Nhũ tương và vi nhũ tương là các hiện tượng thường gặp và có ý nghĩa quan trọng trong đời sống và trong nhiều nghành công nghiệp như công nghiệp chế biến dầu mỡ,công nghiệp sản xuất sơn, mực in, polime ,thuốc bảo vệ thực vật…
Nhũ tương.
Trong phần lớn trường hợp một trong hai pha của nhũ tương là nước và người ta phân biệt hai trường hợp:
Nhũ tương nước trong dầu hay ưa dầu, đó là trường hợp môi trường phân tán là dầu.
Nhũ tương dầu trong nước, đó là trường hợp môi trường phân tán là nước.
Sự hình thành của nhũ tương.
Khi cho một ít nước và dầu vào một bình rồi khuấy mạnh lên, thấy xuất hiện các hạt dầu lơ lửng trong nước nhưng sau khi ngừng khuấy thì các hạt dầu này lại tụ lại với nhau và tạo thành hai lớp trong bình, lớp nước và lớp dầu.
Nếu bây giờ cho thêm một chất hoạt động bề mặt có thể là tween polysorbate 80, Polyethylene glycol PEG vào rồi khuấy mạnh lên sẽ xuất hiện lại các hạt lơ lửng tạo ra một nhũ tương. Sự bền vững của nhũ tương này tùy thuộc vào loại chất hoạt động bề mặt và tỷ lệ của chúng.
Một số chất có sức căng bề mặt nhỏ như gôm ( nhựa cây) có thể cải thiện độ bền của nhũ, bằng cách làm tăng một trong hai pha, làm tăng thời gian tồn tại của sự phân tán, làm chậm lại sự phân tách thành các pha riêng biệt.
Các phân tử nhỏ trong một pha lỏng dưới dạng siro chuyển động tự do liên tục được gọi là chuyển động Brawn. Các phân tử nhỏ này cũng góp phân ngăn cản sự phân tách thành các tướng. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng Duclaux.
Theo cách này có thể thực hiện sự bền nhũ tương bằng cách thêm các hạt nhỏ chất rắn rất mịn vào hai pha, nó không có tác dụng với hai pha nhưng điện tích của các hạt này như nhau nên đẩy nhau. Một số chất bền keo ngăn cản sự tụ tập lại thành các hạt lớn.
Sơ đồ của sự tạo nhũ tương.
Biểu diễn giản đồ của hai dạng nhũ tương nước trong dầu và dầu trong nước là đặc trưng cho sự định hướng của phân tử chất nhũ hóa trong hai môi trường này (hình 5.1).
Hình 5.1. Nhũ tương nước trong dầu và dầu trong nước.
Trong nhũ tương nước trong dầu, phần kị nước (hiđrophob) của phân tử chất nhũ hóa tween polysorbate 80 nằm ở môi trường phân tán, ngược lại trong nhũ tương dầu trong nước nó nằm ở trong hạt dầu.
Hai dạng nhũ tương nước trong dầu và dầu trong nước được tạo ra và bền vững phụ thuộc vào bản chất của chất nhũ hóa được sử dụng theo cân bằng hiđrophin/lipophin là hiđrophin nhiều hơn lipophin và ngược lại.
Người ta không thể nhận được nhũ tương dầu trong nước bằng cách chỉ cho dầu vào nước hoặc nhũ tương nước trong dầu bằng cách cho nước vào dầu, mà phải có tỷ lệ giữa chúng và chất nhũ hóa.
Một sự phân biệt các kiểu nhũ O/W và W/O có thể thực hiện nhờ màu tan trong nước và tan trong dầu. Đầu tiên là màu tan trong pha phân tán của nhũ tương dầu trong nước và mầu của môi trường, pha thứ hai là không chỉ tan trong pha phân tán của nhũ tương nước trong dầu và màu. Ngược lại khi chụp ảnh micro màu của nhũ tương nước trong dầu nhờ màu đỏ organol và màu của nhũ tương dầu trong nước là màu xanh của ánh metylen.
Sự phân bố của phân tử các chất nhũ hóa tween polysorbate 80.
Nếu như có hai chất lỏng không trộn lẫn với nhau và có một chất tan được trong một trong hai lớp chất lỏng thì thành phần ở bề mặt khác với trong khối thể tích.
Lí thuyết Gibbs cho rằng khi nồng độ của chất tan ở một trong hai pha tăng lên nếu sức căng giới hạn tăng, nồng độ ở bề mặt phân tách của hai pha nhỏ hơn ở trong khối thể tích. Nếu sức căng giới hạn giảm, nồng độ bề mặt tăng so với nồng độ của khối.
Kết quả là ở nồng độ rất thấp lượng phân tử chất nhũ hóa ở bề mặt càng tăng khi nồng độ càng tăng. Ở nồng độ cao thì lượng phân tử ở bề mặt bị giới hạn lại.
Các hợp chất có thể đưa thuận lợi vào nhũ tương của hai tướng phải có trong phân tử một nhóm có ái lực với mỗi pha không trộn vào nhau và nằm ở lớp tiếp giáp giữa hai pha.
Các hợp chất hoạt động bề mặt có thể được sử dụng khác nhau trong pha lỏng phải có cấu tạo thuận lợi liên kết giữa các pha. Mối liên kết này ở pha nước và dầu liên quan đến cân bằng pha hiđrophin/lipophin của chất hoạt động bề mặt tween polysorbate 80.
Tính chất nhũ tương và sự phân loại.
1. Đặc điểm nhũ tương và vi nhũ tương.
Sự phân biệt giữa nhũ tương, dung dịch mixen và vi nhũ tương dựa vào cỡ hạt của hệ phân tán sau:
Dung dịch: các hạt <100 A0 (hay 10nm).
Vi nhũ tương: các hạt ở giữa 100 và 1000 A0 (hay 10 và 100nm).
Nhũ tương: các hạt > 1000 A0 (hay 100nm).
Dạng nhũ tương phụ thuộc và mức độ phản xạ của tia sáng truyền qua.
Nếu chùm tia sáng không phản xạ khi gặp các phần tử lớn sẽ có dạng truyền qua tạo ra dung dịch trong suốt. Nếu kích thước các hạt tăng lên, chùm tia sáng chiếu vào bị phản xạ lại một phần tạo ra dung dịch trắng đục. Nếu chùm tia sáng chiếu vào bị phản xạ mạnh khi kích thước hạt tăng lên tạo ra dung dịch có dạng sữa ( hình 5.2 ).
Hình 5.2. Cỡ hạt: 10-1-10μ (dạng sữa), 10-4 -10-1μ (trắng đục), < 10-4μ (truyền qua)
Trong nhũ tương, lớp giới hạn nước/dầu tạo ra một màng mỏng chất hoạt động bề mặt đối lập với sự kết tụ của các hạt, nó cứng rắn và có xung tĩnh điện. Ngược lại, trong vi nhũ tương lớp màng mềm hơn nhiều.
Nhũ tương do các hạt lớn phản xạ ánh sáng nên dung dịch có dạng sữa .Vi nhũ tương cho ánh sáng truyền qua một phần và phản xạ một phần nên dung dịch có màu trắng đục, cặn thu được sau ly tâm có kích thước từ 50 đến 100G. Dung dịch thật các phân tử nhỏ ,ánh sáng truyền qua gần như hoàn toàn nên trong suốt.
Các loại nhũ khác nhau.
Nhũ tương hai pha không trộn lẫn với nhau:
Nước trong dầu hay dầu trong nước khác biệt nhau do độ mịn của các hạt và như nhau về tính đồng nhất của pha phân tán trong nhũ tương.
Nhũ kép nước/dầu trong nước hay dầu/nước trong dầu .
Phân loại nhũ tương theo độ mịn.
Nhũ tương là một hệ phân tán lỏng/lỏng, kích thước của hạt khoảng 1000nm. Khi kích thước nhỏ đi 10 lần trở thành hệ keo, khi bán kính hạt cỡ 50nm trở thành dạng sữa, nếu nhỏ hơn nữa được dung dịch thật (bảng 5.1).
Bảng 5.1. Các loại nhũ tương.
Độ bền và giản đồ pha của nhũ tương.
Nếu kiểm tra độ bền của một nhũ tương ở một nhiệt độ xác định cần quan sát nó thay đổi thế nào với nồng độ của mỗi hợp phần trong hệ đó (xem giản đồ tướng của hệ phân tán nước).
Biểu diễn trên một tam giác đều ba hệ: nước/chất nhũ hóa/chất tạo nhũ, có thể bền hóa hệ này khi thay đổi nồng độ mỗi hợp phần. Một số hệ cân bằng có thể được tạo ra, một số đã được Winsor mô tả. Cân bằng có thể phân loại theo winsor I, II, III, IV (bảng 5.2 ).
Bảng 5.2. Các pha khác nhau của Winsor.
Nếu có một hệ bốn cấu tử gồm pha hữu cơ phân tán, pha nước và hỗn hợp hai chất nhũ hóa có thể dễ dàng thiết lập giản đồ pha đẳng nhiệt để biết được tính chất của hệ phân tán phụ thuộc các thông số khác nhau và xác định điều kiện thực tế ứng dụng tối ưu ví dụ nồng độ của muối ở pha nước, nhiệt độ v..v.
Như vậy độ bền của nhũ tương phụ thuộc lượng của các hợp phần khác nhau có mặt và nồng độ muối của pha nước. Vì vậy để thu được một hệ phân tán tối ưu phải chú ý thiết lập tỷ lệ các cấu tử khác nhau để có tỷ lệ tốt nhất các chất nhũ hóa sử dụng (hay hỗn hợp các chất nhũ hóa), hiệu quả lớn nhất là loại dầu tạo nhũ tương ứng với điều kiện pha chế như nhiệt độ, nồng độ muối trong nước, bản chất và lượng chất tạo nhũ tween polysorbate 80.
Trong thang chất nhũ hóa, sẽ không chọn chất mà độ hòa tan của nó tăng mạnh với sự tăng nhiệt độ hay có mặt muối hòa tan. Khi thay đổi tỷ lệ nồng độ của chất nhũ hóa để thiết lập giản đồ người ta có thể thay đổi đáng kể của vùng bền vững. Ví dụ khi tăng tính ưa nước của hệ nhũ sẽ làm giảm khả năng thu được một nhũ bền.
Hình 5.3 giới thiệu giản đồ pha của một hỗn hợp hiđrocacbon, chất nhũ hóa và nước ở nhiệt độ xác định. Trong trường hợp này xem vùng vi nhũ F1 tương đối ít mở rộng, nó có thể quan trọng hơn trong hệ khác, nhưng không tồn tại trong hệ ba cấu tử. Ở đây quan trọng là xét bản chất của các pha gắn với các hợp phần.
Hình 5.3. Giản đồ pha ba cấu tử hiđrocacbua-chất nhũ hóa-nước.