CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT

- Hiện tượng cơ bản của chất hoạt động bề mặt là hấp phụ, nó có thể dẫn đến hai hiệu ứng hoàn toàn khác nhau: + Làm giảm một hay nhiều sức căng bề mặt ở các mặt phân giới trong hệ thống.

Mục lục

1 CSLT của Chất hoạt động bề mặt

2 CSLT của quá trình tẩy rửa

2.1 Định nghĩa

2.2 Cơ chế

2.3 Vai trò của chất HĐBM:

2.4 Nhr hưởng của nước đến sự tẩy rửa

2.5 Các lọai chất HHDBM có tác dụng tẩy rửa

2.6 Tầm quan trọng của chất HĐBM trong các sản phẩm tẩy rửa

LỜI NÓI ĐẦU

NỘI DUNG

1 CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT

1.1 Định nghĩa:

- Chất hoạt động bề mặt (CHĐBM) 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

- Hiện tượng cơ bản của chất hoạt động bề mặt là hấp phụ, nó có thể dẫn đến hai hiệu ứng hoàn toàn khác nhau:

+ Làm giảm một hay nhiều sức căng bề mặt ở các mặt phân giới trong hệ thống

+ Bền hóa một hay nhiều mặt phân giới bằng sự tạo thành các lớp bị hập phụ

- Một tác nhân hoạt động bề mặt là một vật liệu có tính chất làm thay đổi năng lượng bề mặt mà nó tiếp xúc Sự giảm năng lượng bề mặt có thể dễ quan sát thấy trong sự tạo bọt, sự lan rộng một chất lỏng trên một chất rắn, sự phân tán các hạt rắn trong môi trường lỏng và sự tạo huyền phù

1.2 Cấu trúc:

- Tất cả các CHĐBM thông thường có một điểm chung về cấu trúc: phân tử có hai phần, một đầu

ưa nước và một đuôi kị nước

+ Đầu ưa nước thường là các nhóm phân cực như các nhóm carboxylic, sulface, sulfonate, hay các chất hoạt động bề mặt không ion, nó là một số nhóm hydroxyl hay ether

+ Đuôi kị nước thường gồm các mạch hay vòng hydrocarbon hay hỗn hợp cả hai

Cấu trúc phân tử thông thường của CHĐBM

1.3 Phân loại:

- Có nhiều cách phân loại CHĐBM, hợp lý nhất là phân loại theo tính chất ion, khi

đó sẽ có 4 loại:

+ Chất hoạt động bề mặt mang điện tích âm

+ Chất hoạt động bề mặt mang điện tích dương

+ Chất hoạt động bề mặt không mang điện tích

+ Chất hoạt động bề mặt lưỡng tính

1.3.1 Các chất hoạt động bề mặt mang điện tích âm:

- Nếu nhóm hữu cơ được liên kết bằng hóa trị cộng với đuôi kỵ nước của chất hoạt động bề mặt mang điện tích âm (-COO-, -SO- 3, -SO4 -), thì chất hoạt động bề mặt được gọi là anionic: các xà bông, các alkyibenzen sulfonat, các sulfat rượu béo… là những tác nhân bề mặt anioni

- Các phản ứng hoá học với hydrocarbon xuất phát từ dầu mỏ hoặc các chất béo và chất dầu tạo ra các axit mới giống như các axit béo Trong dung dịch, phần đầu của chất hoạt động bề mặt sẽ được mang điện tích âm

- CHĐBM mang điện tích âm đặc biệt có hiệu quả cho làm sạch chất bẩn dầu và chuyển thành thể vẩn chất bẩn đất, dầu Trong nước chúng có thể phản ứng với các ion của nước cứng (calcium và magenesium) mang điện tích dương dẫn đến việc mất tác dụng từng phần

- Chất hoạt động bề mặt mang điện tích âm được sử dụng phổ biến nhất là các alkyl sulphate

1.3.2 Các chất hoạt động bề mặt mang điện tích dương:

- Ngược lại nếu nhóm hữu cơ mang một điện tích dương (-NR1R2R3 ), sản phẩm này được gọi là cationic: clorua dimetyl di-stearyl amoni là một ví dụ của nhóm này

Cấu tạo phân tử chất Esterquats

- Trong các chất tẩy rửa dân dụng, các chất hoạt động bề mặt cationic (mang điện tích dương) cải tiến việc bao bọc của các phân tử chất hoạt động bề mặt anionic (mang điện tích âm) tại giao diện của nước và chất bẩn Điều này giúp làm giảm sức căng tại

giao diện của nước và chất bẩn một cách hiệu quả dẫn tới việc loại bỏ được nhiều hơn các chất bẩn Chúng đặc biệt có hiệu quả trong việc loại bỏ các vết bẩn dầu mỡ

Ví dụ: chất hoạt động bề mặt ứng dụng trong loại này là hệ Mono alkyl bậc 4

Cấu tạo phân tử của hệ mono alkyl bậc 4

- Hầu hết các chất tẩy rửa là chất dẫn xuất của ammonium còn có thêm tính năng sát trùng, là tính năng đặc biệt có ích trong bệnh viện

1.3.3 Chất hoạt động bề mặt không mang điện tích (non-ionic):

- Các CHĐBM không mang điện tích có những nhóm hữu cực hóa trong dung dịch nước Đuôi kỵ nước gồm những dây chất béo Đầu ưa nước chứa những nguyên tử oxy, nitơ, hoặc lưu huỳnh không ion hóa, sự hòa tan là do cấu tạo những liên kết hydro giữa các phân tử nước và một số chức năng của phần thích nước, chẳng hạn như chức năng ete của nhóm polyoxyetylen (hiện tượng hydrat hóa) Trong loại này người

ta thấy chủ yếu các dẫn xuất của polyoxyetylen hoặc polyoxypropylen, nhưng cũng cần phải thêm vào đây các este của đường, các alkanolamit

Ứng dụng phổ biến nhất của các chất hoạt động bề mặt không chứa điện tích là các ête của các rượu béo

Cấu tạo phân tử của chất hoạt động bề mặt không mang điện tích

1.3.4 Chất hoạt động bề mặt lưỡng tính:

- Các chất lưỡng tính là những hợp chất có một phân tử tạo nên một ion lưỡng cực Axit xetylamino-axetic, chẳng hạn trong môi trường nước cho hai thể sau đây:

+ C16H33-NH2-CH2-COOH chất cationic trong môi trường axit

+ C16H33-NH-CH2-COO- chất anionic trong môi trường kiềm

- Trong tất cả các phân tử ấy, đuôi kỵ nươc gồm một dây alkyl hay dây béo

- Các chất hoạt động bề mặt này rất nhẹ nhàng, do đó chúng đặc biệt phù hợp cho việc sử dụng trong các sản phẩm chăm sóc cá nhân và làm sạch trong gia đình Chúng

có thể là anionic (mang điện tích âm) hoặc cationic (mang điện tích dương) hoặc không mang điện tích trong dung dịch phụ thuộc vào độ pH của nước

- Chúng tương thích với tất cả các loại chất hoạt động bề mặt khác, có thể hoà tan

và có tác dụng trong dung dịch có nồng độ cao các chất điện phân, axít, kiềm

- Các chất hoạt động bề mặt này có thể chứa 2 nhóm điện tích khác dấu Trong khi điện tích dương luôn là ammonium thì nguồn của điện tích âm có thể thay đổi (carboxylate, sulphate, sulphonate) Các chất hoạt động bề mặt này rất tốt cho da Chúng thường được sử dụng làm dầu gội đầu và các loại mỹ phẩm khác, chúng còn được sử dụng làm nước rửa chén do có đặc tính tạo bọt cao

Cấu tạo phân tử của chất hoạt động bề mặt lưỡng tính

1.4 Tính chất của CHĐBM:

2.1 Tính thấm ướt:

Tính thấm ướt tạo điều kiện để vật cần giặt rửa, các vết bẩn tiếp xúc với nước một cách dễ dàng nên đóng vai trò rất quan trọng

Vải sợi có khả năng thấm ướt dễ dàng nhưng nước khó thấm sâu vào

bên trong cấu trúc vì sức căng bề mặt rất lớn, nhất là khi vải sợi bị dây bẩn

bằng dầu mỡ Vì thế, dùng xà phòng để làm giảm sức căng bề mặt của nước và

vải sợi – nước

2.2 Khả năng tạo bọt:

Bọt được hình thành do sự phân tán khí trong môi trường lỏng Hiện

tượng này làm cho bề mặt dung dịch chất tẩy rửa tằng lên

Khả năng tạo bọt và độ bền bọt phụ thuộc vào cấu tạo của chính chất đó, nồng độ, nhiệt độ của dung dịch, độ pH và hàm lượng ion Ca2+, Mg2+ trong dung dịch chất tẩy rửa

2.3 Khả năng hòa tan:

Tình hòa tan phụ thuộc vào các yếu tố:

Bản chất và vị trí của nhóm ưa nước Nhóm ưa nước ở đầu mạch dễ hòa tan hơn nhóm ở giữa mạch

Chiều dài của mạch Hydrocacbon Nhóm kỵ nước mạch thẳng dễ hòa tan hơn mạch nhánh

Nhiệt độ

Bản chất của ion kim loại: với ion Na+, K+ dễ hòa tan hơn các ion Ca2+,

Mg2+…

2.4 Khả năng hoạt động bề mặt:

Nước có sức căng bề mặt lớn Khi hòa tan xà phòng vào nước, sức căng

bề mặt của nước giảm Một lớp hấp thụ định hướng hình thành trên bề mặt

nhóm ưa nước hướng vào nước, nhóm kỵ nước hướng ra ngoài Nhờ có lớp hấp

thụ đó mà sức căng bề mặt của nước giảm vì bề mặt nước – không khí được

thay bằng kỵ nước – không khí (giữa các pha)

2.5 Khả năng nhũ hóa:

Nhũ tương là hệ phân tán không bền vững nên muốn thu được hệ bền vững thì phải cho thêm chất nhũ hóa

Xà phòng thường được dùng làm chất ổn định nhũ tương Tác dụng của chúng là làm giảm sức căng bề mặt của hai hướng dầu – nước sau đó, làm cho

hệ nhũ tương dễ dàng ổn định

2 CƠ SỞ LÍ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH TẨY RỬA

2.1 Định nghĩa sự tẩy rửa

Sự tẩy rửa được định nghĩa là “làm sạch mặt của một vật thể rắn, với một tác nhân riêng biệt, chất tẩy rửa, theo một tiến trình lý hóa khác hẳn với việc hòa tan thông thường

2.2 Cơ chế tẩy rửa:

• Dung dịch tẩy rửa trong nước làm giảm sức căng của nước, nước thấm sâu vào xơ sợi

• Quá trình lấy bẩn ra

• Quá trình chống tái bám chất bẩn

• Chất hoạt động bề mặt tạo bọt, chất bẩn không tan tập trung lên bề mặt bọt và bị đẩy

ra ngoài hay phân tán vào trong dung dịch ở dạng huyền phù, treo lơ lửng

2.3 Vai trò của CHĐBM:

2.3.1 Giảm sức căng bề mặt của nước và lấy bẩn ra

làm giảm sức căng bề mặt của nước làm cho vải được thấm ướt hoàn toàn.Mỗi phân tử của chất hoạt động bề mặt có 1 đầu ưa nước, đầu này bị các phân tử nước hút và 1 đầu kị nước – đầu này đồng thời vừa đẩy nước vừa hút vào các chất dầu mỡ bẩn Các lực ngược nhau này

đã kéo các chất bẩn ra và làm chúng treo lơ lửng trong nước ở dạng hòa tan, nhũ hoặc huyền phù Khuấy đảo của tay hay máy giặt đã giúp kéo hẳn các chất bẩn ra khỏi bề mặt cần làm sạch

Các vết bẩn phân cực thì dùng chất hoạt động bề mặt anion, các vết bẩn không phân cực thì dùng chất hoạt động bền mặt không ion

Ví dụ: Ban đầ u, s i có dính v t b n d ng d u m ợ ế ẩ ạ ầ ỡ đượ c ngâm trong môi tr ườ ng n ướ c Do s c c ng b m t c a ứ ă ề ặ ủ

n ướ ớ c l n nên n ướ c không th tách ho c hòa tan v t b n ể ặ ế ẩ

Khi hòa tan ch t t y r a vào n ấ ẩ ử ướ c, dung d ch ch t t y r a này có s c c ng b m t nh h n n ị ấ ẩ ử ứ ă ề ặ ỏ ơ ướ c Dung d ch có ị

th th m sâu vào s i v i và lôi các v t d u m ra, các v t d u m ể ấ ợ ả ế ầ ỡ ế ầ ỡ đượ ấ c l y ra và treo l l ng d ng nh t ơ ử ở ạ ũ ươ ng

ho c dung d ch ặ ị đồ ng nh t ấ

2.3.2 Ch t t y r a có tác d ng ch ng bám b n tr l i ấ ẩ ử ụ ố ẩ ở ạ

Các v t b n trong dung d ch t y có th a ho c k n ế ẩ ị ẩ ể ư ặ ỵ ướ c Các h t a n ạ ư ướ c s phân tán vào trong n ẽ ướ c và không

b tái bám Ng ị ượ ạ c l i các h t k n ạ ỵ ướ ạ c l i có khuynh h ướ ng bám tr l i v i Trong dung d ch t y r a, ph n l n b ơ ạ ả ị ẩ ử ầ ớ ề

m t v i và h t b n tích i n âm ặ ả ạ ẩ đ ệ

• Các ch t ho t ấ ạ độ ng b m t anion b hút vào h t b n và s i làm t ng hàng rào t nh i n gi a chúng và ề ặ ị ạ ẩ ợ ă ĩ đ ệ ữ các h t giúp s phân tán các h t b n n nh, ng n s tái bám Nh ng ạ ự ạ ẩ ổ đị ă ự ư đế n m t n ng ộ ồ độ nào ó c a v t đ ủ ế

b n và ch t ho t ẩ ấ ạ độ ng b m t nh t nh, khi n ng ề ặ ấ đị ồ độ anion càng cao thì s tái bám càng t ng do s ự ă ự nén ép l p i n tích kép bao b c b m t s i và h t ớ đ ệ ọ ề ặ ợ ạ

• Các ch t ho t ấ ạ độ ng b m t nonion có dây k n ề ặ ỵ ướ c c a phân t càng dài thì tính ch ng tái bám càng ủ ử ố

l n Các ch t nonion h p ph vào b m t s i và các h t b n h ớ ấ ấ ụ ề ặ ợ ạ ẩ ướ ng ph n a n ầ ư ướ c ra ngoài Hàng rào

l p th ậ ể đượ ạ c t o ra và c l p n ả ớ ướ c hydrat hóa s ng n ch n các h t ti n l i g n s i, ch ng l i s tái ẽ ă ặ ạ ế ạ ầ ợ ố ạ ự bám Nh ng th c t ch t ho t ư ự ế ấ ạ độ ng b n m t nonion có kh n ng ch ng tái bám th p h n các ề ặ ả ă ố ấ ơ anion.

• Ch t ho t ấ ạ độ ng b m t cation không có tác d ng ch ng tái bám, nó không thích h p cho vi c gi t t y ề ặ ụ ố ợ ệ ặ ẩ

Ch t ho t ấ ạ độ ng b m t cation tích i n d ề ặ đ ệ ươ ng, b m t v i tích i n âm vì v y chúng bám vào v i nên ề ặ ả đ ệ ậ ả không có tác d ng ch ng tái bám ụ ố

2.3.3 Ch t ho t ấ ạ độ ng b m t t o b t ề ặ ạ ọ

Làm cho ch t b n không tan t p trung lên b m t b t và b ấ ẩ ậ ề ặ ọ ị đẩ y ra ngoài M t ch t ho t ộ ấ ạ độ ng b m t hay h n h p ề ặ ỗ ợ

ch t ho t ấ ạ độ ng b m t có kh n ng t o b t t i a quanh cmc V i m t lo i ch t ho t ề ặ ả ă ạ ọ ố đ ớ ộ ạ ấ ạ độ ng b m t , cmc càng nh ề ặ ỏ thì kh n ng t o b t càng l n ả ă ạ ọ ớ Đố ớ i v i alky sulfat, chi u dài dây Cacbon t ng thì ề ă độ hòa tan cmc gi m, kh n ng ả ả ă

t o b t t ng; khi di chuy n nhóm a n ạ ọ ă ể ư ướ c vào trong dây hay dùng dây Cacbon m ch nhánh thì làm t ng cmc t ạ ă ừ

ó làm gi m kh n ng t o b t Ch t ch t ho t ng b m t không ion t o b t ít h n ion trong n c t ng kh

n ng t o b t ng ă ạ ọ ườ i ta thêm vào các thành ph n ph gia, ó là các ch t h u c có c c có th làm gi m cmc c a ầ ụ đ ấ ữ ơ ự ể ả ủ

ch t ho t ấ ạ độ ng b m t Các ch t t ng c ề ặ ấ ă ườ ng b t trong b t gi t, n ọ ộ ặ ướ ử c r a chén, các d u g i ầ ộ đầ u là mono hay dietanol amid t o b t b n, m n và ạ ọ ề ị đề u.

2.4 nh h Ả ưở ng c a môi tr ủ ườ ng n ướ đế c n ch t t y r a: ấ ẩ ử

Môi trường nước cứng có chứa nhiều ion Ca

đó trong bột giặt có chứa các thành phần có tác dụng làm mềm nước Ta có thể sử dụng các chất tạo phức như ortho phosphat, pyro phosphat, di phosphat, tri phosphat (tên gọi không chính xác là tripolyphosphat TPP), EDTA (etylen Diamin Tetra-acetat), NTA (Nitrilo Tri-acetic) … Nhưng do các chất tạo phức có chứa phospho sẽ cung cấp dinh dưỡng cho các thực vật sống trong nước nhất là tảo, làm cho chúng phát triển nhanh nên tiêu thụ nhiều O2 hòa tan trong nước vào ban đêm làm cá chết hàng loạt nên hạn chế dùng

Sử dụng chất tạo môi trường kiềm và có tác dụng đệm để duy trì môi trường này Các



chất thường sử dụng như TPP, Na2CO3, NaHCO3, các silicat Trước đây, người ta sử dụng TPP khá phổ biến nhưng hiện nay Zeolit (các silicat) đang từ từ thay thế các carboxylat cùng các loại polymer phân giải sinh học tăng tốc và các silicat mới đang đi vào thị trường