công nghệ hợp chất hoạt động bề mặt

giáo trình tham khảo cho sinh viên ngành công nghệ kỹ thuật hóa học gồm 1 số nội dung cơ bản sau : CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT CHƯƠNG 2: THÀNH PHẦN CỦA CÁC CHẤT TẨY RỬA TỔNG HỢP CHƯƠNG 3: SẢN XUẤT BỘT GIẶT

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT 4

Các quá trình dị thể bất kỳ ( như hình thành hay phân hủy các chất rắn, hòa tan các chất rắn, lỏng và khí, bay hơi, thăng hoa, tẩy rửa , tạo nhũ tương, bọt ….) đều là những quá trình xảy ra trên bề mặt phân chia pha Trạng thái các chất ở bề mặt phân chia pha rất khác với vật chất trong lòng các pha vì có sự khác biệt về tương tác giữa các phân tử với nhau Sự khác biệt đó làm sản sinh các hiện tượng đặc biệt trên bề mặt phân chia pha 4

1.1.1 Sức căng bề mặt và các yếu tố ảnh hưởng 4

1.1.2 Các chất hoạt động bề mặt, chất không hoạt động bề mặt và chất không ảnh hưởng đến sức căng bề mặt của dung môi 5

1.2 Tính chất vật lý của dung dịch chất hoạt động bề mặt 6

1.2.1 Cấu tạo lớp bề mặt trên giới hạn lỏng- khí: 6

1.2.2 Trạng thái phân tử chất hoạt động bề mặt trong dung dịch: 7

1.2.3 Nồng độ micell tới hạn- Điểm Kraft-Điểm đục-HLB và các yếu tố ảnh hưởng 8

1.3.1 Chất hoạt động bề mặt không sinh ion (NI) 13

1.3.2 Chất hoạt động bề mặt anion 14

1.3.3 Chất hoạt động bề mặt cation 16

1.3.4 Chất hoạt động bề mặt lưỡng tính 17

1.4 Ứng dụng của chất hoạt động bề mặt 19

1.5 Cơ chế tẩy rửa của chất hoạt động bề mặt 19

1.5.1 Tẩy rửa các chất bẩn là chất béo 20

1.5.2 Tẩy rửa các vết bẩn dạng hạt 23

1.6 Đánh giá kỹ thuật chất hoạt động bề mặt 26

1.6.1 Khả năng tạo nhũ 26

1.6.2 Khả năng tẩy rửa 26

1.6.3 Khả năng tạo bọt 30

1.6.4 Các chỉ tiêu đánh giá khác 31

CHƯƠNG 2: THÀNH PHẦN CỦA CÁC CHẤT TẨY RỬA TỔNG HỢP 33

2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tẩy rửa 33

2.3 Các tác nhân tăng bọt và chống bọt 36

2.4 Các tác nhân làm mềm nước 38

2.5 Các tác nhân tạo môi trường kiềm 40

2.6 Các tác nhân tẩy trắng 40

2.7 Các chất xúc tác sinh học 44

2.8 Các tác nhân chống tái bám 45

2.9 Các tác nhân làm mềm vải 46

2.10 Các chất tạo hương 47

CHƯƠNG 3: SẢN XUẤT BỘT GIẶT 49

VÀ CÁC SẢN PHẨM TẨY RỬA KHÁC 49

3.1 Sản xuất xà phòng 49

3.1.1 Nguyên liệu 49

3.1.2 Quy trình công nghệ 53

3.2 Sản xuất bột giặt theo phương pháp sấy phun 58

3.2.1 Phân loại bột giặt 58

3.3 Sản xuất bột giặt theo phương pháp khác 67

3.4 Sản xuất các sản phẩm tẩy rửa dạng lỏng 72

3.4.1 Nguyên tắc lập công thức 72

3.4.2 Nước giặt đẳng hướng dạng lỏng 72

3.4.2 Nước giặt cấu trúc dạng lỏng 75

3.4.3 Sản phẩm tẩy rửa đậm đặc dạng lỏng 80

3.4.4 Nước rửa chén 82

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT 1.1 Các khái niệm cơ bản

Các quá trình dị thể bất kỳ ( như hình thành hay phân hủy các chất rắn, hòa tan các chất rắn, lỏng và khí, bay hơi, thăng hoa, tẩy rửa , tạo nhũ tương, bọt ….) đều là những quá trình xảy ra trên bề mặt phân chia pha Trạng thái các chất ở bề mặt phân chia pha rất khác với vật chất trong lòng các pha vì có sự khác biệt về tương tác giữa các phân tử với nhau Sự khác biệt đó làm sản sinh các hiện tượng đặc biệt trên bề mặt phân chia pha

Viêc nghiên cứu hiện tượng bề mặt có sức lôi cuốn lớn vì nó có tầm quan trọng

lý thuyết và thực tế Nghiên cứu các hiện tượng bề mặt có thể đánh giá được năng lượng và hiểu rõ được bản chất tương tác phân tử ý nghĩa thực tế của các hiện tượng

bề mặt là ở chỗ, vật chất có bề mặt lớn rất phổ biến trong tự nhiên và được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật Vì vậy việc tìm hiểu về sức căng bề mặt đóng một vai trò rất quan trọng

1.1.1 Sức căng bề mặt và các yếu tố ảnh hưởng

Sức căng bề mặt được định nghĩa là lực căng trên một đơn vị chiều dài cắt ngang bề mặt Trong hệ đo lường quốc tế, sức căng bề mặt được đo bằng Newton trên mét (N·m-1)

Cũng có thể định nghĩa sức căng bề mặt là công cơ học thực hiện khi lực căng làm cho diện tích bề mặt thay đổi một đơn vị đo diện tích Như vậy nó cũng là mật độ diện tích của năng lượng; ý nghĩa này mang lại tên gọi năng lượng bề mặt cho đại lượng vật lý này Như vậy, trong hệ đo lường quốc tế, đơn vị đo sức căng bề mặt tương đương Jul trên mét vuông

Nhiều khi sức căng bề mặt của một chất lỏng được xác định tại một điều kiện nhất định (nhiệt độ, áp suất, ) khi bề mặt tiếp xúc với chân không Sức căng bề mặt của chất lỏng thay đổi theo nhiệt độ; đối với nhiều chất lỏng, sức căng bề mặt giảm khi nhiệt độ tăng Khi bề mặt là tiếp giáp giữa hai chất lỏng khác nhau, sức căng bề mặt tổng cộng bằng hiệu (cộng véctơ) của sức căng bề mặt từng chất lỏng

Các yếu tố ảnh hưởng đến sức căng bề mặt:

• Sức căng bề mặt phụ thuộc vào bản chất của chất tiếp xúc ( bảng 1.1)

Chất lỏng càng phân cực, tương tác phân tử càng lớn, nội áp càng lớn, do đó sức căng bề mặt càng lớn

Bảng 1.1 Sức căng bề mặt của các chất lỏng tiếp xúc với không khí ( I) ở 20 o C

( dyn/cm) và của chất lỏng tiếp xúc với nước (dyn/cm)

-• Sự có mặt trên lớp chất lỏng thứ nhất lớp chất lỏng thứ hai không trộn lẩn với

nó luôn luôn làm sức căng bề mặt giảm Sự giảm sức căng bề mặt càng nhiều nếu sự khác biệt về độ phân cực của hai chất lỏng càng bé Các chất lỏng có độ phân cực càng gần nhau sẽ tan lẩn với nhau càng nhiều và do đó sức căng bề mặt giữa chúng sẽ bằng không

• Nếu hai chất lỏng chỉ hòa tan một phần vào nhau thì sức căng bề mặt trên giới hạn lỏng - lỏng gần bằng hiệu số giữa sức căng bề mặt của mỗi chất ( đã bảo hòa chất kia) so với không khí

• Dưới tác dụng của sức căng bề mặt, thể tích khối chất lỏng sẽ hướng tới dạng hình cầu ( nếu không có ngoại lực) vì bề mặt hình cầu là bề mặt bé nhất giới hạn một thể tích chất lỏng đã cho

Ngoài yếu tố bản chất của các pha tiếp xúc có ý nghĩa quyết định đến giá trị sức căng bề mặt, sức căng bề mặt còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như nhiệt độ, áp suất, độ cong của bề mặt và đặc biệt là sự có mặt của chất thứ hai trong chất lỏng Trong phần này chỉ đề cập đến mối quan hệ giữa sức căng bề mặt và nhiệt độ,

•Sức căng bề mặt của đa số chất lỏng giảm gần như tuyến tính khi nhiệt độ tăng ( trừ các kim loại nóng chảy) theo phương trình củaa W Ramsay và J Shields sau khi hiệu chỉnh phương trình của R Eotvos

•

1.1.2 Các chất hoạt động bề mặt, chất không hoạt động bề mặt và chất không

ảnh hưởng đến sức căng bề mặt của dung môi.

a) Chất hoạt động bề mặt

Chất hoạt động bề mặt là một chất làm ướt có tác dụng làm giảm sức căng bề mặt của một chất lỏng Phân tử chất hoạt động bề mặt thường được cấu tạo bởi hai phần:

Người ta thường ký hiệu các chất hoạt động bề mặt theo các kiểu sau:

Ngoài ra người ta có thể đánh dấu thêm bằng các ký hiệu:

1.2 Tính chất vật lý của dung dịch chất hoạt động bề mặt

1.2.1 Cấu tạo lớp bề mặt trên giới hạn lỏng- khí:

Ở nồng độ nhỏ, trên cùng một đơn vị diện tích bề mặt, số lượng phân tử chất hoạt động bề mặt là khác nhau khi chiều dài phần kỵ nước khác nhau Ở nồng độ đủ lớn, một đơn vị bề mặt sẽ chứa cùng một số lượng phân tử chất hoạt động bề mặt cĩ chiều dài phần kỵ nước khác nhau, người ta giải thích điều này như sau: Khi bị hấp phụ, nhĩm phân cực của chất hoạt động bề mặt bị nước kéo mạnh vào lịng dung dịch, phần khơng phân cực thì bị đẩy ra phía pha khơng phân cực là khơng khí), các phân tử chất hoạt động bề mặt sẽ được phân bố thành một lớp phân tử Khi nồng độ C nhỏ, mạch hydrocarbon sẽ bị đẩy về phía khơng khí, cĩ thể bị ngã nghiêng do mạch hydrocarbon linh động và cĩ khối lượng riêng bé, phần phân cực ở trong nước Khi

Hình 1.1: Cấu tạo lớp bề mặt chất hoạt động bề mặt trên giới hạn lỏng khí

1.2.2 Trạng thái phân tử chất hoạt động bề mặt trong dung dịch:

Trong dung dịch, ở nồng độ nhỏ, các phân tử chất hoạt động bề mặt hồ tan riêng biệt Khi nồng độ chất họat động bề mặt tăng lên một giá trị nào đĩ, các phân tử hịa tan riêng biệt liên kết với nhau tạo thành các micell

Các micell cĩ dạng hình cầu trong đĩ trong đĩ các phân tử chất hoạt động bề mặt liên kết với nhau bằng đầu hydrocarbon và hướng nhĩm phân cực ra dung dịch nước

Hình 1.2: Cấu tạo micell

Ở các nồng độ cao hơn, các micell cĩ kích thước tăng lên và các gốc hydrocarbon mỗi lúc mỗi thêm song song với nhau hình thành các micell tấm:

Hình 1.3: Micell taám

Cần lưu ý rằng các micell có thể được tạo thành không chỉ trong các dung dịch nước mà còn ở dung dịch xà phòng trong dung môi Khi đó các phân tử xà phòng trong micell sẽ hướng các nhóm phân cực vào phía trong micell còn phần kỵ nước sẽ quay ra ngoài Lúc này xà phòng không điện ly, dung dịch xà phòng là dung dịch phân

tử chứ không là dung dịch của các ion

Các micelles làm cho dung dịch CHĐBM có dạng tự nhiên là dạng keo, điều này rất quan trọng đối với những tính chất của chất tẩy rửa, vì:

• Cung cấp lượng CHĐBM dự trữ ở bề mặt chất lỏng để giữ cho dung dịch bãohòa và làm cho ứng suất bề mặt của dung dịch luôn luôn nhỏ nhất, điều này giúp việc thấm ướt các thớ vải dễ dàng hơn

• Có thể hòa tan các chất dầu: bên trong các micelle gần như là một dung môihydrocarbon có thể chứa các chất bẩn dạng dầu và mang nó theo để thải cùng nước giặt

1.2.3 Nồng độ micell tới hạn- Điểm Kraft-Điểm đục-HLB và các yếu tố ảnh

hưởng

a) Nồng độ micell tới hạn (crictical micelle concentration:CMC):

Khi nồng chất hoạt động bề mặt tăng lên đên một giá trị nào đó, từ các phân tư riêng lẻ sẽ có sự hình thành các micell Nồng độ dung dịch chất hoạt động bề mặt mà ở

đó sự hình thành micell trở nên đáng kể gọi là nồng độ micell tới hạn

Khi nồng độ dung dịch chất hoạt động bề mặt đạt đến giá trị CMC, sẽ có sự thay đổi rõ rệt tính chất vật lý của dung dịch như sự thay đổi độ đục, độ dẫn điện, sức căng bề mặt, áp suất thẩm thấu… Dựa vào sự thay đổi tính chất vật lý đột ngột như vậy người ta xác định được CMC

 Các yếu tố ảnh hưởng đến CMC:

- Chiều dài mạch cacbon: Khi tăng chiều dài của phần kỵ nước trong phân tử chất hoạt động bề mặt sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành micell, tức là giảm CMC Trong môi trường nước cất, CMC của các chất hoạt động bề mặt ion giảm đi ½ lần khi mạch cacbon tăng thêm 1nhóm –CH2- Đối với chất hoạt động bề mặt không

ion, sự khác biệt này còn rõ ràng hơn Điều này đúng đến C16 Khi mạch C ≥ 18 thì CMC hầu như không đổi.

Ví dụ: CMC của chất họat động bề mặt alkyl sulfate Natri trong nước ở 40oC

Hình 1.4: Sự thay đổi tính chất vật lý của dung dịch chất hoạt động bề măt

tại nồng độ micell tới hạn

- Nhiệt độ: Khi hạ nhiệt độ dung dịch, sẽ xúc tiến cho sự hình thành của các micell vì khi đó cường độ chuyển động nhiệt của các phân tử giảm, làm tăng khả năng kết hợp của các phân tử tức làm giảm CMC

- Chất điệ ly: Khi thêm chất điện ly vào dung dịch chất hoạt động bề mặt, chúng liên kết với nước do sự hydrat hóa, điều này tương tự như việc tăng nồng độ chất hoạt động

bề mặt lên Mặc khác, khi có mặt chất điện ly, sự ion hóa của chất hoạt động bề mặt giảm ( giảm độ tan), xúc tiến cho sự liên kết các phân tử lại với nhau, do đó CMC giảm

Ví dụ: CMC của lauryl sulfate natri trong dung dịch NaCl ở 25oC

- Chất hữu cơ: Việc thêm các chất hữu cơ vào dung dịch chất hoạt động bề mặt ảnh hưởng đến CMC theo những hướng khác nhau tùy thuộc vào bản chất của chất thêm vào Một số rượu mạch trung bình có thể làm giảm CMC, thêm urea hay formalmid lại làm tăng CMC Dung dịch chứa nhiều chất hoạt động bề mặt có CMC nhỏ hơn CMC của các dung dịch chứa từng chất hoạt động bề mặt riêng biệt

b) Điểm Kraft-Điểm đục:

 Điểm Kraft:

Các chất hoạt động bề mặt ion có một đặc điểm là khả năng hòa tan của chúng

tăng theo nhiệt độ Điểm Kraft là nhiệt độ tại đó chất hoạt động bề mặt có độ hòa tan

bằng CMC Khi đạt đến nhiệt độ này một lượng lớn chất hoạt động bề mặt sẽ được

phân tán trong dung dịch dưới dạng micelle Như vậy ở nhiệt độ thấp hơn điểm Kraft,

độ tan của chất hoạt động bề mặt ion không đủ lớn để hình thành micelle Khi nhiệt độ tăng, độ tan tăng, khi đạt đến nhiệt độ Kraft, micelle hình thành Đối với chất hoạt

động bề mặt anion, khi chiều dài mạch C tăng, điểm Kraft cũng tăng Ví dụ: Điểm

Kraft của dung dịch alkyl sulfate trong nước như sau:

Lưu ý rằng các giá trị này có thể thay đổi khi có mặt của các thành phần khác

 Điểm đục:

Đối với các chất hoạt động bề mặt không ion, độ tan của chúng là do liên kết hydrô giữa nước và phần phân cực ( chuổi polyoxyethylene) Khi nhiệt độ tăngđến một mức nào đó, liên kết hydro bị phá vỡ, xảy ra sự mất nước, làm độ tan của chất

hoạt động bề mặt không ion giảm Điểm đục là nhiệt độ tại đó chất hoạt động bề mặt

không ion không thể hòa tan, tách ra khỏi dung dịch làm dung dịch trở nên đục Đối

với chất hoạt động bề mặt không ion trên cơ sở ethylen oxýt, điểm đục sẽ giảm khi độ dài gốc alkyl tănghoặc khi lượng oxýt ethylene trong phân tử giảm xuống

 HLB (Hydrophile-Lipophile Balance):

Các tính chất của các chất hoạt động bề mặt liên quan đến mối tương quan giữa phần ái nước và phần kỵ nước Nếu phần ái nước tác dụng mạnh hơn phần kỵ nước thì chất họat động bề mặt dễ hòa tan trong nước hơn, ngước lại nếu phần kỵ nước tác

dụng mạnh hơn phần ái nước thì chất họat động bề mặt dễ tan trong pha hữu cơ hơn

Từ đó dựa vào mối tương quan giữa phần kỵ nước và ái nước mà chất họat động bề mặt được sử dụng vào các mục đích khác nhau Mối tương quan giữa phần ái nước và

kỵ nước được đặc trưng bằng giá trị HLB ( cân bằng phần ái nước-ái dầu)

HLB cho biết tỷ lệ giữa tính ái nước so với tính kỵ nước, được biểu thị bằng thang đo có giá trị từ 1-40 Các chất hoạt động bề mặt có tính ái nước thấp sẽ có HLB nhỏ, các chất họat động bề mặt có tính ái dầu thấp sẽ có HLB lớn Sự gia tăng HLB tương ứng với sự gia tăng của tính ái nước

Có thể ước lượng sơ bộ giá trị HLB dựa trên tính chất hòa tan trong nước hay tính phân tán của chất hoạt động bề mặt trong nước Ứng với độ phân tán khác nhau thì giá trị HLB khác nhau

Bảng 1.2: Giá trị HLB trong một số môi trường phân tán

+ Davies đã chuyển cấu trúc chất họat động bề mặt thành các nhóm thành phần

để xác định HLB Giá trị HLB của các nhóm cho trong bảng dưới đây:

Bảng 1.3: Giá trị HLB đối với một số nhóm ưa nước và kị nước

Từ cấu trúc đã cho giá trị HLB được tính theo biểu thức sau:

HLB = 7 + Σ HLB nhóm ái nước -Σ HLB nhóm kỵ nước

+ Công thức của Kawakami:

HLB = 7 + 11,7 log ( Mn/Md)

Mn : Khối lượng phần tử ưa nước trong phân tử

Md : Khối lướng phần tử ưa dầu trong phân tử

+ Công thức tính ester của acid béo và rượu đa chức:

HLB = 20 ( 1 – S/A)S: Chỉ số xá phòng hóa của ester

A: Chỉ số acid của acid béo

Nếu ester không đo được chỉ số xà phòng thì có công thức sau:

HLB = (E + P) / 5

E, P là phần trăm khối lượng của EO và rượu đa chức trong phân tử

+Theo Griffin, nếu hỗn hợp có nhiều chất hoạt động bề mặt thì

HLB hh = Σ xi HLBi

Với xi là phần khối lượng trong tổng lượng chất họat động bề mặt

Hiếm có trường hợp mà ái lực của phần kỵ nước đối với dầu lại bằng ái lực của đầu ưa nước đối với nước Có thể thấy rằng tỉ lệ giữa các lực này là yếu tố quan trọng

để quyết định tính năng chất nhũ hóa trong hệ nhũ, vì vậy cần có sự đánh giá mức độ cân bằng này

1.3 Phân loại chất hoạt động bề mặt

Có nhiều cách phân loại chất hoạt động bề mặt nhưng cách phân loại theo cấu tạo hóa học là được sử dụng nhiều nhất Phân loại theo cấu tạo hóa học chia chất hoạt động bề mặt ra làm 2 loại: chất sinh ra ion và chất không sinh ra ion Chất sinh ra ion được chia làm ba loại: hoạt tính anion, hoạt tính caction và lưỡng tính

1.3.1 Chất hoạt động bề mặt không sinh ion (NI)

Các chất tẩy rửa khi hòa tan vào trong nước không phân ly thành ion gọi là chất hoạt động bề mặt không sinh ion

NI có khả năng hoạt động bề mặt không cao Êm dịu với da, lấy dầu ít Làm bền bọt, tạo nhũ tốt Có khả năng phân giải sinh học Ít chịu ảnh hưởng của nước cứng và

pH của môi trường, tuy nhiên có khả năng tạo phức với một số ion kim loại nặng trong nước

Hiện nay để tổng hợp chúng, phương pháp được dùng phổ biến nhất là quá trình etoxy hóa từ rượu béo với oxyt etylen

Công thức chung: R-O-(CH2-CH2-O-)nH

Các rượu béo này có nguồn gốc thiên nhiên như dầu thực vật, mỡ động vật thông qua phản ứng H2 hóa các axit béo tương ứng

Hoặc bằng con đường từ rượu tổng hợp: bằng cách cho olefin-1 phản ứng với

H2SO4, rồi thủy phân (thu được rượu bậc 2) Trong thương mại, loại này có tên gọi: tecitol 15-s-7, union caride 15-s-9

Chất hoạt động bề mặt không sinh ion được phân loại thành các dạng cơ bản sau:

Copolimer có công thức chung: HO-(OE)n-(OP)m-(OE)n-H, hoặc HO-(OP)n(OE)m-(EP)n-H Tỷ số PO/OE có thể thay đổi: 4 - 1 hoặc 9 - 1 Trọng lượng phân tử thấp nhất: 2000đvC, thông dụng nhất hiện nay là loại n=2 và m=30, chúng tạo bọt kém nên dùng phổ biến trong các sản phẩm tẩy rửa chuyên dùng cho máy: máy rửa chén,

R CO

Một số non ionic tiêu biểu là:

• Các rượu béo ethoxy hóa

• Các copolymer oxít ethylen (OE) và oxít propylen (OP)

(CH2)m CH3-

Có nguồn gốc từ dầu mỏ: Thông qua phản ứng ankyl hóa, sunfo hóa các dẫn xuất anlkyl, aryl, ankylbenzen sunfonic

Các chất hoạt động bề mặt anion thường dùng trong chất tẩy rửa là:

• Akyl benzen sulfonat (ABS)

ABS nhánh

ABS thẳng (LAS: Linear Alkylbenzene sulffonate)

• Parafin sulfonate ( SAS: Secondary Alkyl Sulfonate)

Sulfate)

R O (CH2-CH2-O)n SO3

-R1

N+R3

Có khả năng hoạt động bề mặt không cao Chất hoạt động bề mặt cation có nhóm ái nước là ion dương, ion dương thông thường là các dẫn xuất của muối amin bậc bốn của clo

Các chất hoạt động bề mặt cation êm dịu với da, tẩy dầu ít, không dùng với mục đích tạo bọt Làm bền bọt, tạo nhũ tốt Có khả năng phân giải sinh học kém, hiện nay người ta dùng clorua ditearyl diamin amoni bậc bốn vì khả năng phân giải sinh học tốt hơn

Tương lai trên thị trường, sẽ có các cation dạng nhóm chức este dễ phân giải sinh học hơn cho môi trường, và giảm khả năng gây dị ứng khi sử dụng Chủ yếu làm triệt tiêu tĩnh điện cho tóc, vải sợi nên lượng dùng rất ít

Công thức hóa học chung của chúng là:

Các cationic thường dùng là:

CH3 (CH2)m CH CH (CH2)n SO3

-R C O O

OR

Có khả năng hoạt động bề mặt không cao, Ở pH thấp chúng là chất hoạt động

bề mặt cationic và là anionic ở pH cao Có khả năng phân hủy sinh học Lượng dùng khoảng 0,2% -1% trong các sản phẩm tẩy rửa

-Trong nhóm các chất hoạt động bề mặt lưỡng tính, hiện nay các dẫn xuất từ betain được sử dụng rộng rãi nhất Chúng gồm các nhóm chính sau: Ankylamino propyl betain

Khi R là gốc lauryl thì có tính tẩy rửa rất tốt, khả năng tạo bọt mạnh, không là khô da, dịu cho da hiện nay trên thị trường thường thấy phối trong: dầu gội, sữa tắm, nước rửa chén với tên gọi: cocoamino propyl betain (CAPB)

Các chất hoạt đông bề mặt lưỡng tính thường dùng là:

• Alkyl amido propyl betain

-NH C

( Personal care product)

Tẩy rửa, nhũ hóa, bôi trơn, chống tĩnh điện (antistatic)

Sản phẩm tẩy rửa gia đình và công

nghiệp ( Household & Industrial

Laudry & Cleaning product)

Tẩy rửa, thấm ướt, kiểm soát bọt, nhũ hóa và chống tĩnh điện

Hoá chất nông nghiệp

( Agrochemicals)

Nhũ hóa, thấm ướt, performance enhancement

Gia công sợi ( Fibre Processing) Bôi trơn và chống tĩnh điện

1.5 Cơ chế tẩy rửa của chất hoạt động bề mặt

Sự tẩy rửa được định nghĩa là “làm sạch bề mặt của một vật thể rắn, với một tác nhân riêng biệt, chất tẩy rửa, theo một tiến trình hóa lý khác hẳn với việc hòa tan đơn thuần”

Sự tẩy rửa bao gồm:

• Lấy đi các vết bẩn khỏi các bề mặt rắn ( vật dụng, vải vóc)

• Giữ các vết bẩn đã lấy đi đang lơ lửng để tránh cho chúng khỏi bám lại trên các quần áo ( hiện tượng chống tái bám )

Vết bẩn được khảo sát bao gồm vết bẩn không phân cực (vết bẩn dầu mỡ) và vết bẩn dạng hạt (các hạt mịn) Các vết bẩn chất béo và dạng hạt này có thể tồn tại độc lập hay hòa lẫn với nhau.

Vết bẩn chất béo có thể do từ bã nhờn của con người xúc với các chất béo ởmôi trường (thức ăn, mỹ phẩm , dầu máy ) Các vết bẩn dạng hạt gồm oxit kim loại, đất hay hợp chất carbon như lọ nồi

Để giải thích quá trình tẩy rửa đơn giản hơn người ta xét hai loại vết bẩn này riêng biệt

1.5.1 Tẩy rửa các chất bẩn là chất béo

a) Thuyết nhiệt động – phương pháp Lanza

xét một chất béo H (dầu) và một bề mặt rắn F (sợi) Việc vấy bẩn F do H có thể dược biểu diễn qua sơ đồ hình 1.5

Hình 1.5: Vấy bẩn do một vết bẩn chất béo

Khi giọt dầu H (thể I) tiếp xúc với sợi F (thể II), thì giọt dầu trải ra cho đến khi đạt một thế cân bằng với một góc tiếp xúc, được xác định bởi bề mặt của sợi và đường tiếp tiyến của giao diện dầu/khí Năng lượng tự do của thể II có thể được viết theo phương trình sau đây:

EFA = EFH + EHA.cosθ (1)

Trong đó:

EFA: năng lượng tự do sợi/khí

EFH: năng lượng tự do sợi/dầu

EHA: năng lượng tự do dầu/khí

Năng lượng tự do tính trên một đơn vị diện tích thì bằng sức căng giao diện hay

bề mặt Phương trình (1) được viết thành:

γFA = γFH + γHA.cosθ (2)

Bên cạnh đó, công gắn chặt chất lỏng H vào chất nền F được biểu diễn bằng phương trình:

Gột tẩy vết bẩn có chất béo H khỏi một bề mặt F , được biểu diễn bởi sơ đồ hình 1.6

(ta có 2γHE vì trong thể III, người ta đã tạo nên một phân giới H/E phụ thêm)

Công cần thiết để tẩy là:

W < 0 hay EIII <EII hay γFE + γHE < γHF

Có nghĩa là khi thêm chất hoạt động bề mặt vào nước, do sự hấp phụ của nó trên sợi và vết bẩn làm giảm được sức căng bề mặt của chúng ( so với nước) cho đến khi

tổng của chúng trở nên nhỏ hơn sức săng bề mặt của giao diện sợi/vết bẩn lúc đó vết bẩn tự tẩy đi Cơ chế này được gọi là cơ chế Lanza.

b) Cơ chế rolling up ( cuốn đi)

Thuyết Rolling up của Stevenson đề nghị vào năm 1953 như sau:

Hình 1.7: Cơ chế cuốn đi

Việc tẩy đi các vết bẩn tử thể II sang thể IV qua thể trung gian III Khi cân bằng, hợp lực của ba vectơ γFE, γHE , γHF được biểu diễn bằng phương trình:

γFE = γHE + γHF cosθ

Để tẩy đi vết bẩn θ phải bằng 180o hay cosθ = -1 hay γHF = γFE + γHE

Chất hoạt động bề mặt do chúng hấp phụ lên sợi và vết bẩn làm giảm các sức căng giao diện sợi/nước và bẩn/nước, lúc đó màng dầu sẽ cuốn lại và tách khỏi sợi do lực cơ học như chà xát ( giặt bằng tay hay bằng máy)

c) Cơ chế hòa tan hóa

Cơ chế rolling up chỉ liên quan đến vết bẩn dạng lỏng có chất béo và nhờ chất hoạt động bề mặt làm giảm sức căng giao diện Sau khi nồng độ chất hoạt động bề mặt vượt quá trị số CMC thì hiệu ứng rolling up không tăng nhưng thực nghiệm cũng cho thấy quá trình tẩy giặt vẫn tăng Cần có cơ chế giải thích khác

Cơ chế hòa tan được đề nghị bởi Mc Bam vào năm 1942 và phát triển bởi Ginn, Brown và Harris năm 1961 Các phân tử chất hoạt động bề mặt kết hợp với nhau trong các dung dịch để hình thành micell ở nồng độ CMC Rất nhiều hợp chất không tan trong nước như acid béo, rượu béo, triglyceride, hydrocarbon được hòa tan bên trong các micell và sự hòa tan này xảy ra khhi nồng độ chất hoạt động bề mặt cao hơn CMC

Tóm lại để có sự tẩy rửa tốt, không những cần giảm sức căng bề mặt mà còn phải tăng nồng độ hoạt chất để hình thành các micell và có được một số micelle đủ, tùy theo lượng vết bẩn béo hiện diện trong dung dịch giặt rửa.

+ Khi dung dịch đã ngấm vào vải , phần kỵ nước của chất hoạt động bề mặt sẽ hấp phụ trên các hạt dầu mở , phần ái nước của chất hoạt động bề mặt sẽ hướng ra ngoài dung dịch nước Chinh sự định hướng của phân tử chât hoạt động bề mặt như vậy tạo ra áp suất tách các vết bẩn dầu mở ra khỏi vải đi vào dung dich tẩy rửa

+ Các chất hoạt động bề mặt sẽ giúp cho việc phân tán các vết bẩn dầu mở dưới dạng nhũ tương, ngăn không cho vết bẩn bám trở lại trên bề mặt đã đươc tẩy rửa Viêc ngăn ngừa tái bám là do các hạt dầu mỡ được hấp phụ một lớp chất hoạt động bề mặt ( thường là anion), mặt khác các phân tử chất hoạt động bề mặt cũng sẽ hấp phụ trên bề mặt vải, đầu ái nước hướng ra ngoài, hạt bẩn và bề mặt vải sẽ tích điện cùng dấu sẽ đẩy nhau Hơn nữa, đầu phân cực của chất hoạt động bề mặt có khả năng hydrat hóa mạnh, chính vì vậy, hạt bẩn đã tách ra khỏi vải sẽ không thể tái bám trở lại bề mặt vải

đã sạch Lưu ý, bề mặt vải và hạt thường tích điện âm nên chất hoạt động bề mặt anion

và khong ion hiệu quả hơn chất hoạt động bề mặt cation

+ Các dung dịch chất tẩy rửa có khả năng tạo bọt cao, một phần chất bẩn sẽ tách vào bọt, nhất là những hạt bẩn ít thấm ướt, chúng sẽ dính vào bọt giống như quá trình tuyển nổi làm giàu quặng

1.5.2 Tẩy rửa các vết bẩn dạng hạt

a) Thuyết nhiệt động học và điện học ( Duiaguin-Landau-Vervey và Overbeck

Xét một bề mặt F và một hạt P Ở một khoảng cách δ cho sẵn, F và P đều chịu các lực hút (Van đec Van ) hay đẩy (tĩnh điện) Các đường biểu diễn hình 1.8 cho thấy các lực đẩy hay hút của F và P tùy thuộc theo khoảng cách giữa chúng

Lực hút và lực đẩy Hợp lực giữa lực hút và lực đẩy

Hình 1.8: Lực hút và đẩy phụ thuộc khoảng cách

Khi P và F tiếp xúc với nhau (δ=0), thì có sự gắn liền nhau do lực hút Việc tách hạt P ra khỏi bề mặt F có thể được biểu diễn bằng sơ đồ hình 1.9

Hình 1.9: Cơ chế tẩy rửa theo thuyết nhiệt động học và điện học

Sự tách hạt P ra khỏi bề mặt F là đi từ I đến II rồi đến III Trong giai đoạn I, ta phải cung cấp một công W1 để tách hạt P ra khỏi bề mặt F một khoảng cách Trong giai đoan 2, dung dịch tẩy len vào giữa hạt P và bề mặt F, ta có tổng số công bằng J Toàn bộ công được biểu diễn là:

Aw = W1 – J (*)

γFP: Sức căng bề mặt giữa F và P trong thể I

γFE, γPE: Sức căng bề mặt của F và P với dung dịch tẩy trong thể III

Sự thêm các chất hoạt động bề mặt làm giảm γFE, γPE do đó làm tăng J Trong trường hợp này Aw giảm và công để tẩy P thì dễ dàng ( nhiệt động học trong quá trình tẩy vết bẩn dạng hạt)

Khi giải thích về điện học trong phương trình (*) Aw yếu khi W1 yếu, điều này

sẽ xảy ra khi lực đẩy lớn hay lực hút yếu Nói cách khác thế năng lực hút là yếu nhất Công cung cấp để tách hạt P ra khỏi bề mặt S một khoảng cách δ yếu hơn bởi vì lực đẩy quan trọng hơn, tức là hạt P và bề mặt S cùng phân cực cùng dấu ( tích điện giống

nhau) Khi chất hoạt động bề mặt bị hấp phụ trên các hạt và bề mặt làm cho gia tăng lực đẩy và do đó làm cho quá trình tẩy dể dàng hơn.

Hình 1.10: Biểu diễn các lực đẩy yếu và lực đẩy mạnh

Hình 1.10 cho thấy, trong trường hợpd dầu tiên, công cung cấp để tách hạt P ra khỏi bề mặt F một khoảng cách δ thì yếu hơn bởi lực đẩy quan trọng hơn: đó là trường hợp của một hạt và một bề mặt có cực Chất hoạt động bề mặt trong dung dịch bị hút trên các hạt và cac bề mặt, điều này có thể tác dụng gia tăng lực đẩy của chúng và do

đó làm cho việc tẩy sạch dễ dàng hơn

b) Cơ chế Lanza:

Cũng áp dụng được với hệ hạt rắn P lên bề mặt F trong dung dịch tẩy rửa nư đối với vết bẩn chất béo

Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tẩy rửa:

Khả năng tẩy rửa chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố: bản chất chất hoạt động bề mặt sử dụng, pH, phụ gia, nhiệt độ….Ở đây chỉ đề cập về ảnh hưởng của pH, còn ảnh hưởng của các yếu tố khác sẽ được trình bày ở các chương tiếp theo

• Ảnh hưởng của pH:

Từ lâu người ta nhận thấy rằng thêm các chất kiềm nhẹ như soda sẽ làm tăng khả năng tẩy rửa của xà phòng, bởi vì xà phòng sẽ bị thủy phân thành acid béo ngay cả ở pH trung tính, các acid béo tạo thành có khả năng tẩy rửa kém, sự thủy phân của xà phòng làm giảm lượng chất hoạt động bề mặt làm giảm khả năng tẩy rửa Thêm kềm làm giảm sự thủy phân xà phòng Kiềm là phụ gia quan trọng trong

xà phòng cũng như các sản phẩm tẩy rửa khác, giúp duy trì pH thích hợp Thưc nghiệm cho thấy xà phòng cho khả năng tẩy rửa khi pH 10,5-11

PH không chỉ ảnh hưởng đến khả năng tẩy rửa xà phòng mà còn ảnh hưởng đến chất tẩy rửa tổng hợp (syndet) khác PH tối ưu cho chất tẩy rửa tổng hợp là 9,0-11,5 Để duy trì pH thích hợp cần sử dụng các chất dự trử kiềm như soda, tripolyphosphát, silicat… vì trong quá trình tẩy rửa , pH có xu hường giảm do các vết bẩn acid ( acid béo) hay do sự giải phóng H+ do quá trình tạo phức.

• Ảnh hưởng của nhiệt độ:

• Ảnh hưởng của chất điện ly:

1.6 Đánh giá kỹ thuật chất hoạt động bề mặt

1.6.1 Khả năng tạo nhũ

Nhũ tương là hệ phân tán không bền vững nên muốn thu được hệ bền vững thì phải cho thêm chất nhũ hóa

Để cho nhũ tương bền, thường sử dụng thêm chất hoạt động bề mặt Trong cả

hệ có nước và không có nước, các hiện tượng xảy ra cũng như vại trò của chất hoạt động bề mặt trong việc bền hóa hệ gần giống nhau Ví dụ : huyền phù gồm các hạt rắn

ưa nước Trong môi trường nước chúng sẽ tự hình thành lớp vỏ hydrat hóa bảo vệ nên

rẻ bền Khi đưa vào môi trường kỵ nước, có chất hoạt động bề mặt, các phân tử chất hoạt động bề mặt sẽ hình thành lớp vỏ bảo vệ bằng cách định hướng ra ngoài, phần ái nước hấp phụ lên hạt rắn

Nhũ tương có nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghiệp Ví dụ: huyền phù không nước: sơn dầu, verni, mực in, hệ có nước: sơn nước, mực viết, dung dịch thuốc nhuộm phân tán….Các hệ này đều có sử dụng chất hoạt động bề mặt

Để đánh giá khả năng tạo huyền phù của chất hoạt động bề mặt , có nhiều phương pháp, đơn giản nhất là phương pháp đo độ đục hổn hợp than hoặc CaCO3 phân tán trong dung dịch chất hoạt động bề mặt, hoặc đo thời gian lắng tủa của huyền phù

để đánh giá

1.6.2 Khả năng tẩy rửa

Sự tẩy rửa được định nghĩa là “ làm sạch mặt của một vật thể rắn, với một tác nhân riêng biệt- chất tẩy rửa- theo một tiến trình lý hóa khác hẳn việc hòa tan đơn thuần”

Trong trường hợp này, tẩy rửa bao gồm:

• Lấy đi các vết bẩn khỏi vải vóc

• Giữ cho các vết bẩn này lơ lửng để tránh cho chúng bám lại trên bề mặt vải vóc Trên quần áo thông thường, người ta thường thấy những vết bẩn có chất béo ( dầu,mỡ) và các vết bẩn dạng hạt (hạt mịn) Các vết bẩn này có thể tồn tại độc lập

hay hòa lẫn vào nhau với các tỷ lệ khác nhau.

Chất hoạt động bề mặt trong là tác nhân chính cho quá trình tẩy rửa do một số tính chất sau:

• Khi có chất hoạt động bề mặt trong nước thì sức căng bề mặt dung dịch giảm làm tăng tính thấm ướt đối với vải sợi

 Các phân tử chất hoạt động bề mặt hấp phụ lên bề mặt sợi và lên các hạt chất bẩn rắn hay lỏng và khi đó, dưới ảnh hưởng của sức căng bề mặt không đổi trên ranh giới chất bẩn – vải, chất bẩn se lại thành giọt và dễ dàng tách ra khỏi bề mặt sợi dưới tác dụng cơ học

 Chất hoạt động bề mặt tạo các màng hấp phụ trên bề mặt các hạt chất bẩn làm cho chúng có độ bền vững tập hợp cao và ngăn ngừa chúng liên kết trở lại lên bề mặt sợi

 Bọt được hình thành từ chất hoạt động bề mặt làm tăng thêm sự tách cơ học của các chất bẩn hay sự nổi của chúng ( do các hạt chất bẩn liên kết vào các bóng khí)

Sự tách hạt P ra khỏi bề mặt F đi từ I đến II rồi đến III Trong giai đoạn I, ta phải cung cấp một công để tách hạt P ra khỏi bề mặt F một khoảng cách Trong giai đoạn II, dung dịch tẩy len vào giữa hạt P và bề mặt F và tách hạt P ra khỏi bề mặt F.

Chúng ta có thể vận dụng các lý thuyết khác nhau cho các loại vết bẩn cụ thể khác nhau như thuyết “ Rolling up” tẩy vết bẩn thể lỏng có chất béo hay thuyết nhiệt động học để tẩy vết bẩn có chất béo hay dạng hạt hay hỗn hợp của cả hai…

c) Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tẩy rửa:

• Khả năng tẩy rửa chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố: bản chất chất hoạt động bề mặt sử dụng, pH, phụ gia, nhiệt độ….Ở đây chỉ đề cập về ảnh hưởng của pH, cịn ảnh hưởng của cc yếu tố khc sẽ được trình by ở cc chương tiếp theo

pH không chỉ ảnh hưởng đến khả năng tẩy rửa xà phòng mà còn ảnh hưởng đến chất tẩy rửa tổng hợp khác PH tối ưu cho chất tẩy rửa tổng hợp là 9,0-11,5 Để duy trì

pH thích hợp cần sử dụng các chất dự trữ kiềm như soda, tripolyphosphát, silicat… vì trong quá trình tẩy rửa , pH cĩ xu hướng giảm do các vết bẩn acid (acid béo) hay do sự giải phĩng H+ do quá trình tạo phức.

 Ảnh hưởng của nhiệt độ:

Nhiệt độ càng cao, độ hịa tan của các chất hoạt động bề mặt càng tốt, độ nhớt của các chất bẩn dạng lỏng càng giảm, độ hịa tan của chất bẩn càng lớn, phản ứng trung hịa chất bẩn cĩ tính axit và phản ứng xà phịng hĩa chất béo xảy ra càng dễ dàng, làm tăng hiệu suất giặt tẩy

Tuy nhiên, nhiệt độ cao cũng làm giảm hoạt tính của một số chất hoạt động bề mặt dễ hịa tan, giảm độ bền của hệ nhũ Một số loại vải khơng thể chịu được nhiệt độ dung dịch cao

Đối với các chất hoạt động bề mặt NI, sự hấp phụ tăng theo nhiệt độ và sau điểm đục, sức căng bề mặt và giao diện của các chất NI cĩ thay đổi

 Ảnh hưởng của chất điện ly:

Sự hấp phụ: thêm chất điện ly sẽ làm giảm độ hịa tan của các tác nhân bề mặt dẫn đến làm tăng sự hấp phụ ở các giao diện

Các chất điện ly sẽ làm giảm CMC vì các chất điện ly trong dung dich chất tẩy rửa sẽ ngăn cản khả năng hình thành các Micell

Việc nghiên cứu đánh giá quá trình tẩy rửa là một vấn đề phức tạp, liên quan đến nhiều yếu tố Khơng thể kết luận một chất hoạt động bề mặt là cĩ khả năng tẩy rửa

là tốt hay xấu nếu khơng nĩi đến điều kiện thực nghiệm Cĩ nhiều chất đánh giá khả năng tẩy rửa , Ở đây chỉ trình bày những nguyên tắc tiêu biểu nhất:

- Làm bẩn vải bằng các chất bẩn thường gặp như dầu mở, màu Sau đĩ giặt vải, phần chất bẩn cịn lại sẽ được trích ra bằng các dung mơi thích hợp Đo độ màu So sánh giửa mẫu thí nghiệm và mẫu chuẩn ( giặt bằng các hổn hợp tẩy rửa chuẩn)

- Khả năng tẩy rửa cịn được đánh giá bằng phương pháp đo chỉ số phản xạ của vải bẩn, vải mới và vải bẩn được giặt Tính theo cơng thức

Khả năng tẩy rửa = (R W – R S )/(R O –R S ) * 100 (%)

Rw: Chỉ số phản xạ của vải bẩn đã được tẩy rửa

Rs: Chỉ số phản xạ của vải bẩn trước khi tẩy rửa

Ro: Chỉ số phản xạ của vải mới ban đầu ( vải kiểm chứng)

Việc đánh giá phải dựa trên các tiêu chuẩn đã được đề ra đối với sản phẩm tẩy rửa và phải đúng theo nguyên tắc xác suất thống kê thì kết quả mới cĩ ý nghĩa

1.6.3 Khả năng tạo bọt

Bọt được hình thành do sự phân tán khí trong môi trường lỏng Hiện tượng này làm cho bề mặt dung dịch chất tẩy rửa tăng lên

Khả năng tạo bọt và độ bền bọt phụ thuộc vào cấu tạo của chính chất đó, nồng

độ, nhiệt độ của dung dịch, độ pH và hàm lượng ion Ca2+, Mg2+ trong dung dịch chất tẩy rửa

Độ bền vững cực đại của bọt ứng với chất hoạt động bề mặt có gốc hydrocarbon trung bình và với dung dịch có nồng độ trung bình Những chất thấp hơn trong dãy đồng đẳng có tính hoạt động bề mặt kém, những chất cao hơn có độ hòa tan thấp

Bên cạnh bản chất và nồng độ của chất tạo bọt , thời gian tồn tại của bọt còn phụ thuộc vào nhiệt độ, độ nhớt của dung dịch… Tốc độ phá vở bọt thường tăng theo nhiệt độ do sự giải hấp phụ chất tạo bọt trên bề mặt phân chia pha và do sự bong trương chất lỏng, làm cho màng bị mỏng đi dần dần phá vỡ Sự tăng độ nhớt của dung dịch làm tăng độ bền cho bọt

 Các tác nhân làm tăng bọt ( foam bootster):

Để làm tăng bọt cho dung dịch chất tẩy rửa có thể đi theo hai hướng sau:

- Chọn chất hoạt động bề mặt tạo bọt hay không tạo bọt

- Sử dụng các phụ gia làm tăng bọt

a) Chọn lựa chất hoạt động bề mặt:

Một chất hoạt động bề mặt hay hỗn hợp chất hoạt động bề mặt có thể làm thành

hệ thống tạo bọt Thông thường, số lượng bọt tăng với nồng độ đạt tối đa quanh CMC Như vậy về mặt lý thuyết có thể tiên đoán khả năng tạo bọt của một chất hoạt động bề mặt dựa trên CMC của nó Tuy nhiên điều này không có liên quan đến tính chất ổn định của bọt

Các yếu tố ảnh hưởng đến CMC có thể tăng hoặc giảm bọt là:

- Nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng, độ hòa tan của chất hoạt động bề mặt anionic

tăng làm khả năng tạo bọt tăng.Ngược lại đối với NI, độ hòa tan ( do đó khả năng tạo bọt) giảm với nhiệt độ sau điểm đục

- Sự có mặt của chất điện ly: làm giảm trị số CMC của chất hoạt động bề mặt

làm thay đổi khả năng tạo bọt của chất hoạt động bề mặt đó

- Cấu trúc phân tử của chất hoạt động bề mặt : Theo lý thuyết khả năng tạo

bọt tùy theo cấu trúc phân tử của chất hoạt động bề mặt Tuy nhiên trên thực tế rất

phức tạp vì không có sự tương quan trực tiếp giữa khả năng tạo bọt và sự ổn định bọt Tuy nhiên có những nguyện tắc tổng quát như sau:

+ Chất hoạt động bề mặt NI ít tạo bọt hơn chất hoạt động bề mặt ion trong dung dịch nước

+ Đối với cùng một họ chất hoạt động bề mặt , CMC càng kém thì khả năng tạo bọt càng cao Ví dụ như đối với alkyl sulfate, khi chiều dài mạch C tăng khả năng tạo bọt tăng

+ Cation đối của chất hoạt động bề mặt anion có liên quan đến sự ổn định ( độ bền) của bọt Theo Kondon và Co sự ổn định bọt của dodecyl sulfate giảm theo thứ tự sau:

NH4+ > (CH3)4N+ > (C2H5)4N+> (C4H9)4N+

b) Các chất phụ gia làm tăng bọt:

Theo Schick và Fowker , việc thêm vào một số hợp chất đối cực ( ion đối) có thể làm giảm CMC của chất hoạt động bề mặt Khi hợp chất có cùng mạch C với chất hoạt động bề mặt thì khả năng tạo bọt và ổn định bọt tăng:

Ether glycerol < Ether sulfonyl < Amide < Amide thay thế

Trong thực tế người ta sử dụng mono hay diethanol amide làm những chất tăng bọt trong bột giặt tạo bọt, nước rửa chén hoặc dầu gội đầu

- Hoặc tăng tốc độ phân hủy bọt: là các chất vô cơ hay hữu cơ sẽ đến thay thế các phân

tử các chất hoạt động bề mặt của màng bọt làm màng bọt ít ổn định (không bền)

Khi thêm chất hoạt động bề mặt NI vào chất hoạt động bề mặt anion làm giảm bọt đáng kể Tuy nhiên hệ thống anionic/ NI này vẫn còn quá nhiều bọt

1.6.4 Các chỉ tiêu đánh giá khác

a) Khả năng thấm ướt

Hiện tượng thấm ướt bề mặt xảy ra khi góc thấm ướt, không thấm ướt θ > 90o Tuy nhiên trong thực tế khó xác định được góc thấm ướt Người ta đưa ra một số phương pháp đánh giá khả năng thấm ướt, chủ yếu xác định khả năng thấm ướt cho

nguyên liệu vải, chẳng hạn đánh giá khả năng thấm ướt dựa vào thời gian chìm của cuộn chỉ trong dung dịch chất hoạt động bề mặt.

Hiện tượng thấm ướt nhờ chất hoạt động bề mặt có nhiều ứng dụng để giải quyết các vấn đề thực tế trong kỹ thuật sơn, nhuộm, tẩy trắng, trung hòa các chất diệt côn trùng, sâu bọ Các bề mặt rắn ở đây thường không thấm ướt, việc thêm chất hoạt động bề mặt thích hợp sẽ làm giãm sức căng bề mặt của nước, giúp cho việc thấm ướt

dể dàng hơn

b) Chỉ số canxi chấp nhận

Chỉ số này đo độ cứng tối đa của nước mà chất hoạt động bề mặt vẫn còn hiệu lực trong chức năng tẩy rửa Chỉ số này càng lớn, chất hoạt động bề mặt càng có khả năng tẩy rửa trong nước cứng

Chỉ số canxi chấp nhận được xác định bằng cách chuẩn độ dung dịch chất hoạt động bề mặt bằng dung dịch canxi acetat 1 % Tiến hành chuẩn độ dung dịch trên cho đến khi nào dung dịch đục Lúc này lượng ion canxi trong dung dịch là chỉ số canxi chấp nhận được

CÂU HỎI ÔN TẬP

Câu 1: Sức căng bề mặt là gì? Có những yếu tố các yếu tố ảnh hưởng tới sức căng bề mặt?

Câu 2: Định nghĩa và phân loại chất hoạt động bề mặt?

Câu 3: Trình bày và giải thích trạng thái của chất hđbm trên bề mặt giới hạn lỏng khí?Câu 4: Trình bày và giải thích trạng thái của chất hđbm trong lòng chất lỏng?

Câu 5: Định nghĩa nồng độ micell tới hạn? trình bày các yếu tố ảnh hưởng đến CMC?Câu 6: Định nghĩa điểm Kraft và điểm đục? Các yếu tố ảnh hưởng?

Câu 7: Phân loại vết bẩn? Trình bày cơ chế tẩy rửa vết bẩn là chất béo theo thuyết nhiệt động ?

Câu 8: Trình bày cơ chế tẩy rửa vết bẩn dầu mỡ nói chung bằng dung dịch chất tẩy rửa?

Câu 9: Trình bày và giải thích các tiêu chí đánh giá chất hoạt động bề mặt?

CHƯƠNG 2: THÀNH PHẦN CỦA CÁC CHẤT TẨY RỬA TỔNG HỢP 2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tẩy rửa

Quá trình tẩy rửa là một quá trình khá phức tạp với sự tham gia của nhiều tác nhân về hóa học, vật lý cũng như cơ học Có thể kể đến một số yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình tẩy rửa là:

• pH

• Thói quen giặt của từng địa phương, cộng đồng

• Điều kiện giặt của từng quốc gia, khu vực, cá nhân… Tuy nhiên quan trọng nhất vẫn là các yếu tố sau:

• Nước giúp tạo ra các phản ứng hóa học

Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm trên, nước cũng gây một vấn đề khá khó chịu Đó là do trong nước lúc nào cũng tồn tại các kim loại và khoáng chất, đặc biệt

là các ion Canxi, Mange ( nước cứng) Các ion này tạo tủa với chất hoạt động bề mặt làm giảm hiệu suất giặt tẩy

2.1.2 Các loại vết bẩn

Các vết bẩn thường gặp trong lĩnh vực giặt tẩy có những nguồn gốc khác nhau: từ thân thể con người, từ môi trường xung quanh, từ thực phẩm, đồ dùng hay do các công việc cụ thể gây ra Từ các nguồn gốc khác nhau của các vết bẩn, người ta có thể đưa ra những các xử lý thích hợp

2.1.3 Các loại sợi dệt

Ngày nay, các chủng loại vải vóc ngày một đa dạng đòi hỏi sự giặt tẩy thích hợp khác nhau dưới tác dụng của nước, nhiệt độ, tác dụng cơ học của máy giặt và tác dụng hóa học của chất tẩy rửa

2.2 Các chất hoạt động bề mặt

Chất hoạt động bề mặt là thành phần chính có tác dụng tẩy rửa trong chất tẩy rửa Trong thực tế, điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng phối hợp nhiều loại chất hoạt động bề mặt Tuy nhiên, chất hoạt động bề mặt chủ yếu và phổ biến nhất được phối chế trong các đơn công nghệ sản xuất bột giặt hiện nay vẫn là LAS

2.2.1 LAS ( Linear alkyl benzene sulphonate)

LAS được tạo thành từ phản ứng của một hợp chất hữu cơ chứa nhân thơm với một tác nhân sulphonate hóa mạnh

LAS được xem là CHĐBM khá tốt do giá thành thấp và là chất tẩy rửa khá linh hoạt với thời gian hoạt động khá lâu Nó cũng trong các sản phẩm tẩy rửa gia dụng dạng lỏng hay bột, hay trong các sản phẩm tẩy rửa công nghiệp

Tùy theo yêu cầu của từng loại sản phẩm tẩy rửa, LAS được đưa vào đơn công nghệ cùng với một số chất hoạt động bề mặt khác nhằm làm tăng hay giảm một

số tính năng của quá trình tẩy rửa

Ví dụ: Đối với nước rửa chén bằng tay, yêu cầu của sản phẩm là độ hòa tan cao ở nhiệt độ thường, nhiều bọt cũng như độ bền bọt phải tốt Đối với bột giặt dùng cho máy giặt, khả năng tẩy rửa lại có vai trò quan trọng hơn là độ bọt và độ hoà tan

Chính vì vậy, nếu chỉ dùng một loại CHĐBM là LAS thì không thể tạo ra loại sản phẩm có những tính năng tối ưu mà phải kết hợp nhiều CHĐBM khác nhau

Chất không sulpho hóa: ~1%

• Tỷ suất lượng chất hoạt động cần dùng:

Rất khó xác định tỷ suất hàm lượng CHĐBM cần dùng vì có nhiều yếu tố tác động lên nó Người ta thường xem xét các yếu tố sau:

Ở Nhật Bản, các nhà sản xuất thường phối LAS theo tỷ suất 25- 35%

 Khả năng thay thế chất hoạt động bề mặt:

Hiện nay trên thế giới người ta chủ yếu dùng LAS để phối trong bột giặt Tuy nhiên, ở một vài nước phát triển, ngừơi ta đã chuyển sang dùng chất hoạt động bề mặt dạng sulphate ( CnH2n+1OSO3Na) trong bột giặt vì lý do môi trường (LAS có vòng benzene nên phân hủy chậm)

Ngoài ra, trong bột giặt thường phối một lượng chất hoạt động bề mặt NI thích hợp để tăng hiệu quả giặt tẩy hoặc thêm một lượng nhỏ xà phòng vào, vì sự hiện diện của các chất này giúp phân tán tốt các chất hoạt động bề mặt chính làm tăng khả năng giặt tẩy

2.3 Các tác nhân tăng bọt và chống bọt

 Các tác nhân làm tăng bọt ( foam bootster):

Để làm tăng bọt cho dung dịch chất tẩy rửa có thể đi theo hai hướng sau:

- Chọn chất hoạt động bề mặt tạo bọt hay không tạo bọt

- Sử dụng các phụ gia làm tăng bọt

a) Chọn lựa chất hoạt động bề mặt:

Một chất hoạt động bề mặt hay hỗn hợp chất hoạt động bề mặt có thể làm thành

hệ thống tạo bọt Thông thường, số lượng bọt tăng với nồng độ đạt tối đa quanh CMC Như vậy về mặt lý thuyết có thể tiên đoán khả năng tạo bọt của một chất hoạt động bề mặt dựa trên CMC của nó Tuy nhiên điều này không có liên quan đến tính chất ổn định của bọt

Các yếu tố ảnh hưởng đến CMC có thể tăng hoặc giảm bọt là:

- Nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng, độ hòa tan của chất hoạt động bề mặt anionic

tăng làm khả năng tạo bọt tăng.Ngược lại đối với NI, độ hòa tan ( do đó khả năng tạo bọt) giảm với nhiệt độ sau điểm đục

- Sự có mặt của chất điện ly: làm giảm trị số CMC của chất hoạt động bề mặt

làm thay đổi khả năng tạo bọt của chất hoạt động bề mặt đó

- Cấu trúc phân tử của chất hoạt động bề mặt : Theo lý thuyết khả năng tạo

bọt tùy theo cấu trúc phân tử của chất hoạt động bề mặt Tuy nhiên trên thực tế rất phức tạp vì không có sự tương quan trực tiếp giữa khả năng tạo bọt và sự ổn định bọt Tuy nhiên có những nguyện tắc tổng quát như sau:

+ Chất hoạt động bề mặt NI ít tạo bọt hơn chất hoạt động bề mặt ion trong dung dịch nước

+ Đối với cùng một họ chất hoạt động bề mặt , CMC càng kém thì khả năng tạo bọt càng cao Ví dụ như đối với alkyl sulfate, khi chiều dài mạch C tăng khả năng tạo bọt tăng

+ Cation đối của chất hoạt động bề mặt anion có liên quan đến sự ổn định ( độ bền) của bọt Theo Kondon và Co sự ổn định bọt của dodecyl sulfate giảm theo thứ tự sau:

NH4+ > (CH3)4N+ > (C2H5)4N+> (C4H9)4N+

b) Các chất phụ gia làm tăng bọt:

Theo Schick và Fowker , việc thêm vào một số hợp chất đối cực ( ion đối) có thể làm giảm CMC của chất hoạt động bề mặt Khi hợp chất có cùng mạch C với chất hoạt động bề mặt thì khả năng tạo bọt và ổn định bọt tăng:

Ether glycerol < Ether sulfonyl < Amide < Amide thay thế

Trong thực tế người ta sử dụng mono hay diethanol amide làm những chất tăng bọt trong bột giặt tạo bọt, nước rửa chén hoặc dầu gội đầu

- Hoặc tăng tốc độ phân hủy bọt: là các chất vô cơ hay hữu cơ sẽ đến thay thế các phân

tử các chất hoạt động bề mặt của màng bọt làm màng bọt ít ổn định (không bền)

Khi thêm chất hoạt động bề mặt NI vào chất hoạt động bề mặt anion làm giảm bọt đáng kể Tuy nhiên hệ thống anionic/ NI này vẫn còn quá nhiều bọt

Ngoài ra, tác nhân làm mềm nước còn có một số công dụng sau:

• Tạo tính kiềm cho môi trường giặt

• Cung cấp một tác dụng đệm để duy trì pH của dung dịch giặt gần bằng với giá trị mong muốn trong suốt thời gian giặt

• STPP có khả năng làm mềm nước tốt, trợ giúp cho sự thấm ướt vải và giặt tẩy

• STPP giúp khống chế môi trường kiềm của nước giặt và phân tán các chất bẩn trong khi giặt Vì vậy, nó có tác dụng chống tái bám

• STPP có khả năng tạo dạng tinh thể STP-hexa hydrate rất bền, có tác động đến chất lượng ngoại quan của bột giặt

Ngoài ra, STPP còn có chức năng phụ là có khả năng cải tiến hiệu quả của các chất hoạt động bề mặt anion và không ion Quan trọng nhất là sự giảm CMC của sức căng bề mặt có tác động làm tăng độ hòa tan của chất hoạt động bề mặt

STPP tồn tại ở hai dạng tinh thể, thường gọi là dạng I và dạng II

• Dạng I : STPP thu được từ quá trình nung vôi ở nhiệt độ 450 -500oC Dạng này hydrate hóa nhanh trong lúc phối trộn

 Dạng II: STPP thu được từ quá trình nung vôi ở nhiệt độ thấp hơn

khoảng 350oC Dạng này hydrate hóa rất chậm nhưng để lâu được nơi nóng ẩm.

STPP thương mại thường là hỗn hợp của hai dạng trên, chứa khoảng 70% dạng II và 30% dạng I Cả dạng I và II đều có thể cho ra một dạng tinh thể hexahydrate như nhau: STP 6aq ( STP 6H2O)

Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm vừa nêu, STPP cũng tác dụng không tốt đối với môi trường vì gây ra hiện tượng phú dưỡng trong nước thải

Bảng 2.3 Tính chất vật lý của STPP

Na2O : 42.20%

Chức năng chính của zeolite A là làm mềm nước giặt bằng cách làm giảm nồng độ Canxi và Magie Khả năng hoạt động của zeolite A sẽ được tăng cường bằng cách thêm vào một lượng nhỏ các chất hòa tan được trong nước, được gọi là chất trợ xây dựng, thường là polycarboxylate

Ngoài ra, zeolite A còn giúp tạo sự ổn định về các tác nhân làm trắng trong các sản phẩm tẩy rửa

Tùy theo kích thước phần tử zeolite A, nó có thể gây bụi, người sử dụng nên tránh hít phải Vì không hòa tan được nên zeolite A không hút ẩm và không bị đóng bánh Tuy nhiên, khả năng giặt tẩy của các sản phẩm dùng chất xây dựng là zeolite

A kém hơn là các sản phẩm chứa phosphate vì chúng không tan được, khả năng xử lý ion Canxi, Magie kém, khả năng chống tái bám kém

c) Na 2 CO 3

Natri cacbonat thường được dùng trong các sản phẩm tẩy rửa đặc biệt trong các lĩnh vực giặt giũ quần áo, vì nó có một dự trữ kiềm, có khả năng đệm và có vai trò chống canxi trong những điều kiện khó khăn bằng cách làm kết tủa CaCO3 Tuy nhiên natri cacbonat chỉ là một nguyên liệu “phụ” và nó không thể thay thế những tác nhân làm mềm nước khác

d) Natri silicat (Na 2 SiO 3 )

Natri silicat có khả năng làm mềm nước tốt Ngoài ra, chúng còn là tác nhân có thể tạo được môi trường kiềm và đệm, giúp duy trì chất bẩn trong nước giặt, ngăn chúng bám trở lại bề mặt vải Bên cạnh đó, chúng còn giúp hỗ trợ cho quá trình tạo hạt trong sản xuất bột giặt

2.5 Các tác nhân tạo môi trường kiềm

- Các tác nhân kiềm thường được sử dụng là

2.6.1 Các tác nhân tẩy trắng hoá học

Người ta thường dùng các tác nhân tẩy trắng hóa học trong bột giặt để cải thiện khả năng tẩy trắng cho bột bằng cách loại bỏ các tạp chất màu hữu cơ trên vải bằng phản ứng hóa học Các phản ứng này tương ứng với sự oxy hóa hoặc khử oxy làm phân hủy không đảo ngược được các hệ thống tạo màu Phương cách này đòi hỏi sự

sự phân hủy hoặc biến đổi các nhóm tạo màu và các thể màu thành các hạt nhỏ hơn

và dễ tan hơn để có thể loại chúng dễ dàng

Người ta chia các tác nhân tẩy trắng hóa học làm ba loại: