XĂ PHềNG - CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT TIÍU BIỂU 1. ĐỊNH NGHĨA VĂ PHĐN LOẠI
Xă phũng theo nghĩa hẹp lă muối của monoaxit bĩo. Xă phũng cú phđn tử tương đối lớn, cú tớnh chất hoạt động bề mặt vă do đú cú nhiều tớnh chất quan trọng trong đời sống vă kỹ thuật. Muối của cõc axit bĩo năy gọi lă xă phũng thường.
Thụng thường người ta hiểu xă phũng với nghĩa rộng hơn, tức lă gọi lă tất cả cõc chất tẩy rửa lă xă phũng. Sở dĩ gọi lă xă phịng, vỡ tất cả cõc chất tẩy rửa đều cú cấu tạo phđn tử, tớnh chất lý, húa học, cơng dụng kỹ thuật tương tự như xă phũng thường.
Phđn tử cõc xă phịng núi chung đều gồm hai phần: phần ưa lưu lă phần phđn cực, phần ghĩt lưu lă phần khụng phđn cực. Phần ưu lưu thường lă cõc nhúm cacboxyl (-COOH), sunfuric (- OSO2
3 ), sunfonic (-SO2
3 ), cõc nhúm chứa nitơ vă nhúm etilen oxit (-CH2-O-CH2-) kỉm theo nhúm OH. Phần ghĩt lưu gồm: mạch parafin thẳng hoặc nhõnh, vũng benzen hoặc naphtalen với gốc ankyl. Phần ưa lưu cú thể nằm ở một đầu hoặc ở hai đầu hoặc ở giữa phđn tử của xă phũng.
Theo cấu tạo phđn tử, xă phũng được chi lăm bốn nhúm sau:
1.1. Xă phũng anion hoạt động
Phđn tử của xă phịng thuộc nhúm năy cú một hoặc một số nhúm chức. Khi hũa tan trong nước cõc nhúm chức cú khả năng phđn ly thănh cation kim loại vă anion hữu cơ. Cõc anion hữu cơ quyết định tớnh hịa tan của xă phũng.
Vớ dụ: Xă phịng natri stearat: C17H35COONa Xă phũng natri oleat: C17H33COONa Xă phũng ankyl sunfonat: CnH2n+1SO3Me Xă phũng ankyl aryl sunfonat: CnH2n+1C6H4SO3Me Trong đú: Me lă cation húa trị 1 (Na, K, NH
4)
Cõc sunfoaxit lă những axit mạnh, nớn khơng chỉ cõc muối của chỳng với cõc cation húa trị 1 mă cả muối với cõc cation húa trị cao đều tan khõ tốt trong nước tạo thănh dung dịch nước với tất cả cõc tớnh chất đặc trưng của dung dịch xă phịng. Đú cũng lă ưu điểm của loại xă phịng sunfo so với cõc xă phịng thường. Chỳng cú thể dựng lăm chất tẩy rửa trong nước cứng vă cả trong mụi trường axit.
1.2. Xă phũng cation họat động
Phđn tử của cõc chất năy khi tan trong nước cõc nhúm chức phđn ly thănh anion vụ cơ vă cation hữu cơ. Cõc cation năy quyết định tớnh chất hịa tan vă cõc tớnh chất khõc của xă phũng. Vớ dụ: Xă phũng octadexyl amoniclorua: C18H37NH3Cl
Xă phũng xetyltrimentyl amoniclorua: C16H33(CH3)3NCl Xă phũng xetyl piridin clorua: C16H33NC6H4Cl
1.3. Xă phịng lưỡng tớnh
Phđn tử của loại xă phũng năy khi tan trong nước sẽ phđn ly thănh anion hay cation hoạt động lă tuỳ thuộc văo độ pH của mụi trường. Khi mụi trường lă axit chỳng sẽ lă cation hoạt động, khi mụi trường lă bazơ chỳng sẽ lă anion hoạt động.
1.4. Xă phịng khơng ion húa
Bớn cạnh cõc xă phịng mă phđn tử của chỳn phđn ly trong dung dịch nước thănh cõc ion cịn cú cõc xă phịng mă phđn tử của chỳng khơng cú khả năng ion húa. Phđn tử của loại xă phũng năy gồm một mạch hiđrocacbon dăi vă nhúm ưu lưu phđn cực chỳt ớt như nhúm hiđroxyl hoặc cõc nhúm este. Vớ dụ về xă phịng khơng ion húa lă cõc hợp chất nhận được từ sự tương tõc của cõc rượu cao phđn tử (hoặc cõc ankylphenol) với một số phđn tử etilen oxit: CnH2n+1OH + m(CH2-CH2) CnH2n+1(OCH2CH2)mOH
O
2. CÂC TÍNH CHẤT HĨA Lí CỦA XĂ PHỊNG 2.1. Tớnh hịa tan trong nước 2.1. Tớnh hịa tan trong nước
Tớnh chất hoă tan cú vai trị quyết định mọi tớnh chất khõc của xă phịng. Tớnh hịa tan của xă phũng phụ thuộc văo bản chất vă vị trớ của nhúm phđn cực, chiều dăi mạch hiđrocacbon, nhiệt độ vă bản chất cation kim loại
Xă phũng thường lă muối của axit bĩo cú mạch hiđrocacbon chứa chứa từ 10 đến 22 ngun tử cacbon, khi hịa tan trong nước tạo thănh axit bĩo. Muối của cõc axit năy với cõc kim loại kiềm như: natri panmitat (C15H31COONa), natri stearat (C17H35COONa), nitrat oleat (C17H33COONa) thường hũa tan tốt trong nước. Muối chứa cõc ion kim loại cú húa trị cao hơn
như: canxi, magiớ, nhơm, sắt,… khơng tan trong nước nhưng tạo thănh hệ bõn keo trong mụi trường hidrocacbon.
2.2. Tớnh chất hoạt động bề mặt
Dung dịch xă phịng trong nước cú nồng độ ở lớp bề mặt lớn hơn trong thể tớch. Khi tan trong nước, cõc nhúm phđn cực trong phđn tử xă phịng cú õi lực với nước quay văo nước, cũn mạch hidrocacbon hướng văo pha khớ. Trớn bề mặt dung dịch lỳc năy tạo thănh lớp hấp phụ định hướng. Bề mặt phđn cõch nước – khơng khớ trước đđy được thay thế bằng bề mặt phđn cõch hyđrocõcbon – khơng khớ. Sức căng bề mặt hyđrocacbon thấp hơn nhiều so với sức căng bề mặt của nuớc, điều năy giải thớch vỡ sao khi hịa tan xă phịng văo nước, sức căng bề mặt nước lại giảm.
Như vậy, cõc xă phịng đều lă chất hoạt động bề mặt. Tớnh hoạt động bề mặt của chỳng do bản chất của nhúm phđn cực vă chiều dăi mạch hiđrocacbon quyết định.
2.3. Khả năng thấm ướt
Sự thấm ướt rất quan trọng đối với cõc qũ trỡnh tẩy rửa. Cõc bề mặt ưa nước như thủy tinh, silicat, xenlulozơ, tinh bột, cõc axớt,...thấm ướt nước rất tốt. Cõc bề mặt kị nước như parafin, dầu mỡ, lưu huỳnh,...thỡ thấm ướt nước rất kĩm. Cõc loại vải sợi sạch thấm ướt nước dễ dăng, nhưng nước lại khú thấm văo bớn trong sợi vải vỡ nước cú sức căng bề mặt lớn (H2O= 72,5 erg/cm2). Khi vải sợi bị bõm dầu mỡ thỡ laị căng khú thấm ướt. Muốn khắc phục điều năy cần phải cú một chất hoạt động bề mặt để lăm giảm sức căng bề mặt của nước. Trong qũ trỡnh tẩy rửa vải thỡ xă phịng đúng vai trị chất hoạt động bề mặt. Sự thấm ướt của nước văo sợi tuđn theo phương trỡnh thấm ướt Young:
RK=RL+LK cos
Trong đú cõc kớ hiệu R, L vă K vă cõc pha rắn lỏng vă khớ tương ứng, lă gúc thấm ướt. Khi thớm chất hoạt động văo dung dịch thỡ RLvă LKsẽ giảm, do đú cos tăng, nghĩa lă sự thấm ướt tăng lớn
Khả năng thấm ướt phụ thuộc văo nồng độ chất hoạt động bề mặt, nhiệt độ, vị trớ vă bản chất nhúm phđn cực vă văo cấu tạo của mạch hođrocacbon
2.4. Khả năng tạo bọt
Sự tạo bọt kỉm theo sự tăng bề mặt phđn cõch lỏng – khớ rất mạnh, vỡ sự tạo bọt chỉ cú thể xảy ra khi sức căng bề mặt nhỏ. Nước tinh khiết khụng tạo bọt, muốn tạo bọt được phải cú mặt của chất hoạt động bề mặt. Xă phũng lă chất giỳp cho sự tạo bọt trong nước. Trong qỳa trỡnh tẩy rửa, bọt gúp phần văo việc tõch vă giữ chất bẩn trong nước giặt, ngăn cản sự bõm trở lại mặt vải, dụng cụ cần rửa.
2.5. Trạng thõi của xă phũng trong dung dịch
Dung dịch xă phịng cú thể tồn tại ở dạng ion, phđn tử hoặc mixen. Mixen xă phũng lă tập hợp của cõc phđn tử xă phịng phđn ly hoặc khơng phđn ly.
Trong dung dịch loờng xă phũng tồn tại ở dạng phđn tử hoặc ion (hỡnh 11.2). Khi tăng nồng độ đến một giõ trị nhất định, thỡ trong dung dịch bắt đầu hỡnh thănh cõc mixen hỡnh cầu (hỡnh 11.2a) vă nồng độ khi đú lă nồng độ tới hạn tạo mixen. Trong mixen hinh cầu, cõc phần hiđrocacbon do lực đẩy phđn tử lăm chỳng quay đầu văo nhau, cịn cõc nhúm phđn cực phđn li cựng dấu lăm cho chỳng quay ra ngoăi.
Khi nồng độ dung dịch xă phũng tiếp tục tăng thỡ mixen cú cấu tạo khõc. Cõc mạch hidrocacbon bắt đầu nằm song song với nhau vă dẫn đến mixen hỡnh cầu trở thănh mixen hỡnh tấm (hỡnh 11.2.b). Mixen hỡnh tấm cú thể phõt triển theo hai hướng, nớn cú thể cú kớch thước rất lớn.
Tại nồng độ tới hạn tạo mixen, cõc tớnh chất như: sức căng bề mặt, chiết suất, độ nhớt, độ dẫn điện,… đều thay đổi đột ngột do sự cú mặt của mixen. Vỡ vậy, nồng độ tới hạn tạo mixen được xõc định nhờ đo giõ trị của một trong cõc tớnh chất đú. Ở nồng độ tới hạn tạo mixen thỡ khả năng tẩy rửa của xă phũng lă cao nhất. Nồng độ tới hạn tạo mixen phụ thuộc văo nhiều
yếu tố. Nú giảm khi khối lượng phđn tử xă phũng tăng vă khi cho chất điện li văo hệ, ngược lại nú khi nhiệt độ tăng.
2.6. Khả năng hũa tan keo
Nhiều chất hữu cơ khụng tan trong nước như cõc hidrocacbon, một số phẩm mău,… nhưng chỳng cú khả năng hũa tan trong dung dịch xă phũng khõ đậm đặc vă tạo thănh dung dịch trong suốt, bền vững nhiệt động học. Sự hũa tan benzene trong dung dịch xă phũng đặc lă một vớ dụ minh hoạ. Hiện tượng năy được gọi lă sự hũa tan keo.
Theo quan điểm hiện đại, sự hịa tan keo được giải thớch như sau: khi hũa tan keo, chất hữu cơ lõch văo bớn trong mixen vă phđn bố văo giữa cõc thănh phần mạch hidrocacbon của cõc phđn tử xă phũng. Quan điểm năy đờ được chứng minh qua cõc cơng trỡnh nghiớn cứu bằng tia Roentgen.
Hiện tượng hịa tan keo cú ý nghĩa quan trọng trong cụng nghiệp polime húa cõc hidrocacbon khụng no trong nhũ tương để điều chế sơn hoặc cao su tổng hợp. Cõc kết quả nghiớn cứu cho thấy q trỡnh polime húa khơng xảy ra ở trong cõc giọt hircacbon khụng no mă lă bớn trong hoặc trớn bề mặt cõc mixen xă phịng, nơi cú sự hịa tan cõc hirocacbon khơng no đú.
Xă phịng trong mơi trường hidrocacbon cú khả năng lăm hịa tan nước dầu mỡ, đú gọi lă hũa tan keo ngược. Hiện tượng năy cú ý nghĩa to lớn trong cơng nghiệp thực phẩm.
Sự tõch cõc chất bẩn rắn hoặc lỏng khỏi bề mặt sợi vải bằng nước sạch thỡ rất khú khăn, kể cả ở điều kiện cho nhiệt độ cao vă tõc động cơ học mạnh mẽ. Qũ trỡnh tõch chất bẩn trở nớn dễ dăng nếu như khi giặt ta dựng dung dịch xă phũng.
+ Khi cú mặt xă phịng trong nước thỡ sức căng của dung dịch giảm xuống, nhờ vậy mă lăm tăng được tớnh thấm ướt của sợi vải đối với chất lỏng tẩy rửa. Chất lỏng xđm nhập sđu văo cõc mao quản của vải mă nước ngun chất thỡ khơng thể văo được.
+ Cõc phđn tử xă phũng hấp thụ trớn bề mặt của sợi vă của cõc chất bẩn rắn hoặc lỏng, tạo nớn lớp hấp phụ hidrat húa.Tõc dụng năy lăm tõch cõc hạt chất bẩn khỏi bề mặt vải vă chuyển chỳng văo lũng chất tẩy rửa.
+ Cõc măng hấp phụ trớn bề mặt hạt bẩn tạo cho hạt cú độ bền vững liớn kết, cản trở sự bõm trở lại mặt vải hoặc liớn kết với nhau.
Khả năng tẩy rửa của xă phũng thường chỉ cú ở nồng độ cao hơn nồng độ tới hạn tạo mixen. Điều đú chứng tỏ cú khả năng tẩy rửa của xă phong cú liớn quan đến sự hịa tan keo của chất bẩn dầu mỡ trong mixen.
Dung dịch xă phũng dễ tạo bọt. Một phần chất bẩn sẽ thấm ướt kĩm sẽ dớnh văo bề mặt bọt khớ giống như trong qũ trỡnh tuyển nổi quặng.
TĂI LIỆU THAM KHẢO
1.Trần Thị Bớnh, Phựng Tiến Đạt, Lớ Viết Phựng, Phạm Văn Thường, Hụ học cơng nghệ vă
mụi trường. Nhă xuất bản Giõo dục, 1999.
2. Trần Ngọc Chấn, ễ nhiễm khơng khớ vă xử lớ khớ thải-tập3, NXB Khoa học vă Kỹ thuật, Hă Nội, 2000.
3. Hoăng Kim Cơ (chủ biớn), Kỹ thuật mụi trường, NXB khoa học vă Kỹ thuật, Hă Nội, 2001. 4. Phạm Ngọc Đăng, Mơi trường khơng khớ, NXB khoa học vă kỹ thuật, Hă Nội, 2005.
5. Trần Văn Nhđn, Ngụ Thị Nga. Giõo trỡnh Cơng nghệ xử lý nước thải. NXB Khoa học vă kỹ thuật.
6. Trần Hiếu Nhuệ, Thõt nước vă xử lý nước thải cụng nghiệp, NXB khoa học vă kỹ thuật,
2005
7. Nguyễn Hữu Phỳ, Hấp phụ vă xỳc tõc trớn bề mặt vật liệu mao quản, NXB Khoa học vă kỹ thuật,
8. Louis Hồ Tấn Tăi, Cõc sản phẩm tẩy rửa vă chăm súc cõ nhđn, NXB Dunod, Paris – Phõp, 1999.
9. S.S. Voiutski. Húa học chất keo, tập 1,2 (bản dịch). NXB Đại học vă Trung học chuyớn nghip, Hă Ni, 1973.
phần thứ ba
CễNG NGHỆ NANO
CHƯƠNG 12.
LỊCH SỬ PHÂT TRIỂN VĂ TƯƠNG LAI CỦA KHOA HỌC VĂ CễNG NGHỆ NANO
Hiện nay mới xuất hiện cụng nghệ dưới micron, cơng nghệ nanomet liớn quan đến kớch thước hạt siớu mịn cỡ 10-9 m. Cần nhớ rằng cõc hạt keo cú kớch thước từ 10-7 đến 10-9 m. Rất nhiều vấn đề trong húa keo được ứng dụng trong cơng nghệ nano .
12.1. KHOA HỌC VĂ CễNG NGHỆ NANO
Nano cú nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp (nanos) cú nghĩa lă nhỏ bĩ. Tiền tố nano xuất hiện trong tăi liệu khoa học lần đầu tiớn văo năm 1908, khi Lohmann sử dụng nú để chỉ những sinh vật rất nhỏ với đường kớnh 200 nm. Văo năm 1974, Tanigushi lần đầu tiớn sử dụng thuật ngữ cụng nghệ nano hăm ý sự liớn kết cõc vật liệu cho kỹ thuật chớnh xõc trong tương lai. Hiện tại, theo sự thừa nhận của đụng đảo cõc nhă khoa học thỡ kớch thước nano được lựa chọn trong khoảng từ 0,1nm – 100nm. (1 nm = 10-9 m). Nanomet (kớ hiệu: nm) bằng một phần tỷ mĩt (1/1.000.000.000 m), một đơn vị đo lường để đo kớch thước những vật cực nhỏ. Cơ cấu nhỏ nhất của vật chất lă ngun tử cú kớch thước: 0,1 nm, phđn tử lă tập hợp của nhiều nguyớn tử: 1 nm, vi khuẩn: 50 nm, hồng huyết cầu: 10.000 nm, tinh trựng: 25.000 nm, sợi túc:100.000 nm, đầu cđy kim: 1 triệu nm vă chiều cao con người: gần 2 tỷ nm
Khoa học nano (nanoscience) lă ngănh khoa học nghiớn cứu về cõc hiện tượng vă can thiệp văo vật liệu ở cõc quy mơ ngun tử, phđn tử, vă đại phđn tử. Tại cõc quy mơ đú, tớnh chất của vật liệu khõc hẳn so với tớnh chất của chỳng tại cõc quy mơ lớn hơn.
Tổ chức Nanotechnology Initiative (NNI) trực thuộc chớnh phủ Mỹ định nghĩa cụng nghệ nano lă “bất cứ thứ gỡ liớn quan đến cấu trỳc cú kớch thước nhỏ hơn 100 nm”. Định nghĩa năy đờ loại bỏ một cõch độc đụn chủ thể cõc nghiớn cứu liớn quan khõc tập trung văo cõc thiết bị vi lỏng vă cõc vật liệu đang được tiến hănh ở quy mụ m.
Trong cuốn “Bionanotechnology: lessons from nature”, Goodsell định nghĩa cụng nghệ nano lă “thao tõc vă chế tạo ở quy mụ nano với độ chớnh xõc nguyớn tử”.
Núi túm lại, cơng nghệ nano lă khoa học, kỹ thuật vă thao tõc liớn quan tới cõc hệ thống cú kớch thước nano, ở đú cõc hệ thống năy thực hiện nhiệm vụ điện, cơ, sinh, hụ hoặc tớnh tụn đặc biệt. Nền tảng của cụng nghệ năy lă hiện tượng “cõc cấu trỳc, thiết bị vă hệ thống cõc tớnh chất vă chức năng mới khi ở kớch thước siớu nhỏ”. Cấu trỳc cơ bản của cụng nghệ nano bao gồm cõc hạt hay tinh thể nano, lớp nano vă ống nano. Cõc cấu trỳc nano năy khõc nhau ở chỗ chỳng được tạo thănh như thế năo vă cõc nguyớn tử, phđn tử của chỳng được sắp xếp ra sao.
LỊCH SỬ PHÂT TRIỂN CỦA KHOA HỌC VĂ CễNG NGHỆ NANO
Khoa học vă cụng nghệ nano mở rộng một thế giới mới cho con người, nhưng thật ra chỳng đờ lă một “ngănh” rất xa xưa của thiớn nhiớn. Trước đđy khi chưa cú sự sống, trõi đất
trơ trụi như một hănh tinh chết. Cõch đđy khoảng 3,5 tỷ năm tế băo mang sự sống sống đầu tiớn xuất hiện, trải qua hăng triệu năm tạo hụ tạo ra mn loăi sinh linh biết thớch ứng với mụi trường sống xung quanh, cho đến sự xuất hiện của loăi linh trưởng homo sapiens cú ý thức vă linh hồntrong đú cú con người- đỉnh cao của q trỡnh tiến hụ với trớ thơng minh kỳ diệu - lă động vật duy nhất cú trớ tuệ mới xuất hiện cõch đđy văi triệu năm. Ta tự hỏi tự nhiớn đờ phõt triển loại cụng nghệ năo để thay đổi trõi đất từ chỗ trơ trụi đến trạng thõi vụ cựng