Các chất hoạt động bề mặt (hoạt động bề mặt) là những hợp chất hóa học có khả năng làm thay đổi tương tác pha (phase) và năng lượng ở mặt ranh giới tiếp giáp “lỏng-không khí", “lỏng-rắn” và “dầu-nước” …v.v. Phần lớn các chất hữu cơ trong điều kiện nào đó đều có thể biểu hiện ra là chất hoạt động bề mặt. Tác dụng này xuất hiện do cấu tạo phân tử, ví dụ tính phân cực và do các điều kiện bên ngoài gây ra như nhiệt độ, dung môi, nồng độ… Thực tế tuỳ thuộc vào điều kiện bên ngoài mà hợp chất có thể là chất hoạt động bề mặt ở các mức độ khác nhau.
Chất hoạt động bề mặt có khả năng nằm ở trên lớp bề mặt dung dịch có độ hấp phụ Г > 0 tức là có sự hấp phụ dương. Nó có các đặc điểm sau:
Có sức căng bề mặt σ bé hơn của dung môi vì như thế nó mới nằm ở lớp bề mặt, do tính chất nhiệt động học. Từ đó dẫn đến sức căng bề mặt của dung dịch σdd nhỏ hơn sức căng bề mặt của dung môi σdm .
Có độ tan tương đối nhỏ vì nếu không nó có xu hướng rời khỏi bề mặt dung dịch vào trong chất lỏng.
Ngược lại, các chất không phải là chất hoạt động bề mặt, chúng có xu hướng rời khỏi bề mặt dung dịch để tan vào trong dung dịch, có độ hấp phụ Г < 0, tức là có độ hấp phụ âm. Nó có các đặc điểm trái ngược như sau:
Có sức căng bề mặt σ lớn hơn sức căng bề mặt của dung môi, từ đó dẫn đến sức căng bề mặt của dung dịch σdd lớn hơn sức căng bề mặt của dung môi σdm .
Có độ tan cao vì thế chất tan mới có thể rời khỏi bề mặt đi vào trong dung dịch.
Một số ít chất hoạt động bề mặt như đường khi hòa tan vào dung dịch thì sức căng bề mặt của dung dịch không khác sức căng bề mặt của dung môi là mấy.
Thông thường chất hoạt động bề mặt là một phân tử hữu cơ chứa gốc hiđrocacbon và một hay nhiều nhóm hoạt động.
Phần hiđrocacbon (được gọi là lipophin hay hiđrophop) có thể là parafin, isoparafin, benzen, ankylbenzen, naphtalen, vòng ngưng tụ hidrocacbon có mạch nhánh. Các nhóm chức chứa oxi( COOH, -OH), chứa nitơ (nitro, amin, amit, imit…), các nhóm chứa lưu huỳnh(sunphat, sunphonat), photpho(photphat, cacboxylat)… đều được gọi là hidrophin.
Phân loại các chất hoạt động bề mặt theo sử dụng
Trên cơ sở tinhs chất của các chất hoạt động bề mặt và các hệ thống nhũ người ta phân chia chúng thành một số loại sau đây:
Chất hoạt động bề mặt tan trong nước
Các chất hoạt động bề mặt này gồm 2 phần: phần hiđrocacbon (lipophin hay hiđrophob) và phần chứa các nhóm phân cực như –COONa, –SO3Na, –OH … (hiđrophin 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…
Về mặt cấu tạo, các chất hoạt động bề mặt tan trong nước được chia thành các chất hoạt động bề mặt cationic, anionic và không ionic. Tính chất đặc trưng của các chất hoạt động bề mặt 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 .
Chất hoạt động bề mặt hòa tan dầu nước
Chúng được sử dụng chủ yếu cho hệ “dầu-nước”. Nhóm hiđrophin làm cho nó tan trong nước còn gốc hiđrocacbon dài tạo cho nó tan trong dầu. Chất hoạt động bề mặt tan dầu nước được sử dụng làm các chất phá nhũ, tạo nhũ và chất ức chế ăn mòn kim loại.
Chất hoạt động bề mặt tan trong dầu
Chúng là chất khi thêm vào dầu, mỡ làm chất ức chế ăn mòn, biến tính bề mặt chất rắn, tạo nhũ… Chất hoạt động bề mặt tan trong dầu, không hòa tan và không phân ly trong dung dịch nước. Phần lipophin (hay hiđrophob) là các gốc hiđrocacbon mạch nhánh hay hiđrocacbon vòng thơm tạo cho nó dễ tan trong dầu. Các chất này là các chất hoạt động bề mặt yếu ở ranh giới tiếp giáp “môi trường lỏng- không khí”, nó làm giảm sức căng bề mặt của sản phẩm dầu tiếp giáp với không khí.
Các chất hoạt động bề mặt tan trong dầu, trong môi trường hiđrocacbon ít phân cực cũng như các chất hoạt động bề mặt tan trong nước trong môi trường nước phân cực đều tạo nên các mixen gây nên giới hạn tướng mixen-môi trường. Ví dụ các chất sau là các chất hoạt động bề mặt tan trong dầu:
Số các phân tử tạo nên mixen và sự hình thành nồng độ tới hạn mixen của chất hoạt động bề mặt tan trong dầu trong sản phẩm dầu mỏ và trong môi trường ít phân cực khác có liên quan với tính chất thể tích bởi vì tính hoạt động bề mặt của chất hoạt động bề mặt tan trong dầu nằm ở giới hạn kim loại-nước thường quyết định tính chất hoạt động bề mặt của nó.
Trên bảng 1.1 cho sự phân loại chung các chất hoạt động bề mặt. Theo đó tất cả các chất hoạt động bề mặt được phân chia thành 5 nhóm dựa trên mối quan hệ giữa hiđrocacbon (lipophin) và nhóm phân cực (hiđrophin) của phân tử, được gọi là cân bằng hiđrophin-lipophin (HLB) hay cân bằng oleophin-hiđrophin (O/H). Giá trị HLB sẽ được giải thích rõ ở chương 4.
Ngoài ra, dựa trên hiện tượng hình thành keo tụ của dung dịch người ta cũng phân chia các chất hoạt động bề mặt thành hai nhóm là chất hoạt động bề mặt keo tụ và chất hoạt động bề mặt không keo tụ:
1. Chất hoạt động bề mặt 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. Sự tạo ra các mixen này có lợi về năng lượng: nhóm hiđrophin bao quanh hiđrophin, nhóm hiđrophob bao quanh hiđrophop, tương tự như hệ hấp phụ trong hệ lỏng-khí hay lỏng-lỏng.
2. Chất hoạt động bề mặt không keo tụ (hay hòa tan phân tử) tạo ra một dung dịch trong.
Chất hoạt động bề mặt keo tụ được ứng dụng làm bền vững hóa hệ phân tán và các chất giặt rửa. Chất hoạt động bề mặt 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 hoạt động bề mặt không keo tụ được dùng làm chất đồng nhũ hóa hay chất bền vững hóa bọt kém bền, còn chất hoạt động bề mặt keo tụ lại được dùng làm chất tạo màng.
Đặc tính của một số chất hoạt động bề mặt tan trong nước (W), tan trong dầu nước (WO) và tan trong dầu (O)
Chất hoạt động bề mặt (W) nhóm 1
Đặc tính tạo mixen (nhũ); Chất hoạt động bề mặt không phân cực tạo ra dung dịch nước thật
HLB (cân bằng hiđrophin-lipophin ) ; > 15. O/H (cân bằng oleophin-hiđrophin ) ; <0,5. Nồng độ mixen tới hạn ; > 7g/l. Ứng dụng chính; Chất thấm ướt
Chất hoạt động bề mặt (W) nhóm 2
Đặc tính tạo mixen (nhũ); Chất hoạt động bề mặt phân cực tạo ra dung dịch mixen trong nước . HLB (cân bằng hiđrophin-lipophin ) ; 10-15. O/H (cân bằng oleophin-hiđrophin ) ; 0,5-30. Nồng độ mixen tới hạn ; 0,1-7g/l. Ứng dụng chính; Chất giặt rửa
Chất hoạt động bề mặt (WO) nhóm 3
Đặc tính tạo mixen (nhũ); Chất hoạt động bề mặt phân cực tạo ra dung dịch mixen dầu và nhũ nước hay nhũ nước/dầu hoặc dầu/nước . HLB (cân bằng hiđrophin-lipophin ) ; 8-10. O/H (cân bằng oleophin-hiđrophin ) ; > 30. Nồng độ mixen tới hạn ; < 0,2g/l trong H2O hay 0,001-0,1% trong dầu. Ứng dụng chính; Chất nhũ hóa và ức chế ăn mòn
Chất hoạt động bề mặt (O) nhóm 4
Đặc tính tạo mixen (nhũ); Chất hoạt động bề mặt phân cực tạo ra dung dịch mixen dầu. HLB (cân bằng hiđrophin-lipophin ) ; < 8. Nồng độ mixen tới hạn ; 0,001 -0,8% (khối lượng)trong dầu. Ứng dụng chính; Chất ức chế ăn mòn
Chất hoạt động bề mặt (O) nhóm5
Đặc tính tạo mixen (nhũ); Chất hoạt động bề mặt không phân cực tạo ra dung dịch dầu thật. Nồng độ mixen tới hạn ; >0,2 % (khối lượng) trong dầu
Vai trò ứng dụng của các chất hoạt động bề mặt
|
Các quá trình gây ra bởi chất hoạt động bề mặt keo tụ
|
|
Bền vững hóa nhũ
Sự tạo hạt (bọt bền )
Tác dụng giặt rửa
Tái tạo dầu
|
|
Các quá trình gây ra bởi chất hoạt động bề mặt không keo tụ
|
|
Kị nước hóa
Ức chế ăn mòn
Tác dụng chịu mài mòn
Chất tạo bọt
Sự khử bọt
Điều hòa sự lớn lên của tinh thể
Khử sóng và chảy rối
Làm chậm sự bay hơi
Thu gom dầu mỏ
Bền vững hóa thể huyền phù
|
|
Các quá trình gây ra bởi cả 2 loại chất hoạt động bề mặt
|
|
Tuyển nổi.
Thấm ướt.
Kháng tĩnh
Giảm độ bền
Phá nhũ
Phân tán
|
Ứng dụng của các chất hoạt động bề mặt trong sản xuất và đời sống
Các chất hoạt động bề mặt có ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành sản xuất công, nông nghiệp, xây dựng.
Công nghiệp hóa chất: Trong công nghiệp hoá chất, các chất hoạt động bề mặt được dung 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
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.
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
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
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
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…
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
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
Sinh học
Chế tạo màng sinh học
Chất bền vừng tạo nhũ thiên nhiên (sữa, mủ cao su)