CÔNG NGHỆ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT Chương 1: Giới thiệu chung chất hoạt động bề mặt PGS TS Lê Thị Hồng Nhan Đại học Bách Khoa TP.HCM 2014 Giới thiệu •Tình hình Là nhóm hóa chất sử dụng nhiều giới Sử dụng lĩnh vực: tẩy rửa, mỹ phẩm, công nghiệp liên quan vi điện tử, mơi trường, dầu khí, sinh học, ức chế ăn mòn, … Thị trường chất hoạt động bề mặt cao (khoảng tỷ USD 1997) Giới thiệu Thị trường chất họat động bề mặt 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 lại 1645 2765 6,8 Tổng cộng 10220 13870 3,6 Tây âu, Bắc Mỹ : khoảng 80% chất họat động bề mặt sở dầu mỏ châu Á Thái bình dương: 55-65% chất họat động bề mặt sở dầu béo thiên nhiên Giới thiệu Lượng chất họat động bề mặt sử dụng lĩnh vực vùng khác giới năm 1995) Household Products AsiaPacific Western Europe North America 58 % 56% 40% Industrial & Institutional Cleaners All others industrial uses ( pulp and paper, textile, construction,… 2% 9% 10% 40% 35% 50% % used in all industrial application 42% 43% 60% Tổng cộng (triệu tấn) 2,8 1,9 2,5 Tổng cộng sử dụng công nghiệp (triệu tấn) 1,18 0,82 1,50 Giới thiệu •Tên gọi Surfactant = Surface-active agent Tồn nồng độ thấp hệ thống Hấp thu lên bề mặt hay mặt phân chia pha => thay đổi lượng tự bề mặt Sức căng bề mặt A A B B B Phân tử chịu tương tác 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 (A) lực không cân lực ép vào lòng chất lỏng = nội áp Nội áp kéo phân tử từ bề mặt phân chia pha => giảm bể mặt đến mức tối thiểu Sức căng bề mặt •Thế (A) > Thế (B)  D lượng (A) (B) = lượng bề mặt •Muốn tăng bề mặt: đưa phân tử lòng bề mặt -> thực công chống lại lực tương tác phân tử -> lượng dư bề mặt dEs dEs   ds dEs  ds = lượng tạo unit bề mặt = sức căng bề mặt = Lực tác dụng đơn vị chiều dài giới hạn (chu vi) bề mặt phân chia pha làm giảm bề mặt chất lỏng (dyn.cm-1,erg.cm-2 ) Sức căng bề mặt •Các yếu tố ảnh hưởng sức căng bề mặt -Bản chất pha tiếp xúc -Nhiệt độ -Áp suất -Độ cong bề mặt -Sự xuất chất thứ hai chất lỏng Sức căng bề mặt -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 sức căng bề mặt, thể tích khối chất lỏng hướng tới dạng hình cầu ( khơng có ngoại lực) bề mặt hình cầu bề mặt bé giới hạn thể tích chất lỏng cho Sức căng bề mặt Nếu hai chất lỏng hòa tan phần vào sức căng bề mặt giới hạn lỏng lỏng gần hiệu số sức căng bề mặt chất ( bảo hòa chất kia) so với khơng khí Sức căng bề mặt chất lỏng tiếp xúc với khơng khí (o) chất lỏng tiếp xúc với nước (I) 20oC ( dyn/cm o I 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 - Chất lỏng Chất lỏng 10 Chất hoạt động bề mặt • Các chất họat động bề mặt: -Chất có khả làm giảm sức căng bề mặt dung môi chứa chúng Thường là: chất hữu acid béo, muối acid béo, ester, rượu, alkyl sulfate… • Cấu tạo: gồm hai phần: + Phần phân cực ( nước, ưa nước, háo nước=lyophilic group) + Phần không phân cực ( kỵ nước, ghét nước hay dầu, háo dầu, ưa dầu= lyophobic group) 14 Chất hoạt động bề mặt • Mơ hình chất họat động bề mặt: • Cấu trúc thực tế: Phần kỵ nước Phần nước 15 Phân loại Phân loại theo: • Cấu trúc hóa học • Tính chất vật lý ( độ tan nước dung mơi) • Ứng dụng hóa học Phân loại theo chất nhóm háo nước Phân loại theo chất nhóm kỵ nước Phân loại theo chất liên kết nhóm háo nước kỵ nước 16 Phân loại theo chất nhóm háo nước -Anionic - - Cationic + - Non ionic (NI) ( khơng phân ly) - Lưỡng tính ( Amphoteric) + 17 Phân loại theo chất nhóm háo nước •Anionic: Hòa tan nước phân ly thành ion HĐBM điện tích âm Bao gồm 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 phosphonic acid, persulfate, thiosulfate, sulfamic acid, sulfosuccinate… 18 Phân loại theo chất nhóm háo nước •Anionic: H3C (CH2)n - H3C C Parafin sulfonate ( SAS: Secondary Alkyl Sulfonate) CH3 CH2 C CH2 C CH3 CH3 CH3 CH3 SO3 Sulfate rượu bậc ( PAS: Primery Alcohol Sulfate) CH3 (CH2)m - R O SO3 CH3 H C - SO3 Alkyl benzen sulfonat (ABS) ABS nhánh H3C (CH2)n SO3 ABS thẳng (LAS: Linear Alkylbenzene Sulfonate) 19 Phân loại theo chất nhóm háo nước •Cationic: Hòa tan nước phân ly thành ion HĐBM điện tích dương R3 R1 + N R2 X R4 X: halogenua, sulfate, methyl sulfate,… R1: alkyl mạch dài R2, R3, R4: Hydro hay nhóm alkyl mạch ngắn, alkyl aryl 20 Phân loại theo chất nhóm háo nước •Cationic: CH3 R-CH2 + N Cl CH3 H3C O R C Một dây alkyl CH3SO4- + N O R C O-CH2-CH2 CH2-CH2OH Dialkyl ester bốn lần methosulfate triethanolamine + H3C CH3 O-CH2-CH2 N N (CH2)2NH R imidazolin bậc bốn C R O 21 Phân loại theo chất nhóm háo nước •Nonionic: Khơng tạo ion tan dung dịch nước Cấu tạo: -Phần kỵ nước: akyl phenol, alcol, acid béo, amide,… -Phần nước: ethylene oxide, propylene oxide, glycerin orbitol,… Hoạt động môi trường chứa chất điện ly lớn 22 Phân loại theo chất nhóm háo nước •Nonionic: R O (CH2-CH2O)n H Các rượu béo ethoxy hóa H (O-CH2-CH2)m O (CH2-CH-O)n (O-CH2-CH2)m-H Copolymer oxide ethylene (OE) oxide propylene (OP) H R C N O CH2-CH2-OH Alkyl monoethanol amide CH2-CH2-OH R C N O CH2-CH2-OH Alkyl diethanol amide 23 Phân loại theo chất nhóm háo nước •Nonionic: R CHOH-CH2-(OCH2-CHOH-CH2)n -OH Polyglycerol ester CH2OH O OH O OH O R n alkylpolyglucoside (APG) 24 Phân loại theo chất nhóm háo nước •Lưỡng tính: Có chứa nhóm acid base phần nước Gồm loại chính: -HĐBM lưỡng tính carboxylic -HĐBM lưỡng tính sulfate/sulfonate 25 Phân loại theo chất nhóm háo nước •Lưỡng tính: CH3 O + R C NH (CH2)3 N CH2 C CH3 O O Alkyl amido propyl betain CH3 O R C NH CH2-CH2-CH2 + N CH2 CH CH3 CH2 SO3 OH C2H4OH Alkyl amidopropyl sulfobetain + R N CH2 C C2H4OH Betain ethoxy hóa O O 26 Phân loại theo 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 từ phản ứng CO H2 27 Phân loại theo chất liên kết nhóm kỵ nước nước Gồm loại: •Nhóm háo nước liên kết trực tiếp nhóm kỵ nước: RCOONa, ROSO3Na, RC6H4SO3Na •Nhóm háo nước liên kết nhóm kỵ nước thông qua liên kết trung gian Liên kết ester: RCOO-CH2CHOHCH2-OSO3Na Liên kết amide: R-NHCOCH2SO3Na Liên kết ether: ROC2H4OSO3Na 28 ... (1) Chất hoạt động bề mặt (2) Chất không họat động bề mặt (3) Chất không ảnh hưởng đến sức căng bề mặt 12 Chất hoạt động bề mặt • Các chất họat động bề mặt: -Chất có khả làm giảm sức căng bề mặt... Bắc Mỹ : khoảng 80% chất họat động bề mặt sở dầu mỏ châu Á Thái bình dương: 55-65% chất họat động bề mặt sở dầu béo thiên nhiên Giới thiệu Lượng chất họat động bề mặt sử dụng lĩnh vực vùng khác... ghét nước hay dầu, háo dầu, ưa dầu= lyophobic group) 13 Chất hoạt động bề mặt • Các chất họat động bề mặt: -Chất có khả làm giảm sức căng bề mặt dung môi chứa chúng Thường là: chất hữu acid béo,