Phương Nam Co LTD
© 22/11/2017 - Vietnam12h.com Application

Ứng dụng của chất hoạt động bề mặt

Cơ chế tẩy rửa của chất hoạt động bề mặt

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

Sự tẩy rửa bao gồm:

Lấy đi các vết bẩn khỏi các bề mặt rắn ( vật dụng, vải vóc)

Giữ các vết bẩn đã lấy đi đang lơ lửng để tránh cho chúng khỏi bám lại trên các quần áo ( hiện tượng chống tái bám ).

Vết bẩn được khảo sát bao gồm vết bẩn không phân cực (vết bẩn dầu mỡ) và vết bẩn dạng hạt (các hạt mịn). Các vết bẩn chất béo và dạng hạt này có thể tồn tại độc lập hay hòa lẫn với nhau.

Vết bẩn chất béo có thể do từ bã nhờn của con người xúc với các chất béo ởmôi trường (thức ăn, mỹ phẩm , dầu máy.....). Các vết bẩn dạng hạt gồm oxit kim loại, đất hay hợp chất carbon như lọ nồi....

Để giải thích quá trình tẩy rửa đơn giản hơn người ta xét hai loại vết bẩn này riêng biệt.

Tẩy rửa các chất bẩn là chất béo

a) Thuyết nhiệt động – phương pháp Lanza

            xét một chất béo H (dầu) và một bề mặt rắn F (sợi). Việc vấy bẩn F do H có thể dược biểu diễn qua sơ đồ hình 1.5

Hình 1.5: Vấy bẩn do một vết bẩn chất béo

            Khi giọt dầu H (thể I) tiếp xúc với sợi F (thể II), thì giọt dầu trải ra cho đến khi đạt một thế cân bằng với một góc tiếp xúc, được xác định bởi bề mặt của sợi và đường tiếp tiyến của giao diện dầu/khí. Năng lượng tự do của thể II có thể được viết theo phương trình sau đây:

EFA = EFH + EHA.cosq    (1)

Trong đó:

EFA: năng lượng tự do sợi/khí

EFH: năng lượng tự do sợi/dầu

EHA: năng lượng tự do dầu/khí

            Năng lượng tự do tính trên một đơn vị diện tích thì bằng sức căng giao diện hay bề mặt. Phương trình (1) được viết thành:

γFA = γFH + γHA.cosq    (2)

            Bên cạnh đó, công gắn chặt chất lỏng H vào chất nền F được biểu diễn bằng phương trình:

WFH = γFA + γHA - γFH (3)

            Theo phương trình này, người ta thấy rằng gây bẩn càng dễ dàng bao nhiêu thì công gắn chặt chất lỏng WFH càng yếu đi bấy nhiêu.

            Để được như vậy chỉ cần sức căng bề mặt F (γFA) hay sức căng bề mặt của H (γHA) yếu đi. Các bề mặt không cực (dầu, polyeste,…) có sức căng bề mặt yếu nên các chất béo bám chặt vào các sợi polyeste rất dễ dàng. Trái lại, bông sợi có cực, có sức căng bề mặt lớn hơn và vì vậy nó bị dây bẩn dầu khó khăn hơn.

            Gột tẩy vết bẩn có chất béo H khỏi một bề mặt F , được biểu diễn bởi sơ đồ hình 1.6.

Hình 1.6: Gột tẩy vết bẩn có chất béo

Trước khi tẩy ( vấy bẩn) năng lượng tự do của hệ được biểu diễn là:

EII = γHF + γHE

Sau khi tách khỏi bề mặt sợi (F) (sau khi tẩy sạch), trong thể III, năng lượng tự do được biểu diễn bằng:

EIII = γFE + 2γHE

(ta có 2γHE vì trong thể III, người ta đã tạo nên một phân giới H/E phụ thêm).

Công cần thiết để tẩy là:

W = EIII –EII = γFE + 2γHE –( γHF + γHE) = γFE + γHE – γHF

            Theo phương trình này, người ta thấy rằng công càng yếu hơn (do đó gột tẩy dễ hơn) thì hai giá trị γFE và γHE cũng yếu hơn và giá trị γHF lại lớn hơn.

            Theo những dữ kiện nhiệt động học, điều kiện cần thiết cho quá trình tẩy rửa tự xảy là :

W < 0 hay EIII

Có nghĩa là khi thêm chất hoạt động bề mặt vào nước, do sự hấp phụ của nó trên sợi và vết bẩn làm giảm được sức căng bề mặt của chúng ( so với nước) cho đến khi tổng của chúng trở nên nhỏ hơn sức săng bề mặt của giao diện sợi/vết bẩn lúc đó vết bẩn tự tẩy đi . Cơ chế này được gọi là cơ chế Lanza.

b) Cơ chế rolling up ( cuốn đi)

Thuyết Rolling up của Stevenson đề nghị vào năm 1953 như sau:

Hình 1.7: Cơ chế cuốn đi

            Việc tẩy đi các vết bẩn tử thể II sang thể IV qua thể trung gian III. Khi cân bằng, hợp lực của ba vectơ γFE,  γHE , γHF  được biểu diễn bằng phương trình:

γFE =   γHE + γHF cosq    

Để tẩy đi vết bẩn q phải bằng 180o hay cosq = -1 hay γHF = γFE + γHE

Chất hoạt động bề mặt do chúng hấp phụ lên sợi và vết bẩn làm giảm các sức căng giao diện sợi/nước và bẩn/nước, lúc đó màng dầu sẽ cuốn lại và tách khỏi sợi do lực cơ học như chà xát ( giặt bằng tay hay bằng máy).

c) Cơ chế hòa tan hóa

Cơ chế rolling up chỉ liên quan đến vết bẩn dạng lỏng có chất béo và nhờ chất hoạt động bề mặt làm giảm sức căng giao diện. Sau khi nồng độ chất hoạt động bề mặt vượt quá trị số CMC thì hiệu ứng rolling up không tăng nhưng thực nghiệm cũng cho thấy quá trình tẩy giặt vẫn tăng. Cần có cơ chế giải thích khác.

Cơ chế hòa tan được đề nghị bởi Mc Bam vào năm 1942 và phát triển bởi Ginn, Brown và Harris năm 1961. Các phân tử chất hoạt động bề mặt kết hợp với nhau trong các dung dịch để hình thành micell ở nồng độ CMC. Rất nhiều hợp chất không tan trong nước như acid béo, rượu béo, triglyceride, hydrocarbon được hòa tan bên trong các micell và sự hòa tan này xảy ra khhi nồng độ chất hoạt động bề mặt cao hơn CMC.

Tóm lại để có sự tẩy rửa tốt, không những cần giảm sức căng bề mặt mà còn phải tăng nồng độ hoạt chất để hình thành các micell và có được một số micelle đủ, tùy theo lượng vết bẩn béo hiện diện trong dung dịch giặt rửa.

Kết luận:

Cơ chế tẩy rửa các vết bẩn dầu mở nói chung bằng các dung dịch tẩy rửa bao gồm các bước sau:

+ Khi cho các chất hoạt động bề mặt vào dung dịch tẩy rửa , sức căng bề mặt giảm, vì vậy dung dịch tẩy rửa sẽ dể thấm ướt vải sợi cũng như các bề mặt rắn khác, dể thấm vào mao quản của vải sợi bẩn. Trong khi đó nước không có chất hoạt động bề mặt sẽ không thể thấm vào những mao quản đó đước vì nước có sức căng bề mặt khá cao. Lúc chưa có chất hoạt động bề mặt , góc thấm ướt > 90 o, việc thêm các chất tẩy rửa vào sẽ làm giảm góc thấm ướt về không, làm cho sư thấm ướt hoàn toàn xảy ra.

+ Khi dung dịch đã ngấm vào vải , phần kỵ nước của chất hoạt động bề mặt sẽ hấp phụ trên các hạt dầu mở , phần ái nước của chất hoạt động bề mặt sẽ hướng ra ngoài dung dịch nước. Chinh sự định hướng của phân tử chât hoạt động bề mặt như vậy  tạo ra áp suất tách các vết bẩn dầu mở ra khỏi vải đi vào dung dich tẩy rửa .

+ Các chất hoạt động bề mặt sẽ giúp cho việc phân tán các vết bẩn dầu mở dưới dạng nhũ tương, ngăn không cho vết bẩn bám trở lại trên bề mặt đã đươc tẩy rửa. Viêc ngăn ngừa tái bám là do các hạt dầu mỡ được hấp phụ một lớp chất hoạt động bề mặt ( thường là anion), mặt khác các phân tử chất hoạt động bề mặt cũng sẽ hấp phụ trên bề mặt vải, đầu ái nước hướng ra ngoài, hạt bẩn và bề mặt vải sẽ tích điện cùng dấu sẽ đẩy nhau. Hơn nữa, đầu phân cực của chất hoạt động bề mặt có khả năng hydrat hóa mạnh, chính vì vậy, hạt bẩn đã tách ra khỏi vải sẽ không thể tái bám trở lại bề mặt vải đã sạch. Lưu ý, bề mặt vải và hạt thường tích điện âm nên chất hoạt động bề mặt anion và khong ion hiệu quả hơn chất hoạt động bề mặt cation.

+ Các dung dịch chất tẩy rửa có khả năng tạo bọt cao, một phần chất bẩn sẽ tách vào bọt, nhất là những hạt bẩn ít thấm ướt, chúng sẽ dính vào bọt giống như quá trình tuyển nổi làm giàu quặng.

Tẩy rửa các vết bẩn dạng hạt

a) Thuyết nhiệt động học và điện học ( Duiaguin-Landau-Vervey và Overbeck

            Xét một bề mặt F và một hạt P. Ở một khoảng cách δ cho sẵn, F và P đều chịu các lực hút (Van đec Van ) hay đẩy (tĩnh điện) . Các đường biểu diễn hình 1.8 cho thấy các lực đẩy hay hút của F và P tùy thuộc theo khoảng cách giữa chúng.

Lực hút và lực đẩy     Hợp lực giữa lực hút và lực đẩy

Hình 1.8: Lực hút và đẩy phụ thuộc khoảng cách

            Khi P và F tiếp xúc với nhau (δ=0), thì có sự gắn liền nhau do lực hút. Việc tách hạt P ra khỏi bề mặt F có thể được biểu diễn bằng sơ đồ hình 1.9.

Hình 1.9: Cơ chế tẩy rửa theo thuyết nhiệt động học và điện học

            Sự tách hạt P ra khỏi bề mặt F là đi từ I đến II rồi đến III. Trong giai đoạn I, ta phải cung cấp một công W1 để tách hạt P ra khỏi bề mặt F một khoảng cách. Trong giai đoan 2, dung dịch tẩy len vào giữa hạt P và bề mặt F, ta có tổng số công bằng J. Toàn bộ công được biểu diễn là:

                                    Aw = W1 – J               (*)

Nhưng                         J = γFP – γFE – γPE

            γFP: Sức căng bề mặt giữa F và P trong thể I

             γFE, γPE: Sức căng bề mặt của F và P với dung dịch tẩy trong thể III.

Sự thêm các chất hoạt động bề mặt làm giảm γFE, γPE  do đó làm tăng J . Trong trường hợp này Aw giảm và công để tẩy P thì dễ dàng ( nhiệt động học trong quá trình tẩy vết bẩn dạng hạt).

            Khi giải thích về điện học trong phương trình (*) Aw yếu khi W1 yếu, điều này sẽ xảy ra khi lực đẩy lớn  hay lực hút yếu. Nói cách khác thế năng lực hút là yếu nhất. Công cung cấp để tách hạt P ra khỏi bề mặt S một khoảng cách d yếu hơn bởi vì lực đẩy quan trọng hơn, tức là hạt P và bề mặt S cùng phân cực cùng dấu ( tích điện giống nhau). Khi chất hoạt động bề mặt bị hấp phụ trên các hạt và bề mặt làm cho gia tăng lực đẩy và do đó làm cho quá trình tẩy dể dàng hơn.

Hình 1.10: Biểu diễn các lực đẩy yếu và lực đẩy mạnh

            Hình 1.10 cho thấy, trong trường hợpd dầu tiên, công cung cấp để tách hạt P ra khỏi bề mặt F một khoảng cách δ thì yếu hơn bởi lực đẩy quan trọng hơn: đó là trường hợp của một hạt và một bề mặt có cực. Chất hoạt động bề mặt trong dung dịch bị hút trên các hạt và cac bề mặt, điều này có thể tác dụng gia tăng lực đẩy của chúng và do đó làm cho việc tẩy sạch  dễ dàng hơn.

b) Cơ chế Lanza:

Cũng áp dụng được với hệ hạt rắn P lên bề mặt F trong dung dịch tẩy rửa nư đối với vết bẩn chất béo

Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tẩy rửa:

Khả năng tẩy rửa chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố: bản chất chất hoạt động bề mặt sử dụng, pH, phụ gia, nhiệt độ….Ở đây chỉ đề cập về ảnh hưởng của pH, còn ảnh hưởng của các yếu tố khác sẽ được trình bày ở các chương tiếp theo.

Ảnh hưởng của pH:

            Từ lâu người ta nhận thấy rằng thêm các chất kiềm nhẹ như soda sẽ làm tăng khả năng tẩy rửa của xà phòng, bởi vì xà phòng sẽ bị thủy phân thành acid béo ngay cả ở pH trung tính, các acid béo tạo thành có khả năng tẩy rửa kém, sự thủy phân của xà phòng làm giảm lượng chất hoạt động bề mặt làm giảm khả năng tẩy rửa. Thêm kềm làm giảm sự thủy phân xà phòng. Kiềm là phụ gia quan trọng trong xà phòng cũng như các sản phẩm tẩy rửa khác, giúp duy trì pH thích hợp. Thưc nghiệm cho thấy xà phòng cho khả năng tẩy rửa khi pH 10,5-11.

            PH không chỉ ảnh hưởng đến khả năng tẩy rửa xà phòng mà còn ảnh hưởng đến chất tẩy rửa tổng hợp (syndet) khác. PH tối ưu cho chất tẩy rửa tổng hợp là 9,0-11,5. Để duy trì pH thích hợp cần sử dụng các chất dự trử kiềm như soda, tripolyphosphát, silicat… vì trong quá trình tẩy rửa , pH có xu hường giảm do các vết bẩn acid ( acid béo) hay do sự giải phóng H+ do quá trình tạo phức.

Ảnh hưởng của nhiệt độ:

Ảnh hưởng của chất điện ly:


Link Đọc file PDF hoặc tải file pdf về máy tính
TKH