Tổng quan về nhũ tương bitum và các phương pháp nghiên cứu chế tạo ổn định nhũ tương bitum

Kết quả phân tích định tính và định lợng ...67 Chơng 2 : Giai đoạn chế tạo nhũ tơng Bitum...68 Lời mở đầu Hoà cùng khí thế phát triển mạnh mẽ của nớc ta trong thế kỷ mới thì Bộ giao thô

Mục lục

Lời mở đầu 3

Phần I Tổng quan 5

Chơng I : Tổng quan về dầu thực vật ở Việt Nam 5

1 Thành phần 5

2 Tính chất hoá học 6

Chơng III Nhũ tơng Bitum 9

I Lý thuyết chung về nhũ tơng bitum 9

1 Định nghĩa 9

2 Phân loại nhũ tơng 10

2.1 Phân loại theo pha phân tán và môi trờng phân tán 10

2.2 Phân loại theo tính chất hoạt động bề mặt 10

2.3 Phân loại theo khả năng phân tách – theo ASTM D997-86 10

2.4 Phân loại theo Pháp NF T66-16 11

2.5 Phân loại theo khả năng thi công – theo Caltex 11

3 ứng dụng của nhũ tơng bitum 11

4.Ưu điểm của nhũ tơng bitum trong xây dựng đờng ôtô 13

II Phơng pháp chế tạo nhũ tơng bitum 14

1 Phơng pháp ngng tụ 14

2 Phơng pháp phân tán 14

III Chất nhũ hoá 14

1 Định nghĩa 14

2 Phân loại 15

2.1 Chất hoạt động bề mặt anion 15

2.2 Chất hoạt động bề mặt cation 16

2.3 Chất hoạt động bề mặt mang hai dấu điện 17

2.4 Chất hoạt động bề mặt không ion 18

IV Vấn đề ổn định nhũ tơng 18

1 Sức căng bề mặt của dung dịch chất nhũ hoá 18

2 Cấu tạo lớp điện tích kép 20

3 ổn định nhũ tơng 23

4 Hiện tợng tách nhũ 23

5 Hiện tợng bị đảo pha 25

V Một số chỉ tiêu quan trọng của nhũ tơng bitum trong chế tạo và kiểm định 25

1 Độ nhớt của nhũ tơng bi tum 25

2 Độ ổn định của nhũ tơng bitum trong quá trình lu giữ, bảo quản 27

3 Tốc độ phân tách và hiệu thế Zeta 28

4 Tính bám dính 29

5 Tính đồng nhất 30

V Lựa chọn chất nhũ hoá 30

VI Công nghệ chế tạo nhũ tơng bitum 33

1 Qui trình chế tạo nhũ tơng bitum 33

2 Vấn đề chọn chất nhũ hoá cho phù hợp 33

Phần II : Phơng pháp nghiên cứu 35

Chơng I : Quá trình tổng hợp chất nhũ hoá 35

I Quá trình thuỷ phân dầu 37

II Tổng hợp chất nhũ hoá 40

Chơng II : Chế tạo nhũ tơng Bitum 42

I Chế tạo nhũ tơng Bitum 42

II Sơ đồ nghiên cứu 50

Chơng III: Các phơng pháp đánh giá quá trình thuỷ phân , nghiên cứu tổng hợp chất nhũ hoá và kiểm tra chất lợng nhựa Bitum 51

Chơng I: Hoá chất và thiết bị thực nghiệm 57

Phần III: Kết quả và thảo luận 59

Chơng 1: Giai đoạn tổng hợp chất nhũ hoá 59

I Quá trình thuỷ phân dầu 59

II Kết quả tổng hơp chất nhũ hoá 65

1 Kết quả ảnh hởng của nhiệt độ đến độ chuyển hoá của axít Oleic 65

2 Kết quả phân tích định tính và định lợng 67

Chơng 2 : Giai đoạn chế tạo nhũ tơng Bitum 68

Lời mở đầu

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 , có chất lợng cao góp phần quan trong thúc đẩy sự phát triển của các ngành khác nh thơng mại ,

du lịch , vận tải hành khách, … nhằm thu hút nguồn đầu t 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 nứoc 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 đ

-ợc áp lực của các luồng xe chạy liên tục ngày đêm, đảm bảo đ-ợc lu thông antoàn , kinh tế hiệu quả và các điều kiện khí hậu khắc nghiệt nh ở nớc ta : m-

a , gió , nắng ,bão … nhằm thu hút nguồn đầu t… nhằm thu hút nguồn đầu t… nhằm thu hút nguồn đầu t

Chính vì vậy mà vấn đề thiết kế và đảm bảo vật liệu thi công trong điềukiện cho phép hiện nay đóng một vai trò quan trọng Tuỳ thuộc từng loại đ-ờng mà kết 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 Bitumdầu mỏ đã trở thành một ngành nguyên liệu quan trọng hàng đầu trong côngnghệ 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 dạngsau :

- Công nghệ nhựa nóng : Trớc đây công nghệ này là chủ đạo , khithi công cần đun nóng nhựa lên nhiệt độ thích hợp để làm chúng chảy lỏng rồimới thi công đợc

- Công nghệ nhựa nguội : Sử dụng nhựa đờng dạng nhũ tơng lànhựa đờng ở trạng thái phân tán cao trong nớc đợc ổn định bởi chất nhũ hoálàm cho nhựa đờng vẫn ở trạng thái lỏng ngay ở điều kiện bình thờng Vì vậykhi thi công nhựa đờng ở dạng nhũ tơng thì không cần phải đun nóng ,

Nhng với những đặc tính u việt của mình mà ngày nay công nghệ nhựanguội đã chiếm u thế hoàn toàn và dần dần lấn át công nghệ nhựa nóng Và

nó đợc gọi dới một cái tên là “nhũ tơng bitum”

Ban đầu vào năm 1906 , Schade van Westrum đã phát minh và nhận

đợc bằng sáng chế về nhũ tơng Nó trở nên phổ biến cho đến ngày nay bởikhả năng bám dính với nhiều loại bề mặt rắn khác nhau của chúng

Nhũ tơng Bitum đợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực nh duy tu bảo dỡng ,sửa chữa , rải lớp láng mặt , 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

Khi sử dụng nhũ tơng bitum thì việc thi công các công trình giaothông sẽ rất dễ dàng ,thuận tiện Không cần đun nóng , không gây ô nhiễmmôi trờng, an toàn cho công nhân và ngời đi đờng Có thể cho phép tiến hànhthi công trên mặt đờng ẩm ớt vào mùa ma Tiết kiểm đợc từ 15-30% so vớicông nghệ nhựa nóng Trong nhũ tơng bitum có chứa nớc nên khả năng lènchặt mặt đờng đợc dễ dàng hơn Việc nghiên cứu và chế tạo nhũ tơng bitumtai Việt Nam là rất cần thiết để đáp ứng đòi hỏi , yêu cầu hiện nay

Trong đồ án này , em xin trình bày phần tổng quan lý thuyết về nhũ

t-ơng bitum và các pht-ơng pháp nghiên cứu chế tạo ổn định nhũ tt-ơng bitum, sau

khi đã nghiên cứu kỹ các tài liệu đợc công bố trên thế giới đề phù hợp vớihoàn cảnh nớc ta trong bản luận văn này

Chơng 1 : Tổng quan về dầu thực vật tại Việt Nam

Bảng khảo sát về thành phần của một số dầu thực vật Việt Nam thông dụng

Palmitc(C16:2)

AxitSteric(C18:0)

Axit noKhác

AxitOleic(C18:2)

AxitLinoleic(C18:2)

AxitLinolenic(C18:3)

Thành phần hoá học các axit béo của triglyxerit trong dầu thực vật cóhàng loạt tính chất đặc trng chung Các axit béo trừ trờng hợp đặc biệt, đều làcác axit béo một chức, mạch thẳng và có số nguyên tử cacbon chẵn

Chúng đợc phân chia thành:

Monoglyxerit là este của một phân tử glyxerin với một phân tử axit béomột chức.

CH2OCOR

ờCHOCOR’

ờ

CH2OCOR”

R, R’, R” là các gốc hydrocacbon có thể giống hoặc khác nhau vềcấu trúc

Nếu R khác R’, R” thì glyxerit là loại Triglyxerit hỗn tạp

Nhng axit béo phổ biến trong dầu thực vật là axit oleic

CH2OCOR

ờCHOCOR ờ

CH2OCORQuá trình thuỷ phân dầu lạc và dầu sở chính là quá trình thuỷ phân triglyxerit để thu đợc axit oleic

CH3 - (CH2)7 – CH = CH - (CH2)7 – COOH

Triglyxerit dạng tinh khiết không có màu, không mùi, không vị Màusắc mùi vị khác nhau của dầu lạc là do sự có mặt của các chất kèm theo vớichất lipit tự nhiên thoát ra từ hạt cùng với triglyxerit.

Dầu thực vật do khối lợng phân tử tơng đối của các triglyxerit rất caonên không bay hơi cả trong điều kiện chân không ở nhiệt độ trên 200á2500Ctriglyxerit sẽ bị phân huỷ thành các sản phẩm bay hơi Dới tác dụng của cácenzim thuỷ phân, khi có nớc và nhiệt độ, triglyxerit sẽ bị thuỷ phân thành axitbéo tự do và glyxerin

2/ Tính chất vật lý và hoá học

 Lý tính của glyxerit:

 Glyxerit là những chất lỏng hoặc rắn, rất ít tan vào nớc lạnh, tannhiều hơn trong nớc nóng

 Glyxerit tan trong dầu mỡ và các dung môi hữu cơ

 Điểm sôi của glyxerit thấp hơn rợu và axit có cùng phân tử lợng

 Glyxerit của một số dạng lỏng nhớt, một số khác ở dạng rắn

 Hoá tính của glyxerit

 Tác dụng với kiềm:

Dung dịch kiềm cũng rất dễ dàng phân huỷ các liên kết este của dầu mỡ

Muối kim loại kiềm của dầu béo tan tốt trong nớc tạo nhiều bọt và cókhả năng thấm ớt, nhng muối của kim loại nặng và kiềm thổ không tan trongnớc Xà phòng tạo thành ở trạng thái rắn hay lỏng đều phụ thuộc vào trạngthái ban đầu rắn hay lỏng của các axit béo Xà phòng Kali thờng bền hơn xàphòng Natri Xà phòng khan, tinh khiết nóng chảy ở 225á2500C nhng dongậm nớc nên thờng thấp hơn 1000C

 Tác dụng với nớc:

Glyxerit tác dụng với nớc tạo thành glyxerin và axit béo chính là phảnứng thuỷ phân dầu lạc

Chơng 2 : Nhũ tơng bitum

Trên thế giới lần đầu tiên mặt nhựa đờng đã ra đời vào năm 1175 dongời Đức thực hiện , rồi ngời Pháp cũng đa nhựa bitum vào để rải đờng vàonăm 1854 Loại nhựa đợc dùng đầu tiên là cặn Gudron Sau đó công nghiệphoá ngày càng phát triển , Nhựa bitum , một ít sản phẩm phụ của công nghiệphoá 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 cấp bằng sáng chế số 202021 về nhũ tơng nhựa bitum , sử dụng dới dạngnhựa nguội hoặc ấm dễ dàng thi công cho công nhân , tạo ra một bớc ngoặtmới trong lĩnh vực sử dụng bitum dầu mỏ

Nhũ tơng Bitum là một hệ phân tán lỏng – lỏng trong đó pha phân tán

là nhựa bitum đợc phân tán thành các hạt nhỏ mịn vào pha nớc dới tác dụng cơhọc và đợc ổn định bằng chất nhũ hoá

Mặc dù trên thế giới công nghệ chế tạo nhũ tơng bitum đã rất phát triểnnhng ở Việt Nam chúng ta , thuật ngữ “nhũ tơng bitum “ vẫn còn mới vàchính vì vậy các công trình nghiên cứu về phơng pháp chế tạo nhũ tơng bitumcòn ít , hầu hết còn dừng ở mức độ lý thuyết , cha đợc áp dụng vào trong thực

tế Trong đề tài của mình , em muốn đi sâu nghiên cứu về nhũ tơng bitum để

có thể áp dụng vào trong thực tiễn

I.Lý thuyết về nhũ tơng

1 Định nghĩa

Nhũ tơng 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

đợc gọi là pha phân tán , còn chất lỏng kia đợc gọi là môi trờng phân tán Kích thứơc 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 chấtnhũ hoá Chất nhũ hoá sẽ hấp phụ trên bề mặt các giọt bitum làm giảm sứccăng bề mặt ở mặt phân chia pha giữa bitum và nớc Đồng thời nó tạo ra trên

bề mặt các giọt bitum một lớp màng mỏng kết cấu bền vững , có tác dụngngăn cản sự kết tụ của chúng làm cho nhũ tơng đợc ổn định

2 Phân loại nhũ tơng

Có rất nhiều cách để ngời ta phân loại nhũ tơng bitum , mỗi một nớchay hãng sản xuất lại có cách phân loại khác nhau , Có thể phân loại theocác cách : loại nhũ tơng theo kiểu và loại , theo tốc độ phân tách , theohàm lợng nhựa chứa trong nhũ tơng

2.1 Phân loại theo pha phân tán và môi trờng phân tán

Chủ yếu là hai loại

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

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

là bitum

2.2 Phân loại theo tính chất hoạt động bề mặt

Chủ yếu là 2 loại sau

- Nhũ tơng cation hoạt tính

+ Độ pH của nhũ tơng 1-6

+ Các chất hoạt động bề mặt là muối alkylamin , muối amoni bậc

4 , các muối amin axit

- Nhũ tơng Amin hoạt tính+ Độ pH của nhũ tơng 8-12

+ Các chất hoạt động bề mặt là các muối của các axit béo , cácmuối sufua

-Nhũ tơng không ion

- Nhũ tơng loại bột nhão

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 :RS

- Nhũ tơng phân tách trung bình :MS

- Nhũ tơng phân tách chậm :SS

2.4 Phân loại theo Pháp NF T66-16

Đợc phân ra phụ thuộc vào loại hoạt tính chất hoạt động bề mặt(Cation hoạt tính hoạc amin 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

Có 4 loại nhũ tơng nh sau

- Nhũ tơng phân tách chậm : EAL,ECL

- Nhũ tơng phân tách nhanh : EAR,ECR

- Nhũ tơng phân tách trung bình : ECM

- Nhũ tơng siêu ổn định : EAS ,ECS

2.5 Phân loại theo khả năng thi công – theo Caltex:

- Stable mix grade : Là một công nhũ tơng thích hợp để trộn vớicác hạt khoáng mịn , cát nghiền Hỗn hợp ở dạng mịn và có tốc độ phân táchchậm

3 ứng dụng của nhũ tơng Bitum

Đợc phát minh ra ở châu Âu từ cách đây hơn 60 năm , ngày naynhũ tơng 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 dínhnày và nghiên cứu hoàn chỉnh các kỹ thuật thi công Từ trớc đến nay nớcPháp vẫn là nớc đứng đầu trong danh sách những nớc sản xuất nhũ tơng nhựabitum trên thế giới , dù là tính về số lợng so với số dân , khối lợng so với diệntích hay số lợng so với tổng lợng nhựa bitum dùng trên mặt đờng ôtô

Bên cạnh nớc Pháp , nớc Anh , Nga , Mỹ và rất nhiều nớc khác trênthế giới cũng đã đa vào sản xuất và ngày càng hoàn thiện công nghệ chế tạonhũ tơng nhựa bitum

Sở dĩ bitum nhũ tơng đợc các nớc sản xuất và sử dụng mạnh mẽ nhvậy 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

hợp này ta dùng loại nhũ tơng có độ phân tách nhanh , nhất là nhũ tơngCation hoạt tính.

- Rải lớp thành mặt hoặc trộn đá tại nơi thi công , thờng dùng loạinhũ tơng có độ phân tách thờng

- Trộn hỗn hợp cấp đá nhũ tơng ở trạm trộn , thờng sử dụng nhũtơng phân tách chậm

- Công nghệ vữa nhựa hạt thô rải nguội để khôi phục mặt đờng cũ, thờng sử dụng nhũ tơng phân tách chậm hoặc siêu ổn định

- Làm dính bám giữa hai lớp móng và mặt , làm lớp tạo màng bảodỡng bêtông ximăng Sử dụng gia cố đất nền , lớp bề mặt mới đắp ở đờng

đê bao hay đất nông nghiệp đợc cày xới rất dễ bị rửa trôi bề mặt hoặc sụt lở

Do đó cần làm cho bề mặt đất ổn định bằng chất liên kết hoặc là tạo sự ổn

định của nền đất bằng cách trông thêm cây Nhũ tơng đợc phun lên bề mặt

đất sẽ kết dính lớp đất mặt lại với nhau và giúp cho hạt nẩy mầm thuận lợihơn

- Công nghệ chống thấm đợc sử dụng để tạo ra màng chống thấmgiữa các lớp móng bêtông và phần kết cấu bêtông phía trên công trình xâydựng , mục đích là giữ độ chắc của lớp bê tông đang đợc thi công ở phía trêncông trình , ngăn không cho nớc ở kết cấu bêtông phía trên thấm xuống kếtcấu móng phía dới Lớp nhũ tơng ngăn không cho móng và kết cấu bêtôngphía trên đông kết liền nhau , 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 nhữngtải trọng bên trong kết cấu

- Lớp phủ bảo vệ các công trình bêtông , đờng ống và các kết cấukim loại chôn ngầm dới đất Để nâng cao tính bám dính của lớp chất liên kếtmỏng 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 cácloại có chứa mủ cao su là loại vật liệu rẻ tiền và có hiệu quả để chèn các khe

hở trong các vật liệu gia cố Bitum để ngăn nớc xâm nhập vào bên trong cáclớp cấu trúc mặt đờng

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 kém hơn

- Không gây nguy hiểm cho công nhân , không gây độc hại chonhững ngời công nhân trực tiếp dải đờng , ngời đi đờng , ngời dân sống quanhnơi thi công công trình và cũng không gây ô nhiễm môi trờng , góp phần làmxanh ,sạch , đẹp môi trờng và giúp môi trờng bền vững hơn.

- Sau khi dải đờng các tính chất cơ bản của nhựa đờng lại đợcnhanh chóng hồi phục , đảm bảo nhanh chóng trả lại mặt đờng láng mợt thôngthoáng cho các phơng tiện tham gia giao thông trên đờng

- Có khả năng thi công trên mọi địa hình , trong mọi điều kiện thờitiết bất lợi và khí hậu khắc nghiệt nh ma , bão , giông tố thất thờng, giúp chotiến độ thi công luôn đợc đảm bảo hoàn thành theo đúng dự án kế hoạch ban

đầu mà không phải phụ thuộc vào bất cứ yếu tố nào

- Việc dự trữ , vận chuyển nhũ tơng nhựa bitum từ nơi sản xuất đếnnơi thi công cũng đặc biệt thuận lợi vì có thể tập kết ở kho gần , do đó giảm đ-

ợc tối đa chi phí vận chuyển , mang lại lợi nhuận cao hơn

- Thành phần dung môi thấp , lại là dung môi nớc , nên khá rẻ tiềnlại không gây độc hại gì cho môi trờng , 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

ph-ơng pháp phân tán

1 Phơng pháp ngng tụ

Khi chất lỏng M đợc hoà tan vào chất lỏng N ở trạng thái quá bão hoànếu trạng thái quá bão hoà bị vỡ sẽ tạo thành nhũ tơng Có thể phá vỡ trạngthái quá bão hoà bằng cách hạ thấp nhiệt độ của dung dịch hoặc thay đổinồng độ của dung dịch để giảm độ hoà tan

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

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

I Chất hoạt động bề mặt

1 Định nghĩa

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

định nghĩa chất hoạt động bề mặt nh sau

Chất hoạt động bề mặt là hợp chất hoá học, khi hoà tan trong một chấtlỏng sẽ làm giảm sức căng bề mặt của chất lỏng ấy hoặc lực căng ở mặt tiếpxúc của nó với một chất lỏng khác do quá trình hấp phụ vào chất này hay chấtkia 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 có những tính chất háo nớc (nhóm a nớc)

- Phần thứ hai có một ái lực đợc tạo ra bởi một nhóm không có cực, làmcho phân tử có những tính chất háo dầu (nhóm kị nớc) Nhóm này thờng làcác hydrocarbon 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 rảirác trong dung dịch Khi nồng độ chất hoạt động bề mặt tăng sẽ dẫn đến hiệntợng tạo các mixen bao gồm vài chục phân tử chất hoạt động bề mặt kết hợplại với nhau Trong mỗi mixen, nhóm kị nớc sẽ định hớng vào bên trong giọtbitum, còn nhóm a nớc sẽ định hớng ra bên ngoài

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

ơng ổn định hơn phải pha vào hệ một cấu tử thứ ba, mục đích làm giảm nănglợng bề mặt Cấu tử thứ ba này là chất nhũ hoá Chất nhũ hoá còn ngăn cản xuhớng keo tụ phá vỡ hệ nhũ tơng

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)

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 kiềmcủa axit béo, 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 bềmặtđã đợc sử dụng từ lâu và đợc dùng rộng rãi để làm gốc chế tạo các loại n-

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

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

- Các chất hữu cơ photpho: Công thức của những chất này hiện nay cónhiều ứng dụng trong công nghiệp Các loại alkylphotphat là những chất đợcứng dụng 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 Côngthức chung 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

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 chỉ mớiphát triển mạnh từ sau chiến tranh thế giới thứ hai

Ngày nay, chúng đợc phát triển mạnh trong những lĩnh vực nh chống ănmòn, tác nhân tuyển quặng, dùng làm chất nhũ hoá và chất làm 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

tử Nitơ mang điện tích dơng, có thể là những chất hữu cơ hoặc là mạch hởhoặc là những vòng phức tạp Sự khác biệt này thờng dùng làm một chỉ tiêuphân loại

Với những đặc tính nh dễ sử dụng trên nhiều bề mặt cốt liệu, khả năngtạo nhũ cao, bám dính tốt nên hiện nay, các chất nhũ hoá cation đợc tập trungnghiên cứu 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 mềmsợi vải

- Các muối amoni bậc 4 alkyl: Các phân tử này có khẩ năng diệt khuẩnrất cao, 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 một nhũ tơng đợc tạo ra với một muối amin, cation tích điện dơng định vịbám 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 bịhấp thụ vào các hạt nhựa nhỏ li ti, gốc –R’ là phần háo dầu chui vào bêntrong các hạt nhựa, còn nhóm N+H3 quay mặt tiếp xúc ra bên ngoài, tạo hệbitum 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 –

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 nàycòn có các axit của các axit amin hay các protein thực vật (nh chất lestin của

đậu tơng) hoặc động vật (nh casein trong sữa)

Khi đó tính anion trong môi trờng kiềm nh sau:

Loại chất hoạt động này bao gồm:

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

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

- Các dẫn xuất của các axit amin: Các chất hoạt động bề mặt này đợcdùng để gây bọt và diệt khuẩn

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 côngnghiệp sơn 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 nhnhựa đa phân tử alkylen oxyt, mercaptan và polyoxyety

IV vấn đề ổn định nhũ tuơng

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 xu 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 cácphân tử tại bề mặt Sức căng bề mặt của một pha là do các phân tử ở bề mặtpha có năng lợng cao hơn pha kia Lực liên kết giữa các phân tử của pha nàolớn hơn sẽ có sức căng bề mặt lớn hơn

Khi hai chất lỏng A và B tiếp xúc nhau , giữa các phân tử của chúngcũng có lực liên kết Giả sử sức căng bề mặt của chất lỏng A là A, của chấtlỏng 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 giữachúng nhỏ Điều này nghĩa là năng lợng của chúng giảm do có sự tiếp xúcgiữa 2 pha Do 2 chất lỏng dần bị phân tán vào nhau nhằm tăng diện tích tiếp

xúc Giới hạn của quá trình phân tán này là 2 chất lỏng trộn lẫn vào nhau tạothành dung dịch A và B

Có thể giải thích cơ chế sức căng bề mặt giữa pha dầu và pha nớc dớitác dụng của chất nhũ hoá nh sau : Trong dung dịch chất nhũ hoá , các phân tửchất hoạt động bề mặt tập trung và bị hấp thụ ở bề mặt dung dịch , các nhóm

kị nớc hớng vào không khí , bề mặt dung dịch đợc bao phủ bởi các nhóm kị

n-ớc Do lực liên kết giữa các hydrocacbon nhỏ hơn giữa các phân tử nớc nênsức căng bề mặt của dung dịch nớc ( bị bao phủ bởi nhóm kị nớc ) sẽ nhỏ hơnsức 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 , cácphân tử dầu và nớc không tiếp xúc trực tiếp với nhau mà qua phân tử chất hoạt

động bề mặt Các nhóm kị nớc hớng vào dầu,các nhóm a nớc hớng vào nớc.Lực liên kết giữa dầu và nhóm kị nớc cũng nh lực liên kết giữa nhóm a nớc vànớc thờng lớn Do đó chất hoạt động bề mặt làm giảm sức căng bề mặt củadầu và nớc Nh vậy sự cân bằng giữa nhóm a nớc và nhóm kị nớc của chất nhũhoá là một yếu tố quyết định sự hấp thụ của nó ở bề mặt lỏng – lỏng Khi sựcân bằng giữa nhóm a nớc và nhóm kị nớc thích hợp , chất hoạt động bề mặthoạt động bề mặt hoạt động có hiệu quả và chỉ có một lợng nhỏ dầu tiếp xúctrực tiếp 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 hởng bởi hàm lợng chất hoạt động bề mặt , nhiệt độ và sự có mặt của cácmuối

Bằng con đờng nhiệt động học , ta có phơng trình mô tả sự phụ thuộcsức căng bề mặt vào kích thớc giọt lỏng

2 Cấu tạo lớp điện tích kép

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

+ 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 cókhả năng hoà tan trong nớc bị ion hoá tạo thành lớp điện tích kép bao bọcquanh giọt nhũ

Đối với nhũ tơng đợc ổn định bằng các hợp chất không ion thì lớp điệntích tại bề mặt giọt nhũ sẽ không phải do sự hấp phụ các ion từ môi trờng phântán mà do ma sát khi tiếp xúc với nhau hay tiếp xúc với môi trờng phân tán mà

do ma sát khi các giọt tiếp xúc với nhau hay tiếp xúc với môi trờng phân tán

Điều này đã đợc nhiều tác giả nghiên cứu và chứng minh bằng thực nghiệm Một chất có hằng số điện môi cao sẽ tích điện khi tiếp xúc với một chất cóhằng số điện môi thấp hơn Nh vậy , do nớc có hằng số điện môi cao nênphần lớn nhũ tơng dầu nớc có điện tích âm còn nhũ tơng nớc dầu lại có điện

tích dơng

Hình 1 : Cấu tạo lớp diện tích kép

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

Dầu Nớc

Hình 2: Lớp điện tích kép ở bề mặt phân chia dầu – ớc n

Lớp điện tích kép gồm 2 phần : một phần cố định nằm sát bềmặt , phần khác phân tán tạo thành lớp phân tán Mật độ điện của các

điện tích ở lớp phân tán giảm mạnh theo qui luật hàm số mũ

Khi không có mặt chất nhũ hoá , sự phân bố thế của lớp thế củalớp điện tích kép 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) , thế Zeta đủ lớp để ổn định nhũ tơng Giới hạn để ổn định nhũtơng là thế Zeta=100V

Dầu Nớc Dầu Nớc Dầu Nớc

V x 

(a) (b) (c)hình vẽ 3: lớp điện tích kép ở trên bề mặt phân chia pha dầu / nớc

(a) : không có chất hoạt động bề mặt

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

4.Hiện tợng tách nhũ

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

Ban đầu do có sự khác nhau về tỉ trọng giữa pha phân tan và môi trờngphân tán , nhũ tơng bị phân tán làm 2 phần có nồng độ chất phân tán khácnhau Tốc độ lắng của nhũ đợc tính theo phơng trình stocke

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 cácgiọt nhũ , nhũ tơng phải có phân bố kích thớc giọt hẹp , kích thớc của các giọtnhỏ , hoặc tỷ trọng giữa các pha tạo nên nhũ tơng phải xấp xỉ nhau , điều nàyrất 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 dụngkhuấy trộn mạnh

Quá trình phá nhũ hoàn toàn xảy ra khi các giọt bitum kết hợp lại vớinhau thành các giọt bitum lớn hơn làm giảm số lợng giọt trong nhũ tơng Quá

trình kết hợp này xảy ra liên tục , đến một lúc nào đó nhũ tơng bị phân táchthành hai quá trình riêng biệt

Quá trình kết tụ xảy ra theo hai bớc : Ban đầu các giọt nhũ có xuhớng tập hợp lại , tạo thành một tập hợp giọt Trong mỗi tập hợp giọt các giọtnhũ tiếp xúc trực tiếp với nhau khi phân tử chất nhũ hoá trên bề mặt giọt nhũtơng bị khử hấp phụ do đó mà chúng kết hợp lại tạo thành các giọt có kíchthớc lớn hơn Lúc này nhũ tơng bị lắng đọng và phân tách nhanh chóng Nhvậy lực hấp thụ của chất nhũ hoá đối với pha phân tán có vai trò rất quan trọngtrong quá trình ổn định nhũ tơng , ngăn cản quá trình kết tụ của các giọt nhũlại với nhau

5 Hiện tợng bị đảo pha

Sự đảo pha trong nhũ tơng là một hiện tợng phổ biến vốn tồn 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 tơng ngợclại với nhũ tơng ban đầu Nghĩa là pha phân tán (bitum) lúc này đã trở thànhmôi trờng phân tán và ngợc lại môi trờng phân tán (nớc) đã trở thành pha phântán

Ngoài ra hiện tợng đảo pha còn xảy ra do tác dụng cơ học lâu dài trongmột số điều kiện nhất định

Khi quan sát bằng kính hiển vi ngời ta thấy rằng trong quá trình đảopha sẽ bắt đầu bằng việc các giọt của pha phân tán bị kéo dài ra , chuyểnthành màng , rồi sau đó các màng mới đợc tạo thành này bao bọc lấy môi tr-ờng phân tán của nhũ tơng ban đầu , dần dần đã biến môi trờng phân tán trỏthành pha phân tán Một điều lý thú là do sự phân tán không đồng đều chấtnhũ hoá trong các khu vực nhỏ khác nhau của hệ mà trong sự đảo pha có thểsuất hiện cái gọi là đa nhũ tơng , tức là các gịot dầu của nhũ tơng dầu / nớc lại

có thể chứa những giọt 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

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 Độnhớt đặc trng cho khả năng dùng nhũ tơng bitum ở những mặt đờng khác nhauTính chất này cơ bản phụ thuộc vào nồng độ chất kết dính trong nhũ tơng Hàm lợng bitum càng lớn thì độ nhớt cuả nhũ tơng càng cao và tăng theo hàm

số mũ

Ví dụ với những nhũ tơng chứa lợng chất kết dính bitum trong khoảng50-65% thì độ nhớt tăng không lớn khi tăng nồng độ bitum Ngợc lại khi hàmlợng Bitum lớn hơn 65% thì chỉ cần thay đổi một lợng nhỏ bitum cũng làmthay đổi đáng kể độ nhớt của nhũ tơng(hình VII.1)

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 của

nhiệt 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 tơngbitum Sự thay đổi vận tốc dòng vào thùng khuấy sẽ làm thay đổi sự phân bốkích thớc hạt nhũ tơng , nếu thành phần của bitum không vợt quá 65% về khốilợng thì độ nhớt của nhũ tơng bitum ít phụ thuộc vào vận tốc dòng , nhng khithành phần của bitum không vợt quá 65% về khối lợng thì độ nhớt của nhũ t-

ơng ít phụ thuộc vào vận tốc dòng , nhng khi thành phần của bitum vợt quá65% về khối lợng thì sẽ làm thay đổi sự phân bố kích thớc hạt và do đó làmthay đổi đáng kể độ nhớt của nhũ tơng bitum(hình 2.7.1.b)

Một yếu tố cũng rất quan trọng tác động đến độ nhớt của nhũ tơngbitum là độ nhớt của bitum Nếu độ nhớt của bitum trong thùng khuấy thấpthì kích thớc hạt của nhũ tơng sẽ giảm đi và có khuynh hớng làm tăng độ nhớtcủa nhũ tơng Điều này có thể khắc phục bằng cách thêm vào nó một lợngnhỏ (2-4% khối lợng) dung môi (thờng là dầu hoả ) để pha loãng bitum

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

động lực học Sự ổn định này bắt nguồn từ xu hớng của hệ thống , theo thờigian giảm bớt năng lợng bề mặt tự do , biểu hiện trong thực tế bằng sự giảmdần bề mặt tiếp giáp giữa nhựa bitum và alkyletanolamin làm chất nhũ hóa Giai đoạn cuối cùng của sự biểu diễn này là sự phân chia các thành phần haipha riêng biệt không hoà tan đợc vào nhau Dấu hiệu đầu tiên là hiện tợnglắng xuống : Pha bị phân tán hoặc là bị tập hợp ở phía duới hoặc nổi lênthành kem dạng bọt , yếu tố quyết định của hiện tợng này là sự chênh lệch tỉtrọng 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 ngợc lại 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 cácmàng bảo vệ của chất hoạt tính bề mặt ,lúc này không thể đảo ngợc đợc Quátrình này 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 thànhphần hạt của nhũ tơng và thành phần hạt này bản thân lại phụ thuộc vào nhiềuthuộc tính số : tính chất và số lợng nhũ hoá , độ pH của pha “nớc” , lainguyên và loại nhựa bitum , nhiệt độ của mỗi pha , đặc biệt là nhiệt độ củanhựa bitum khi chế tạo nhũ tơng bitum, kiểu và loại sản xuất nhũ tơng bitum

3 Tốc độ phân tách và hiệu số Zeta

+ Tính ổn định của nhũ tơng nhựa bitum đối với đá là một tính chất cơbản có nhiều công trình đợc công bố : Y.BELLANGER vào năm 1953 ,J.C.Vogt vào năm 1964 , M Bossel và C.Chambu vào năm 1984 , và đợc giảIthích bằng nhiều 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 làphân tán , thành một hệ thống hở hoặc một số hệ thống lỏng dẻo

+ Hiệu số Zeta : Lý thuyết của sự tạo nên nhũ tơng đòi hỏi rằng cáctiểu cầu nhựa bitum phải bao quanh hai vòng ảnh hởng , hay còn gọi là mộtlớp kép bao gồm : Một vùng tác động của lực hút phân tử , đây là phần cố

định dính bám chặt vào nhựa và một vùng không rõ ràng sức đẩy tĩnh điện này

mà các tiểu cầu có thể di động dễ dàng trong một môI trờng điện lực Có mộthiệu thế giữa bề mặt ngăn cách phần động và phần tĩnh với phần chất lỏng ,

đây là hiệu điện thế Zeta rất hấp dẫn trong việc nghiên cứu về hiệu chỉnh cáccông thức chế tạo nhũ tơng

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 ẩmcủa mặt đất đá , bụi… nhằm thu hút nguồn đầu t

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 tủahình thành một chất amin cacbonat không hoà tan sẽ gây dính bám giữa bềmặt nhựa và mặt đá

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

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

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

không có lực hút nào, và cũng không có phản ứng nào , không có dínhbám (trờng hợp nhũ tơng anion),

hình 3: Mối quan hệ tơng hỗ giữa các yếu tố sản xuất và đặc tính

của nhũ tơng

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 tợngphá nhũ

V 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 tơngmới 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 địnhphẩm chất và tính hiệu quả của nhũ tơng chế tạo sau này

Để cho sự hấp phụ các ion hữu cơ xảy ra đợc tốt thì ion phải khá hoạt

động bề mặt và có mạch hydrocacbon tơng đối dài ,số C từ 17-22 Đó phải làcác hợp chất cao phân tử hay các oligome Tuy nhiên các chất hoạt động bềmặt quá mạnh cũng không phải là chất nhũ hoá tốt , một chất nhũ hoá tốt thìphải có độ tạo bọt tơng đối thôi và có kích thớc nhỏ Các chất nhũ hoá chỉ cótác dụng ngăn cản sự kết dính giữa các hạt khi nó có mặt trên bề mặt các hạtnghĩa là nó tan tốt trong môI trờng phân tán nhng lại không tan trong phaphân tán Điều này đợc đảm bảo nhờ sự cân bằng giữa phần phân cực vàkhông phân cực của chất nhũ hoá (HLB) Các chất nhũ hoá mà trong phân tửcủa chúng có phần phân cực của chất nhũ hoá (HLB) Các chất nhũ hoá màtrong phân tử của chúng có phần phân cực có tác dụng trội hơn phần khôngphân cực sẽ có xu hớng tạo nên nhũ tơng loại dầu – nớc Thuộc loại này cócác hợp chất amin , các alcol hay các muối kim loại kiềm của các axit béocác muối sufonat Ngợc lại phân tử của chất nhũ hoá có phần không phân cựctác dụng trội hơn phần 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 Phần lớn các phơng pháp tính HLB hiện nay đều dựa trên cơ sở của phơngpháp này

Bảng sau là các khoảng HLB thích hợp cho từng hệ

Nh vậy chỉ số HLB trong khoảng 4-6 là phù hợp để chế tạo nhũ tơngdầu/ nớc Các hợp chất có chỉ số HLB nằm ngoàI khoảng mặc dù có tính chấthoạt 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 với phần 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 trìnhtrên 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 trongnhũ tơng Không thể chỉ sử dụng chỉ số HLB để đánh giá độ ổn định của nhũtơng Việc xác định các giá trị HLB có ý nghĩa hơn khi đặt nó trong mốiquan hệ với các yếu tố khác nh tính chất của chất nhũ hoá , cấu trúc của phân

VI Công nghệ chế tạo nhũ tơng

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 quyếttốt Tuy nhiên ở Việt nam vẫn còn cha đợc đàu t nghiên cứu sâu Việc lựachọn chất hoạt động bề mặt nh thế nào để phù hợp với chất phân tán là asphancòn có nhiều khó khăn

Chất hoạt động bề mặt Anion thờng đợc sử dụng trong chế tạo bitumnhũ tơng hiện nay là các muối sulfonat Chất hoạt động bề mặt Cation thờng

là hợp chất amin dạng Oligome ở Việt Nam chất nhũ hoá loại amin đợc sửdụng khi xây dựng đờng 5

Tuy nhiên các trờng hợp nay 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 vôcơ (CaCl2 chẳng hạn), các axit

Trong bản luận văn này em xin trình bày nghiên cứu của mình về tổnghợp chất nhũ hoá từ nguyên liệu dầu thực vật Việt Nam , để chủ động nguồnnguyên liệu Độ ổn định của nhũ đợc đánh giá qua khả năng phân tách vàphân bố tập hợp giọt

Phần II phơng pháp nghiên cứu

Chơng1: quá trình tổng hợp chất nhũ hoá

Trong quá trình tạo nhũ luôn luôn có sự tạo thành cả hai dạng nhũ t

-ơng dầu – 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 hạtkhi nó có mặt trên bề mặt các hạt, nghĩa là nó tan tốt trong môi trờng phân tánnhng lại không tan trong pha liên tục Điều này đợc đảm bảo nhờ sự cân bằnggiữa phần phân cực và không phân cực của các phân tử chất nhũ hoá(HLB).Các chất nhũ hoá mà trong phân tử của chúng phần phân cực có tácdụng tạo nên nhũ tơng loại dầu nớc Thuộc loại này có các hợp chất amin, cácalcol hay muối kim loại kiềm của các axit béo, các muối sulfonat… nhằm thu hút nguồn đầu t

Do vậy để có chất nhũ hoá tốt thì chúng ta trớc tiên phải lựa chọn loạidầu có thành phần và tính chất phù hợp với bản chất nhũ hoá ta đang cần tìm

Muốn vậy trớc tiên ta cần khảo sát một số thành phần của một số loạidầu thực vật thông dụng đa ra trong bảng 1

palmitc

AxitStearic

Axit nokhác

Axitoleic

Axitlinoleic

Axitlinolenic

các loại dầu này khá rẻ và cũng phổ biến nên ta sẽ chọn 2 loại dầu này

để thuỷ phân theo phơng pháp thuỷ phân với nớc

+ dầu hớng dơng là dầu cha nhiều axit linoleic (hàm lợng axit linoleic

là 55-65%) nhất nên ta sẽ sử dụng loại dầu này để thuỷ phân theo phơng phápthuỷ phân với kiềm

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 … nhằm thu hút nguồn đầu tbằng 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

-Cách xác định chỉ số axit

+Nguyên tắc: là dựa vào phản ứng trung hoà giữa axit béo và kiềmtrong môI trờng hỗn hợp gồm rợu etylic và ete etylic

+Cách xác định

Cân chính xác 3-5 g dầu cho vào bình nón, thêm khoảng 20 ml C2H5

-OH cho vào,để hoà tan mẫu, sau đó, rồi cho 2-3 giọt chất chỉ thịthymolphtalein rồi chuẩn bằng dung dịch KOH 0,1 N cho đến khi dung dịchxuất hiện màu hồng nhạt và không mất đi sau 30 giây

Tiến hành khảo sát sự ảnh hởng của các yếu tố: nhiệt độ, lợng xúctác axit, lợng LAS, lợng H2O tới độ chuyển hoá của dầu.

I.1.1.Nghiên cứu ảnh h ởng của xúc tác H 2 SO 4

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, lợng nớc, lợng LAS , và nhiệt độ

1.1.2.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 kém cho nên taphải tìm lợng LAS thích hợp trong khoảng từ 1-10g bằng cách cố định cácthông số khác nh : lợng dầu, lợng nớc, lợng xúc tác axit H2SO4

I.1.3.Nghiên cứu ảnh h ởng của l ợng H 2 O

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.1.4.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 dàng 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 lớnhơn 1000C thì sẽ làm bay hơi nớc và nếu quá trình thuỷ phân giữ nớc khôngtốt sẽ làm cho phản ứng thuỷ phân xảy ra theo chiều nghịch sẽ làm giảm độchuyển hoá của dầu Mặt khác nhiệt độ cao có thể xảy ra phản ứng phân huỷcác chất bởi vì các chất tham gia phản ứng thuỷ phân đều là các hợp chất cao

phân tử không bền Vì vậy cần khống chế nhiệt độ cho thích hợp trong khoảng

từ 60-1000C ,bằng cách cố định các thông số: lợng LAS , lợng dầu ,lợng nớc ,lợng xúc tác axit

1.1.5.Nghiên cứu ảnh h ởng của thời gian phản ứng

Thời gian phản ứng cũng có ảnh hởng rất lớn đến quá trình thuỷ phândầu , thời gian phản ứng ít thì độ chuyển hoá thấp , còn khi tăng thời gianphản ứng thì độ chuyển hoá tăng , đến một thời gian nào đó độ chuyển hoá sẽkhông tăng đợc nữa mà lại có phần giảm do lợng nớc bay hơi mất vì thế cầntheo dõi thời gian bằng cách cố định : nhiệt độ , lợng dầu , lợng nớc , lợngLAS để tìm thời gian tối u trong khoảng từ 1-5h

II tổng hợp chất nhũ hoá

1 Phơng trình phản ứng

R-COOH + OH-(CH2)2-NH-(CH2)2-OHR-CO-N-(CH2)2OH

(CH2)2OH

trong đó R = CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7- là gốc axit oleic

2.Nghiên cứu các yếu tố ảnh hởng đến quá trình

2.1.ảnh hởng của nhiệt độ

Nhiệt độ là yếu tố ảnh hởng rất lớn tới hiệu suất của phản ứng, nếunhiệt độ thấp thì độ chuyển hoá cũng thấp, còn nhiệt độ cao thì tốn nhiệt màcha chắc độ chọn lọc của sản phẩm đã cao Trong điều kiện của phản ứng này

ta sẽ khảo sát nhiệt độ trong khoảng từ 100-1500C Giữ các thông số khác cố

định nh: lợng axit oleic, lợng diethanolamin

thay đổi nhiệt độ ta sẽ tìm đợc nhiệt độ thích hợp

Cụ thể nh sau: cân chính xác 150g axit gia nhiệt đến nhiệt độ cần khảosát, sau đó cho 65g điethanolamin vào và giữ ở nhiệt độ cần khảo sát , tiếnhành phản ứng trong nhiều giờ , mỗi giờ lấy mẫu ra để phân tích , kết quả ta

sẽ tìm đợc nhiệt độ tối u

2.2 ảnh hởng của thời gian phản ứng

Thời gian phản ứng để tạo chất nhũ hoá có ý nghĩa rất lớn trong việchình thành chất nhũ , thời gian ngắn thì độ chuyển hoá của axit oleic là thấp ,

do đó lợng chất nhũ hoá sẽ tạo ra không đợc nhiều , và sẽ ảnh hởng đến khảnăng nhũ hoá sau này, trong khi đó nếu thời gian quá dài

mà độ chuyển hoá của axit oleic đã cao, không thể hơn đợc nừa thì là

điều không cần thiết, kéo dài chỉ gây lãng phí thời gian và tốn kém cho nêncần phải khảo sát trong một khoảng thời gian để tìm ra thời điểm thích hợp, cụ