Bài giảng hóa học chất hoạt động bề mặ

Các chất hoạt động bề mặt trong nước đa số là các chất hữu cơ: axit béo, muối của axit béo, ester, rượu, alkyl sulfate… Phân tử chất hoạt động bề mặt thường được cấu tạo bởi hai phần: 

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI

BỘ MÔN KỸ THUẬT HÓA HỌC

http://www.tlu.edu.vn

Bài giảng HÓA HỌC CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT

HÀ NỘI – 2018

Mẫu1

Mục lục

Chương 1 (3 tiết) 4

TỔNG QUAN VỀ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT 4

1.1 Lịch sử chất hoạt động bề mặt 4

1.1.1 Giới thiệu 4

1.1.2 Lịch sử 4

1.2 Định nghĩa về các chất hoạt động bề mặt 5

1.3 Phân loại các chất hoạt động bề mặt theo sử dụng 7

1.3.1 Chất hoạt động bề mặt tan trong nước 7

1.3.2 Chất hoạt động bề mặt hòa tan dầu nước 7

1.3.3 Chất hoạt động bề mặt tan trong dầu 7

1.4 Ứng dụng của các chất hoạt động bề mặt trong sản xuất và đời sống 8

1.4.1 Công nghiệp hóa chất: 8

1.4.2 Khai thác và chế biến dầu mỏ 8

1.4.3 Công nghiệp nhẹ như dệt, da, thực phẩm, nhuộm 9

1.4.4 Công nghiệp luyện thép và chế tạo máy 9

1.4.5 Công nghiệp và kĩ thuật xây dựng 9

1.4.6 Nông nghiệp 9

1.4.7 Công nghiệp thực phẩm 9

1.4.8 Công nghiệp dược phẩm 10

1.4.9 Sinh học 10

Chương 2 (9 tiết) 12

PHÂN LOẠI VÀ TÍNH CHẤT CỦA CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT 12

2.1 Phân loại các chất hoạt động bề mặt 12

2.1.1 Chất hoạt động bề mặt anionic 12

2.1.2 Chất hoạt động bề mặt cationic 16

2.1.3 Chất hoạt động bề mặt lưỡng tính 17

2.1.4 Chất hoạt động bề mặt không ion 19

2.1.5 Chất hoạt đông bề mặt ampholit (giới thiệu để đọc tài liệu) 20

2.1.6 Chất hoạt động bề mặt đa điện tích (giới thiệu để sv tự đọc) 23

2.1.7 Chất hoạt động bề mặt polime (giới thiệu) 27

2.2 Một số tính chất của các chất hoạt động bề mặt 28

2.2.1 Sức căng bề mặt 28

2.2.2 Cấu tạo chất hoạt động bề mặt trên ranh giới lỏng – khí 36

2.2.3 Sự hình thành micelle 36

2.2.4 Nồng độ micelle tới hạn 38

2.2.5 Điểm Kraft 39

2.2.6 Điểm đục 40

2.2.7 Cân bằng hydrophin-lipophin (HLB) 40

2.2.8 Đặc tính bề mặt lỏng – rắn và quan hệ bề mặt trong hệ ba pha 43

Chương 3 (6 tiết) 45

KHẢ NĂNG TẠO NHŨ TƯƠNG, TẠO BỌT CỦA CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT 45

3.1 Khả năng tạo nhũ tương 45

3.1.1 Phân loại nhũ tương 45

3.1.2 Hiện tượng nhũ hóa 46

3.1.3 Chất nhũ hóa 46

3.1.4 Độ bền vững và tập hợp của nhũ tương 48

3.1.5 Các biện pháp làm bền nhũ 49

3.1.6 Điều chế và phá vỡ hệ nhũ tương (sự đảo nhũ) 51

3.1.7 Một số chất hoạt động bề mặt được dùng làm chất nhũ hóa O/W 52

3.2 Khả năng tạo bọt 54

3.2.1 Độ bền vững tập hợp của bọt 54

3.2.2 Các nguyên nhân làm bền bọt 55

3.2.3 Các tác nhân làm tăng bọt 55

3.2.4 Các tác nhân chống bọt 56

3.2.5 Điều chế và phá vỡ bọt 57

Chương 4 (3 tiết) 59

KHẢ NĂNG TẨY RỬA CỦA CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT 59

6.1 Cơ chế tẩy rửa 59

6.1.1 Tẩy các vết bẩn có chất béo 59

6.1.2 Tẩy các vết bẩn dạng hạt 62

6.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tẩy rửa: 64

6.2.1 Ảnh hưởng của pH 64

6.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ 65

6.2.3 Ảnh hưởng của chất điện ly 65

6.3 Đánh giá khả năng tẩy rửa 65

6.4 Chất hoạt động bề mặt và các chỉ tiêu khác 66

6.4.1 Khả năng tạo huyền phù 66

6.4.2 Khả năng thấm ướt 66

6.4.3 Chỉ số canxi chấp nhận 66

Chương 5 (8 tiết) 67

CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT MỘT SỐ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT 67

5.1 Công nghệ sản xuất chất HĐBM anionic 67

5.1.1 Công nghệ sản xuất muối axit béo (xà phòng) 67

5.1.2 Công nghệ sản xuất chất HĐBM sulfate 77

5.1.3 Công nghệ sản xuất chất HĐBM sulfonate 82

5.1.4 Ứng dụng 86

5.2 Công nghệ sản xuất chất HĐBM cationic 87

5.2.1 Từ các axit béo mạch dài 87

5.2.2 Từ các dẫn xuất halogenua 88

5.2.3 Từ các rượu mạch dài (ancol béo) 88

5.2.4 Từ ankanolamide (este-quat) 88

5.2.5 Chuyển hóa amin thành muối amoni bậc 4 89

5.2.6 Ứng dụng 89

5.3 Công nghệ sản xuất chất HĐBM non-ionic 90

5.3.1 CN sản xuất chất HĐBM non-ionic từ ankyl phenol 90

5.3.2 CN sản xuất chất HĐBM non-ionic từ rượu béo mạch dài 91

5.3.3 Ứng dụng 91

Chương 1 (3 tiết) TỔNG QUAN VỀ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT 1.1 Lịch sử chất hoạt động bề mặt

1.1.1 Giới thiệu

1.1.2 Lịch sử

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 những 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 tới sự phát triển của các nghành khác Một trong những ứng dụng phổ biến của ngành hóa là 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 làm các chất xúc tác trong các phản ứng công nghiệp nhằm nâng cao hiệu suất sản xuất của các quá trình công nghiệp

Khoảng 2800 B.C người Babylon cổ đại đã phát minh ra xà phòng (đây là chất hoạt động

bề mặt đầu tiên được sử dụng trong việc tẩy rửa)

Hình 1.1 Lọ đựng xà phòng của người Babylon cổ

Sau đó người ta nhận thấy rằng một vài dịch ép thực vật, như saponin glycosit từ bồ kết hoặc bồ hòn có thể hỗ trợ quá trình giặt rửa Từ đó công nghệ sản xuất xà phòng được phát triển nhờ áp dụng quá trình xà phòng hóa (thủy phân trong môi trường kiềm) đối với dầu mỡ động và thực vật

Hình 1.2 Bồ kết và bồ hòn

Do xà phòng có nhiều hạn chế khi sử dụng nên chất hoạt động bề mặt tổng hợp bắt đầu xuất hiện vào cuối thế kỉ XIX với tên gọi turkey red oil (TRO) –sulfate hóa dầu thầu dầu đỏ,

có vai trò quan trọng trong quá trình nhuộm vải

Hình 1.3 Turkey red oil (TRO)

Trong thế chiến thứ nhất, do sự thiếu hụt về dầu mỡ tự nhiên, người Đức đã tổng hợp ra chất hoạt động bề mặt hoàn toàn từ nguyên liệu công nghiệp: alkyl naphthalene sulfonates (từ propyl hoặc buthyl ancohol với naphthalene), có khả năng thấm ướt nổi bật, được sử dụng rộng rãi cho đến ngày nay

Đến đầu những năm 1930, các alkyl aryl sulfonates mạch dài xuất hiện ở Mỹ Đến khi kết thúc chiến tranh thế giới thứ 2, các alkyl aryl sulfonates chiếm dần thị phần của ancohol sulfonates và được ứng dụng như chất tẩy rửa chính trong nhiều sản phẩm

Cùng lúc đó tại Anh, alkylbenzene sulfonate (ABS) được tổng hợp từ phân đoạn của dầu

mỏ Với ưu điểm là giảm chi phí sản xuất và tăng khả năng sử dụng mà ABS nhanh chóng chiếm thị phần của chất tẩy rửa, chiếm hơn 1 nửa lượng chất hoạt động bề mặt được sử dụng trên thế giới trong giai đoạn 1950-1965

Hình 1.4 Butyl naphthalene sulfonates (a); ABS (b) và LAS (c)

Đến đầu những năm 1960, người ta nhận thấy các chất hoạt động bề mặt ABS có chứa các mạch alkyl dài, phân nhánh rất khó bị phân hủy sinh học tự nhiên (xuất hiện bọt ở các sông

hồ và nước thải sinh hoạt) Do đó, nhóm các chất hoạt động bề mặt linear alkylbenzene sulfonate (LABSA hay LAS) dễ phân hủy hơn đã dần thay thế vị trí của ABS trong công nghiệp chất tẩy rửa

Ngày nay, các chất hoạt động bề mặt ngoài việc được nghiên cứu để sử dụng làm chất tẩy rửa thân thiện với môi trường còn được sử dụng vào các mục đích khác trng y học, sinh học, công nghiệp khai khoáng…

1.2 Định nghĩa về các chất hoạt động bề mặt

Chất hoạt động bề mặt (HĐBM) là là những chất có khả năng làm thay đổi tương tác pha

và năng lượng ở mặt ranh giới tiếp giáp lỏng – khí, lỏng – rắn hoặc dầu – nước … Các chất

này có khả năng hấp phụ lên lớp bề mặt (độ hấp phụ Г > 0), có độ tan tương đối nhỏ và sức căng bề mặt σ bé hơn dung môi

Các chất hoạt động bề mặt trong nước đa số là các chất hữu cơ: axit béo, muối của axit béo, ester, rượu, alkyl sulfate…

Phân tử chất hoạt động bề mặt thường được cấu tạo bởi hai phần:

 Phần phân cực (hidrophin hay lipophob): là các nhóm chức có cực: COOH, CONH2, -C6H4SO3-, - SO32- các nhóm này liên kết mạnh với các dung môi có cực như (H2O ) gọi là đầu ưa cực (với dung môi là nước được gọi là đầu ưa nước (ái nước, háo nước))

- Phần không phân cực (lipophin hay hidrophob): đó là các gốc hydrocacbon Các gốc này liên kết tốt với dung môi không cực nên được gọi là đuôi kị nước (ghét nước, ái dầu, háo dầu hay ưa dầu))

Chất hoạt động bề mặt gồm hai nhóm ưa nước và ưa dầu kết hợp với nhau trong phân tử nên được gọi là chất hoạt động bề mặt lưỡng chức

Người ta thường ký hiệu các chất hoạt động bề mặt theo một trong ba kiểu sau:

Đuôi kỵ nước (không cực)

Đầu ưa nước (có cực)

Ngoài ra người ta có thể đánh dấu thêm bằng các ký hiệu:

Chất hoạt động bề mặt anion

Chất hoạt động bề mặt cation

Chất hoạt động bề mặt lưỡng ion

Chất hoạt động bề mặt không ionChất không phải là chất HĐBM, chúng có xu hướng rời khỏi bề mặt dung dịch để tan vào trong dung dịch (độ hấp phụ Г < 0), có độ tan cao và sức căng bề mặt σ lớn hơn dung môi

Sức căng bề mặt

Nồng độ

Hình 1.3 Sự phụ thuộc của sức căng bề mặt theo nồng độ (điều kiện đẳng nhiệt)

1: Chất hoạt động bề mặt 2: Chất không hoạt động bề mặt

3: Chất không ảnh hưởng đến sức căng bề mặt

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

1.3 Phân loại các chất hoạt động bề mặt theo sử dụng

Trên cơ sở tính chất của các chất HĐBM và các hệ thống nhũ người ta phân chia chúng thành một số loại sau đây:

1.3.1 Chất hoạt động bề mặt tan trong nước

Các chất HĐBM này gồm 2 phần: phần hiđrocacbon (lipophin hay hidrophob) và phần chứa các nhóm phân cực như –COONa, –SO3Na, –OH … (hidrophin hay lipophob) có tác dụng làm cho chúng dễ tan trong nước Chúng được sử dụng ở dạng dung dịch nước làm các chất giặt rửa, chất tuyển nổi, chất phá nhũ, chất ức chế ăn mòn, chất thấm ướt…

Tính chất đặc trưng của các chất HĐBM tan trong nước là tác dụng của nó ở trên bề mặt phân cách nước - không khí nghĩa là làm giảm sức căng bề mặt của chất điện ly ở giới hạn tiếp giáp không khí

Về mặt cấu tạo, các chất HĐBM tan trong nước được chia thành các chất HĐBM cationic, anionic và không ionic

1.3.2 Chất hoạt động bề mặt hòa tan dầu nước

Phần hiđrophin làm cho nó tan trong nước còn gốc hiđrocacbon dài tạo cho nó tan trong dầu Chất HĐBM tan dầu nước được sử dụng làm các chất phá nhũ, tạo nhũ và chất ức chế

ăn mòn kim loại

1.3.3 Chất hoạt động bề mặt tan trong dầu

Phần lipophin là các gốc hiđrocacbon mạch nhánh hay hiđrocacbon vòng thơm tạo cho nó

dễ tan trong dầu Chất HĐBM tan trong dầu được sử dụng để thêm vào dầu, mỡ làm chất ức chế ăn mòn, biến tính bề mặt chất rắn, tạo nhũ… Chất HĐBM tan trong dầu, không hòa tan

và không phân ly trong dung dịch nước

Các chất HĐBM tan trong dầu, trong môi trường hiđrocacbon ít phân cực cũng như các chất HĐBM tan trong nước trong môi trường nước phân cực đều tạo nên các mixen gây nên giới hạn tướng mixen-môi trường

Hình 1.5 Chất HĐBM tan trong nước và chất HĐBM tan trong dầu

Ngoài ra, dựa trên hiện tượng hình thành keo tụ của dung dịch người ta cũng phân chia các chất HĐBM thành hai nhóm là chất HĐBM keo tụ và chất HĐBM không keo tụ:

 Chất HĐBM keo tụ (hay tạo mixen) là những chất trong dung dịch sau khi đạt nồng

độ bão hòa không tạo ra kết tủa hay không phân lớp mà tạo ra các mixen có kích thước vài nanomet đến vài micronmet

 Chất HĐBM không keo tụ (hay hòa tan phân tử) tạo ra một dung dịch trong

Chất HĐBM keo tụ được ứng dụng làm bền vững hóa hệ phân tán và các chất giặt rửa Chất HĐBM không keo tụ được dùng làm chất phân tán và chất tạo bọt Tuy nhiên trong một

số trường hợp cả hai chất này đều có tác dụng như nhau, ví dụ chất HĐBM không keo tụ được dùng làm chất đồng nhũ hóa hay chất bền vững hóa bọt kém bền, còn chất HĐBM keo tụ lại được dùng làm chất tạo màng

1.4 Ứng dụng của các chất hoạt động bề mặt trong sản xuất và đời sống

Các chất HĐBM có ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành sản xuất công, nông nghiệp, xây dựng

1.4.1 Công nghiệp hóa chất:

Trong công nghiệp hoá chất, các chất hoạt động bề mặt được dùng làm:

Chất tạo màng: giảm độ dính của cao su, hỗ trợ quá trình nhuộm màu, kị nước hóa của giấy (không thấm nước)

Chất phân tán: tăng chất lượng của quá trình hòa trộn của cao su, phân tán chất màu, nghiền

xi măng…

Chất thấm ướt: quá trình sản xuất nhựa

Chất bền nhũ: polime hóa thể nhũ, chế tạo cao su mủ, tạo hạt sản phẩm

Chất tạo bọt: chế tạo chất dẻo xốp, sự tạo bọt trong các quá trình sản xuất khác nhau như công nghiệp sản xuất chất giặt rửa, sản xuất và pha chế các thuốc bảo vệ thực vật

Chất tuyển nổi: tuyển nổi các muối và quặng

1.4.2 Khai thác và chế biến dầu mỏ

Chất ức chế ăn mòn: phá nhũ dầu thô

Chất giặt rửa: chất tạo bọt và nhũ hóa

Dịch khoan, thêm chất nhũ hóa vào dung dịch khoantạo ra nhũ tương

Làm sạch và bảo vệ các phương tiện chứa đựng và vận chuyển dầu mỡ

Bền vững hóa các chất chống oxi hóa

Phá nhũ dầu thô- làm sạch dầu thô

1.4.3 Công nghiệp nhẹ như dệt, da, thực phẩm, nhuộm

Chất chống thấm ướt: Xử lý bề mặt sợi và sản phẩm khác

Chất thấm ướt: công nghiệp da, sợi và chất màu

Chất nhũ hóa: bôi mỡ dầu các da, da có lông, sợi

Chất giặt rửa

1.4.4 Công nghiệp luyện thép và chế tạo máy

Màng mỏng: chất phủ bề mặt điện hóa, chất giúp cháy khi hàn thép

Chất thấm ướt

Chất ức chế ăn mòn

Chất nhũ hóa

Chất tuyển nổi và chất tẩy rửa

1.4.5 Công nghiệp và kĩ thuật xây dựng

Chất tạo màng và chất kị nước: chất phụ gia xi măng

Chất phân tán: trộn tốt hơn các thành phần

Điều hòa sự phát triển của các tinh thể trong quá trình sản xuất xi măng

Chất tạo bọt: chế tạo bê tông bọt, thạch cao mịn, bọt chữa cháy

Chất nhũ hóa: nhũ bitum, nhũ chữa cháy

Chất phụ gia cho quá trình nghiền xi măng và đông cứng xi măng

1.4.6 Nông nghiệp

Chất phun mù: chế tạo thuốc bảo vệ thực vật (trừ sâu, trừ cỏ ) dạng sương mù phun bằng máy bay…

Chất tạo màng và chất kị nước: chất chống mất phân bón trong đất

Chất nhũ hóa: chế tạo các dung dịch thuốc bảo vệ thực vật dạng nhũ phun tay, phun máy…

1.4.7 Công nghiệp thực phẩm

Chất tạo màng ngăn cản sự hóa cứng của bánh mì

Chất điều hòa sự phát triển của tinh thể trong quá trình chế biến đông lạnh

Chất nhũ hóa trong quá trình sản xuất magarin (bơ thực vật), sữa nhân tạo, mayone và các

sản phẩm khác

Chất bám dính bề mặt kim loại khi sơn phủ các lớp bảo vệ hộp đựng thực phẩm

1.4.8 Công nghiệp dược phẩm

Chất thấm ướt làm cho thuốc phân tán lan truyền tốt hơn trong cơ thể

Chất nhũ hóa trong quá trình sản xuất crem bôi mặt, crem dưỡng da, các dạng thuốc phun

sát trùng

Chất bền nhũ chế tạo thuốc dạng sirô

Chất khử bọt, công nghiệp tổng hợp vi sinh

Chất giặt tẩy

Chất chống vi trùng, vi khuẩn

1.4.9 Sinh học

Chế tạo màng sinh học

Chất bền vừng tạo nhũ thiên nhiên (sữa, mủ cao su)

Bảng 1.1 Một số ứng dụng tiêu biểu của chất hoạt động bề mặt T

TT

1 Sản phẩm chăm sóc cá nhân (Personal

care product)

Sản phẩm tẩy rửa gia đình và công nghiệp

(Household & Industrial Laudry &

Gia công sợi (Fibre Processing)

Tẩy rửa, nhũ hóa và bôi trơn

Bôi trơn và chống tĩnh điện

8 Dược phẩm

Công nghệ sinh học

Chương 2 (9 tiết) PHÂN LOẠI VÀ TÍNH CHẤT CỦA CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT

2.1 Phân loại các chất hoạt động bề mặt

Các chất hoạt động bề mặt (HĐBM) trong phân tử của chúng có chứa những nhóm ưa nước (hidrophin) và nhóm kị nước (hidrophob) do đó được coi là phân tử lưỡng tính

Dựa trên cấu tạo hóa học người ta phân chia các chất HĐBM thành 4 loại:

 Chất HĐBM anionic, kí hiệu

 Chất HĐBM cationic, kí hiệu

 Chất HĐBM không ionic, kí hiệu

 Chất HĐBM lưỡng tính

 Chất HĐBM ampholit (amphotere) chứa điện tích âm hay điện tích dương phụ thuộc

pH môi trường, kí hiệu

Xà phòng chủ yếu thu được từ phản ứng xà phòng hóa dầu mỡ của động thực vật

Nguyên tắc chính là thủy phân liên kết ester của glyceride, đưa về dạng axit tự do và trung hòa các axit béo đó để được xà phòng

RCOOH + NaOH  RCOONa + H2O

2.1.1.2 Các sulfate

Người ta dùng thuật ngữ “chất hoạt động bề mặt sulfate” để chỉ nhóm các chất hoạt động

bề mặt có chứa nhóm sulfate –OSO3- trong phần ái nước Trong đó:

 Nhóm sulfate này có thể liên kết trực tiếp với phần kị nước hoặc liên kết gián tiếp qua các liên kết trung gian như amide, ester, ether …

 Nhóm sulfate có thể là nhóm phân cực duy nhất trong phần ái nước hoặc là nhóm phân cực chính trong phần ái nước có nhiều nhóm phân cực

Hình 2.1 Chất hoạt động bề mặt sodium lauryl sulfate (a) (b)

Alkyl sulfate là chất hoạt động bề mặt tiêu biểu cho họ sulfate này Các tính chất hoạt động

bề mặt của alkyl sulfate phụ thuộc vào cấu tạo và chiều dài của gốc alkyl cũng như vị trí của nhóm sulfate trong mạch Các kết quả thực nghiệm cho thấy:

 Khả năng tẩy rửa của alkyl sulfate bậc I tốt nhất khi mạch C chứa 12-16 nguyên tử, đối với alkyl sulfate bậc II tốt nhất là 15-18 Khả tẩy rửa của alkyl sulfate bậc I tốt hơn bậcII

 Trong các alkyl sulfate bậc II, tính hoạt động bề mặt giảm khi nhóm sulfate di chuyển vào giữa mạch Ví dụ như pentadecyl sulfate: C15H31OSO2ONa bậc 2, khi nhóm sulfate di chuyển từ C2 vào C6 thì khả năng tẩy rửa của chúng chỉ còn một nửa

 Tính hoạt động bề mặt của alkyl sulfate giảm khi gốc alkyl phân nhánh, mặt khác

sự phân nhánh của gốc alkyl sẽ làm giảm khả năng phân hủy sinh học của alkyl sulfate

2.1.1.3 Các sulfonate

Người ta dùng thuật ngữ chất hoạt động bề mặt sulfonate để chỉ các chất hoạt động bề mặt

có chứa nhóm sulfonate (-SO3-) trong phần ái nước Trong đó:

 Nhóm sulfonate có thể là nhóm phân chức duy nhất trong phần ái nước hoặc là nhóm phân chức chính trong phần ái nước chứa nhiều nhóm phân cực

 Nhóm sulfonat có thể liên kết trực tiếp với phần kị nước hoặc liên kết gián tiếp qua các liên kết trung gian như liên kết amide, ester…

 Quá trình sulfo hóa thu được các axit sulfonic hay dẫn xuất của nó có nguyên tử lưu huỳnh liên kết trực tiếp với nguyên tử carbon

Chất hoạt động bề mặt alkyl arene sulfonate:

 Các chất hoạt động bề mặt alkyl arene sulfonate phổ biến nhất là alkyl benzene sulfonate (ABS) có phần kị nước là gốc alkyl nối vào vòng benzene, phần ái nước là nhóm sulfonate – SO3-, gốc alkyl thường có C trên dưới 12 Chúng có một số tính chất

 Khi gốc alkyl thẳng, nhóm phenyl sulfate ở vị trí C1 thì khả năng tẩy rửa của sulfonate đạt cực đại khi gốc alkyl dài khoảng C11- C14

 Vị trí nhóm phenyl sulfonate cũng ảnh hưởng đến tính chất tẩy rửa Alkyl benzene sulfonate trong đó gốc alkyl là C12, thẳng, khả năng tẩy rửa tốt khi nhóm phenyl sulfonate ở C1, C2, C3, khi nhóm này di chuyển vào giữa thì khả năng tẩy rửa giảm

 Khi mức độ phân nhánh của gốc alkyl tăng, khả năng phân hủy sinh học giảm, cùng một số lượng C, alkyl benzene sulfonate mạch thẳng có khả năng phân hủy sinh học gấp hàng chục lần so với các alkyl benzene sulfonate nhánh

 Sản phẩm tiêu biểu cho loại này được sử dụng nhiều nhất là DBSA (dodecyl benzene sulfonic axit), trong đó gốc alkyl là tetramer của propylene Hiện nay DBSA bị cấm

sử dụng do khả năng phân hủy sinh học kém, được thay bằng LAS (Linear Alkylbenzene Sulfonate)

Các chất hoạt động bề mặt sulfonate khác:

 Parafin sulfonate ( SAS: Secondary Alkyl Sulfonate)

 Sulfat rượu bậc một ( PAS: Primery Alcohol Sulfate)

CH2CH2)n(O

(CH2)n C

SO3(CH2)m CH3-

 Alkyl Ether Sulfate ( LES: Lauryl Ether Sulfate)

Hình 2.2 DBAS (a,c) và LAS (b,d)

2.1.1.4 Các sản phẩm ngưng tụ của axit béo

Isothinonat

OOCH2CH2SO3Na

Taurat

O N

CH3

CH2CH2COONa

Axit béo ngưng tụ

Ankylamit glutamic Dẫn xuất axit photphoric (axyl hóa protein)

OH

ON

Axyl hóa sản phẩm thủy phân protein Dẫn xuất anionic của alkylpoliglicosit

OORRO

RO

OROORO

RO

OROnR= H, CO CH

OHCHCOONaOH

, CO CH2 C

OHCOONa

CH2COONa CO CH2 CH

SO3Na

COONa,

2.1.2 Chất hoạt động bề mặt cationic

2.1.2.1 Giới thiệu

Chất hoạt động bề mặt mà khi hòa tan vào nước phân ly ra ion hoạt động bề mặt dương (chiếm phần lớn kích thước toàn bộ phân tử do chứa hidrocacbon mạch khá dài) và ion âm không có tính hoạt động bề mặt

 Có khả năng hoạt động bề mặt không cao

 Chất hoạt động bề mặt cation được gọi là xà phòng đảo ngược, chúng không có khả năng tẩy rửa cho xơ sợi như các chất hoạt động bề mặt anion mà bị hấp phụ mạnh lên xơ sợi hoặc vải, len

 Có khả năng phân giải sinh học kém

Phân loại:

 Theo nguyên tố dị tố trong chất hoạt động bề mặt:

 Cation chứa nitơ:

CH3Cl

 Muối amoni bậc 4 Công thức tổng quát:

 Các hợp chất chứa 1 dây ankyl:

 Các hợp chất chứa 2 dây ankyl:

Cũng như các chất hoạt động bề mặt anion, ion không hoạt động bề mặt cũng có ảnh hưởng đến tính chất của chất hoạt động bề mặt Các ion khác nhau sẽ làm cho tính hoạt động bề mặt cũng như độ tan khác nhau

R1

N+R3

Phân loại:

 Chất hoạt động bề mặt lưỡng tính axit cacboxylic, thường là các amino axit có gốc ankyl mạch dài

 Chất hoạt động bề mặt lưỡng tính sulfate/sulfonate

Trong nhóm các chất hoạt động bề mặt lưỡng tính, hiện nay các dẫn xuất từ betain được

sử dụng rộng rãi nhất Chúng gồm các nhóm chính sau: Ankylamino propyl betain

Hình 2.6 Cocoamino propyl betain (CAPB)

 Khi R là gốc lauryl thì có tính tẩy rửa rất tốt, khả năng tạo bọt mạnh, không là khô

da, dịu cho da được sử dụng phối trộn trong: dầu gội, sữa tắm, nước rửa chén với tên gọi: cocoamino propyl betain (CAPB)

 Các chất hoạt đông bề mặt lưỡng tính betain thường dùng là:

 Alkyl amido propyl betain

CH2-CH2-CH2 CH2 SO3NH

-C

O R

 Không hại da, không làm rát da

 Ít độc hại

2.1.4 Chất hoạt động bề mặt không ion

2.1.4.1 Giới thiệu

Các chất tẩy rửa khi hòa tan vào trong nước không phân ly thành ion gọi là chất hoạt động

bề mặt không sinh ion (NI) do phần ái nước có những đặc trưng:

 Không ion hóa khi hòa tan vào nước nhưng vẫn phân cực

 Kích thước đủ lớn để chất hoạt động bề mặt có thể hòa tan được vào nước

 Khi thay đổi kích thước phần ái nước thì mối tương quan giữa phần ái nước và kị nước thay đổi trong một khoảng rộng

 Chủ yếu chứa các liên kết polyete và nhóm hydroxyl

NI có khả năng hoạt động bề mặt không cao Êm dịu với da, lấy dầu ít Làm bền bọt, tạo nhũ tốt Có khả năng phân giải sinh học Ít chịu ảnh hưởng của nước cứng và pH của môi trường, tuy nhiên có khả năng tạo phức với một số ion kim loại nặng trong nước

Phân loại:

 Copolimer có công thức chung: HO-(OE)n-(OP)m-(OE)n-H, hoặc HO-(OP)n-(OE)m(EP)n-H Chúng tạo bọt kém nên dùng phổ biến trong các sản phẩm tẩy rửa chuyên dùng cho máy: máy rửa chén, máy giặt, không gây hại cho môi trường, độc tính yếu Tuy nhiên dùng lượng không lớn vì khả năng phân hủy sinh học chậm

- Các oxit amin, ankyl amin, rượu amit, polyglycerol ete, polyglucosit (APG) Nhóm này có tính chất nổi trội là rất ổn định với chất tẩy có clo, nước javel, chất oxy hóa thường dùng làm tác nhân nền, tăng tính ổn định bọt, làm sệt, tạo ánh xà cừ cho sản phẩm đặc biệt dễ bị phân hủy sinh học

Một số non ionic tiêu biểu là:

 Các rượu béo ethoxy hóa:

 Các copolymer oxít ethylen (OE) và oxít propylen (OP)

CH2-CH2-OH

O C2H4 N

CH3

CH3 OH

CH3(A) Hiđroxit của trimetylamino etanol hay cholin

b) Photphatiđyletanolamin: céphaline (xephalin)

(A) Etanolamin hay colamin

CH2OH OH

A lµ: CH

NH2

COOH

CH2O

R NH (CH2)n C

OOH

A lµ:

OH

OH

HOHH

c) Este của axit béo

O R

N

CH2 CH2OH

CH2 CH2 O C

O R

d) Các sunfobeten hay cacboxylbeten:

2.1.5.4 Các arylsunfon: dạng muối nội phân tử

CNCR

NH2

SO3

2.1.6 Chất hoạt động bề mặt đa điện tích (giới thiệu để sv tự đọc)

Chất HĐBM đa điện tích đã được biết đến và sử dụng trên 50 năm, đặc biệt phổ biến là dạng cation Trong phân tử của chúng có thể chứa 2, 3 hoặc nhiều hơn nữa tâm mạng điện tích dương (+) hoặc âm (-), phân tử thường có dạng đime, trime hay polime.Về mặt cấu tạo các chất HĐBM này còn có thể phân chia theo các loại:

2.1.6.1 Chất HĐBM gemini (đime)

a) Chất HĐBM gemini (đime) dạng cation

Trong phân tử có chứa hai nửa mang điện tích dương (+) đối xứng với nhau, thường gặp là các muối amoni bậc 4 như các chất dưới đây:

N R

O

N R

2Br n

N S

(d)

(e) H

N

N

O R O

O N

N

O R O

X Y

O R

Y = O, O-(CH 2 CH 2 O) n

-(a) X = CH 2 CH 2 CH 2 SO 3 Na (b) X = OSO3Na

(c) X = OPO(OH)(ONa) (d) X = OCH 2 CO 2 Na

O

O O

c) Chất HĐBM dẫn xuất axit amin

Từ các axit amin điều chế các chất HĐBM gemini với sự thay đổi cấu tạo ở các đầu phân tử khác nhau như hình dưới: chất (a) không ionic, chất (b) anionic

C R O

N

SO 3 K

S O

NH

N

R O

N

KO 3 S

S O

(a)

(b)

d) Chất HĐBM dẫn xuất đường

Chất HĐBM gemini dựa trên cacbohiđrat là các sản phẩm mới, chúng có khả năng phân hủy sinh học, ví dụ chất (a), (b) đều là chất HĐBM không ionic:

R O OH

O

O HO

OH

OH OH O

O

O

O

O O R O OH

O O

OH

HO HO

O OPO3Na2

OOR

Na2O3P

*

*

N

NR

NR3Br

SO3Na

OOONaO3S

OR

O

OOR

Các chất (a), (b) mạch thẳng, (c), (d) mạch nhánh, hợp chất (e) polime vòng thơm benzen

O

CmH2m+1

(c) RCONH(CH2)3N

O OH

OH HO

2.1.7 Chất hoạt động bề mặt polime (giới thiệu)

Phân tử polime có thể chứa một hay nhiều điện tích âm hoặc dương hoặc không mang điện tích, có cấu tạo chung:

CH2(a)

Chất HĐBM anionic

CH3O (CH2CH2O)45 C

O

CH CH COOC12H25(b)

2.2 Một số tính chất của các chất hoạt động bề mặt

2.2.1 Sức căng bề mặt

2.2.1.1 Định nghĩa

Xét trên bề mặt phân chia pha lỏng – khí của một chất lỏng nguyên chất:

 Mọi phân tử chất lỏng đều chịu sự tương tác của các phân tử chất lỏng khác xung quanh nó

 Các phân tử trong lòng pha lỏng: các lực tương tác cân bằng nhau

 Các phân tử ở trên ranh giới phân chia pha: lực tương tác về phía pha lỏng lớn hơn

về phía pha khí → tạo ra lực ép lên phần chất lỏng về phía bên trong→ tạo ra áp nội

áp pi (hay áp suất phân tử) → kéo các phân tử chất lỏng vào trong →sức căngbề mặt giảm đến mức tối thiểu

Hình 2.9 Bề mặt phân chia lỏng – khí của một chất lỏng nguyên chất

Các phân tử ở trên lớp bề mặt có thế năng lớn hơn so với các phân tử bên trong Phần năng lượng lớn hơn đó gọi là năng lượng bề mặt của chất lỏng

Sức căng bề mặt được định nghĩa là lực căng trên một đơn vị chiều dài cắt ngang bề mặt.Trong

hệ đo lường quốc tế, sức căng bề mặt được đo bằng Newton trên mét (N·m-1)

dEs = ds hay  = dEs/ds Trong đó:

 năng lượng tạo ra một đơn vị bề mặt hay còn gọi là sức căng bề mặt

Nói cách khác: “ Lực tác dụng trên một đơn vị chiều dài của giới hạn (chu vi) bề mặt phân

chia pha và làm giảm bề mặt của chất lỏng gọi là sức căng bề mặt ”

Đơn vị của  : N/m

dyn/cm = erg/cm2 = 10-3 N/m = 1 mN/m J/m2 = kg/s2 = N/m

Cũng có thể định nghĩa 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 Như vậy, trong hệ đo lường quốc tế, đơn vị đo sức căng bề mặt tương đương Jul trên mét vuông Dưới tác dụng của sức căng bề mặt, thể tích khối chất lỏng sẽ hướng tới dạng hình cầu (nếu không có ngoại lực).

2.2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sức căng bề mặt

a Ảnh hưởng của bản chất chất hoạt động bề mặt

Hình 2.11 Sự phụ thuộc của sức căng bề mặt vào số nguyên tử cacbon trong mạch thẳng

b Ảnh hưởng của bản chất pha tiếp xúc

Sức căng bề mặt phân chia pha là sức căng hình thành giữa bề mặt hai pha không tan vào nhau và có cùng đơn vị với sức căng bề mặt

AB = A + B - 2AB

Trong đó: AB là sức căng bề mặt phân chia hai pha A và B

A là sức căng bề mặt của pha A

B là sức căng bề mặt của pha B

AB là năng lượng tương tác giữa 2 pha trên một đơn vị diện tích

Bảng 2.4 Sức căng bề mặt của các chất lỏng tiếp xúc với không khí (o) và của chất lỏng

tiếp xúc với nước (I) ở 20oC (dyn/cm)

Giá trị AB cho biết mức tương đồng giữa hai dung môi tại bề mặt phân chia pha:

 AB = 0 → 2AB = A + B → hai phân tử A và B có độ phân cực bằng nhau

 AB = A → A

Trên bề mặt phân cách pha lỏng – lỏng: Nếu hai chất lỏng hòa tan một phần vào nhau thì sức căng bề mặt trên giới hạn lỏng - lỏng gần bằng hiệu số giữa sức căng bề mặt của mỗi chất (đã bão hòa chất kia) so với không khí

Bảng 2.5 Sức căng bề mặt ở ranh giới lỏng – khí và lỏng – lỏng của hệ benzene/nước và

anilin/nước

Bề mặt chất lỏng

Nhiệt

độ (oC)

Sức căng bề mặt lỏng-không

khí (dyn/cm)

Sức căng bề mặt lỏng-lỏng

(dyn/cm) Lớp hữu cơ Lớp nước Tính toán Thực nghiệm

Benzene/nước 19 28,8 63,2 34,4 34,4

c Ảnh hưởng của nhiệt độ

Sức căng bề mặt của đa số chất lỏng giảm gần như tuyến tính khi nhiệt độ tăng (trừ các kim loại nóng chảy)

Theo phương trình của W Ramsay và J Shields sau khi hiệu chỉnh phương trình của R Eotvos:

 V2/3 = k (T c - T – 6) Trong đó:

Hình 2.12 Quan hệ giữa sức căng bề mặt và nhiệt độ

TheoVan der Waals đưa ra phương trình có dạng sau:

 = o (1 – T/T c)n

Với chất hữu cơ có n = 11/9

Với kim loại có n  1

Nói chung quan hệ tuyến tính giữa sức căng bề mặt và nhiệt độ có dạng sau:

T =  - T (d/dT) (d/dT) = const

d Ảnh hưởng của khối lượng riêng

Sức căng bề mặt ngoài tỉ lệ thuận với khối lượng riêng của pha lỏng và tỉ lệ nghịch với khối lượng riêng của pha rắn theo phương trình Mc Leod:

/(D-d)4 = K

Trong đó:

D: khối lượng riêng của pha lỏng (g/cm3)

d: khối lượng riêng của pha khí (g/cm3)

K: Hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ và tính chất của chất lỏng

e Ảnh hưởng của nồng độ

Khi tăng nồng độ chất hoạt động bề mặt: lúc đầu sức căng bề mặt giảm mạnh Sau đó, ở nồng độ trung bình, sức căng bề mặt tiếp tục giảm nhưng chậm hơn do phần lớn bề mặt đã

bị chiếm chỗ Ở nồng độ lớn sức căng bề mặt ít phụ thuộc vào nồng độ

Tính hoạt động bề mặt của một chất không chỉ phụ thuộc vào bản chất của nó mà còn phụ thuộc vào môi trường chứa nó (dung môi): dung môi có sức căng bề mặt cao có thể làm tăng tính hoạt động bề mặt của chất tan và ngược lại Ví dụ: một số chất có tính hoạt động bề mặt với nước nhưng không có tính hoạt động bề mặt trong rượu Ở chương trình này chỉ khảo sát các chất hoạt động bề mặt trong môi trường nước

Sức căng bề mặt của chất lỏng nguyên chất gần như giảm đều đặn khi nhiệt độ tăng còn dung dịch chứa chất hoạt động bề mặt có thể là một đường biểu diễn có cực đại

2.2.1.3 Độ hoạt động bề mặt – qui tắc Trauble

Độ hoạt động bề mặt -d/dc là biến thiên sức căng bề mặt theo nồng độ chất hoạt động bề mặt còn gọi là đại lượng Gibbs:

-d/dc = G*

Khi tăng nồng độ thì sức căng bề mặt của các chất tan (trong cùng dãy đồng đẳng) có mạch cacbon càng dài thì sẽ càng giảm mạnh → độ hoạt động bề mặt càng lớn

Hình 2.13 Sức căng bề mặt của các chất thuộc dãy đồng đẳng axit fomic

(1) HCOOH (2) CH3COOH (3) CH3CH2COOH (4) CH3(CH2)2COOH (5) (CH3)2CHCH2COOH

Trên cơ sở thực nghiệm DuclauX và Trauber đã đưa ra quy tắc Trauber I: “ Độ hoạt động

bề mặt tăng lên từ 3 đến 3,5 lần khi tăng chiều dài mạch carbon lên 1 nhóm – CH 2 ” Quy

tắc này là cơ sở để tổng hợp các chất hoạt động bề mặt có độ hoạt động bề mặt theo yêu cầu

2.2.1.4 Các phương pháp xác định sức căng bề mặt

Có 7 phương pháp phổ biến để xác định sức căng bề mặt là:

 Xác định sự biến đổi của mực chất lỏng trong mao quản

 Phương pháp cân giọt lỏng

 Phương pháp Lecomte duNouy

 Bản phẳng L.Wilhelmy

 Phương pháp đo dựa trên áp suất cực đại của bọt khí

 Phương pháp xác định hình dạng hạt và bọt khí

 Phương pháp quay nhỏ giọt

a Xác định sự biến đổi mực chất lỏng trong quá trình mao quản

Đây là một trong những phương pháp chính xác nhất để xác định sức căng bề mặt

Hình 2.14 Ống mao quản xác định sức căng bề mặt

Nguyên tắc đo: đo chiều cao cột chất lỏng trong mao quản

P = P1 – P2 = gh(β-) = 2/r Trong đó:

: góc dính ướt, cos = Ro /r

Ro: bán kính của mao quản r: bán kính mặt khum ở nơi tiếp xúc (m) g: gia tốc trọng trường (m/s2)

h: độ cao mực chất lỏng trong ống mao quản (m)

P1 và P2: áp suất pha khí ở trong và ngoài ống mao quản (Pa, N/m2 hoặc kg/m.s2)

và β: khối lượng riêng của pha khí và pha lỏng (kg/m3)

sức căng bề mặt (kg/s2)

→ = (1/2) (Ro gh(1-2) /cos

b Phương pháp cân giọt lỏng

Đây là phương pháp khá chính xác, được sử dụng phổ biến trong phòng thí nghiệm để xác định sức căng bề mặt trên giới hạn lỏng – khí và lỏng –lỏng

Nguyên tắc đo: thu các giọt lỏng hình thành dưới mao quản, cân để xác định chính xác khối lượng một giọt bằng phương pháp lấy trung bình

Biểu thức toán (định luật Tate T) có dạng đơn giản sau:

Hình 2.15 Sơ đồ phương pháp kéo vòng Lecomte du Nouy

Nguyên tắc đo: xác định lực kéo vòng kim loại ra khỏi bề mặt chất lỏng

Wk= 4Ro’=f (*) Trong đó:

Wk: khối lượng của vòng, f là lực kéo vòng (dyn)

Để khắc phục sai số thì đưa vào hệ số hiệu chỉnh * (bù trừ biến dạng mặt phẳng khi kéo vòng, tra trong sổ tay về sức căng bề mặt hoặc dựa vào đồ thị Harkins), hệ số này là hàm của (R3/V, Ro/ro):

* = /’ = f(R3/V, Ro/ro) Trong đó:

’: sức căng bề mặt được tính theo phương trình (*) V: Thể tích bề mặt cong

ro: bán kính của tiết diện vòng R0: bán kính của vòng W.D, Jordan H.F cũng có thể tính được * theo phương trình Znidema- Waters::

(* -a)2 = (4b/ 2).(1/Rò ).(f/(4Ro.(1 - 2))) + c Trong đó:

1 và 2 khối lượng riêng của chất lỏng ở dưới và trên vòng

Hình 2.16 Máy đo sức căng bề mặt Dunouy Ring (Xác định theo hai phương pháp

vòng Dunouy và bản phẳng Wilhelmy)

2.2.2 Cấu tạo chất hoạt động bề mặt trên ranh giới lỏng – khí

Sự hấp phụ () tăng tỷ lệ với chiều dài mạch carbon trong một dãy đồng đẳng và các đường này đạt giá trị giới hạn khi nồng độ chất hoạt động bề mặt đủ lớn

Ở nồng độ nhỏ, trên cùng một đơn vị diện tích bề mặt, số lượng phân tử chất hoạt động bề mặt là khác nhau khi chiều dài phần kị nước khác nhau Ở nồng độ đủ lớn, một đơn vị bề mặt

sẽ chứa cùng một số lượng phân tử chất hoạt động bề mặt có chiều dài phần kị nước khác nhau

Khi nồng độ C nhỏ, mạch hydrocarbon sẽ bị đẩy về phía không khí, có thể bị ngã nghiêng

do mạch hydrocarbon linh động và có khối lượng riêng bé, phần phân cực ở trong nước Khi nồng độ C lớn, số phân tử chất hoạt động bề mặt tăng lên, mạch hydrocarbon dựng đứng lên, song song với nhau, vuông góc với mặt nước, tạo thành một màng sít chặt gọi là màng ngưng

tụ → các phân tử chất hoạt động bề mặt sẽ chiếm cùng diện tích dù cho chúng có chiều dài khác nhau

Khí

Lỏng

Hình 2.17 Phân bố của chất hoạt động bề mặt tạ ranh giới lỏng – khí

(a) Khi nồng độ thấp (b) Khi nồng độ đủ lớn

2.2.3 Sự hình thành micelle

Trong dung dịch, ở nồng độ nhỏ, các phân tử chất hoạt động bề mặt hoà tan riêng biệt Khi nồng độ chất họat động bề mặt tăng lên một giá trị nào đó, các phân tử hòa tan liên kết với nhau tạo thành các micelle Các micell có dạng hình cầu trong đó trong đó các phân tử chất

hoạt động bề mặt liên kết với nhau bằng đầu hydrocarbon và hướng nhóm phân cực ra dung dịch nước

Ví dụ trong dung dịch xà phòng (muối của axit béo), xà phòng có thể tồn tại dưới dạng các phân tử không ion hóa RCOONa, ion RCOO- và Na+, các sản phẩm do thủy phân RCOOH, dạng tập hợp các phân tử không ion hóa, các ion và các axit béo (micelle): xRCOONa.yRCOOH.zRCOO-.z’Na+

Số phân tử xà phòng trong một tập hợp như vậy vào khoảng 50, đường kính hình cầu khoảng gấp đôi chiều dài phân tử xà phòng tạo nên nó

Hình 2.18 Sự hình thành cấu trúc micelle của chất hoạt động bề mặt

Ở các nồng độ cao hơn, các micell có kích thước tăng lên và các gốc hydrocarbon mỗi lúc mỗi thêm song song với nhau hình thành các micell tấm hay các dạng khác:

Hình 2.19 Các dạng cấu trúc micelle khác nhau

Trong dung môi không phân cực, các phân tử xà phòng trong micell sẽ hướng các nhóm phân cực vào phía trong micell còn phần kị nước sẽ quay ra ngoài

Hình 2.20 Các dạng micelle trong dung môi nước và dung môi không phân cực

Các micelles làm cho dung dịch CHĐBM có dạng tự nhiên là dạng keo, điều này rất quan trọng đối với những tính chất của chất tẩy rửa, vì:

 Cung cấp lượng CHĐBM dự trữ ở bề mặt chất lỏng để giữ cho dung dịch bãohòa

và làm cho ứng suất bề mặt của dung dịch luôn luôn nhỏ nhất, điều này giúp việc thấm ướt các thớ vải dễ dàng hơn

 Có thể hòa tan các chất dầu: bên trong các micelle gần như là một dung môi

 Hydrocarbon có thể chứa các chất bẩn dạng dầu và mang nó theo để thải cùng nước giặt

2.2.4 Nồng độ micelle tới hạn

Hình 2.21 Sự thay đổi tính chất vật lý của dung dịch chất hoạt động bề măt tại nồng độ

micell tới hạn Nồng độ dung dịch chất hoạt động bề mặt mà ở đó sự hình thành micell trở nên đáng kể gọi là nồng độ micell tới hạn (CMC)

Khi nồng độ dung dịch chất hoạt động bề mặt đạt đến giá trị CMC, sẽ có sự thay đổi rõ rệt tính chất vật lý: độ đục, độ dẫn điện, sức căng bề mặt, áp suất thẩm thấu…  xác định được CMC

Các yếu tố ảnh hưởng đến CMC:

 Chiều dài mạch cacbon: tỉ lệ nghịch với CMC Trong môi trường nước cất, đối với các phân tử có C ≤ 16, CMC của các chất hoạt động bề mặt ion giảm đi ½ lần khi mạch cacbon tăng thêm 1nhóm –CH2- Đối với chất hoạt động bề mặt không ion,

sự khác biệt này còn rõ ràng hơn Khi mạch C  18 thì CMC hầu như không đổi

Ví dụ: CMC của chất họat động bề mặt alkyl sulfate Natri trong nước ở 40oC

 Nhiệt độ: tỉ lệ nghịch với CMC

 Chất điện ly: tỉ lệ nghịch với CMC

Ví dụ: CMC của lauryl sulfate natri trong dung dịch NaCl ở 25oC

 Chất hữu cơ: Việc thêm các chất hữu cơ vào dung dịch chất hoạt động bề mặt ảnh hưởng đến CMC theo những hướng khác nhau tùy thuộc vào bản chất của chất thêm vào Dung dịch chứa nhiều chất hoạt động bề mặt có CMC nhỏ hơn CMC của các

dung dịch chứa từng chất hoạt động bề mặt riêng biệt

2.2.5 Điểm Kraft

Điểm Kraft là nhiệt độ tại đó chất hoạt động bề mặt có độ hòa tan bằng CMC Khi đạt đến

nhiệt độ này một lượng lớn chất hoạt động bề mặt sẽ được phân tán trong dung dịch dưới dạng micelle

Đối với chất hoạt động bề mặt anion, khi chiều dài mạch C tăng, điểm Kraft cũng tăng

Ví dụ:Điểm Kraft của dung dịch alkyl sulfate trong nước như sau:

Lưu ý rằng các giá trị này có thể thay đổi khi có mặt của các thành phần khác

2.2.6 Điểm đục

Điểm đục là nhiệt độ tại đó chất hoạt động bề mặt không ion không thể hòa tan, tách ra khỏi dung dịch làm dung dịch trở nên đục

Đối với chất hoạt động bề mặt không ion trên cơ sở ethylen oxýt, điểm đục sẽ giảm khi độ

dài gốc alkyl tăng hoặc khi lượng oxit ethylene trong phân tử giảm xuống

2.2.7 Cân bằng hydrophin-lipophin (HLB)

Nếu phần ái nước tác dụng mạnh hơn phần kị nước thì chất họat động bề mặt dễ hòa tan trong nước hơn, ngước lại nếu phần kị nước tác dụng mạnh hơn phần ái nước thì chất họat động bề mặt dễ tan trong pha hữu cơ hơn Mối tương quan giữa phần ái nước và kị nước được đặc trưng bằng giá trị HLB

HLB cho biết tỷ lệ giữa tính ái nước so với tính kị nước, được biểu thị bằng thang đo có 0 giá trị từ 1-40 Các chất hoạt động bề mặt có tính ái nước thấp sẽ có HLB nhỏ, các chất họat động bề mặt có tính ái dầu thấp sẽ có HLB lớn

Có thể ước lượng sơ bộ giá trị HLB dựa trên tính chất hòa tan trong nước hay tính phân tán của chất hoạt động bề mặt trong nước Ứng với độ phân tán khác nhau thì giá trị HLB khác nhau

Bảng 2.6 Giá trị HLB trong một số môi trường phân tán

Ngoài ra giá trị HLB còn được xác định theo nhóm ưa nước và kị nước (theo Davies) Giá trị HLB của các nhóm cho trong bảng dưới đây:

Bảng 2.7 Giá trị HLB đối với một số nhóm ưa nước và kị nước

- SO4Na 38,7 -CH<,-CH2-, -CH3, =CH- 0,475