CÔNG NGHỆ các CHẤT HOẠT ĐỘNG bề mặt

Chương 1Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM Công đưa thêm các phân tử trong lòng pha lỏng đến lớp bề mặt dEs = σ.ds hay σ = dEs/ds dEs: năng lượng dư bề mặt 1.1.. Chương 1 Các yếu tố ảnh hưởn

CÔNG NGHỆ CÁC CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT

Chất hoạt động bề mặt là gì?

Chương 1

Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM

Công đưa thêm các phân tử trong lòng pha lỏng đến lớp bề mặt

dEs = σ.ds hay σ = dEs/ds

dEs: năng lượng dư bề mặt

1.1 Sức căng bề mặt và các yếu tố ảnh hưởng

 Sức căng bề mặt (surface tension hay interfacial tension )

Chương 1

 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 sức căng bề mặt của các chất lỏng tiếp xúc với không khí (σx) và của chất lỏng tiếp xúc với nước (σ1) ở 20°C (dyne/cm)

Sức căng bề mặt L – KK (dyne/cm) Sức căng bề mặt L – L (dyne/cm)

Lớp hữu cơ Lớp nước Tính toán Thực nghiệm

Nếu 2 chất lỏng chỉ hòa tan 1 phần vào nhau thì σ trên giới hạn L – L gần bằng hiệu số giữa σ của mỗi chất (đã bão hòa chất kia) so với không khí

Chương 1

Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM

- W Ramsay và J Shields sau khi hiệu chỉnh phương trình của

Chương 1

Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM

- Quan hệ giữa khối lượng riêng và sức căng bề mặt

Theo phương trình McLeod:

σ = K.(D – d)4

Trong đó:

D: khối lượng riêng pha lỏng (g/cm3) d: khối lượng riêng pha khí (g/cm3) K: là hằng số phụ thuộc nhiệt độ và tính chất của chất lỏng

Chương 1

Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM

1.2 Chất hoạt động bề mặt, chất không hoạt động bề mặt và chất không ảnh hưởng

đến sức căng bề mặt

 Các chất hoạt động bề mặt (surfactant: surface active agent)

Là chất có khả năng làm giảm sức căng bề mặt của dung môi chứa nó, có khả năng hấp

phụ lên lớp bề mặt, có độ tan tương đối nhỏ

Sodium lauryl sulfate

Các gốc hydrocarbon không phân cực kỵ

nước, không tan trong nước, tan trong pha

hữu cơ không phân cực

Các nhóm carboxylate, sulfonate, sulfate, amine bậc 4, …

Chương 1

Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM

 Các chất không hoạt động bề mặt

Là những chất mà khi nồng độ của nó trong dung dịch tăng lên thì

sức căng bề mặt tăng lên

Trong nước, các muối vô cơ điện ly, các acid, base vô cơ không có phần kỵ nước

Có rất ít các chất không hoạt động bề mặt hữu cơ: HCOOH,

CH3COOH, …

Trong các dung môi hữu cơ, các chất điện ly cũng làm tăng sức căng

bề mặt, tuy nhiên mức độ gia tăng này tùy thuộc vào bản chất của dung môi

Ví dụ: khi thêm NaI vào MeOH thì sức căng bề mặt sẽ tăng nhiều, nếu thêm NaI vào EtOH thì độ tăng này giảm đi 2 lần

Chương 1

Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM

 Chất không ảnh hưởng đến sức căng bề mặt

là những chất phân bố đều đặn trên cả lớp bề mặt và trong dung dịch, do đó không ảnh hưởng nhiều đến sức căng bề mặt của dung môi

Ví dụ: đường saccharose hòa tan vào trong nước không làm thay đổi sức căng bề mặt trên giới hạn lỏng – khí

CKHĐBM Chất không ảnh hưởng đến sức căng bề mặt

Chương 1

Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM

 Tính hoạt động bề mặt của một chất thì không chỉ phụ thuộc vào bản

chất của nó mà còn phụ thuộc vào môi trường chứa nó (dung môi)

 Sức căng bề mặt của chất lỏng nguyên chất gần như giảm đều đặn

khi nhiệt độ tăng, còn dung dịch chứa CHĐBM có thể là một đường biểu diễn có cực đại

Độ hoạt động bề mặt của câc chất trong dêy đồng đẳng biến đổi có quy luật

Ví dụ: trong dêy đồng đẳng acid có 2 ≤ n ≤ 6, khi nồng độ tăng lín thì sức căng bề mặt của phđn tử có mạch carbon dăi hơn sẽ giảm nhanh hơn

σ

(dyne/cm)

Các đường đẳng nhiệt sức căng bề mặt của

dãy đồng đẳng CHĐBM axit hữu cơ

0,16 35

50 65

Trín cơ sở thực nghiệm DuclauX J vă Trauber I

đê tổng kết thănh quy tắc Trauber I:

“Độ hoạt động bề mặt tăng lín từ 3 đến 3,5 lần khi tăng chiều dăi mạch carbon

lín 1 nhóm – CH2 – ”

Chương 1

Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM

1.4 Các phương pháp xác định sức căng bề mặt

• Phương pháp xác định sự biến đổi của mực chất lỏng trong ống mao quản

• Phương pháp cân giọt chất lỏng

• Phương pháp Lecomte du Nouy

r: bán kính mặt khum ở nơi tiếp xúc

Chương 1

Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM

1.5 Tính chất vật lý của dung dịch

CHĐBM

 Cấu tạo lớp bề mặt trên giới hạn lỏng – khí

Sự hấp phụ tăng tỷ lệ với chiều dài mạch

carbon trong một dãy đồng đẳng và các

đường này đều đạt giá trị giới hạn Γm khi

ΓmΓ

n = 3 4

5

Các đường đẳng nhiệt hấp phụ trên ranh giới

lỏng – khí của dãy đồng đẳng

Γ - số phân tử CHĐBM có trong một đơn vị diện

tích bề mặt phân chia pha

Chương 1

Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM

1.5 Tính chất vật lý của dung dịch CHĐBM (tt)

Chương 1

Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM

 Trạng thái phân tử CHĐBM trong dung dịch

Khi tăng nồng độ CHĐBM tăng đến một độ nào đó thì nó tồn tại dạng tập hợp với nhau, hướng các đầu kỵ nước lại với nhau tạo thành micelle (trong môi trường nước)

Chương 1

Các lý thuyết cơ bản về HĐBM

Cấu trúc và hình dạng của micelle

Chương 1

Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM

Nồng độ dung dịch CHĐBM mà ở đó sự hình thành micelle trở nên đáng kể được gọi là nồng độ micelle tới hạn (CMC)

Chương 1

Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM

 Các yếu tố ảnh hưởng đến CMC của CHĐBM

- Khi mạch carbon tăng lên, CMC giảm xuống; nhưng đến khi số nguyên tử Carbon

> 18, CMC hầu như không đổi

CMC của CHĐBM sodium alkyl sulfate trong nước ở 40°C

CMC x 10 -3 mol/l 140 33 8,6 2,2 0,58 0,23 0,22

- Khi hạ nhiệt độ dung dịch => làm giảm CMC

- Khi thêm chất điện ly vào dung dịch CHĐBM, CMC giảm xuống Tác dụng làm giảm CMC của các ion giảm dần theo dãy sau:

K+ > NH4+ > Na+ > Li+

Chương 1

Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM

1.7 Điểm Kraft

Điểm kraft là nhiệt độ tại đó CHĐBM có độ hòa tan bằng CMC

Bảng điểm kraft của dung dịch alkyl sulfate trong nước

Chương 1

Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM

1.9 HLB (hydrophilic lipophilic balance)

HLB cho biết tỷ lệ giữa tính ái nước so với tính kỵ nước HLB được biểu diễn bằng thang đo có giá trị từ 1 – 40 Các CHĐBM có tính ái nước thấp sẽ có HLB nhỏ, các CHĐBM có tính ái dầu thấp sẽ có HLB lớn Sự gia tăng HLB tương ứng với sự gia tăng của tính ái nước Mối liên hệ giữa mức độ phân tán của CHĐBM trong nước với giá trị HLB

Chương 1

Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM

Ví dụ 1

Tính giá trị HLB của phân tử axít Oleic

- Công thức phân tử: CH 3 (CH 2 ) 7 CH=CH(CH 2 ) 7 COOH

- Nhóm ưa nước: -COOH có giá trị HLB là 2,1

- Nhóm kỵ nước: CH 3 - (1); CH 2 - (14), CH- (2), tổng số bằng 17*0.475 = 8.075 Vậy HLB của axit Oleic là: 7-8,075+2,1=1,025

Ví dụ 2

Tính giá trị HLB của phân tử Sodium oleate

- Công thức phân tử: CH 3 (CH 2 ) 7 CH=CH(CH 2 ) 7 COONa

- Nhóm ưa nước: -COONa, có giá trị HLB là 19,1

- Nhóm kị nước: CH 3 - (1); CH 2 - (14), CH- (2), tổng số bằng 17*0,475 = 8.075 Vậy HLB của sodium oleate là: 7-8.075+19.1=18.1

Chương 1

Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM

HLB = 7 + 11,7 log (Mn/Md) Mn: khối lượng phần tử ái nước trong phân tử Md: khối lượng phần tử ưa dầu trong phân tử

HLB = 20.(1 - S/A) S: là chỉ số xà phòng hóa của ester

A : chỉ số acid của acid béo

Ví dụ

Một hỗn hợp của 20% paraffin wax (HLB = 10) và 80% aromatic mineral oil (HLB = 13) thì tạo thành hệ nhũ có HLB là (10 x 0,2) + (13 x 0,8) = 12,4