1. Trang chủ
  2. » Giáo án - Bài giảng

bài giảng chất hoạt động bề mặt

66 586 1

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Thông tin cơ bản

Định dạng
Số trang 66
Dung lượng 1,57 MB

Các công cụ chuyển đổi và chỉnh sửa cho tài liệu này

Nội dung

bài giảng chất hoạt động bề mặtbài giảng chất hoạt động bề mặtbài giảng chất hoạt động bề mặtbài giảng chất hoạt động bề mặtbài giảng chất hoạt động bề mặtbài giảng chất hoạt động bề mặtbài giảng chất hoạt động bề mặtbài giảng chất hoạt động bề mặtbài giảng chất hoạt động bề mặtbài giảng chất hoạt động bề mặtbài giảng chất hoạt động bề mặtbài giảng chất hoạt động bề mặtbài giảng chất hoạt động bề mặtbài giảng chất hoạt động bề mặtbài giảng chất hoạt động bề mặtbài giảng chất hoạt động bề mặtbài giảng chất hoạt động bề mặtbài giảng chất hoạt động bề mặtbài giảng chất hoạt động bề mặtbài giảng chất hoạt động bề mặtbài giảng chất hoạt động bề mặtbài giảng chất hoạt động bề mặtbài giảng chất hoạt động bề mặt

Trang 1

Hồ Quốc Phong, PhD

Bộ môn CNHH

Khoa CN ĐHCT

CÔNG NGHỆ CÁC CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT

1

Bài giảng

Trang 2

Tổng quan về các CHĐBM

Chương 1 Lý thuyết cơ bản về chất hoạt động bề mặt

Chương 2 Phương pháp đánh giá CHĐBM

Khả năng tẩy rửa

Khả năng tạo bọt

Các chỉ tiêu đánh giá khác

2

Trang 3

Bọt (foam)

• Bọt là một hệ phân tán K/L mà pha khí chiếm thể tích lớn,

chứa tác nhân ổn định

• Bọt không có dạng hình cầu, mà là đa diện

• Chất lỏng nguyên chất không có khả năng tạo bọt

3

Trang 4

Bọt (foam)

• Phân tán pha khí vào lỏng với sự tham gia của chất tạo bọt,

như chất hoạt động bề mặt

̶ Là yếu tố tích cực trong quá trình giặt giũ

̶ Dùng trong bình chữa cháy

̶ Trong sản xuất chất dẻo xốp

Trang 5

Surfactants in Foams

5

Trang 6

Foam structure

Trang 7

liquid

Trang 8

Classification of Foam Stability

• All foams are thermodynamically unstable (due to the high

interfacial free energy)

• (1) Unstable (transient) foams, lifetime of seconds

 These are generally produced using ‘‘mild’’ surfactants, e.g short-chain alcohols, aniline, phenol, pine oil, shortchain undissociated fatty acid Most of these compounds are sparingly soluble and may produce a low degree of elasticity

(2) Metastable (‘‘permanent’’) foams, lifetime hours or days

 The above metastable foams are produced from surfactant

solutions near or above the critical micelle concentration

(c.m.c.) The stability is governed by the balance of surface

forces

Trang 9

• Ngoài ra, còn nhiệt độ, độ nhớt, …

• Sự tồn tại ngắn ngủi của bọt là do sự chảy của màng chất lỏng dưới tác dụng của trọng lực

9

Trang 10

Foam Stability

• Stability may be increased in some cases by the addition of

electrolytes that produce a ‘‘gel network’’ in the surfactant

Trang 11

Drainage and Thinning of Foam Films

• Gravity is the main driving force for film drainage

• The rate of drainage of foam films may be decreased by

increasing the bulk viscosity of the liquid from which the foam

is prepared

• The viscosity of the aqueous surfactant phase can be increased

by addition of electrolytes that form a ‘‘gel’’

• Film drainage can also be decreased by increasing the surface viscosity and surface elasticity For convenience, the drainage

of horizontal and vertical films will be treated separately

11

Trang 12

Drainage Films

Trang 13

Các nguyên nhân làm bền bọt

• Hiệu ứng Gibbs – Marangoni

Hiệu ứng Marangoni là sự dịch chuyển vật chất bên

trên hoặc bên trong một lớp lưu chất do sự khác nhau của SCBM

Trang 14

Các tác nhân làm tăng bọt (foam bootster)

Chọn lựa CHĐBM

• Có thể chọn 1 hay hỗn hợp CHĐBM

̶ Số lượng bọt tăng với nồng độ quanh CMC

̶ Dự đoán được khả năng tạo bọt của CHĐBM, nhưng

không dự đoán được tính ổn định

• Các yếu tố ảnh hưởng đến CMC có thể tăng hoặc giảm bọt

̶ Nhiệt độ làm tăng khả năng hòa tan chất HĐBM → tăng

khả năng tạo bọt

̶ Chất điện ly làm giảm CMC nên → làm thay đổi khả năng

tạo bọt

Trang 15

Các tác nhân làm tăng bọt (foam bootster)

• Cấu trúc phân tử của CHĐBM, có nguyên tác tổng như sau:

̶ Chất tạo HĐBM không ion ít tạo bọt hơn ion trong dung

dịch nước

̶ Cùng một họ chất HĐBM, CMC càng kém thì khả năng tạo bọt cao

̶ Cation đối của CHĐBM anion có liên quan đến khả năng

Trang 16

Phụ gia làm tăng bọt

• Việc thêm ion đối có thể làm giảm CMC → tăng khả

năng tạo bọt

• Khi hợp chất có cùng mạch carbon với CHĐBM sẽ làm

tăng khả năng tạo bọt và ổn định bọt

Trang 18

Các tác nhân chống bọt (antifoamer)

Theo 2 cách:

• Ngăn cản sự tạo bọt: thường dùng các ion vô cơ như canxi để có ảnh hưởng đến tĩnh điện hay giảm nồng độ ion bằng việc kết tủa,

• Tăng tốc độ phân hủy bọt: bằng việc thêm các chất vô cơ hay

hữu cơ sẽ đến thay thế các phần tử CHĐBM

Trang 19

Hạt kỵ nước

Dung dịch

Không khí film

Hạt kỵ nước

Trang 20

Cơ chế chảy loang (spreading)

silicon/dầu

Trang 22

Khả năng tạo huyền phù

• Huyền phù là hệ phân tán rắn trong môi trường lỏng (R/L)

• CHĐBM làm cho hệ huyền phù ổn định

• Huyền phù có nhiều ứng dụng trong CN:

– Hệ không nước: sơn dầu, mực in, verni,…

– Hệ có nước: sơn nước, dung dịch thuốc nhuộm, thuốc bảo vệ thực vật, …

• Đánh giá khả năng tạo huyền phù của CHĐBM

– Đo độ đục hỗn hợp than hoặc CaCO3 phân tán trong

dung dịch CHĐBM

– Đo thời gian lắng tủa

Trang 23

Khả năng thấm ướt

Hiện tượng dính ướt và không dính ướt

a) quan sát

Giọt nước chảy lan ra

Giọt thuỷ ngân thu về dạng hình cầu(hơi dẹt)

Tấm thuỷ tinh sạch Giọt nước Giọt thuỷ ngân

23

Trang 24

Khả năng thấm ướt

• Xảy ra khi chất lỏng tiếp xúc với chất rắn

• Tuỳ theo bản chất của chất lỏng và chất rắn mà có hiện tượng

chất lỏng làm ướt hay không làm ướt vật rắn

– VD: Nước dính ướt thuỷ tinh,nhưng không dính ướt lá

sen…

Trang 25

• Đánh giá khả năng thấm ướt: thời gian chìm của cuộn chỉ

có trọng lượng 5g, đường kính 44cm trong dung dịch

CHĐBM

25

Trang 26

Dung dịch trở nên đục

Dung dịch 1%

calcium acetate

Trang 27

Chương 3

• Phân loại các CHĐBM

• Ứng dụng các CHĐBM

Trang 28

General Classification of Surfactants

Phân loại theo ái nước

Trang 29

General Classification of Surfactants

• Nonionic Surfactants

– Alcohol Ethoxylates

– Alkyl Phenol Ethoxylates

– Fatty Acid Ethoxylates

– Sorbitan Esters and Their Ethoxylated Derivatives

– (Spans and Tweens)

– Ethoxylated Fats and Oils

– Amine Ethoxylates

– Ethylene Oxide–Propylene Oxide Co-polymers (EO/PO) – Surfactants Derived from Mono- and Polysaccharides

Trang 30

 For optimum detergency the hydrophobic chain is a linear alkyl

group with a chain length in the region of 12–16 carbon atoms Linear chains are preferred since they are more effective and more degradable than branched ones

Trang 31

Carboxylates

• These are perhaps the earliest known surfactants since they

constitute the earliest soaps, e.g sodium or potassium stearate,

C17H35COONa, sodium myristate, C14H29COONa

• Most commercial soaps are a mixture of fatty acids obtained from tallow, coconut oil, palm oil, etc

• The main attraction of these simple soaps is their low cost,

their ready biodegradability and low toxicity

• Their main disadvantages are their ready precipitation in water containing bivalent ions such as Ca2+ and Mg2+

Trang 32

Carboxylates

• To avoid such precipitation in hard water, the

carboxylates are modified by introducing some

hydrophilic chains, e.g ethoxy carboxylates with

the general structure RO(CH2CH2O)nCH2COO,

ester carboxylates containing hydroxyl or multi

COOH groups, sarcosinates which contain an amide group with the general structure RCON(R’)COO

Trang 33

Sulphates

• These are the largest and most important class of

synthetic surfactants, which were produced by

reaction of an alcohol with sulphuric acid, i.e they are esters of sulphuric acid

• The most common sulphate surfactant is sodium

dodecyl sulphate (abbreviated as SDS ansometimes referred to as sodium lauryl sulphate), which is

extensively used both for fundamental studies as

well as in many industrial applications

CH3(CH2)11OSO3Na

Trang 34

• The critical micelle concentration (c.m.c.) of SDS (the concentration above which

• the properties of the solution show abrupt changes)

is 8x10-3 mol dm-3 (0.24%)

Trang 35

Sulphonates

• With sulphonates, the sulphur atom is directly attached to the carbon atom of the alkyl group, giving the molecule stability against hydrolysis, when compared with the sulphates

• Alkyl aryl sulphonates are the most common type of these surfactants (e.g sodium alkyl benzene sulphonate) and these are usually prepared by reaction of sulphuric acid with alkyl aryl hydrocarbons, e.g dodecyl benzene

Trang 36

Sulphonates

• Linear alkyl benzene sulphonates (LABS) are

manufactured from alkyl benzene, and the alkyl

chain length can vary from C8 to C15

• The c.m.c of sodium dodecyl benzene sulphonate

is 5 x10-3 mol dm -3 (0.18%)

• The main disadvantages of LABS are their effect on

care formulations

Trang 37

Sulphonates

• Another class of sulphonates is the a-olefin

sulphonates, which are prepared by reacting linear α-olefin with sulphur trioxide, typically yielding a mixture of alkene sulphonates (60–70 %), 3- and 4- hydroxyalkane sulphonates (~30%) and some

disulphonates and other species

• A special class of sulphonates is the

sulphosuccinates, which are esters of

sulphosuccinic acid

Trang 38

Phosphate-containing Anionic Surfactants

• Both alkyl phosphates and alkyl ether phosphates are made by treating the fatty alcohol or alcohol ethoxylates with a

phosphorylating agent, usually phosphorous pentoxide, P4O10 The reaction yields a mixture of mono- and di-esters of

phosphoric acid The ratio of the two esters is determined by

the ratio of the reactants and the amount of water present in the reaction mixture The physicochemical properties of the alkyl phosphate surfactants depend on the ratio of the esters

Phosphate surfactants are used in the metal working industry

due to their anticorrosive properties

Trang 39

Cationic Surfactant

• The most common cationic surfactants are the

quaternary ammonium compounds with the general formula R’R”R’”R””N+X-, where X is usually

chloride ion and R represents alkyl groups

• A common class of cationics is the alkyl trimethyl ammonium chloride, where R contains 8–18 C

atoms, e.g dodecyl trimethyl ammonium chloride,

C12H25(CH3)3NCl

Trang 40

dodecyl methyl poly(ethylene oxide) ammonium chloride

Trang 41

Cationic Surfactant

• Cationic surfactants are generally water soluble when there is only one long alkyl group They are generally compatible with most inorganic ions and hard water, but they are incompatible with metasilicates and highly condensed phosphates They are also incompatible with protein-like materials Cationics are generally stable to pH changes, both acid and alkaline They are incompatible with most anionic surfactants, but they are

compatible with nonionics These cationic surfactants are insoluble in hydrocarbon oils

Trang 42

Cationic Surfactant

• In contrast, cationics with two or more long alkyl chains are soluble in hydrocarbon solvents, but they become only dispersible in water (sometimes forming bilayer vesicle type structures) They are generally chemically stable and can tolerate electrolytes

• The c.m.c of cationic surfactants is close to that of anionics with the same alkyl chain length

• The prime use of cationic surfactants is their tendency to

adsorb at negatively charged surfaces, e.g anticorrosive agents for steel, flotation collectors for mineral ores, dispersants for inorganic pigments, antistatic agents for plastics, other

antistatic agents and fabric softeners, hair conditioners,

anticaking agent for fertilizers and as bactericides

Trang 43

Amphoteric (Zwitterionic) Surfactants

• These are surfactants containing both cationic and anionic

groups

• The most common amphoterics are the N-alkyl betaines,

which are derivatives of trimethyl glycine (CH3)3NCH2COOH (described as betaine) An example of betaine surfactant is

lauryl amido propyl dimethyl betaine

C12H25CON(CH3)2CH2COOH These alkyl betaines are

sometimes described as alkyl dimethyl glycinates

Trang 44

Amphoteric (Zwitterionic) Surfactants

• The main characteristic of amphoteric surfactants is their

dependence on the pH of the solution in which they are

dissolved In acid pH solutions, the molecule acquires a

positive charge and behaves like a cationic surfactant

• Whereas in alkaline pH solutions they become negatively

charged and behave like an anionic one A specific pH can be defined at which both ionic groups show equal ionization (the isoelectric point of the molecule) (described by Scheme 1.1)

Trang 45

Amphoteric (Zwitterionic) Surfactants

• Amphoteric surfactants are sometimes referred to as zwitterionic molecules They are soluble in water , but the solubility shows a minimum at the

isoelectric point Amphoterics show excellent

micelles They are chemically stable both in acids

varies widely and depends on the distance between

the isoelectric point

Trang 46

Nonionic Surfactants

• The most common nonionic surfactants are those based on ethylene oxide, referred to as ethoxylated surfactants Several classes can be distinguished:

– Alcohol ethoxylates

– Alkyl phenol ethoxylates

– Fatty acid ethoxylates

– Monoalkaolamide ethoxylates

– Sorbitan ester ethoxylates

– Fatty amine ethoxylates and ethylene oxide–propylene oxide

copolymers (sometimes referred to as polymeric surfactants)

Trang 47

Nonionic Surfactants

• Another important class of nonionics is the multihydroxy

products such as:

– Lycol esters

– Glycerol (and polyglycerol) esters

– Glucosides (and polyglucosides) and sucrose esters

– Amine oxides and sulphinyl surfactants represent nonionics with a small head group

Trang 48

Alcohol Ethoxylates

• These are generally produced by ethoxylation of a

generic names are given to this class of surfactants, such as ethoxylated fatty alcohols, alkyl

polyoxyethylene glycol, monoalkyl poly(ethylene

dodecyl hexaoxyethylene glycol monoether with the chemical formula C12H25(OCH2CH2O)6OH

(sometimes abbreviated as C12E6)

Trang 49

Alkyl Phenol Ethoxylates

• These are prepared by reaction of ethylene oxide with the

appropriate alkyl phenol The most common such surfactants are those based on nonyl phenol These surfactants are cheap

to produce, but suffer from biodegradability and potential

toxicity (the by-product of degradation is nonyl phenol, which has considerable toxicity)

• Despite these problems, nonyl phenol ethoxylates are still used

in many industrial properties, owing to their advantageous

properties, such as their solubility both in aqueous and

non-aqueous media, good emulsification and dispersion properties, etc

Trang 50

Fatty Acid Ethoxylates

• These are produced by reaction of ethylene oxide

general formula RCOO-(CH2CH2O)nH When a

polyglycol is used, a mixture of mono- and di-esters (RCOO-(CH2CH2O)n-OCOR) is produced These surfactants are generally soluble in water provided there are enough EO units and the alkyl chain

length of the acid is not too long

Trang 51

Fatty Acid Ethoxylates

• The mono-esters are much more soluble in water than the di-esters In the latter case, a longer EO chain is required to render the molecule soluble The surfactants are compatible with aqueous ions, provided there is not much unreacted acid

• However, these surfactants undergo hydrolysis in highly alkaline solutions

Trang 52

Sorbitan Esters and Their Ethoxylated Derivatives (Spans and Tweens)

• Fatty acid esters of sorbitan (generally referred to as Spans, an Atlas commercial trade name) and their ethoxylated

derivatives (generally referred to as Tweens) are perhaps one

of the most commonly used nonionics They were first

commercialised by Atlas in the USA, which has since been purchased by ICI

• The sorbitan esters are produced by reacting sorbitol with a fatty acid at a high temperature (> 200 C) The sorbitol

dehydrates to 1,4-sorbitan and then esterification takes place

If one mole of fatty acid is reacted with one mole of sorbitol, one obtains a mono-ester (some di-ester is also produced as a by-product) Thus, sorbitan monoester has the general formula shown in structure

Trang 53

Sorbitan Esters and Their Ethoxylated

Derivatives (Spans and Tweens)

The free OH groups in the molecule can be esterified, producing di- and tri-esters Several products are available depending on the nature of the alkyl group of the acid and whether the product

is a mono-, di- or tri-ester Some examples are given below:

• Sorbitan monolaurate – Span 20

• Sorbitan monopalmitate – Span 40

• Sorbitan monostearate – Span 60

• Sorbitan mono-oleate – Span 80

• Sorbitan tristearate – Span 65

• Sorbitan trioleate – Span 85

Ngày đăng: 03/10/2015, 13:53

TỪ KHÓA LIÊN QUAN

TÀI LIỆU CÙNG NGƯỜI DÙNG

TÀI LIỆU LIÊN QUAN