Công nghệ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT

CÔNG NGHỆ

CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT

PGS. TS. Lê Thị Hồng Nhan

Đại học Bách Khoa TP.HCM

Chương 1: Giới thiệu chung về chất hoạt

động bề mặt

20141

•Tình hình

Là một trong những nhóm hóa chất sử dụng nhiều nhất trên

thế giới

Sử dụng trong lĩnh vực: tẩy rửa, mỹ phẩm, công nghiệp liên

quan vi điện tử, môi trường, dầu khí, sinh học, ức chế ăn

mòn, …

Thị trường chất hoạt động bề mặt cao (khoảng 3 tỷ USD

trong 1997)

Giới thiệu

2

Giới thiệu

Thị trường chất họat động bề mặt trên thế giới 1995-2005 ( ngàn tấn)

Vùng 1995 2005 % tăng /năm

Nhật 565 655 1,5

Tây Âu 2100 2165 0,3

Bắc Mỹ 1800 1960 1,0

Châu Á Thái bình dương 2690 4340 6,1

Châu Mỹ la tinh 1575 1785 2,6

Các vùng còn lại 1645 2765 6,8

Tổng cộng 10220 13870 3,6

Tây âu, Bắc Mỹ : khoảng 80% chất họat động bề mặt ở trên cơ sở dầu

mỏ

châu Á Thái bình dương: 55-65% chất họat động bề mặt trên cơ sở dầu

béo thiên nhiên. 3

Lượng chất họat động bề mặt được sử dụng ở các lĩnh vực

và các vùng khác nhau trên thế giới năm 1995)

Asia-

Pacific

Western

Europe

North

America

Household Products 58 % 56% 40%

Industrial & Institutional Cleaners

All others industrial uses ( pulp

and paper, textile, construction,…..

2%

40%

9%

35%

10%

50%

% used in all industrial application 42% 43% 60%

Tổng cộng (triệu tấn) 2,8 1,9 2,5

Tổng cộng trong sử dụng công

nghiệp (triệu tấn)

1,18 0,82 1,50

Giới thiệu

4

•Tên gọi

Surfactant = Surface-active agent

Tồn tại ở nồng độ thấp trong hệ thống

Hấp thu lên bề mặt hay mặt phân chia pha => thay đổi

năng lượng tự do của bề mặt.

Giới thiệu

5

Phân tử chịu tương tác của các phân tử bao quanh: lưỡng

cực- lưỡng cực; ;lưỡng cực- lưỡng cực cảm ứng; Khuếch

tán => Lực liên kết Van der Walls

(B): lực cân bằng (A) lực không cân bằng

lực ép vào trong lòng chất lỏng = nội áp

Nội áp kéo phân tử từ bề mặt phân chia pha => giảm bể mặt

đến mức tối thiểu

A A

B B B

Sức căng bề mặt

6

•Thế năng (A) > Thế năng (B)

D năng lượng (A) và (B) = năng lượng bề mặt

•Muốn tăng bề mặt: đưa phân tử trong lòng ra bề mặt -> thực

hiện công chống lại lực tương tác phân tử -> năng lượng dư

bề mặt dEs


ds

dEs

= năng lượng tạo ra 1 unit bề mặt = sức căng bề mặt = Lực

tác dụng trên một đơn vị chiều dài giới hạn (chu vi) bề mặt

phân chia pha và làm giảm bề mặt của chất lỏng

(dyn.cm-1,erg.cm-2 )

dsdEs .

7

•Các yếu tố ảnh hưởng sức căng bề mặt

-Bản chất pha tiếp xúc

-Nhiệt độ

-Áp suất

-Độ cong bề mặt

-Sự xuất hiện của chất thứ hai trong chất lỏng


8

-Bản chất pha tiếp xúc

• Chất lỏng phân cực mạnh-> tương tác phân tử

lớn, nội áp lớn -> sức căng bề mặt lớn

• Mật độ phân tử

• 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


9


Chất lỏng o I Chất lỏng o I

Nước 72,75 - Ethanol 22,30 -

Benzen 28,88 35,00 n-octanol 27,50 8,50

Acid acetic 27,60 - n-hexan 18,40 51,10

CCl4 26,80 45,10 n-octan 21,80 50,80

Glycerin 66,00 - Anilin 42,90 -

Sức căng bề mặt của các chất lỏng tiếp xúc với không khí (o) và của chất

lỏng tiếp xúc với nước (I) ở 20oC ( dyn/cm

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.

10


Bề mặt chất

lỏng

Nhiệt

độ

(oC)

Sức căng bề mặt lỏng-

không khí (dyn/cm)

Sức căng bề mặt lỏng-

lỏng

(dyn/cm)

Lớp hữu cơ Lớp nước Tính toán Thực

nghiệm

Benzen/nước 19 28,8 63,2 34,4 34,4

Anilin/nước 26 42,2 46,4 4,2 4,8

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.

11

(1) Chất hoạt động bề mặt

(2) Chất không họat động bề mặt

(3) Chất không ảnh hưởng đến sức căng bề mặt

Chất hoạt động bề mặt

Nồng độ


(1)

(2)

(3)

12

• Các chất họat động bề mặt:

-Chất có khả năng làm giảm sức căng bề mặt của dung môi

chứa chúng.

Thường là: các chất hữu cơ như các acid béo, muối của acid

béo, ester, rượu, alkyl sulfate….

• Cấu tạo: gồm hai phần:

+ Phần phân cực ( ái nước, ưa nước, háo nước=lyophilic

group)

+ Phần không phân cực ( kỵ nước, ghét nước hay ái dầu, háo

dầu, ưa dầu= lyophobic group)


13

• Các chất họat động bề mặt:

-Chất có khả năng làm giảm sức căng bề mặt của dung môi

chứa chúng.

Thường là: các chất hữu cơ như các acid béo, muối của acid

béo, ester, rượu, alkyl sulfate….

• Cấu tạo: gồm hai phần:

+ Phần phân cực ( ái nước, ưa nước, háo nước=lyophilic

group)

+ Phần không phân cực ( kỵ nước, ghét nước hay ái dầu, háo

dầu, ưa dầu= lyophobic group)


14

• Mô hình chất họat động bề

mặt:


Phần ái nướcPhần kỵ nước

• Cấu trúc thực tế:

15

Phân loại

Phân loại theo:

• Cấu trúc hóa học

• Tính chất vật lý ( độ tan trong nước hoặc dung môi)

• Ứng dụng hóa học

Phân loại theo bản chất nhóm háo nước

Phân loại theo bản chất nhóm kỵ nước

Phân loại theo bản chất liên kết giữa nhóm háo nước và

kỵ nước

16

Phân loại

-

+

+ -

- Cationic

- Non ionic (NI) ( không phân ly)

- Lưỡng tính ( Amphoteric)

-Anionic

theo bản chất nhóm háo nước

17

Phân loại


•Anionic:

Hòa tan trong nước phân ly thành ion HĐBM điện tích

âm

Bao gồm các nhóm chính:

• Acid carbocylic: RCOO(-)

• Ester sulfuric ( Sulfate): ROSO2O(-)

• Alkan sulfonic acid: RSO3(-)

• Alken sulfonic acid: R-CH=CH-CH2-SO3(-)

• Alkyl aromatic sulfonic acid: R-C6H4-SO3(-)

• Các nhóm khác: Phosphate và phosphonic acid,

persulfate, thiosulfate, sulfamic acid,

sulfosuccinate…18

Phân loại


•Anionic:

C CH2

CH3

C

CH3

CH3

CH3

CH2C

CH3

CH3

CH3

SO3

-

SO3

(CH2)n

-CH

3

R O SO3

-

Sulfate rượu bậc một

( PAS: Primery Alcohol Sulfate)

(CH2)nCH

3 CH

SO3

(CH2)m CH

3

-

Parafin sulfonate

( SAS: Secondary Alkyl Sulfonate)

Alkyl benzen sulfonat (ABS)

ABS nhánh

ABS thẳng

(LAS: Linear Alkylbenzene Sulfonate)

19

Phân loại


•Cationic:

Hòa tan trong nước phân ly thành ion HĐBM điện tích

dương

X: halogenua, sulfate, methyl sulfate,…

R1: alkyl mạch dài

R2, R3, R4: Hydro hay nhóm alkyl mạch ngắn, alkyl aryl.

R1

N+

R3

R2 R4

X

20

Phân loại


•Cationic:

R-CH2

N+

CH3

CH3

CH3

Cl

Một dây alkyl

NN+

R

CH3

(CH2)2NH C

O

R

imidazolin bậc bốn

O-CH2-CH

2

N+

CH3

O-CH2-CH

2CH

2-CH

2OH

CH3SO

4-

C

O

R

C

O

R

Dialkyl ester thế bốn lần của

methosulfate triethanolamine

21

Phân loại


•Nonionic:

Không tạo ion khi tan trong dung dịch nước

Cấu tạo:

-Phần kỵ nước: akyl phenol, alcol, acid béo, amide,…

-Phần ái nước: ethylene oxide, propylene oxide,

glycerin orbitol,…

Hoạt động được trong môi trường chứa chất điện ly

lớn

22

Phân loại


•Nonionic:

R O (CH2-CH

2O)n H

Các rượu béo ethoxy hóa

H (O-CH2-CH

2)m O (CH

2-CH-O)n (O-CH

2-CH

2)m-H

Copolymer oxide ethylene (OE) và oxide propylene (OP)

R C

O

N

H

CH2-CH

2-OH

Alkyl monoethanol amide

R C

O

N

CH2-CH

2-OH

CH2-CH

2-OH

Alkyl diethanol amide

23

Phân loại


•Nonionic:

R CHOH-CH2-(OCH

2-CHOH-CH

2)n -OH

Polyglycerol ester

O

OHO RO

CH2OH

OH

n

alkylpolyglucoside (APG)

24

Phân loại


•Lưỡng tính:

Có chứa cả nhóm acid và base trong phần ái nước

Gồm 2 loại chính:

-HĐBM lưỡng tính carboxylic

-HĐBM lưỡng tính sulfate/sulfonate

25

Phân loại


•Lưỡng tính:

NHC

O

R (CH2)3

CH2

N+

CH3

CH3

C O

O

Alkyl amido propyl betain

CH2

N+

CH3

CH3

CH

OH

CH2-CH

2-CH

2 CH2

SO3

-NHC

O

R

Alkyl amidopropyl sulfobetain

CH2

N+

C2H

4OH

C2H

4OH

C

O

O

R

Betain ethoxy hóa 26

Phân loại

theo bản chất nhóm kỵ nước

•Gốc alkyl mạch thẳng, C8-18

•Gốc alkyl mạch ngắn C3-C12 gắn vào nhân thơm

•Olefin nhánh C8-C20

•Hydrocarbon từ dầu mỏ

•Hydrocarbon mạch dài thu được từ phản ứng CO và

H2

27

Phân loại

theo bản chất liên kết nhóm kỵ nước và ái nước

Gồm 2 loại:

•Nhóm háo nước liên kết trực tiếp nhóm kỵ nước:

RCOONa, ROSO3Na, RC6H4SO3Na

•Nhóm háo nước liên kết nhóm kỵ nước thông qua các

liên kết trung gian

Liên kết ester: RCOO-CH2CHOHCH2-OSO3Na

Liên kết amide: R-NHCOCH2SO3Na

Liên kết ether: ROC2H4OSO3Na

28

Công nghệ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT

Documents