A.Lời nói đầu.

Công nghệ hóa học được coi là một trong những ngành khoa học có

lịch sử lâu đời nhất trong lịch sử nhân loại.Từ ngàn xưa nó đã được chú

trọng phát triển vì có nhiều ứng dụng thiết thực trong cuộc sống. Cùng

với thời gian, hóa học ngày càng có những bước tiến vượt bậc trở thành

một ngành quan trọng, có ảnh hưởng lớn tới sự phát triển của các ngành

khác.

Một trong những ứng dụng khá phổ biến của ngành hóa là về việc sử

dụng các chất hoạt động bề mặt để sản xuất các chất tẩy rửa trong đời

sống sinh hoạt hằng ngày, hay sử dụng chúng để làm chất xúc tác trong

các phản ứng trong công nghiệp nhằm nâng cao hiệu suất sản xuất của

các quá trình công nghiệp.

Việc sử dụng các chất HĐBM có một lịch sử lâu dài, từ khi người ta

nhận thấy rằng một vài dịch ép thực vật, như saponin glycosit từ bồ kết

có thể hỗ trợ quá trình giặt rửa. Từ đó công nghệ sản xuất xà phòng được

phát triển nhờ áp dụng quá trình hóa học xà phòng hóa (thủy phân bằng

kiềm) đối với dầu mỡ động vật và thực vật.

Sự phát triển mạnh công nghệ các chất HĐBM diễn ra cùng với quá

trình công nghiệp hóa, nhất là trong công nghiệp dệt may. Nhưng khi đó,

chất HĐBM vẫn chỉ được dùng chủ yếu như chất giặt rửa.

Vào những năm 1950, việc chuyển từ bột xà phòng dễ bị phân hủy

sinh học đến bột chất tẩy rửa bị phân hủy sinh học chậm hơn làm xuất

hiện những nhu cầu đầu tiên đòi hỏi làm giảm tác động môi trường của

các chất tẩy rửa. Các con sông sủi bọt đã là mối lo lắng và dẫn đến những

nghiên cứu về phân hủy sinh học, mà kết quả là sự thay đổi về cấu trúc

mạch cacbon của phân tử chất HĐBM, nhờ đó hiện tượng ô nhiễm bọt ở

các con sông đã hạn chế rất nhiều.

Cùng với những nhận thức sâu sắc hơn về môi trường và phát triển

bền vững, ngày nay còn có nhiều nghiên cứu hướng vào và mở rộng hơn

nữa những mục tiêu đó. Ngoài việc bản thân các chất HĐBM trở nên thân

thiện hơn với môi trường, những hóa chất này còn có thể sử dụng cho

những mục đích khác. Chẳng hạn, sơn và các quá trình tẩy dầu mỡ ngày

nay có thể được phối chế trong dung môi là nước, đó là nhờ các chất

HĐBM, cho phép giảm lượng các chất hữu cơ dễ bay hơi phát thải vào

khí quyển. Chẳng hạn,ứng dụng chất HĐBM làm các tác nhân tạo độ ẩm,

chất tạo nhũ, tăng độ tan, diệt khuẩn, chất chống nhiễm tĩnh điện, chống

ăn mòn...

Trong bài này, nhóm tham gia nghiên cứu của chúng tôi chỉ giới hạn

đến một số ứng dụng quan trọng và phổ biến nhất trong ngành công nghệ

các chất vô cơ: 1_Ứng dụng trong sản xuất chất tẩy rửa.

2_Ứng dụng trong tuyển nổi và khai thác khoáng sản.

3_Ứng dụng trong làm bền hệ nhũ tương và điều chế hạt

nano.

Bài viết tuy được tìm hiểu và nghiên cứu kĩ càng nhưng không thể

tránh khỏi sai sót. Chúng tôi rất mong nhận được sự góp í của thầy cô và

bạn bè.

Xin chân thành cảm ơn!

B_Nội Dung

I_Giới thiệu về chất hoạt động bề mặt.

Chất hoạt động bề mặt (Surfactant, Surface active agent) là một

chất làm ướt có tác dụng làm giảm sức căng bề mặt của một chất lỏng.

Quá trình tìm hiểu về chất hoạt động bề mặt có liên quan đến các yếu tố

sức căng bề mặt và sự thấm ướt của vật chất.

1_ Khái niệm về sức căng bề mặt (SCBM).

Con nhện nước đứng được trên mặt nước.

Mưa rơi thành hạt mà không tan ra thành hơi nước.

Khi đổ nước vào trong 1 cốc, rồi bỏ nhẹ từng viên sỏi nhỏ vào, nước

sẽ nhô cao lên khỏi miệng mà không tràn ra ngoài, cứ như là cốc được

đậy bằng một nắp vô hình nào đó.

Những hiện tượng này được giải thích nhờ khái niệm SCBM.

a.Nguồn gốc của SCBM:( σ )

SCBM có bản chất là chênh lệch lực tương tác giữa các phân tử với

nhau. Lực tương tác giữa các phân tử càng tăng thì SCBM càng lớn. Nó

khiến các phân tử ở bề mặt của chất lỏng thể hiện đặc tính của một màng

chất dẻo đang chịu lực kéo căng.

Các phân tử trong lòng chất lỏng luôn chịu ảnh hưởng của các lực

phân tử từ các phân tử xung quanh. Với các phân tử nằm ở giữa chất

lỏng, chúng được bao quanh một cách đối xứng bởi các phân tử chất lỏng

cùng loại khác, nên lực tổng cộng được cân bằng thành 0. Ở bề mặt chất

lỏng, một bên phân tử bị các phân tử cùng loại tương tác với lực khác bên

kia do các phân tử khác loại (Chân không, không khí hay chất lỏng khác).

Lực tổng cộng có thể kéo phân tử bề mặt vào bên trong chất lỏng, như

trường hợp bề mặt giọt nước trong không khí, hay đẩy nó ra phía ngược

lại, như trường hợp giọt nước bám vào thành ống mao dẫn.

Mô hình lực tương tác giữa các phân tử

trong và trên bề mặt chất lỏng.

Đây là hiệu ứng làm cho giọt nước trong không khí có hình cầu, hỗ trợ

thực vật vận chuyển nước từ rễ lên đến lá thông qua hệ mạch dẫn phloem

bằng hiện tượng mao dẫn, giúp nhện nước bò trên mặt nước, giải thích

trạng thái cân bằng của nhũ tương cũng như tác dụng tẩy rửa của xà

phòng nói riêng hay hoạt tính nói chung của chất hoạt hóa bề mặt, ...

b.Năng lượng tự do bề mặt (Gs).

Khi nhìn một phân tử trong sự tiếp xúc qua lại với các phân tử láng

giềng, những phân tử phía trong đều có nhiều láng giềng như nhau.

Nhưng những phân tử ranh giới có những ít láng giềng hơn phân tử phía

trong và bởi vậy chúng ở trong một trạng thái bất ổn định có năng lượng

cao, được gọi là năng lượng bề mặt. Để tối giản năng lượng đó, nó phải

tối giản số lượng những phân tử ranh giới và phải bởi vậy tối giản diện

tích bề mặt.

Gs = k.S

Trong đó: _S là diện tích bề mặt của chất lỏng.

_k là hệ số tỉ lệ, đặc trưng cho cường độ tương tác giữa

các phân tử. K phụ thuộc áp suất nội, nhiệt độ, bản chất của dung dịch

lỏng.

Năng lượng Gs tỉ lệ với diện tích bề mặt S. Diện tích bề mặt càng lớn

thì năng lượng bề mặt càng cao, hệ lỏng càng kém bền. Chính vì vậy, các

chất lỏng có xu hướng tối thiểu năng lượng bề mặt này vì đó là trạng thái

bền. Cùng 1 thể tích chất lỏng thì giọt chất lỏng càng lớn, diện tích bề

mặt càng bé. Đó là nguyên nhân tách pha của hệ nhũ tương, hệ phân tán.

Khi làm tăng diện tích bề mặt từ S1 → S2 (S2 > S1), có năng lường bề

mặt tương ứng: Gs1 = k.S1

Gs2 = k.S2 ( năng lượng tự do bề mặt tăng )

→∆Gs = Gs1 – Gs2 = k.(S1 – S2)

→ Cần cung cấp cho hệ 1 công A, với: -A = ∆Gs = k. ∆S

K = ∆Gs /∆S = -A/∆S

→ Đặt σ = k = ∆Gs /∆S = -A/∆S . (*)

c.Định nghĩa sức căng bề mặt:

Định nghĩa suy từ công thức (*) : Sức căng bề mặt là công cơ học thực

hiện khi lực căng làm cho diện tích bề mặt thay đổi một đơn vị đo diện

tích. Như vậy nó cũng là mật độ diện tích của năng lượng; ý nghĩa này

mang lại tên gọi năng lượng bề mặt cho đại lượng vật lý này.

Cũng có thể định nghĩa sức căng bề mặt là lực căng trên một đơn vị

chiều dài của đường giao tuyến giữa mặt chất lỏng và mặt rắn.

Trong hệ đo lường quốc tế [SI], đơn vị đo sức căng bề mặt là J /m²

hoặc N/m.

2_Các yếu tố ảnh hưởng đến sức căng bề mặt.

a.Bản chất của dung dịch lỏng:

b.Nhiệt độ

Khi nhiệt độ tăng, lực tương tác giữa các phân tử lớp bề mặt chất lỏng

giảm nên sức căng bề mặt cũng giảm

Ta có công thức:

a = -dσ/ dT => σ T – σ To = -a ( T - To )

Trong đó: a: hệ số phụ thuộc bản chất của chất lỏng

σ: sức căng bề mặt (dyn/cm) hoặc (N/m²)

To: nhiệt độ ở điều kiện chuẩn(25ºC)

T: nhiệt độ ở thời điểm đo

=> Khi nhiệt độ tăng, sức căng bề mặt giảm => việc tăng nhiệt độ có

lợi cho việc hình thành hệ vi nhũ tương.Tuy nhiên khi tăng nhiệt độ lên

quá cao như đã nói ở trên sẽ làm phá hủy các hạt dầu nên việc chọn nhiệt

độ thích hợp là rất cần thiết trong việc tạo hệ vi nhũ tương.

c.Chất HĐBM:

Chất HĐBM được dùng để làm giảm sức căng bề mặt của một chất

lỏng. Nếu có nhiều hơn hai chất lỏng không hòa tan thì chất hoạt hóa bề

mặt làm tăng diện tích tiếp xúc giữa hai chất lỏng đó. Khi hòa chất hoạt

hóa bề mặt vào trong một chất lỏng thì các phân tử của chất HĐBM có xu

hướng nổi lên trên bề mặt chất lỏng, tạo đám (micelle), làm cho cấu trúc

của hệ thay đổi → giảm năng lượng bề mặt → giảm sức căng bề mặt →

tăng khả năng hòa tan trong nước, hoặc hòa tan trong các dung môi

không phân cực như dầu, giúp cho các quá trình vật lí, hóa học diễn ra dễ

dàng hơn.

Nguyên lí làm giảm sức căng bề mặt của chất HĐBM có tính ứng

dụng cao và rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Về cơ chế của nó, ta sẽ tìm

hiểu ở phần sau.

*.Quan hệ giữa sức căng bề mặt và độ tan giữa 2 pha lỏng:

Khi trộn 2 chất lỏng vào nhau, sẽ xảy ra các hiện tượng sau:

- Hai chất lỏng tan lẫn vô hạn vào nhau, và không tồn tại bề

mặt phân chia pha.

- Hai chất lỏng hoàn toàn không tan lẫn.

- Hai chất lỏng tan lẫn có giới hạn vào nhau, tách lớp tạo ra 2

pha dung dịch: A tan bão hòa trong B và B tan bão hòa trong A.

Sức căng bề mặt trên bề mặt 2 pha lỏng tiếp xúc nhau nhỏ hơn sức căng

bề mặt của từng chất lỏng riêng biệt. Chúng được liên hệ với nhau theo

qui tắc Anatoli:

- Nếu là 2 chất lỏng không tan lẫn, sức căng bề mặt trên bề

mặt tiếp xúc bằng hiệu sức căng bề mặt của các pha lỏng.

- Nếu 2 chất lỏng tan có giới hạn thì sức căng trên bề mặt tiếp

xúc tỉ lệ với hiệu 2 sức căng bề mặt của các chất thành phần. Nếu

độ phân cực của 2 chất lỏng càng khác biệt thì sức căng bề mặt tiếp

xúc càng lớn.

- Trường hợp độ phân cực của 2 chất lỏng bằng nhau thì sức

căng trên bề mặt tiếp xúc bằng 0. → 2 chất lỏng tan vô hạn vào

nhau.

3_ Chất hoạt động bề mặt (HĐBM).

a.Cấu tạo:

Cấu tạo của chất HĐBM gồm 2 phần: - Phần có cực (Hydrophile): đó

là các nhóm chức có cực: - COO‾, - CONH2, - C6H4SO3‾, - SO3‾,...Các

nhóm này liên kết mạnh với các dung môi có cực (như H2O) nên phần có

cực này gọi là đầu ưa nước.

- Phần không cực (Hydrophobe):

là các gốc hidrocacbon. Các gốc này liên kết tốt với dung môi không

phân cực nên gọi là đuôi không cực ( ưa dầu).

Một chất HĐBM gồm 2 nhóm: ưa nước và ưa đầu kết hợp với nhau

trong phân tử nên gọi là chất HĐBM lưỡng chức.

Kí hiệu:

b.Phân loại:

Tùy theo tính chất mà chất HĐBM được phân theo các loại khác nhau.

Nếu xem theo tính chất điện của đầu phân cực của phân tử chất HĐBM

thì có thể phân chúng thành các loại sau:

Chất hoạt hóa ion: khi bị phân cực thì đầu phân cực bị ion

hóa.

o Chất hoạt hóa dương: khi bị phân cực thì đầu phân

cực mang điện dương, ví dụ:

Cetyl trimetylammonium bromua (CTAB)

o Chất hoạt hóa âm: khi bị phân cực thì đầu phân cực

mang điện âm

Natri dodecyl sulfat (SDS)

N-Lauroylsarcosine Sodium

Sodium deoxycholate (DOC) Natri deoxycholate

(DOC)

Chất hoạt hóa phi ion: đầu phân cực không bị ion hóa, ví dụ:

Lauryldimethylamine-oxide (LDAO)

Chất hoạt hóa lưỡng cực: khi bị phân cực thì đầu phân cực

có thể mang điện âm hoặc mang điện dương tùy vào pH của dung

môi,

Ví dụ: amino acid.

b.Cơ chế làm giảm sức căng bề mặt của chất HĐBM:

Các chất lỏng phân cực thì dễ tan trong dung môi phân cực. Và ngược

lại, các chất không phân cực thì dễ tan trong dung môi không phân cực.

Chất HĐBM có 2 đầu phân cực và không phân cực thì khi tan trong dung

môi phân cực ( như nước ) thì có xu hướng nổi lên trên bề mặt chất

lỏng,định hướng vuông góc vơi bề mặt, sao cho nhóm ưa nước nằm ở bề

mặt, nhóm kị nước hướng ra ngoài tạo thành 1 màng lỏng trên bề mặt.

Chất HĐBM nổi lên trên bề mặt nước

Công thức tính sức căng bề mặt của dung dịch.

σ' = σ – A ln(1+BC)

C: nồng độ chất HĐBM.

A,B: hằng số. - B phụ thuộc vào bản chất của chất

HĐBM.

- A phụ thuộc vào nhiệt độ.

σ: sức căng bề mặt của nước nguyên chất

Từ biểu thức có thể nhận xét rằng, Sức căng bề mặt phụ thuộc vào

nồng độ của chất HĐBM. Khi nồng độ của chất HĐBM còn nhỏ, các

phân tử chất HĐBM bị đẩy lên bề mặt làm cho sức căng bề mặt của chất

lỏng giảm xuống. Khi bề mặt lỏng đã bị chiếm hết chỗ bởi các nhóm có

cực của chất HĐBM thì sức căng bề mặt không giảm nữa và từ đó các

phân tử chất HĐBM bắt đầu tạo ra các cấu trúc mixen và các kiểu cấu

trúc khác trong lòng chất lỏng.

Cấu trúc của 1 mixen

Nồng độ của chất HĐBM mà tại đó các phân tử bắt đầu tạo đám được

gọi là nồng độ tạo đám tới hạn. Nếu chất lỏng là nước thì các phân tử sẽ

chụm đuôi kị nước lại với nhau và quay đầu ưa nước ra tạo nên những

hình dạng khác nhau như hình cầu (0 chiều), hình trụ (1 chiều), màng (2

chiều). Tính ưa, kị nước của một chất HĐBM được đặc trưng bởi một

thông số là độ cân bằng ưa kị nước (HLB), giá trị này có thể từ 0 đến 40.

HLB càng cao thì hóa chất càng dễ hòa tan trong nước, HLB càng thấp

thì hóa chất càng dễ hòa tan trong các dung môi không phân cực như dầu.

Mixen có vai trò quan trọng quyết định tính tan của hệ. Chất muốn hòa

tan có cực hay không cực thì các phân tử chất đó phải chen vào mixen

của chất HĐBM.

4. Hiện tượng thấm ướt.

a.Khái niệm:

Khi ta nhỏ một giọt chất lỏng lên một bề mặt thì xảy ra hiện tượng:

•Giọt chất lỏng loang ra trên bề mặt, đó là hiện tượng bề mặt thấm ướt

lỏng.

•Giọt chất không loang ra bề mặt, là hiện tượng không thấm ướt (kị

lỏng).

Hiện tượng thấm ướt được quyết định bởi hai loại lực tương tác:

•Lực tương tác giữa các phân tử lỏng- lỏng: f(L- L)

•Lực tương tác giữa các phân tử lỏng- rắn: f(L- R).

và : •Nếu f(L- R) > f(L- L), ta có hiện tượng thấm ướt.

•Nếu f(L- R) < f(L- L), ta có hiện tượng kỵ nước.

Ví dụ: Bông sợi thấm ướt tốt hơn nylon nhưng nếu nhúng vào dầu thì

nylon thấm ướt tốt hơn bông.

*.Góc thấm ướt:

Góc thấm ướt θ được đặc trưng bởi đường thẳng tiếp tuyến với mặt

cong phân cách rắn-lỏng-khí và phương vuông góc với chiều rơi thẳng

đứng.

θ = 180˚ → hoàn toàn không thấm ướt.

θ = 0˚ → thấm ướt hoàn toàn.

Trong thực tế, θ < 90˚ → có thấm ướt

θ > 90˚ → không có thấm ướt

Mức độ thấm ướt phụ thuộc vào bản chất của bề mặt rắn và chất lỏng.

Với mỗi loại chất rắn có 1 góc thấm ứơt tương ứng.

b.Quan hệ giữa khả năng thấm ướt với sức căng bề mặt của các chất.

Khi giọt chất lỏng ở trên bề mặt rắn đạt cân bằng thì các phân tử tại A

chịu 3 lực tác dụng do sức căng bề mặt của chất gây ra.

σr,k: sức căng bề mặt của rắn và khí.

σl,k: sức căng bề mặt của lỏng và khí.

σr,l: sức căng bề mặt của rắn và khí.

σl,k gây ra 1 lực tác dụng vào phân tử A theo hướng kéo A về phía bên

phải.

Cos θ = (σr,k - σr,l)/ σl,k

Điều kiện để có thấm ướt : θ < 90˚ → Cos θ > 0

→ σr,k > σr,l

Khi thay đổi σl,k thì dẫn đến thay đổi Cos θ. σl,k giảm thì khả năng

thấm ướt tăng. Vì vậy, xăng dầu có sức căng bề mặt bé hơn nước sẽ thấm

ướt tốt hơn.

Nếu chất lỏng và rắn có tính chất gần giống nhau thì σr,k sẽ rất nhỏ →

Cos θ lớn nhất → thấm ướt tốt.

Trong thực tế, để cải tạo tính thấm ướt của 1 vật phải tác động đến 2

yếu tố σr,k và σl,k.

*.Thấm ướt là quá trình tự xẩy ra. Thông thường, bề mặt rắn có năng

lượng tự do bề mặt khá lớn nên có xu hướng làm giảm năng lượng năng

đó.

Gs = k.S

dGs = σ.dS + S.dσ

Quá trình tự xảy ra nên dGs < 0 → σ giảm. Vì vậy, quá trình thấm

ướt là quá trình tỏa nhiệt.

c.Thấm ướt có tính chọn lọc, ứng dụng của nó.

Như trên đã nói, quá trình thấm ướt ưu tiên chất nào càng làm giảm

năng lượng bề mặt. Chất lỏng nào có hiệu số độ phân cực so với bề mặt

bé hơn thì khả năng thắm ướt tốt hơn.

Ví dụ: Cho 1 bề mặt rắn tiếp xúc với 2 chất lỏng là nước (ưa nước)và

Hydrocacbon (kị nước). Nếu bề mặt rắn thấm ướt chọn lọc nước thì Cosθ

> 0 (hiệu số độ phân cực rắn lỏng nhỏ hơn).

Tuyển nổi là 1 ứng dụng quan trọng của hiện tượng thấm ướt. Trong

quá trình tuyển nổi, vật rắn ( quặng ) đi từ vị trí 1 trong thể tích chất lỏng

đến vị trí 2 trên bề mặt chất lỏng. 2 bề mặt lỏng-khí và rắn-lỏng được

thay bởi bề mặt rắn-khí.

σl,k + σl,r > σr,k

f là lực nâng hạt khoáng từ (1) → (2) được xác định:

f = σl,k + σl,r - σr,k

mà: σr,k - σr,k = σl,k. Cosθ → f = σl,k - σl,k.Cosθ

→ f = σl,k.(1 – Cosθ)

P là trọng lực của hạt quặng : P = m.g

Để hạt khoáng nổi lên trên bề mặt lỏng thì:

f > P → σl,k.(1 – Cosθ) > m.g → các yếu tố tác động đến quá

trình tuyển nổi là: khối lượng của hạt quặng (m) , bản chất của quặng và

chất lỏng làm thuốc tuyển.

II_Ứng dụng của chất hoạt động bề mặt.

Hiện nay, chất hoạt động bề mặt được ưng dụng rộng rãi trong các

ngành công nghiệp và đời sống như: trong bột giặt, công nghiệp nhuộm,

công nghiệp thực phẩm, mỹ phẩm,in ấn , trong nông nghiệp, xây dựng,

dầu khí, công nghiệp khoáng sản,...

1_Ứng dụng của chất HĐBM trong sản xuất chất tây rửa ( xà

phòng ).

Xà phòng dạng lỏng và dạng bánh

a.Xà phòng, một số chất HĐBM được sử dụng trong đó.

Xà phòng hay xà bông (soap) là một chất tẩy rửa các vết bẩn, vết dầu

mỡ. Thành phần của xà phòng là muối natri hoặc kali của axít béo. Xà

phòng được dùng dưới dạng bánh, bột hoặc chất lỏng.

Xà phòng trước kia được điều chế bằng cách cho chất béo tác dụng

với kiềm bằng phản ứng xà phòng hoá. Sản phẩm tạo ra là muối natri

hoặc kali của axit béo. Vì thế xà phòng được phân loại thành xà phòng

cứng (chứa natri) và xà phòng mềm (chứa kali). Loại xà phòng này có

một nhược điểm là không giặt được trong nước cứng vì nó tạo các kết tủa

với các ion canxi và magiê bết lên mặt vải làm vải chóng mục.

Về sau, xà phòng được sản xuất từ dầu mỏ. Vì thế nó đã khắc phục

được nhược điểm trên để có thể giặt được quẩn áo bằng nước cứng.

- Cấu trúc của chất HĐBM trong xà phòng:

+ Phần phân cực ưa nước gồm các nhóm – OH, ONa, - COOH...

+ Phần không phân cực : kị nước là các gốc hydro cacbon ,có thể là gốc

alkyl, aryl

Khả năng hoạt động bề mặt của chúng phụ thuộc vào :

- Bản chất của nhóm phân cực .

- Vị trí của nhóm phân cực trong mạch cacbon: nhóm phân cực ở đầu

mạch thường có khả năng tẩy rửa tốt hơn ở giữa mạch; nhóm phân cực

thông dụng là -COONa, SO3Na...

- Nhóm kỵ nước có cấu tạo mạch thẳng khả năng hoạt động bề mặt tốt

hơn mạch nhánh, nhóm có thành phần hỗn hợp alkyl và arese tốt hơn

alkyl hoặc aryl đơn thuần.

Tùy theo đặc tính của nhóm ưa nước người ta chia các chất hoạt động

bề mặt tổng hợp thành 3 loại :

- Loại anion: chủ yếu là loại có nhóm -SO3‾ ,

-OSO3‾ , (-O3Na, - OSO3Na), có thể sử dụng trong môi trường acid yếu

và nước cứng .

Cấu trúc: R - SO3Na : alkyl sunfonat Natri. (R có C12 ® C18).

Ví dụ : R - C6H4 - SO3Na .

C18H37OSO3Na (Sunfat natri của alcol octa dexilyc).

-Loại cation:có chứa nhóm amin bậc 4

-Loại không ion (trung tính) có nhóm phân cực là

nhóm -OH, ete, este...

Ví dụ: Ar (RO - CH2 - CH2O) x -CH2 - CH2 - OH

R= C18H37 x=10

Thay R = Ar = phenyl , x = 20

RCOO(CH2 CH2O) x CH2 CH2 OH

RCOO-: gốc acid béo, x = 30 → dis mougal

Ngoài chất HĐBM, bột giặt, xà phòng thường là hỗn hợp gồm nhiều

thành phần khác :

- Chất hoạt động bề mặt: chiếm từ 30% → 80%.

- Các chất phụ gia và chất độn : Na2CO3, Na5P3O10, Na2SiO3,

Na2SO4, nhựa thông,... có trong thành phần bột giặt, xà bông làm chất

phụ gia tạo thành môi trường kiềm thủy phân các chất bẩn, làm tăng độ

tan, giảm độ cúng của nước.

- Chất ổn định bọt hữu cơ và vô cơ.

- Chất màu, Chất tạo hương, chất chông oxi hóa.

b.Cơ chế tẩy rửa.

Công việc giặt quần áo, rửa bát, đĩa, gội đầu sẽ trở nên dễ dàng nếu

các chất bẩn được hòa tan trong nước. Dung môi nước là dung môi rất dễ

hòa tan. Tuy nhiên, nếu các phân tử dung môi liên kết với nhau mạnh hơn

liên kết với chất bẩn thì việc hòa tan chất bẩn sẽ trở nên khó khăn. Và

không may, rất nhiều chất bẩn chúng ta muốn loại bỏ lại có liên kết yếu

với nước.

Nước là một dung môi tuyệt vời cho các chất phân cực như các muối

dễ phân ly thành các ion mang điện hoặc các loại đường có các vùng tích

điện. Chính nước cũng bao gồm các phân tử phân cực: hyđro có điện tích

dương và oxy có điện tích âm yếu. Khi các phân tử nước gặp phân tử chất

bẩn có cực, lực hút tĩnh điện sẽ bẫy phân tử này và mang nó đi. Một số

chất không phân cực, ví dụ dầu và chất béo không có vùng tích điện nên

không tan trong nước. Những chất bẩn này chỉ có thể được hòa tan trong

các dung môi không phân cực (ví dụ percloetylen và naphta) nhưng

thường các hóa chất này độc hại và làm tổn hại đến môi trường.

Đặc tính tẩy rửa của xà phòng và chất tẩy rửa là ở chỗ: các phân tử của

chúng có 1 đầu phân cực và 1 đầu không phân cực, vì vậy chúng cân

bằng được trong các môi trường có cực cũng như không có cực. Trong

nước, các phân tử này tạo thành những cấu trúc hình cầu nhỏ được gọi là

mixen, với các đầu phân cực hướng ra ngoài và các đầu không phân cực

hướng vào trong. ở bên trong, phần mixen không phân cực này sẽ hòa tan

trong các phần tử dầu. Vì vậy, khi giặt, các mixen của xà phòng sẽ bắt

các phần tử không có cực (dầu, mỡ) và mang chúng đi.

Tác dụng tẩy rửa của xà phòng cũ có thể bị hạn chế trong nước cứng.

Các ion dương của sắt, magiê, canxi trong nước cứng kết hợp với đầu

mang điện âm của các chuỗi phân tử trong xà phòng, cản trở sự tạo thành

mixen. Tuy nhiên, các chất tẩy rửa hay xà phòng tổng hợp có thể giải

quyết được khó khăn này. Các chất tẩy rửa tổng hợp có các nhóm có cực

như các hợp chất sulfonat (-SO3‾ ) hoặc etoxysulfat được gắn vào các

chuỗi hyđrocacbon. Các nhóm tổng hợp này mang điện âm, chúng chỉ

liên kết yếu với các ion (của sắt, magiê, canxi) trong nước cứng và nhờ

đó khả năng làm sạch vẫn rất tốt.

Tựu trung, cơ chế tẩy rửa của xà phòng hay chất tẩy rửa nhờ chất

HĐBM bao gồm 3 quá trình:

- Tăng khả năng thấm ướt của vải, bằng cách làm giảm sức

căng bề mặt của nước. Dung dịch xà phòng có thể thâm nhập vào

bên trong các mao quản nhỏ của sợi vải mà nước thường không thể

thấm vào được.

- Tẩy rưả chất bẩn: các phân tử xà phòng hấp phụ lên bề mặt

sợi vải, tạo áp suất tách, hòa tan chất bẩn từ sợi vải vào các mixen.

- Tạo bọt với tác dụng tăng sự cọ sát cơ học, giúp kéo chất bẩn

ra khỏi môi trường và làm nổi chúng bằng các bong bóng khí.

2_Ứng dụng của chất hoạt động bề mặt vào quy trình tuyển nổi

quặng trong công nghiệp

a.Sơ lược về tuyển nổi quặng.

Tuyển nổi là kĩ thuật làm giầu phổ biến sử dụng để tách các quặng

sunfua đa kim, tách apatit ra khỏi neplin, làm giầu than đá và rất nhiều

tính chất khác. Nguyên lý của kĩ thuật này là dựa trên khả năng thấm ướt

và bám dính của các bọt khí một cách chọn lọc khác nhau của các hạt

quặng nghiền khi đưa vào trong nước cùng với sự sục khí liên tục qua lớp

bùn quặng, khả năng thấm ướt của các hạt khoáng đặc trưng chủ yếu bởi

góc thấm ướt Ө của chúng.

Một ngăn máy tuyển nổi

Sức căng bề mặt của những hạt không thấm ướt là động lực đẩy nó lên

trên mặt nước và được gạt ra ngoài trong khi đó các hạt bị thấm ướt được

giữ lại trong lòng chất lỏng. Điều kiện để các hạt không thấm ướt nổi lên

trên bề mặt chất lỏng là tỉ trọng của tập hợp hạt bọt quặng phải nhỏ hơn

tỷ trọng của hỗn hợp quặng nước.

Trong thực tế khả năng thấm ướt của các thành phần khoáng trong

quặng khác nhau không nhiều nên muốn cho quá trình tuyển nổi đạt hiệu

quả cao người ta thường thêm vào các chất hỗ trợ chọn lọc đối với từng

thành phần, được gọi là thuốc tuyển. Mỗi loại thuốc tuyển hỗ trợ một

cách tương đối chọn lọc cho sự thấm ướt của thành phần này hoặc sự bám

dính với bọt khí của thành phần kia. Các thuốc tuyển (chất gom) được sử

dụng nhiều nhất là các chất hoặt động bề mặt. Các chất này là các chất

hữu cơ mạch dài một đầu ưa nước và một đầu kỵ nước bao quanh và tạo

điều kiện dễ dàng cho quặng bám dính vào bọt khí. Để tạo ra những bọt

khí có độ bền cao hơn, trong tuyển nổi người ta đưa thêm chất tạo bọt với

liều lượng thích hợp.

b.Cơ sở khoa học của quá tình tuyển nổi

Những cơ sở lý thuyết cơ bản về tuyển nổi dựa trên thành tựu nghiên

cứu hóa lý hiện đại. Ngày nay, người ta dựa trên cơ sở lý thuyết đó để

điều khiển quá trình công nghệ tuyển nổi, điều chỉnh tỷ lệ thành phần các

cấu tử tạo ra đơn thuốc tập hợp phù hợp với tính chất của từng loại quặng

cần tuyển.

Ðể giải thích sự bám dính của thuốc tuyển lên bề mặt hạt khoáng

người ta đưa ra nhiều giả thuyết giải thích bằng hoá học lượng tử giữa

mức năng lượng của các orbital đầy điện tử của tác nhân thuốc tập hợp

với orbital trống của hạt khoáng, hoặc là giải thích bằng mô hình orbital

phân tử. Tựu trung lại, ngày nay người ta phân biệt 3 loại cơ chế cơ bản

về sự bám dính của các tác nhân thuốc tuyển lên bề mặt hạt khoáng:

- Sự hấp phụ do lực tĩnh điện

- Sự hấp phụ hóa học

- Sự hấp phụ vật lý

Sự hấp phụ hoá học là quan trọng hơn cả vì nó quyết định tính chọn

riêng và tính tập hợp của thuốc đối với một khoáng chất nhất định.

Những tính chất này được quyết định bởi độ dài, cấu trúc của hidrocabon,

cấu tạo của nhóm chức và thành phần tỉ lệ của các cấu tử có mặt trong hệ

thống thuốc tuyển.

Sự hấp phụ hoá học được xảy ra do sự hình thành liên kết phối trí giữa

thuốc tuyển và hạt khoáng. Mối liên kết phối trí này được tạo nên trong

phần lớn các trường hợp có sự tác dụng của tác nhân thuốc tuyển (trong

thành phần có chứa những nguyên tử có đôi điện tử tự do như N, S, O, P

hoặc là các liên kết đôi) với hạt khoáng, mà nó chứa các cation có số

lượng tử chính n ≥2.

Sự bám dính của các phân tử tác nhân thuốc tuyển có chứa các nguyên

tử cho điện tử có thể xảy ra trên bất kỳ vị trí nào của bề mặt hạt khoáng

mà ở đó có chứa các orbital trống được hình thành trong quá trình đập vỡ

hoặc nghiền quặng.

Ðiều kiện cần thiết để có sự tác dụng giữa khoáng chất và tác nhân

thuốc tuyển dạng ion (Y-) (ngoại trừ trường hợp xảy ra phản ứng dị thể)

là sự thủy phân hoặc oxi hoá khoáng chất tạo nên liên kết phân cực trên

lớp bề mặt. Kết quả sự tách và đẩy hạt tích điện âm xảy ra dễ dàng.

Dạng liên kết phối trí này có tính đối ứng δ và π. Như vậy, sự bám dính

giữa các tác nhân thuốc tuyển và bề mặt hạt khoáng xảy ra chặt chẽ hơn

và chọn lọc hơn khi mối liên kết của chúng có những tính chất cơ bản

(như: độ dài, năng lượng, số phối trí) gần với liên kết trong mạng tinh thể

của khoáng vật. Hạn chế của quan điểm này là không xem xét về bản chất

liên kết tác nhân - khoáng chất. Không có sự nhìn nhận nhất quán về sự

tác dụng của tác nhân ion và non - ion.

Sử dụng những khái niệm trên cho phép ta có một số quan điểm thống

nhất về sự bám dính lên bề mặt hạt khoáng của bất kỳ một loại thuốc

tuyển nào và hình dung được cơ chế sự bám dính của bất kỳ một loại

thuốc tuyển này trên bề mặt hạt khoáng.

Trong quá trình hấp phụ phần lớn các thuốc tập hợp trong phân tử của

nó có chứa O, N, P biểu hiện các tính chất theo những quy luật sau:

Tính axit của các thuốc tuyển càng yếu thì nó càng bám chặt

lên bề mặt hạt khoáng, phù hợp với quy luật của sự hình thành

phức chất trong dung dịch.

Lgβ = a(-LgKa)+b

Trong đó:

Ka là hằng số proton hoá

β là hằng số tạo phức

Khi có sự hình thành liên kết π hoặc có sự tác dụng tĩnh điện thì xảy ra

quy luật ngược lại. Giá trị hằng số phức của thuốc tuyển với các cation

kim loại có trong mạng tinh thể của các hạt khoáng cần tách càng lớn thì

thuốc tập hợp càng có tính chọn lọc cao. Giá trị hằng số tạo phức K và

tính hoạt hoá Khh đặc trưng cho sự bám dính của thuốc tuyển ion liên hệ

với nhau theo phương trình sau:

Khh = S/K

Trong đó:

S là nồng độ phân tử của các hợp chất ít tan.

Dựa vào đây người ta có thể đánh giá được ảnh hưởng về tính chất

axit bazơ của thuốc tuyển, kim loại và pH của dung dịch lên sự hấp phụ

tối đa của thuốc tuyển. Sự hấp phụ tối đa của thuốc tập hợp bị dịch

chuyển vào vùng pH thấp hơn khi ta tăng tính axit của thuốc tuyển và các

cation trong mạng tinh thể. Ðể tính toán giá trị pH tối đa (pHopt) sử dụng

mối tương quan sau:

(H+)opt = KHRKW/KMeOH)1/2

Trong đó:

KHR là hằng số ion hoá thuốc tuyển

KW là tích số ion của nước

KMeOH là hằng số không bền của phức hidroxo kim loại

Tăng sự chọn lựa của thuốc tuyển dạng tạo phức cho phép thực hiện

tuyển nổi khoáng vật trong môi trường axit do tính tan của hợp chất phức

trong điều kiện nay tăng và dẫn đến giải hấp phụ của những trung tâm

hấp phụ hoạt hoá yếu của khoáng chất đồng hành. Quan niệm về cơ chế

phối trí giữa thuốc tuyển và hạt khoáng cho phép ta giải thích sự tác dụng

cộng hưởng khi sử dụng hỗn hợp các loại thuốc tập hợp. Bề mặt của

khoáng chất có thể xem xét như một tổ hợp của những trung tâm hấp phụ

với lực axit - bazơ Lewis và Bronsted khác nhau. Như vậy cùng một lúc

làm đầy những trung tâm này bằng các thuốc tuyển anion, electrophin và

trung tính gây nên một sự hấp phu cực đại, do đó dẫn đến sự kị nước hoá

và ưa nước hoá bề mặt hạt khoáng.

c.Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất quặng phốt-phát (quặng

apatit).

Phương pháp tuyển quặng được áp dụng phổ biến nhất trong ngành sản

xuất phốtphát trên thế giới là phương pháp tuyển nổi anion-cation, còn

được gọi là “Quy trình Crago” do Arther Crago phát triển từ năm 1942.

Đây là một phương pháp tinh chế quặng một cách hiệu quả và dễ áp

dụng, đồng thời hiệu suất thu hồi quặng khá cao.

Trong quy trình Crago, ban đầu quặng phốtphát được sàng để loại bỏ đất

sét mịn và chia thành 3 loại: quặng dạng đá sỏi, quặng thô và quặng mịn.

Phần quặng dạng đá sỏi có thể được sử dụng như tinh quặng phốtphat mà

không cần xử lý tinh chế tiếp. Nhưng phần quặng mịn chứa khoảng 70%

cát nên phải được tinh chế bằng tuyển nổi trong 3 giai đoạn:

_Tuyển nổi anion: chất gom anion, được sử dụng để tuyển nổi quặng

phốtphat, có thành phần chủ yếu là axit béo, dầu nhiên liệu hoặc dầu tái

chế thu được từ ngành sản xuất dầu mỏ. Axit béo cũng có thể được thu

hồi từ ngành sản xuất giấy. Dầu nhiên liệu đóng vai trò quan trọng vì nó

làm tăng hiệu quả của axit béo và giảm liều lượng sử dụng.

Hỗn hợp bùn quặng được khuấy kỹ trước khi xả vào bể tuyển nổi. Quá

trình tuyển nổi anion cho phép loại bỏ khoảng 80-90% cát và đất sét còn

sót.

_Làm sạch: Trước khi tiến hành tuyển nổi giai đoạn 2, người ta loại

bỏ các thuốc gom cation bằng cách đưa axit sunfuric vào bùn quặng. Sau

đó hỗn hợp được khuấy, rửa và tách nước.

_Tuyển nổi cation: Để tinh chế quặng đạt chất lượng tiêu chuẩn sử

dụng cho sản xuất các hóa chất chứa phốtpho, người ta loại bỏ cát bằng

giai đoạn tuyển nổi ngược. Trong giai đoạn tuyển nổi này, phế thải được

cho nổi lên trên, còn tinh quặng phốtphat nằm lại bên dưới. ở đây người

ta sử dụng các thuốc gom cation từ nhóm các amin. Nhìn chung, phân tử

thuốc gom càng lớn thì càng bao bọc các hạt cát và phế thải tốt hơn, đồng

thời cũng bám dính vào các bọt không khí tốt hơn. Ngoài ra, người ta

cũng bổ sung dầu hỏa hoặc dầu điêzen để kéo dài thời gian sử dụng các

amin đắt tiền. Đặc biệt, ở giai đoạn này sự cuốn theo của cát mịn trong

nước (có trong nước tái sử dụng hoặc do tách rời từ các hạt đất sét lớn) có

thể làm tăng mạnh mức tiêu thụ amin, làm tăng chi phí sản xuất. Nhiều

loại amin có thể được sản xuất bằng các phản ứng của các phế thải từ các

ngành sản xuất công nghiệp, ví dụ ngành sản xuất giấy hoặc ngành khai

thác dầu mỏ. Thường rất khó xác định loại amin hiệu quả nhất đối với

một loại quặng cụ thể, vì vậy trước khi áp dụng người ta phải tiến hành

nhiều thử nghiệm trong phòng thí nghiệm.

Để tăng tiếp hiệu quả của các thuốc gom và làm cho chúng phân tán

tốt hơn trong hỗn hợp bùn quặng, người ta thường bổ sung axit để tạo

thành muối. ở nhiệt độ trong phòng, các muối này thường ở trạng thái rắn

và phải mất vài giờ mới phân tán đều trong nước. Vì vậy, chúng thường

được phối trộn với các hóa chất khác để có trạng thái lỏng ở nhiệt độ gần

nhiệt độ trong phòng và do đó dễ phân tán.

Khi quá trình tuyển nổi đã hoàn thành, sản phẩm tinh quặng sẽ được

bơm đến các xyclon tách nước.

*.Các thuốc tuyển thường dung trong quá trình tuyển quặng phốt-phát:

_Axit oleic kỹ thuật: là thuốc tập hợp hữu cơ truyền thống sử dụng

để tuyển nổi quặng Apatit và photphorit, được sản xuất bằng phương

pháp thuỷ phân dầu mỡ động vật, thực vật.

(Sản xuất thuốc tuyển)

Thành phần axit béo cơ bản: acid oleic C17H33COOH, acid palmitic

C15H31COOH, acid stearic C17H35COOH (khoảng 92-97%) và các chất

không xà phòng hoá (2,5 -6,5%).

_Dầu tallo (TM) và dầu tallo tinh luyện (DTM): là thuốc tập hợp

hữu cơ thông dụng trong thực tiễn tuyển nổi quặng Apatit tại Liên Xô

(cũ). Dầu tallo là sản phẩm phụ công nghệ sản xuất xenlulo, được điều

chế theo công nghệ phân tách xà phòng sunfat bằng axit sunfuric. Dầu

tallo tinh luyện được sản xuất bằng cách chưng cất dầu tallo lấy phân

đoạn 200oC-235oC. Thành phần hoá học của dầu chủ yếu là axit béo và

axit nhựa trong TM.

_Axit béo kỹ thuật (TжK): TжK là sản phẩm phụ của công nghệ sản

xuất axit béo đa chức. Thành phần hoá học chủ yếu là hỗn hợp các axit

béo (axit stearic, axit palmitic, axit oleic, axit linoleic, axit oxystearic) và

lượng nhỏ các chất không xà phòng hoá.

_Thuốc tập hợp MTK: là thuốc tập hợp mới của cộng hoà Liên bang

Nga, được sản xuất thử ở quy mô pilot để tuyển nổi quặng Apatit loại III

thay thế cho các loại thuốc tập hợp truyền thống, được đưa vào Việt Nam

nghiên cứu tuyển thử với quặng Apatit loại III Lào Cai ở mức độ phòng

thí nghiệm. Loại thuốc này được đánh giá là có thể thay thế TжK. Thành

phần chủ yếu của MTK: các axit béo và các chất phụ gia đặc biệt.

_Thuốc tập hợp B жC: là thuốc tập hợp từ lâu đã được dùng để

tuyển nổi quặng apatit. BжC đã được thử sử dụng để tuyển nổi quặng

apatit loại III Lào Cai. BжC là sản phẩm ôxi hoá trực tiếp hydrocacbon.

Thành phần của nó là hỗn hợp các chất hữu cơ chứa oxi: các rượu béo

44,7-53,6% (glycol); axit béo 36-29% (các acid monocacboxylic mạch

nhánh). BжC có ưu điểm là ít nhạy cảm với môi trường nước cứng và có

tác dụng chọn lọc đối với quặng apatit trong điều kiện có nhiều slam.

_Thuốc tập hợp MK 17-21:MK17-21 là hỗn hợp các axit

monocacboxylic có mạch cacbon từ C17-C21, gốc có cấu trúc thẳng và

phân nhánh, được chế tạo bằng cách trực tiếp oxi hoá các izoparaphin

bằng oxi không khí hoặc được tách từ những phân đoạn axit béo tổng

hợp. MK17-21 tương đối trơ với sự thay đổi thành phần ion của bùn

quặng tuyển nổi.

_Thuốc tập hợp AAK: Được sử dụng rộng rãi để tuyển quặng Apatit

trong những năm gần đây, AAK được chế tạo qua giai đoạn ngưng tụ

muối natri của axit aminohexanic với axit béo bậc cao ở nhiệt độ 1600C -

2000C . AAK tuyển nổi hữu hiệu quặng apatit cacbonat. Tính chọn lọc

đối với quặng apatit tăng nhiều khi sử dụng AAK với các thuốc tập hợp

axit béo biến tính khác. Trong phòng thí nghiệm đã nghiên cứu tuyển

AAK với quặng apatit loại III Lào Cai.

_Thuốc tập hợp KTM: KTM là loại thuốc tập hợp tuyển quặng Apatit

hoàn toàn mới. Là sản phẩm ngưng tụ giữa hỗn hợp axit béo của dầu tallo

với cacbamit. Thuốc tập hợp KTM được coi là một trong những thuốc

đặc chủng có tính chọn lọc cao đối với quặng apatit. Nghiên cứu cho thấy

KTM có thể dùng thay thế TжK để tuyển apatit Lào Cai.

_Thuốc tập hợp dạng ankyl sunfosuccinat:Ankyl sunfosuccinat là

chất hoạt động bề mặt dạng anion, được nghiên cứu từ những năm 40 và

được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như tẩy rửa, công nghiệp dệt,

mỹ phẩm, tuyển quặng với thành phần chính là ankyl sunfosuccinat . Các

thuốc tập hợp dạng N - ankylmonoamid, ankyleste của axit ankyl

(ankenyl) succinic được coi là thuốc tập hợp mới, đặc chủng có tính chọn

lọc riêng cao, tuyển nổi có hiệu quả quặng Apatit.

_Thuốc tập hợp VH-2004:Thuốc tập hợp VH-2004 là hỗn hợp các

axit béo no và không no với mạch hidrocacbon từ C10-C22, được điều

chế bằng cách oxi hoá các phân đoạn khác nhau của parafin tách ra từ dầu

mỏ và thuỷ phân từ dầu mỡ động thực vật. Thuốc tập hợp VH-2004 là

bước đột phá mới của công nghệ chế tạo thuốc tập hợp tuyển nổi Apatit

loại III ở trong nước. Hiện , loại thuốc tập hợp này đang được sử dụng có

hiệu quả để tuyển quặng Apatit loại III tại nhà máy tuyển Apatit Lào Cai.

_Thuốc tập hợp MD: Thuốc tập hợp của Thuỵ Điển là hỗn hợp của

các axit béo với chiều dài mạch hidrocacbon khác nhau cộng với một số

phụ gia khác.

3_Ứng dụng của chất HĐBM trong làm bền hệ nhũ tương:

a.Khái niệm về hệ nhũ tương:

- Nhũ tương: là một hệ phân tán cao của ít nhất hai pha lỏng mà thông

thường không hòa tan được với nhau bao gồm:

- Môi trường phân tán (thể ngoài): có tính liên tục.

- Pha phân tán (thể trong): tồn tại dạng hạt nhỏ có

đường kính từ 0,1 đến 10 micromet phân bố đều trong môi trường phân

tán, có tính gián đoạn.

VD: các loại mủ cây, nhựa, trứng gà, sữa, các sản phẩm công nghiệp:

sơn, mĩ phẩm.

- Vi nhũ tương: là hệ nhũ tương đặc biệt có ít nhất 4 cấu tử trong thành

phần của hệ: nước - dầu - chất hoạt động bề mặt ưa nước - chất hoạt

động bề mặt ưa dầu. Hệ này là một dung dịch đẳng quang và thuộc tính

nhiệt động ổn định. Quan sát bằng kính hiển vi, một vi nhũ trông như một

dung dịch đồng thể, nhưng ở thước phân tử nó lại là hệ dị thể. Cấu trúc

bên trong cùa một vi nhũ ở một nhiệt độ cho trước được quyết định bởi tỉ

lệ hợp phần của nó. Cấu trúc này gồm cả những giọt nano nhỏ hình cầu

đơn kích thước hoặc 1 pha chuyển tiếp. Trong hình 1, cấu trúc khác nhau

của một vi nhũ ở một nồng độ cho trước của chất hoạt động bề mặt được

trình bày khái quát.

Ở nồng độ cao của nước, cấu trúc bên trong của vi nhũ bao gồm

những droplet dầu trong pha tiếp giáp nước. Với sự tăng nồng độ dầu,

một mặt phân pha không có hình dạng xác định được hình thành. Ở nồng

độ dầu cao, mặt phân pha chuyển thành cấu trúc của một droplet nước

trong pha tiếp giáp dầu (mixen nghịch), cũng được gọi là một vi nhũ

nước/dầu. Giá trị kích thước của những droplet khác nhau từ 10 tới 100

nm phụ thuộc vào loại chất hoạt động bề mặt. Nó cũng chỉ ra rằng hệ rất

nhạy với nhiệt độ, đặt biệt với trường hợp chất hoạt động bề mặt không

ion. Như đã thấy ở hình 1, việc tăng nhiệt độ sẽ phá hủy các hạt dầu trong

khi những hạt nước bị phá hủy khi giảm nhiệt độ. Ngoài vùng tương ứng

với dung dịch vi nhũ, một hệ 2 pha tồn tại.

Hình 1: Cấu trúc hiển vi của vi nhũ ở một nồng độ chất hoạt động bề mặt

cho trước với ảnh hưởng của nhiệt độ và nồng độ nước

- Phân loại nhũ tương:

+Nhũ tương thuận: là nhũ tương mà pha dầu được phân tán đều

trong pha nước (O/W) hay còn gọi là mixen thuận.

+Nhũ tương nghịch: là nhũ tương mà pha nước được phân tán

đều trong pha dầu (W/O) hay còn gọi là mixen nghịch

b.Nhiệt động học của vi nhũ tương, chất nhũ hóa.

Nhũ tương là hệ dị thể có bề mặt phân chia pha rất lớn nên không bền

về mặt nhiệt động và có xu hứng co cụm lại để giảm năng lượng bề mặt.

Để lâu, nhũ tương sẽ bị tách lớp. Để chống lại sự tách lớp này, người ta

đưa ra các biện pháp, các chất làm bền hệ nhũ tương gọi là chất nhũ hóa.

Các loại chất nhũ hóa: _ Các hợp chất cao phân tử.

_Các hợp chất HĐBM.

_Các bột rắn mịn: oxit SiO2, oxit Al2O3, bột

than,...

Ta chỉ xét cơ chế làm bền hệ nhũ tương của các chất HĐBM. Đó là

những chất khi tan vào trong dung môi làm giảm sức căng bề mặt của

dung dịch theo phương trình Shycopxky:

σ' = σ – A ln(1+BC)

Với tính chất vừa ưa nước, vừa ưa dầu, chất HĐBM nằm trên bề mặt

của các hạt nhũ tương, bao quanh và ngăn cản các hạt lỏng tiếp xúc với

nhau.

Từ công thức Shicopxky ta thấy trong dung dịch chất HĐBM thì sức

căng bề mặt của nước nguyên chất luôn lớn hơn sức căng bề mặt của

dung dich, như vậy muốn hình thành hệ vi nhũ tương thì không thể thiếu

chất HĐBM.

Để tạo được hệ vi nhũ tương bền thì lượng chất hoạt động bề mặt phải

nhiều hơn hệ nhũ tương. Vi nhũ tương rất bền về mặt nhiệt động nên khi

điều chế không cần cung cấp nhiều năng lượng để pha trộn thành vi nhũ

tương. Vi nhũ tương có thể tồn tại độc lập cân bằng pha với pha nước

hoặc pha dầu do sức căng bề mặt nhỏ.

c.Điều chế hạt nano bằng phương pháp vi nhũ tương.

Theo quan điểm tạo hạt, hệ vi nhũ với cấu trúc bên trong gồm những

droplet (giọt) được quan tâm nhất. Vi nhũ nước/dầu được quan tâm nhiều

khi nó có thể tạo ra những ngăn rất nhỏ tạo cấu tạo nên bởi hidrophilic

moiety của chất hoạt động bề mặt được làm đầy bằng nước. Trong

hydrophilic bên trong của những droplet này, một lượng nào đó chất hòa

tan được trong nước có thể phân tán, ví dụ, những muối của kim loại

chuyển tiếp mà sau đó được dùng làm tiền chất để cuối cùng tạo hạt kim

loại. Như phát biểu trước, hệ này rất nhạy cảm với nhiệt độ do những tính

chất vật lý và hóa học của những thành phần của nó. Do đó, việc chọn hệ

vi nhũ trong trường hợp tạo hạt nano là rất quan trọng, những hệ này ổn

định ở nhiệt độ phòng hoặc nhiệt độ hơi cao (70o).

Có hai cách chính để tạo hạt nano từ vi nhũ:

1. Trộn lẫn hai vi nhũ, một chứa tiền chất (precursor) và một chứa chất

keo tụ (precipitating agent) (hình 2a).

2. Thêm chất keo tụ trực tiếp vào vi nhũ chứa kim loại tiền chất (hình

2b).

Hình 2: Sơ đồ tạo hạt từ vi nhũ

*.Nồng độ chất hoạt động bề mặt ảnh hưởng kích thước hạt nano.

Kích thước của hạt kim loại cuối cùng phụ thuộc vào kích thước các

hạt trong vi nhũ. Kích thước hạt sẽ bị ảnh hưởng bởi tỉ số nước trên chất

hoạt động bề mặt, ω. Việc tăng tỉ số này ở một nồng độ xác định của chất

hoạt động bề mặt sẽ tăng đường kính trung bình của các droplet. Lisiecki

và Pileni thông báo rằng kích thước của hạt nano Cu được tạo từ hệ gồm

AOT, xiclohexan và nước tăng từ 2 tới 10 nm khi ω thay đổi từ 1 tới 10.

Khi lượng nước và dầu được giữ ở giá trị thích hợp thì việc tăng lượng

chất HĐBM sẽ tăng số droplet. Điều này nghĩa là số ion kim loại trên một

droplet sẽ giảm và do đó làm giảm kích thước các hạt.

Một số nghiên cứu cho thấy kích thước của những droplet có ảnh

hưởng lớn tới kích thước của hạt sau khi keo tụ tiền chất. Tuy nhiên,

không có sự tương quan trực tiếp giữa kích thước của những droplet (10-

100 nm) với kích thước của các hạt thu được. Trong trường hợp của các

hạt platin, nồng độ của ion PtCl62- trong 1 vi nhũ PEGDE

(pentaetilenglicol dodecylete), hexan và nước bằng 1,55.1020 ion/dm3 và

số ion PtCl62- trong mỗi droplet được ước lượng là 5. Phân tích TEM cho

phát hiện kích thước trung bình của hạt Pt bằng 35 Å, nó tương đương

với 100-1500 nguyên tử kim loại phụ thuộc hình dạng hạt. Điều này cho

thấy hạt cuối cùng không hình thành phía trong các droplet mà chỉ hình

thành trong nhân. Hệ vi nhũ là nhiệt động với nghĩa là trong suốt quá

trình hình thành hạt tổng số va chạm xảy ra không đổi. Sự hình thành các

hạt gồm 2 bước: đầu tiên là quá trình tạo nhân trong các droplet, sau đó là

quá trình tụ hợp để hình thành hạt cuối cùng. Tốc độ lớn của hạt bị điều

khiển bởi sự có mặt của chất hoạt động bề mặt, chúng sẽ giới hạn các

nhân không cho phát triển quá nhanh. Do đó, các hạt phát triển cùng tốc

độ, giúp cho việc hình thành hạt của sự phân bố kích thước đồng nhất.

Kết quả là một huyền phù các hạt có kích thước nhỏ được ổn định bởi sự

ngăn cản của tập hợp các chất hoạt động bề mặt mà do đó chúng không

thể kết tụ nhiều hơn. Kích thước của các droplet ảnh hưởng kích thước

nhân nhưng kích thước của các hạt cuối cùng sẽ bị khống chế bởi các

phân tử chất hoạt động bề mặt bao quanh.

C_Lời kết.

Các chất hoạt động bề mặt (HĐBM) đã được ứng dụng trong nhiều

sản phẩm và quá trình. Tuy tham gia vào thành phần những sản phẩm để

tẩy sạch, giặt rửa và vệ sinh cá nhân là những ứng dụng lớn nhất của chất

HĐBM, nhưng vẫn còn nhiều ứng dụng khác cho thấy tính đa dạng của

hóa học các chất HĐBM có thể đáp ứng được nhiều nhu cầu hiện đại.

Cấu trúc gồm hai đầu ái dầu, ái nước làm cho chất HĐBM có những

tính chất rất hữu ích như là các tác nhân tạo độ ẩm, chất tạo nhũ, chất

phân tán, chất tăng độ tan, chất điều chỉnh bề mặt, chất diệt khuẩn, chất

tẩy rửa, chất tạo bọt, chất biến đổi độ lưu biến, chất chống nhiễm tĩnh

điện và chất chống ăn mòn...

Trong tương lai, cùng với những áp dụng mới, những chất HĐBM

mới được đề xuất, đó là những chất HĐBM đi từ thực vật: các ankyl

glycosit, sucroza este và sorbitan este. Những chất HĐBM đi từ nguồn

thực vật ít thay đổi trong quá trình sản xuất và rất an toàn đối với môi

trường, ít độc, đi từ nguyên liệu có thể tái sinh và dễ dàng bị phân hủy

sinh học. Rất thân thiện với môi trường, những chất HĐBM loại này

thích hợp với chu trình cacbon: CO2 do cây cối lấy từ khí quyển lại được

trả lại khi các chất HĐBM bị phân hủy sinh học. Ngược lại, các sản phẩm

dựa trên nguồn dầu khí thì chỉ có đẩy thêm CO2 vào khí quyển khi cuối

cùng chúng bị phân hủy sinh học.

Tuy nhiên, vì không thể tạo tất cả các chất HĐBM từ thực vật nên

chúng ta vẫn luôn luôn cần đến nguồn dầu khí cho các phản ứng (Ví dụ

phản ứng etoxyl hóa), hoặc theo con đường gián tiếp qua việc sử dụng

năng lượng và vận tải.

Gần đây, việc phát triển chất HĐBM lưỡng hợp (Gemini) đã mở ra

những khả năng mới. Trong Gemini có hai loại chất HĐBM được gắn với

nhau bằng một nhóm cầu. Cấu trúc Gemini có tính chất của các điol

axetylenic. Những chất HĐBM kiểu này có khả năng làm giảm sức căng

bề mặt tốt hơn và không có tính chất tạo bọt nhờ liên kết axetylenic giữ

chắc các mạch ái dầu. Những điol này thích hợp cho việc ứng dụng che

phủ bề mặt.

Lĩnh vực sôi động của hóa học các chất HĐBM trong tương lai sẽ là

phát triển những HĐBM Gemini để đưa các phân tử hoạt động sinh học

vào các tế bào sống nhằm chuyển các chất thuốc trực tiếp tới đích. Hay,

như việc xử lý hội chứng đau khi thở, đòi hỏi phải sử dụng các chất

HĐBM phổi (lung surfactant). Theo truyền thống, sản phẩm này xuất

phát từ phổi của động vật, nhưng ngày nay đã có sản phẩm bán tổng hợp,

cho thấy những sản phẩm tổng hợp loại này sẽ có vai trò lớn hơn.

Cùng với sự xuất hiện của hóa học nano, vì có cấu trúc ái dầu, ái

nước, nên ở các HĐBM xuất hiện hiện tượng tự tập hợp khi chúng tạo

thành các mixel, những bong bóng rỗng hay cấu trúc tinh thể lỏng. Do sự

hình thành những bong bóng rỗng, các chất HĐBM có thể chỉ ra cho nhà

nghiên cứu hiểu được những photpholipid tự tập hợp như thế nào để tạo

thành màng tế bào.

Những ví dụ đó chứng tỏ rằng tương lai của công nghệ chất HĐBM

được đảm bảo vì những sản phẩm này có tính đa dạng rất lớn, có thể đáp

ứng được những yêu cầu đặc biệt.

Nghiên cứu về chất HĐBM luôn là 1đề tài thú vị và cần thiết cho

xã hội.

Mục lục

trang

A.Lời nói đầu................................................................ 1B.Nội dung....................................................................

I_Giới thiệu về chất hoạt động bề mặt............................

1_ Khái niệm về sức căng bề mặt (SCBM)........................

2_Các yếu tố ảnh hưởng đến sức căng bề mặt...............................................................................................

3_ Chất hoạt động bề mặt (HĐBM)..................................

4. Hiện tượng thấm ướt......................................................

II_Ứng dụng của chất hoạt động bề mặt..........................

1_Ứng dụng của chất HĐBM trong sản

xuất chất tây rửa ( xà phòng )............................................

2_Ứng dụng của chất hoạt động bề mặt vào

quy trình tuyển nổi quặng trong công nghiệp.............................

3.Ứng dụng của chất HĐBM trong làm bền

hệ nhũ tương...............................................................................

C.Lời kết.......................................................................

Tài liệu tham khảo……………………………………………

Tài liệu tham khảo.

Các website:

Www.en.wikipedia.org

Www.online-tensiometer.com

Www.sita-online.com

Www.vi.wikipedia.org

Http://vn.answers.yahoo.com

Www.vinachem.com.vn

Http://articles.gourt.com

Www.hoahocvietnam.com

www.ips.gov.vn

Giáo trình:

Hóa lí & Hóa keo_Tác giả: Nguyễn Hữu Phú_ NXB Khoa học kĩ

thuật

Các sản phẩm tẩy rửa và chăm sóc cá nhân _Tác giả: Louis Hồ Tấn

Tài