CÔNG NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT

Phần 1: Các khái niệm cơ bảnPhần 2: Các phương pháp xác định sức căng bề mặtPhần 3: Tính chất vật lý của dung dịch CHĐBMPhần 4: Đặc tính bề mặt lỏng – rắn và quan hệ bề mặt trong hệ 3 phaCHĐBM là một chất làm ướt có tác dụng làm giảm sức căng bề mặt của một chất lỏng

Trang 1

Chương 1: Lý thuyết cơ bản về CHĐBM

1

Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Khoa Công nghệ Hóa

Trang 3

Phần 1: Các khái niệm cơ bản

1.1 Chất hoạt động bề mặt:

- CHĐBM là một chất làm ướt có tác dụng làm giảm sức căng bề mặt của một chất lỏng

- Sự hấp phụ chọn lọc trên bề mặt dung dịch theo chiều hướng nhất định dẫn đến sự thay đổi trạng thái và các tính chất bề mặt

Trang 4

1.2 Sức căng bề mặt (surface tension, kí hiệu σ):

- Lực căng trên một đơn vị chiều dài cắt ngang bề mặt

- Công cơ học thực hiện khi lực căng làm cho diện tích bề mặt thay đổi một đơn vị đo diện tích

dEs = σ.ds hay σ = dEs/ds Trong đó: dEs: năng lượng dư bề mặt

ds: đơn vị diện tích bề mặt σ: sức căng bề mặt

- Đơn vị của σ:

Theo hệ SI: J/m 2 N/m Theo hệ CGS: Erg/cm 2 , dyne/cm

Trang 5

Các khái niệm cơ bản

Trang 6

Các yếu tố ảnh hưởng

Chất tiếp xúc

Nhiệt độ

Trang 7

1.2 Sức căng bề mặt (tiếp)

• Các yếu tố ảnh hưởng sức căng bề mặt

- Sức căng bề mặt phụ thuộc vào bản chất của chất tiếp xúc

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

Trang 8

Bảng 1.2 sức căng bề mặt của các chất lỏng tiếp xúc với không khí (σx) ở 20C (dyne/cm)

Trang 9

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

Bảng 1.3 sức căng bề mặt của các chất lỏng tiếp xúc với nước

Bề mặt chất lỏng

Trang 10

- Sức căng bề mặt phụ thuộc vào nhiệt độ

W Ramsay và J Shields sau khi hiệu chỉnh phương trình của R Eotvos:

σ.V 2/3 = k(Tc – T – 6) Trong đó: V: thể tích mol của chất lỏng

Tc: nhiệt độ tới hạn k: hằng số, đa số chất lỏng có k ≈ 2,1 (erg/độ) Ngoài ra: σ =

σx(1 – T/Tc) n

Với chất hữu cơ n = 11/9, với kim loại n ≈ 1

Trang 12

Các khái niệm cơ bản

1.3 Chất hoạt động bề mặt:

- 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

12

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, …

Phần 1:

Trang 13

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

Trang 15

Các đường đẳng nhiệt sức căng bề mặt của dẫy đồng

đảng CHĐBM axit hữu cơ

0,36 0,16

35 50 65

Quy tắc Trauber I:

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

lên 1 nhóm – CH2 – ”

Phần 2:

Trang 16

Các phương pháp xác định sức căng bề mặt

16

- 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

P1, P2 : áp suất pha khí ở trong và ngoài ống mao quản

 σ = 1/2 (R0.g.h(ρβ – ρα))/cosθ

Phần 2:

Trang 17

Các phương pháp xác định sức căng bề mặt

17

-Phương pháp cân giọt chất lỏng:

+) Một vài giọt chất lỏng được nhỏ ra từ mao quản thủy tinh của dụng cụ đo sức căng và được cân để tính khối lượng

W = 2πrσTrong đó: W là khối lượng của giọt chất lỏng

r là bán kính mao quản

Phần 2:

Trang 18

Tính chất vật lý của dung dịch CHĐBM

18

3.1 Cấu tạo chất bề mặt trên danh giới lỏng- khí

bề mặt là làm giảm năng lượng tự do của đường danh giới pha

tử CHĐBM, sức căng bề mặt giảm Mật độ của CHĐBM tập trung tại danh giới pha càng lớn thì sức căng bề mặt càng giảm

- Nồng độ CHĐBM trên danh giới pha phụ thuộc vào cấu trúc của CHĐBM và bản chất của 2 pha tiếp xúc

Phần 3

Sự phân bố của các CHĐBM trên danh giới pha

Trang 19

Các đường đẳng nhiệt hấp phụ trên ranh giới lỏng – khí của dãy đồng đẳng

 - số phân tử CHĐBM có trong một đơn vị diện tích bề mặt phân chia pha

Phần 3

Trang 20

3.2 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 mixen

Phần 3

Trang 21

3.2 Trạng thái phân tử CHĐBM trong dung dịch

- Cấu trúc và hình dạng mixen thay đổi tùy thuộc vào cấu trúc của CHĐBM (kích thước của nhóm ưa nước và kị nước)

Phần 3

Cấu tr úc của mixen

Trang 22

3.2 Trạng thái phân tử CHĐBM trong dung dịch

Hình dạng và kích thước của mixen được xác định bởi tỉ lệ của diện tích nhóm kị nước (v/lc) và diện tích đầu ưa nước (ac)

v = 27,4 + 26,9n

lc = 1,5 + 1,265n

n là tổng số C của nhóm kị nước

Trang 24

- Tại nồng độ CMC, các tính chất của dung dich CHĐBM thay đổi đáng kể

Sự phụ thuộc các tính chất vật lý vào nồng độ của dung dịch CHĐBM

Trang 25

Phần 3

3.3 Nồng độ mixen tới hạn

•Các yếu tố ảnh hưởng đến CMC của CHĐBM

+) CMC phụ thuộc vào cấu trúc hóa học của CHĐBM

- CMC giảm mạnh khi tăng chiều dài chuỗi ankyl của CHĐBM

Trang 26

Phần 3

- CMC của CHĐBM không ion thấp hơn so với

CHĐBM ion tương ứng CHĐBM cation có CMC cao hơn một chút so với CHĐBM anion Nhóm ưa nước cũng ảnh hưởng đến CMC

- Mạch alkyl nhánh, chứa nối đôi, vòng benzen hay một vài nhóm phân cực trong nhóm kị nước cũng

ảnh hưởng đáng kể đến CMC.

Trang 27

Phần 3

đến CMC tùy thuộc vào loại CHĐBM Đa số CHĐBM, khi tăng nhiệt độ, CMC tăng

Trang 28

Phần 3

+) Ảnh hưởng của chất điện ly

- Thêm chất điện ly làm giảm mạnh CMC

- Chất điện ly có ảnh hưởng tăng khi chiều dài mạch cacbon tăng

- Khi có mặt chất điện ly, ảnh hưởng của số cacbon trong mạch alkyl đến CMC càng lớn

Sự thay đổi CMC theo số cacbon trong mạch alkyl với sự có mặt của chất điện ly (Cs là nồng

độ chất điện ly)

Trang 30

Phần 3

+) Ảnh hưởng của các chất tan khác:

- Có thể làm tăng hoặc giảm CMC phụ thuộc độ phân cực của chất tan Thêm các chất tan tốt trong nước có thể làm tăng nhẹ CMC

- Các chất tan không mang điện tích làm giảm CMC

Ảnh hưởng của các alcohol đến CMC

của kali dodecanoat

Trang 31

Phần 3

3.3 Điểm Craft:

- Điểm Kraft: là nhiệt độ tại đó CHĐBM có độ hòa tan bằng CMC

(nhiệt độ nhỏ nhất có thể tạo thành mixen)

Sự phụ thuộc độ hòa tan CHĐBM vào nhiệt độ

Trang 32

Phần 3

- Các yếu tố ảnh hưởng đến điểm Kraft

+) Điểm Kraft tăng mạnh khi tăng chiều dài mạch alkyl

+) Điểm Kraft phụ thuộc mạnh vào đầu ưa nước

+) Thêm chất điện ly thường làm tăng điểm Kraft, trong khi các

chất tan khác làm giảm điểm Kraft

Số nguyên tử

Điểm kraft

Trang 33

+) Là nhiệt độ tại đó CHĐBM không ion không thể hòa tan, tách

ra khỏi dung dịch làm dung dịch trở nên đục

+) Phía trên điểm đục, dung dịch bao gồm các mixen tự do ở

Điểm đục của CHĐBM không ion

Trang 34

Phần 3

- Các yếu tố ảnh hưởng đến điểm đục:

+) Tăng nhóm EO trong phân tử CHĐBM làm giảm điểm đục+) Ảnh hưởng của nhóm kị nước

Trang 35

Phần 3

3.4 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

Trang 36

Phần 3

- Công thức thực nghiệm để tính giá trị HLB

+) Tính theo cấu trúc : HLB = 7 + HLB nhóm ái nước - HLB nhóm kỵ nước

HLB của nhóm ưa nước và nhóm kị nước

Ví dụ: Tính giá trị HLB của phân tử Sodium oleate

- Công thức phân tử: CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COONa

Trang 37

37

Trang 38

Phần 3

+) Công thức kawakami

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

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

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

A : chỉ số acid của acid béo

Trang 39

Đặc tính bề mặt lỏng – rắn và quan hệ bề mặt trong hệ 3 pha

Phần 4

• Sự hấp phụ của CHĐBM trên bề mặt chất rắn bị ảnh hưởng của 2 yếu tố :

+) tương tác của CHĐBM với bề mặt

+) ảnh hưởng của tính kị nước.

- Với bề mặt kị nước, CHĐBM hướng phần kị nước về phía bề mặt, còn phần

ưa nước hướng vào chất lỏng NL tự do hấp phụ gần bằng NL tự do tạo mixen

- Với bề mặt ưa nước, ở nồng độ CHĐBM thấp, phần ưa nước hấp phụ trên bề mặt

Sự hấp phụ của CHĐBM trên

bề mặt chất rắn không phân cực (a) và phân cực (b)

Trang 40

Phần 4

• Quan hệ bề mặt trong 3 pha:

- Chu vi giọt chất lỏng là giới hạn tương tác của 3 môi trường: R, L, K,

chúng tạo thành từng cặp phân cách: rắn - lỏng, rắn - khí, lỏng - khí.

- Độ thấm ướt được đo bằng góc thấm ướt, là góc hình thành giữa tiếp tuyến của giọt chất lỏng tại điểm tiếp xúc giữa 3 pha rắn, lỏng, khí với bề mặt của pha rắn.

Tiếp xúc giữa 3 pha Rắn – Lỏng – Khí

Trang 41

Phần 4

- Khi thấm ướt, các phân tử trong giọt chất lỏng sẽ chuyển

động lan trên bề mặt của pha rắn theo khuynh hướng thay thế

bề mặt tiếp xúc rắn – khí có sức căng bề mặt (SCBM) lớn (σ RK) bằng bề mặt tiếp xúc R/L có SCBM nhỏ hơn (σRL), như vậy là hệ giảm SCBM

- Khi cân bằng được thiết lập, quá trình dừng lại, tại biên giới tiếp xúc của 3 pha có cân bằng lực

Do vậy : σRK = σRL + σ LK cosθ

Trang 42

Phần 4

Định dạng
Số trang	42
Dung lượng	2,42 MB