Giáo trình công nghệ các chất hoạt động bề mặt

Chia sẻ: meoancaran

CÔNG NGHỆ CÁC CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT .NỘI DUNG Phần 1: Tổng quan về các CHĐBM Phần 2: Tổng hợp các CHĐBM Phần 3: Sản xuất bột giặt và các sản phẩm tẩy rửa khác ..Chất hoạt động bề mặt

Bạn đang xem 10 trang mẫu tài liệu này, vui lòng download file gốc để xem toàn bộ.

Nội dung Text: Giáo trình công nghệ các chất hoạt động bề mặt

CÔNG NGHỆ
CÁC CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT
NỘI DUNG


Phần 1: Tổng quan về các CHĐBM

Phần 2: Tổng hợp các CHĐBM

Phần 3: Sản xuất bột giặt và các sản phẩm tẩy rửa khác
Chất hoạt động bề mặt là gì?
   Chương 1
Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM
1.1. Sức căng bề mặt và các yếu tố ảnh hưởng
 Sức căng bề mặt (surface tension hay interfacial tension)
Công đưa thêm các phân tử trong lòng pha lỏng đến lớp bề mặt  
dEs = σ.ds hay σ = dEs/ds

ặt?
ềm
dEs: năng lượng dư bề mặt
b
ă ng
ds: đơn vị diện tích bề mặt
ức c
S
σ : sức căng bề mặt

Đơn vị của σ:
J/m2 theo cgs là erg/cm2
N/m theo cgs là dyne/cm


Lực tương tác giữa các phân tử trên bề mặt và
trong lòng pha lỏng
Chương 1
Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM
 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)
Chất lỏng Chất lỏng
σx σ1 σx σ1
Nước 72,75 - Ethanol 22,30 -
Benzene 28,88 35,00 n-octanol 27,50 8,50
Acetic acid 27,60 - n-hexane 18,40 51,10
Chloroform 26,80 45,10 n-octane 21,80 50,80
Glycerine 66,00 - Aniline 42,90 -

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
Bề mặt Nhiệt độ Sức căng bề mặt L – KK (dyne/cm) Sức căng bề mặt L – L (dyne/cm)
chất lỏng (0C)
Lớp hữu cơ Lớp nước Thực nghiệm
Tính toán

Benzene/nước 19 28,8 72,79 43,99 43,99

Aniline/nước 26 42,2 71,9 29,7 30,3
Chương 1
Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM
- Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sức căng bề mặt
- W. Ramsay và J. Shields sau khi hiệu chỉnh phương trình của
R. Eotvos:
2/3



σ.V = 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
Chương 1
Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM
- Quan hệ giữa khối lượng riêng và sức căng bề mặt
Theo phương trình McLeod:
4



σ = K.(D – d)
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

Các gốc hydrocarbon không phân cực kỵ
nước, không tan trong nước, tan trong pha
hữu cơ không phân cực


Sodium lauryl sulfate


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
σ




CKHĐBM
Chất không ảnh hưởng đến sức căng bề mặt


CHĐBM




C

M äúiquan  ãû  æ î caï cháútvåï  ï càng  ãö  àûtt
  h gi a  c    isæ c  bm  heo  äöng 
n
âäü
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
Chương 1
Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM
1.3 Độ hoạt động bề mặt
Độ hoạt động bề mặt –dσ/dc là biến thiên sức căng bề mặt theo nồng độ CHĐBM
còn gọi là đại lượng Gibbs G* = –dσ/dc
Độ hoạt động bề mặt của các chất trong dãy đồng đẳng biến đổi có quy luật
Ví dụ: trong dãy đồng đẳng acid có 2 ≤ n ≤ 6, khi nồng độ tăng lên thì sức căng bề
mặt của phân tử có mạch carbon dài hơn sẽ giảm nhanh hơnsở thực nghiệm
Trên cơ
DuclauX J và Trauber I
σ
(dyne/cm)
đã tổng kết thành quy tắc Trauber I:
HCOOH

“Độ hoạt động bề mặt
CH3COOH
65
C2H5COOH tăng lên từ 3 đến 3,5 lần
50
C3H7COOH khi tăng chiều dài mạch carbon
35 2
0,16 0,36 0,54 C(mol/l)

lên 1 nhóm – CH – ”
C aï âæ åì âàóng  ãûtsæ ï càng  ãö  àûtcuí daî
c  ng  nhi   c  bm   a  y 
âäöng  ng  H Â B M   thæ î cå
âàó C axi  u 
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


• Đây là một pháp cân giọt chấtương pháp chính xác nhất
Phương trong những ph lỏng
• để xác đng pháp Lecomteề mặt
Phươịnh sức căng b du Nouy
• Nguyên tắc đo: bản phẳng L. wilhelmy
Phương pháp
• Đo chiều cao máp suấấtực đại trong mao quản
Phương pháp ực cht c lỏng của bọt khí
• P Xác định hìnhg.h.(ρhạt ρ )b= t2σ/r
= P1 – P2 = dạng β – và ọ khí
α
θ: góc dính ướt, cosθ = R0/r
R0: bán kính mao quản
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
Chương 1
Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM
Γ
1.5. Tính chất vật lý của dung dịch
Γm
CHĐBM
5
Cấu tạo lớp bề mặt trên giới hạn lỏng –
 4
n=3
khí
Sự hấp phụ tăng tỷ lệ với chiều dài mạch
carbon trong một dãy đồng đẳng và các
C
m


Các đường đẳng nhiệt hấp phụ trên ranh
đường này đều đạt giá trị giới hạn Γ khi giới lỏng – khí của dãy đồng đẳng
nồng độ chất hoạt động bề mặt đủ lớn
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
1.6. Nồng độ micelle tới hạn (critical micelle concentration)
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
Số nguyên tử carbon 8 10 12 14 16 18 20

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
Số nguyên tử 10 12 14 16 18
carbon

Điểm kraft 8 16 30 45 56
(0C)
1.8. Điểm đục
Điểm đục là nhiệt độ tại đó CHĐBM không ion không thể hòa tan,
tách ra khỏi dung dịch làm dung dịch trở nên đục
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
 Công thức thực nghiệm để tính giá trị HLB
Tính theo cấu trúc
o
HLB = 7 + HLB nhóm ái nước - HLB nhóm kỵ nước
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: CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH
- Nhóm ưa nước: -COOH có giá trị HLB là 2,1
- Nhóm kỵ nước: CH3- (1); CH2- (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: CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COONa
- Nhóm ưa nước: -COONa, có giá trị HLB là 19,1
- Nhóm kị nước: CH3- (1); CH2- (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
Công thức kawakami
o
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
o
HLB = 20.(1 - S/A)
S: là chỉ số xà phòng hóa của ester
A : chỉ số acid của acid béo
Chương 1
Các lý thuyết cơ bản về CHĐBM
Theo Griffin
o
Nếu hỗn hợp có nhiều CHĐBM thì
HLBhh = xi.HLBi
Với xi phần khối lượng trong tổng lượng CHĐBM
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
Đề thi vào lớp 10 môn Toán |  Đáp án đề thi tốt nghiệp |  Đề thi Đại học |  Đề thi thử đại học môn Hóa |  Mẫu đơn xin việc |  Bài tiểu luận mẫu |  Ôn thi cao học 2014 |  Nghiên cứu khoa học |  Lập kế hoạch kinh doanh |  Bảng cân đối kế toán |  Đề thi chứng chỉ Tin học |  Tư tưởng Hồ Chí Minh |  Đề thi chứng chỉ Tiếng anh
Theo dõi chúng tôi
Đồng bộ tài khoản