bao phủ bởi các nhóm kị nớc Dolực liên kết giữa các hydrocacbon nhỏ hơn giữa các phân tử nớc nên sức căng

h-bề mặt của dung dịch nớc ( bị bao phủ bởi nhóm kị nớc ) sẽ nhỏ hơn sức căng

bề mặt của nứơc Nghĩa là dới tác dụng của chất hoạt động bề mặt, sức căng

bề mặt của nớc giảm

Khi một chất hoạt động bề mặt đợc hấp thụ vào bề mặt dầu nớc, các phân tửdầu và nớc không tiếp xúc trực tiếp với nhau mà qua phân tử chất hoạt động bềmặt Các nhóm kị nớc hớng vào dầu, các nhóm a nớc hớng vào nớc Lực liênkết giữa dầu và nhóm kị nớc cũng nh lực liên kết giữa nhóm a nớc và nớc th-ờng lớn Do đó chất hoạt động bề mặt làm giảm sức căng bề mặt của dầu và n-

ớc Nh vậy sự cân bằng giữa nhóm a nớc và nhóm kị nớc của chất nhũ hoá làmột yếu tố quyết định sự hấp thụ của nó ở bề mặt lỏng – lỏng Khi sự cânbằng giữa nhóm a nớc và nhóm kị nớc thích hợp, chất hoạt động bề mặt hoạt

động bề mặt hoạt động có hiệu quả và chỉ có một lợng nhỏ dầu tiếp xúc trựctiếp với nớc, sức căng bề mặt giảm

Qua việc nghiên cứu sức căng bề mặt của hệ nhũ tơng bitum –nớc có thể

đánh giá độ bền và độ ổn định của hệ Sức căng bề mặt giữa 2 pha bị ảnh hởngbởi hàm lợng chất hoạt động bề mặt, nhiệt độ và sự có mặt của các muối Bằng con đờng nhiệt động học, ta có phơng trình mô tả sự phụ thuộc sức căng

bề mặt vào kích thớc giọt lỏng

2l1r





 



ở đây  : là sức căng bề mặt của giọt lỏng hình cầu có bán kính r

:là sức căng bề mặt của chất lỏng phẳng r=

l : là đờng kính phân tử

IV.2 Cấu tạo lớp điện tích kép

Các chất hoạt động bề mặt hấp phụ lên bề mặt giọt nhũ, nhóm kị nớc ớng ra pha dầu, nhóm a nớc hớng vào pha nớc tạo nên một lớp màng giữa haipha Nhũ tơng sẽ ổn định hơn khi lớp màng ở bề mặt phân chia giữa hai phatích điện Lớp điện tích này có thể tạo đợc thành từ 3 cách :

h-+ Do quá trình oxy hoá

+ Do quá trình hấp phụ

+ Do sự tiếp xúc

Khi các chất nhũ hoá hấp phụ lên bề mặt các giọt nhũ thì các nhóm có khảnăng hoà tan trong nớc bị ion hoá tạo thành lớp điện tích kép bao bọc quanhgiọt nhũ

Đối với nhũ tơng đợc ổn định bằng các hợp chất không ion thì lớp điện tích tại

bề mặt giọt nhũ sẽ không phải do sự hấp phụ các ion từ môi trờng phân tán mà

do ma sát khi tiếp xúc với nhau hay tiếp xúc với môi trờng phân tán mà do masát khi các giọt tiếp xúc với nhau hay tiếp xúc với môi trờng phân tán Điềunày đã đợc nhiều tác giả nghiên cứu và chứng minh bằng thực nghiệm Mộtchất có hằng số điện môi cao sẽ tích điện khi tiếp xúc với một chất có hằng số

điện môi thấp hơn Nh vậy, do nớc có hằng số điện môi cao nên phần lớn nhũtơng dầu nớc có điện tích âm còn nhũ tơng nớc dầu lại có điện tích dơng

Hình vẽ 1.1 Biểu diễn lớp điện tích kép bao quanh giọt bitum

Lớp điện tích trên bề mặt giọt rất phức tạp Khi các ion mang điện bao quanhcác giọt nhũ, các ion trái dấu sẽ nằm song song, tiếp xúc với lớp ion trên tạothành lớp điện tích kép

Hình vẽ 1.2 : Lớp điện tích kép ở bề mặt phân chia dầu – nớc

Lớp điện tích kép gồm 2 phần: một phần cố định nằm sát bề mặt, phần khácphân tán tạo thành lớp phân tán Mật độ điện của các điện tích ở lớp phân tángiảm mạnh theo qui luật hàm số mũ,

Khi không có mặt chất nhũ hoá, sự phân bố thế của lớp thế của lớp điện tíchkép đợc trình bày nh hình a, hệ nhũ tơng có xu hớng keo tụ mạnh

Khi có mặt chất nhũ hoá, có sự thay đổi thế của lớp điện tích kép (hình b), thếZeta đủ lớp để ổn định nhũ tơng Giới hạn để ổn định nhũ tơng là thế Zeta=10

Dầu Nớc Dầu Nớc Dầu Nớc

NớcDầu

Lớp điện tích kép bao quanh giọt nhũ ý nghĩa rất lớn đối với sự ổn định củahạt nhũ tơng, do nó ngăn cản các giọt nhũ tiến lại gần nhau, kết tụ và phá vỡnhũ tơng.

IV.3 ổn định nhũ tơng

Để ổn định nhũ tơng một cách hiệu quả thì yêu cầu nhũ tơng đợc tạo raphải có một độ bền tơng đối cao, do vậy sau khi nhũ tơng đợc chế tạo thì cầnphải có thêm một công đoạn quan trọng nữa là làm bền nó Độ ổn định củanhũ tơng phụ thuộc vào bản chất của chất nhũ hoá, chất làm bền, nhiệt độ, tốc

độ khuâý trộn, thời gian khuấy trộn…

IV.4 Hiện tợng tách nhũ

Để nhũ tơng có độ ổn định cao, kích thớc hạt nhũ phải nhỏ, sự phân bố kíchthớc giọt hẹp Quá trình phá vỡ sự ổn định của nhũ tơng xảy ra nh sau:

2gr d du

9





Trong đó

u : Tốc độ lắng

r: Bán kính giọt nhũ

d1,d2 Tỷ trọng của chát phân và môi trờng phân tán

2 : Độ nhớt của môi trờng phân tán

g: gia tốc trọng trờng

Từ phơng trình Stoke có thể thấy rằng để làm giảm quá trình lắng các giọt nhũ, nhũ tơng phải có phân bố kích thớc giọt hẹp, kích thớc của các giọt nhỏ, hoặc tỷ trọng giữa các pha tạo nên nhũ tơng phải xấp xỉ nhau, điều này rất khó thực hiện đợc trong một số trờng hợp cụ thể

quá trình lắng đọng có thể trở lại dạng nhũ tơng ban đầu nhờ tác dụng khuấytrộn mạnh

Quá trình phá nhũ hoàn toàn xảy ra khi các giọt bitum kết hợp lại với nhauthành các giọt bitum lớn hơn làm giảm số lợng giọt trong nhũ tơng Quá trìnhkết hợp này xảy ra liên tục, đến một lúc nào đó nhũ tơng bị phân tách thànhhai quá trình riêng biệt

Quá trình kết tụ xảy ra theo hai bớc: Ban đầu các giọt nhũ có xu hớng tập hợplại, tạo thành một tập hợp giọt Trong mỗi tập hợp giọt các giọt nhũ tiếp xúctrực tiếp với nhau khi phân tử chất nhũ hoá trên bề mặt giọt nhũ t ơng bị khửhấp phụ Do đó mà chúng kết hợp lại tạo thành các giọt có kích thớc lớn hơn

Lúc này nhũ tơng bị lắng đọng và phân tách nhanh chóng Nh vậy lực hấp thụcủa chất nhũ hoá đối với pha phân tán có vai trò rất quan trọng trong quá trình

ổn định nhũ tơng, ngăn cản quá trình kết tụ của các giọt nhũ lại với nhau

IV.5 Hiện tợng bị đảo tớng

Sự đảo tớng trong nhũ tơng là hiện tợng là một hiện tợng phổ biến vốntồn tại lâu nay trong tất cả các hệ nhũ Khi ta đa chất nhũ hoá vào nhũ tơng,vừa đa, vừa khuấy mạnh một lợng thừa chất hoạt động bề mặt sẽ cho nhũ tơngngợc lại với nhũ tơng ban đầu Nghĩa là pha phân tán (bitum) lúc này đã trởthành môi trờng phân tán và ngợc lại môi trờng phân tán (nớc) đã trở thànhpha phân tán

Ngoài ra hiện tợng đảo tớng còn xảy ra do tác dụng cơ học lâu dài trong một

số điều kiện nhất định

Khi quan sát bằng kính hiển vi ngời ta thấy rằng trong quá trình đảo tớng sẽbắt đầu bằng việc các giọt của pha phân tán bị kéo dài ra, chuyển thành màng,rồi sau đó các màng mới đợc tạo thành này bao bọc lấy môi trờng phân táncủa nhũ tơng ban đầu, dần dần đã biến môi trờng phân tán trỏ thành pha phântán Một điều lý thú là do sự phân tán không đồng đều chất nhũ hoá trong cáckhu vực nhỏ khác nhau của hệ mà trong sự đảo tớng có thể suất hiện cái gọi là

đa nhũ tơng, tức là các gịot dầu của nhũ tơng dầu / nớc lại có thể chứa nhữnggiọt nớc vô cùng nhỏ trong nó

V Những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá quá trình chế tạo và kiểm tra chất lợng nhũ tơng bitum

V.1 Độ nhớt của nhũ tơng bitum

Độ nhớt của bitum là một trong những yếu tố ảnh hởng quan trọng trong quá trình chế tạo nhũ tơng bitum

Yếu tố trội của độ nhớt là độ đậm đặc của pha bị phân tán Một số tác giả đã

đa ra một số phơng trình để biểu thị tơng quan giữa độ nhớt và độ đậm đặc cuả pha phân tán

Nhiều yếu tố đã ảnh hởng đến độ nhớt Đặc biệt phải kể đến tính chất của của pha bị phân tán: Lai nguyên của nhựa Bitum, loại Bitum( độ kim lún ), có hay không có chất pha lỏng ( dầu hoả, dầu pha loãng )

Tính chất của pha liên tục, loại và số lợng của chất hoạt tính bề mặt

Sự phân bố kết cỡ hạt : Tầm vóc của các tiểu cầu, phơng pháp chế tạo ( Thiết

bị phân tán cơ học )

Độ nhớt của nhũ tơng bitum đợc xác định bằng nhớt kế kỹ thuật Độ nhớt đặctrng cho khả năng dùng nhũ tơng bitum ở những mặt đờng khác nhau Tínhchất này cơ bản phụ thuộc vào nồng độ chất kết dính trong nhũ tơng Hàm l-ợng bitum càng lớn thì độ nhớt cuả nhũ tơng càng cao và tăng theo hàm sốmũ

Ví dụ với những nhũ tơng chứa lợng chất kết dính bitum trong khoảng 50-65%thì độ nhớt tăng không lớn khi tăng nồng độ bitum Ngợc lại khi hàm lợngBitum lớn hơn 65% thì chỉ cần thay đổi một lợng nhỏ bitum cũng làm thay đổi

đáng kể độ nhớt của nhũ tơng(hình 1.4)

Hình 1.4: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ nhớt vào lợng bitum

Độ nhớt của nhũ tơng thay đổi theo nhiệt độ Hiện tợng này gọi là sựmẫn cảm với nhiệt độ Đối với mọi loại chất kết dính trong đó kể cả nhũ tơngbitum, sự mẫn cảm với nhiệt độ không phải lúc nào cũng nh nhau, ở nhiệt độnào cũng thế Nói một cách khác giá trị của đạo hàm ở tại một điểm nào đótrên đờng cong quan hệ giữa độ nhớt và nhiệt độ phụ thuộc vào gía trị củanhiệt độ tại điểm đó Thực vậy trên một khoảng hẹp nhiệt độ, có thể viết ph-

ơng trình của sự mẫn cảm với nhiệt độ nh sau:

log = a. + b (I-1)

trong đó :  là độ nhớt (0E);

 là nhiệt độ (0C)

a và b là những hằng số phụ thuộc vào tính chât nhũ tơng

khi dùng nguội thì độ nhớt của nhũ tơng không đợc thay đổi quá 30% nếu nhiệt độ hạ xuống 20-100C hoặc tăng lên từ 20-400C

10C - 20C < 

20C - 20C < 

Điều kiện công nghệ cũng ảnh hởng đến độ nhớt của nhũ tơng nhũ tơng bitum Sự thay đổi vận tốc dòng vào thùng khuấy sẽ làm thay đổi sự phân bố kích

thớc hạt nhũ tơng, nếu thành phần của bitum không vợt quá 65% về khối lợngthì độ nhớt của nhũ tơng bitum ít phụ thuộc vào vận tốc dòng, nhng khi thànhphần của bitum không vợt quá 65% về khối lợng thì độ nhớt của nhũ tơng ítphụ thuộc vào vận tốc dòng, nhng khi thành phần của bitum vợt quá 65% vềkhối lợng thì sẽ làm thay đổi sự phân bố kích thớc hạt và do đó làm thay đổi

đáng kể độ nhớt của nhũ tơng bitum(hình 1.5)

Hình 1.5: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ nhớt vào lu lợng dòng vàoMột yếu tố cũng rất quan trọng tác động đến độ nhớt của nhũ tơng bitum là độnhớt của bitum Nếu độ nhớt của bitum trong thùng khuấy thấp thì kích thớchạt của nhũ tơng sẽ giảm đi và có khuynh hớng làm tăng độ nhớt của nhũ t-

ơng Điều này có thể khắc phục bằng cách thêm vào nó một lợng nhỏ (2-4%

khối lợng) dung môi (thờng là dầu hoả ) để pha loãng bitum

V.2 Độ ổn định của nhũ tơng bitum trong quá trình lu giữ , bảo quản

Nhũ tơng nhựa bitum cũng tuân theo những qui định chung cho mọiloại nhũ tơng

Bản chất của nhũ tơng là hệ phân tán pha lỏng, không ổn định về nhiệt độnglực học Sự ổn định này bắt nguồn từ xu hớng của hệ thống, theo thời giangiảm bớt năng lợng bề mặt tự do, biểu hiện trong thực tế bằng sự giảm dần bềmặt tiếp giáp giữa nhựa bitum và alkyletanolamin làm chất nhũ hóa Giai đoạncuối cùng của sự biểu diễn này là sự phân chia các thành phần hai pha riêngbiệt không hoà tan đợc vào nhau Dấu hiệu đầu tiên là hiện tợng lắng xuống:Pha bị phân tán hoặc là bị tập hợp ở phía duới hoặc nổi lên thành kem dạngbọt, yếu tố quyết định của hiện tợng này là sự chênh lệch tỉ trọng của hai pha

và tốc độ chìm lắng tuân theo định luật Stokes

Giai đoạn tiếp theo là giai đoạn kết tủa: Đây là một trạng thái có thể đảo ngợclại vì một tiểu cầu vẫn đợc giữ đợc màng bảo vệ của chất hoạt tính bề mặt.Giai đoạn cuối cùng là các tiểu cầu trộn lại với nhau vì sự phá vỡ các màngbảo vệ của chất hoạt tính bề mặt, lúc này không thể đảo ngợc đợc Quá trìnhnày giống quá trình lắng keo trong các dung dịch keo

Một số yếu tố ảnh hởng quyết định đến độ ổn định khi lu trữ là thành phần hạtcủa nhũ tơng và thành phần hạt này bản thân lại phụ thuộc vào nhiều thuộctính số : Tính chất và số lợng nhũ hoá, độ pH của pha “nớc”, lai nguyên và loạinhựa bitum, nhiệt độ của mỗi pha, đặc biệt là nhiệt độ của nhựa bitum khi chếtạo nhũ tơng bitum, kiểu và loại sản xuất nhũ tơng bitum

V.3 Tốc độ phân tách và hiệu số Zeta

+ Tính ổn định của nhũ tơng nhựa bitum đối với đá là một tính chất cơ bản cónhiều công trình đợc công bố : Y.BELLANGER vào năm 1953, J.C.Vogt vàonăm 1964, M Bossel và C.Chambu vào năm 1984, và đợc giải thích bằngnhiều lý thuyết khoa học

+ Hiện tợng phân tách : Đây là sự xảy ra các quá trình nối tiếp:

- Lắng biểu thị bằng sự chìm lắng, hoặc nổi lên thành kem

- Kết tủa biểu sự xích lại gần nhau của các tiểu cầu nhựa là phân tán,Thành một hệ thống hở hoặc một số hệ thống lỏng dẻo

- Đông đặc: Cũng có một hình thức biểu thị nh trên nhng đậm hơn Khácvới giai đoạn kết tủa nó hình thành ra một sự trộn lại và có một khối

t-+ Hiệu số Zeta : Lý thuyết của sự tạo nên nhũ tơng đòi hỏi rằng các tiểu cầunhựa bitum phải bao quanh hai vòng ảnh hởng, hay còn gọi là một lớp kép baogồm : Một vùng tác động của lực hút phân tử, đây là phần cố định dính bámchặt vào nhựa và một vùng không rõ ràng sức đẩy tĩnh điện này mà các tiểucầu có thể di động dễ dàng trong một môi trờng điện lực Có một hiệu thế giữa

bề mặt ngăn cách phần động và phần tĩnh với phần chất lỏng, đây là hiệu điệnthế Zeta rất hấp dẫn trong việc nghiên cứu về hiệu chỉnh các công thức chế tạonhũ tơng

V.4 Tính bám dính

Tính bám dính của nhũ tơng bitum cũng là một đề tài nghiên cứu trọngtâm của nhiều tác giả, cha có một lý thuyết nào tỏ ra là hoàn toàn tối u, vì córất nhiều yếu tố ảnh hởng đến tính chất này nh : Mối liên quan giữa nhựa và

đá, ảnh hởng của nhiệt độ và độ nhớt, độ ẩm có không khí xung quanh và độ

ẩm của mặt đất đá, bụi…

Khi mặt đá mang điện tích dơng (đá vôi, đá bazan, )

+ Phản ứng giữa bề mặt đá vôi và các chất tan trong nhũ tơng, kết tủa hình thành một chất amin cacbonat không hoà tan sẽ gây dính bám giữa bề mặt nhựa và mặt đá

+ Mặt đá hút các tiểu cầu nhựa bitum mang điên tích âm và hình thành một loại xà phòng canxi không hoà tan gây bám dính

Khi mặt đá mang điện tích âm (đá silic, quarzit, granit, porphya):

+ Mặt đá hút các tiểu cầu nhựa mang điện tích dơng và hình thành một amin silicat không hoà tan gây bám dính

không có lực hút nào, và cũng không có phản ứng nào, không có dính bám ờng hợp nhũ tơng anion),

(tr-V.5 Tính đồng nhất

Tính đồng nhất của nhũ tơng bitum đợc đặc trng bằng hàm lợng giọtchất kết dính có kích thớc nhỏ, xác định bằng hàm lợng nhũ tơng lọt qua sàng,

có kích thớc lỗ sàng bằng 0,14 mm Khi đó lợng sót lại trên sàng không đợcvợt quá 0,5% trọng lợng Nhũ tơng không đồng nhất sẽ gây trở ngại cho quátrình thi công, đồng thời còn đẩy nhanh quá trình kết tụ sa lắng , gây hiện t-ợng phá nhũ

VI Lựa chọn chất nhũ hoá

Trong quá trình chế tạo nhũ tơng luôn có sự tạo thành cả hai dạng nhũtơng dầu- nớc và nớc dầu Chỉ do sự bền vững cao mà một trong hai nhũ tơng mới

có thể tồn tại, đó là nhũ tơng ứng với bản chất chất nhũ hoá đem dùng

Nh vậy việc lựa chọn chất nhũ hoá là hết sức quan trọng, nó quyết định phẩmchất và tính hiệu quả của nhũ tơng chế tạo sau này Để cho sự hấp phụ các ionhữu cơ xảy ra đợc tốt thì ion phải khá hoạt động bề mặt và có mạchhydrocacbon tơng đối dài, số C từ 17-22 Đó phải là các hợp chất cao phân tửhay các oligome Tuy nhiên các chất hoạt động bề mặt quá mạnh cũng khôngphải là chất nhũ hoá tốt, một chất nhũ hoá tốt thì phải có độ tạo bọt tơng đốithôi và có kích thớc nhỏ Các chất nhũ hoá chỉ có tác dụng ngăn cản sự kếtdính giữa các hạt khi nó có mặt trên bề mặt các hạt, nghĩa là nó tan tốt trongmôi trờng phân tán nhng lại không tan trong pha phân tán Điều này đợc đảm

bảo nhờ sự cân bằng giữa phần phân cực và không phân cực của chất nhũ hoá(HLB) Các chất nhũ hoá mà trong phân tử của chúng có phần phân cực có tácdụng trội hơn phần không phân cực sẽ có xu hớng tạo nên nhũ tơng loại dầu– nớc.Thuộc loại này có các hợp chất amin, các alcol hay các muối kim loạikiềm của các axit béo, các muối sufonat…

Ngợc lại phân tử của chất nhũ hoá có phần không phân cực tác dụng trội hơnphần có cực thì xu hớng tạo ra nhũ tơng loại nớc –dầu

Phơng pháp tính HLB lần đầu tiên đợc Griffin nghiên cứu và áp dụng Phầnlớn các phơng pháp tính HLB hiện nay đều dựa trên cơ sở của phơng phápnày

Bảng sau là các khoảng HLB thích hợp cho từng hệ

Khoảng HLB ứng dụng

4-6 Chất nhũ hoá dầu / nớc

7-9 Tác nhân thấm ớt

8-18 Chất nhũ hoá nớc / dầu

13-15 Chất tẩy rửa

15-18 Chất hoà tan

Nh vậy chỉ số HLB trong khoảng 4-6 là phù hợp để chế tạo nhũ tơng dầu/

n-ớc Các hợp chất có chỉ số HLB nằm ngoài khoảng mặc dù có tính chất hoạt

động bề mặt nhng không đợc sử dụng làm chất nhũ hoá dầu /nớc

Các phơng pháp xác định HLB dựa trên nhiều quá trình thực nghiệm Đối vớiphần lớn các este béo, HLB đợc tính nh sau:

HLB = 20(1-S/A) (I.2.1)

ở đây S là chỉ số xà phòng hoá, A là chỉ số axit của axit

ví dụ: đối với glyxerin monosterat có S =161 và A=198 từ phơng trình trên ta tính đợc HLB=3,8

Có rất nhiều este, thật khó để xác định chính xác chỉ số xà phòng hoá, ví dụ các este có mạch dài nh sáp, lanolin Do vậy giffin đă đa ra công thức:

Độ ổn định của nhũ tơng liên quan đến độ phân tán giữa các pha trong nhũ

t-ơng Không thể chỉ sử dụng chỉ số HLB để đánh giá độ ổn định của nhũ tt-ơng Việc xác định các giá trị HLB có ý nghĩa hơn khi đặt nó trong mối quan hệ

với các yếu tố khác nh tính chất của chất nhũ hoá, cấu trúc của phân tử chất hoạt động bề mặt.

Đối với chất hoạt động bề mặt có cấu trúc xác định, có thể xác định HLB nh sau:

HLB = 7 + ( số nhóm a nớc ) - (số nhóm kỵ nớc )

(số nhóm kị nớc ) thờng bằng 0,475n, n là số nhóm –CH2

-Độ ổn định của nhũ tơng liên quan đến độ phân tán giữa các pha trong nhũ

t-ơng

VII.Công nghệ chế tạo nhũ tơng

VII.1 Qui trình chế tạo nhũ tơng bitum

VII.2 Vấn đề chọn chất nhũ hoá cho phù hợp.

Trên thế giới vấn đề lựa chọn chất nhũ hoá hiện nay đã đợc giải quyết tốt.Tuy nhiên ở Việt nam vẫn còn cha đợc đàu t nghiên cứu sâu Việc lựa chọnchất hoạt động bề mặt nh thế nào để phù hợp với chất phân tán là asphan còn

có nhiều khó khăn

Chất hoạt động bề mặt Anion thờng đợc sử dụng trong chế tạo bitum nhũ

t-ơng hiện nay là các muối sulfonat Chất hoạt động bề mặt Cation tht-ơng là cáchợp chất amin dạng Oligome ở Việt Nam chất nhũ hoá loại amin đợc sửdụng khi xây dựng đờng 5

Tuy nhiên các trờng hợp này thờng độc hại và khó kiếm Mặt khác khichuyển giao công nghệ, các chất nhũ hoá thờng đợc cung cấp dới dạng tên th-

ơng mại Công nghệ chế tạo cũng nh bản chất của chúng còn cha đợc các nhàsản xuất đầu t đề cập đến

Ngoài ra nh đã trình bày trong các phần trên, nhũ tơng đợc ổn định nhờlớp điện tích kép bao quanh giọt nhũ Vậy có thể sử dụng thêm các chất sẵn có

và rẻ tiền để làm tăng thêm độ ổn định của nhũ tơng bitum nh các muối vô cơ(CaCl2 chẳng hạn), các axit

Asphan Chất pha loãng Chất nhũ hoá N ớc

Pha phân

Máy khuấy

Nhũ T ơng

Để giải quyết những khó khăn trên về vấn đề lựa chọn chất nhũ hoátrong bản luận văn này em xin trình bày nghiên cứu của mình về tổng hợpchất nhũ hoá từ nguyên liệu dầu thực vật việt nam, để chủ động nguồn nguyênliệu Độ ổn định của nhũ đợc đánh giá qua khả năng phân tách và phân bố tậphợp giọt.

Phần II thực nghiệm và hoá chấtChơng 1 quá trình tổng hợp chất nhũ hoá

Trong quá trình tạo nhũ luôn luôn có sự tạo thành cả hai dạng nhũ tơngDầu – Nớc và Nớc – Dầu Chỉ do sự bền vững cao mà chỉ một trong haidạng nhũ tơng có thể tồn tại, đó là nhũ tơng ứng với bản chất nhũ hoá đemdùng

Các chất nhũ hoá chỉ có tác dụng ngăn cản sự kết dính giữa các hạt khi nó cómặt trên bề mặt các hạt, nghĩa là nó tan tốt trong môi trờng phân tán nhng lạikhông tan trong pha liên tục Điều này đợc đảm bảo nhờ sự cân bằng giữaphần phân cực và không phân cực của các phân tử chất nhũ hoá (HLB) Cácchất nhũ hoá mà trong phân tử của chúng phần phân cực có tác dụng tạo nênnhũ tơng loại dầu nớc Thuộc loại này có các hợp chất amin, các alcol haymuối kim loại kiềm của các axit béo, các muối sulfonat…

Do vậy để có chất nhũ hoá tốt thì chúng ta trớc tiên phải lựa chọn loại dầu cóthành phần và tính chất phù hợp với bản chất nhũ hoá ta đang cần tìm Muốnvậy trớc tiên ta cần khảo sát một số thành phần của một số loại dầu thực vậtthông dụng

Bảng 2.3 Thành phần một số dầu thực vật việt nam

Dầu palmitcAxit StearicAxit Axit nokhác oleicAxit linoleicAxit linolenicAxit

để thuỷ phân theo phơng pháp thuỷ phân với nớc

+ Dầu hớng dơng là dầu chứa nhiều axit linoleic (hàm lợng axit linoleic là 65%) nhất nên ta sẽ sử dụng loại dầu này để thuỷ phân theo phơng pháp thuỷ phân với kiềm

55-Nh vậy ta có các phơng hớng sau để nghiên cứu tổng hợp chất nhũ hoá

Một là : Nghiên cứu tổng hợp chất nhũ hoá đi từ axit oleic thu đợc trong quá trình thuỷ phân dầu lạc và dầu sở

Hai là : Nghiên cứu tổng hợp chất nhũ hoá đi từ axit linoleic thu đợc trong quátrình thuỷ phân dầu hớng dơng

I Quá trình thuỷ phân dầu

- Cách xác định chỉ số xà phòng hoá của dầu thực vật

+ Nguyên tắc: Dựa trên phản ứng xà phòng hoá các este có trong dầuthực vật, mỡ động vật …bằng dung dịch KOH 0,5N

+ Cách xác định: Cân (0,5-1)g mẫu dầu cần phân tích (với độ chính xác0,0001g) cho vào bình tam giác có thể tích 250ml, đổ tiếp vào bình tam giáctrên 10 ml dung dịch KOH o,5 N trong rợu Đun sôi hỗn hợp mẫu với kiềmtrong 1 giờ Sau đó làm lạnh, chuẩn độ bằng dung dịch HCl 0,5N với chỉ thịphenolphtalein cho đến khi mất màu hồng, thể tích HCl O,5 N tiêu hao trongphép chuẩn độ này là b ml

Cũng làm một thí nghiệm tơng tự nh trên nhng không cần mẫu phântích (gọi là mẫu đối chứng ) Dùng HCl để chuẩn độ, thể tích HCl 0,5N dùngtrong phép chuẩn độ này là a ml

+ Công thức tính trị số xà phòng hoá

Trị số xà phòng hoá tính bằng mg KOH/1 gam dầu

Ao=T.(a-b)/m , mgKOH/gam

Trong đó

a: thể tích dung dịch HCl 0,5N chuẩn độ mẫu đối chứng, ml

b: thể tích dung dịch HCl 0,5N chuẩn độ với mẫu phân tích, ml

m: khối lợng mẫu đem phân tích

T: Độ chuẩn của dung dịch KOH 0,5 N

+ Tiến hành khảo sát sự ảnh hởng của các yếu tố: Lợng LAS, lợng xúc tác axít, lợng H2O, nhiệt độ, tới độ chuyển hoá của dầu

I.1.1 Nghiên cứu ảnh h ởng của l ợng LAS

LAS là chất hoạt tính bề mặt rất mạnh cho nên khi ta tiến hành thuỷphân dầu thực vật bằng nớc với sự tham gia của LAS sẽ làm giảm lớn sức căng

bề mặt của nớc và dầu, làm cho diện tích tiếp xúc giữa dầu và nớc tăng lên rấtnhiều chính vì vậy LAS là nhân tố ảnh hởng quyết định đến hiệu suất của quátrình thuỷ phân dầu Khi tăng lợng LAS lên thì độ chuyển hoá của quá trìnhthuỷ phân cũng tăng lên tuy vậy khi tăng tới một lợng nhất định LAS thì độchuyển hoá của dầu cũng không tăng lên đợc nữa, mà lại tốn kémcho nên taphải tìm lợng LAS thích hợp trong khoảng từ 1-10g bằng cách cố định cácthông số khác nh : Lợng dầu =200g, lợng nớc = 60g, lợng xúc tác axit H2SO4

= 5g, T0 =1000C

I.1.2 Thuỷ phân lần 2

Sau khi đã tiến hành thuỷ phân lần 1 độ chuyển hoá cha cao nên ta tiếnhành thuỷ phân lần 2 bằng cách lấy mẫu thuỷ phân lần 1 Đem đi lọc rửa táchglixerin, chiết lấy phần axit và dầu còn d sau đó thuỷ phân tiếp lần 2

I.1.3 Nghiên cứu ảnh h ởng của xúc tác H2SO4

Lợng xúc tác axit có ảnh hởng rất lớn đến quá trình thuỷ phân dầu bằngnớc Nếu không có axit xúc tác phản ứng diễn ra sẽ rất chậm vì vậy sẽ manglại hiệu suất rất thấp Tuy vậy lợng xúc tác cũng phải phù hợp nếu lợng H2SO4

quá nhiều sẽ không tốt cho quá trình thuỷ phân vì có thể gây ra các phản ứngphụ không mong muốn Mặt khác khi tăng lợng xúc tác lên mà không làmtăng thêm độ chuyển hoá của dầu thì chỉ gây tốn kém, do đó phải tìm lợng

H2SO4 cho phù hợp trong khoảng từ 1-10g bằng cách cố định các thông sốkhác nh: Lợng dầu =200g, lợng nớc = 60g, lợng LAS = 5g, và nhiệt độ =

1000C

I.1.4 Nghiên cứu ảnh h ởng của l ợng H2O

Nớc là yếu tố ảnh hởng quan trọng và trực tiếp đến quá trình thuỷ phândầu Về lý thuyết phản ứng thuỷ phân của dầu với nớc là phản ứng thuậnnghịch cho nên lợng nớc càng tăng thì độ chuyển hoá của dầu càng tăng Dùvậy khi ta tăng lợng nớc đến một lợng nhất định thì độ chuyển hoá cũngkhông tăng là mấy Khống chế các yếu tố: Nhiệt độ, lợng dầu, lợng LAS, lợngxúc tác ta sẽ tìm đợc lợng nớc tối u trong khoảng từ 30-100g

I.1.5 Nghiên cứu ảnh h ởng của nhiệt độ

ảnh hởng của nhiệt độ đến hiệu suất của quá trình thuỷ phân dầu là rất

rõ ràng Khi nhiệt độ quá thấp thì tốc độ phản ứng thuỷ phân chắc chắn là sẽthấp dẫn đến độ chuyển hoá không cao, còn khi nhiệt độ quá cao, nếu lớn hơn

1000C thì sẽ làm bay hơi nớc và nếu quá trình thuỷ phân giữ nớc không tốt sẽ