Khả năng của chất hoạt động bề mặt, khi được hấp phụ trên bề mặt pha, sẽ thay đổi hoàn toàn các tính chất của nó và do đó ảnh hưởng đến nhiều tính chất quan trọng của hệ phân tán được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghệ và nhiều quy trình công nghệ. Trong trường hợp này, ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt có thể khác nhau đáng kể tùy thuộc vào bản chất hóa học và cấu trúc của các pha và phân tử chất hoạt động bề mặt liền kề cũng như điều kiện sử dụng chúng. Theo Rehbinder (10J), bốn nhóm chất hoạt động bề mặt có thể được phân biệt theo cơ chế hoạt động lý hóa của chúng trên giao diện pha và toàn bộ hệ phân tán. Chúng ta hãy mô tả sơ bộ ngắn gọn về các nhóm chính này.
I. Các chất chỉ là chất hoạt động bề mặt (hoặc chủ yếu) ở bề mặt tiếp xúc nước-không khí. Chúng bao gồm các chất tương đồng trung bình và cao hơn của rượu và axit béo, cũng như các chất tự nhiên phức tạp hơn. Các chất hoạt động bề mặt thuộc nhóm này là chất làm ướt có hoạt tính vừa phải - bằng cách giảm sức căng bề mặt của nước tại bề mặt tiếp xúc với không khí (xem III.2); chúng cũng có thể được sử dụng làm chất tạo bọt, đặc biệt để tạo bọt có độ ổn định thấp (trong tuyển nổi). Một số chất hoạt động bề mặt mạnh thuộc nhóm này (octyl, rượu isoamyl, v.v.) cũng được sử dụng làm chất khử bọt (xem Chương VIII.2).
II. Các chất có bản chất khác nhau, chất hoạt động bề mặt ở các bề mặt tiếp xúc khác nhau giữa các pha ngưng tụ (rắn - lỏng, lỏng - lỏng). Chất hoạt động bề mặt của nhóm này trong điều kiện giảm mạnh MỘT tại ranh giới giữa các pha, chúng góp phần phát triển các giao diện pha mới trong các quá trình phân hủy, phân tán và xử lý chất rắn (xem Chương VI, IX) và nhũ hóa chất lỏng. Các chất hoạt động bề mặt như vậy có thể được nhóm lại dựa trên hoạt động của chúng dưới tên gọi chung là chất phân tán. Các chất thuộc nhóm chất hoạt động bề mặt này cũng có thể kiểm soát việc làm ướt có chọn lọc (xem Chương III.2).
Cả hai nhóm này đều có đặc điểm là các phân tử chất hoạt động bề mặt không có khả năng hình thành các cấu trúc giống như gel không gian cả trong phần lớn các pha và ở bề mặt phân cách của chúng.
III. Các chất hoạt động bề mặt có khả năng hình thành các cấu trúc giống như gel, tức là giống như chất rắn ở một mức độ nhất định (xem Chương VII.5) trong các lớp và thể tích hấp phụ
theo từng giai đoạn Hơn nữa, trong một số trường hợp, chất hoạt động bề mặt liên quan ở đây có thể không có hoạt tính bề mặt cao. Hầu hết các chất hoạt động bề mặt thuộc nhóm này là các chất phân tử cao, tự nhiên hoặc tổng hợp có cấu trúc chủ yếu là phức tạp, với một số lượng lớn các nhóm phân cực (protein, glucoside, dẫn xuất cellulose, rượu polyvinyl, v.v.). Các chất như vậy được sử dụng làm chất ổn định hiệu quả cao cho các hệ phân tán đậm đặc vừa phải có nhiều tính chất khác nhau: bọt, nhũ tương, huyền phù. Các chất hoạt động bề mặt của nhóm này có thể hoạt động như chất hóa dẻo cho các chất phân tán (bột nhão) đậm đặc. Cơ chế hoạt động của các chất này được thảo luận trong Chương. VII-IX.
IV. Chất hoạt động bề mặt có tác dụng làm sạch. Chúng kết hợp các chức năng của cả ba nhóm chất hoạt động bề mặt trước đó, ngoài ra, có khả năng hình thành tự phát trong thể tích pha lỏng của các hạt keo ổn định nhiệt động (hình thành mixen trong dung dịch chất hoạt động bề mặt, xem Chương VI) và bao gồm các chất gây ô nhiễm có thể rửa được vào lõi của các mixen (sự hòa tan, xem ở đó). Điều này bao gồm các chất hoạt động bề mặt anion, cation và không ion khác nhau từ những chất được đề cập sau trong đoạn này.
Dựa trên cấu trúc hóa học của chúng, chất hoạt động bề mặt có thể được chia thành hai loại lớn. Một mặt, đây là các chất hoạt động bề mặt hữu cơ có phân tử lưỡng tính, chất hoạt động bề mặt phổ biến ở hầu hết các ranh giới giữa các pha (tự nhiên, dưới nhiệt độ phân hủy của chúng), nhưng thường chỉ làm giảm tương đối nhỏ MỘT(khoảng 30-40 mJ/m2). Mặt khác, đây là nhiều loại chất, chủ yếu là vô cơ, có hoạt tính bề mặt chọn lọc nhưng thường rất cao so với một bề mặt cụ thể, có khả năng gây ra sự giảm rất mạnh về với một số kim loại chịu lửa hơn, nước liên quan đến một loạt muối, v.v.).
Một vị trí đặc biệt được chiếm giữ bởi organosilicon và các chất hoạt động bề mặt nguyên tố hữu cơ khác, có khả năng chịu nhiệt tăng lên và các đặc tính khác cho phép chúng được sử dụng trong điều kiện khắc nghiệt (nhiệt độ và áp suất cao, môi trường khắc nghiệt). Một vị trí quan trọng trong các loại chất hoạt động bề mặt hiện đại đang bắt đầu bị chiếm giữ bởi các hợp chất có gốc flo hóa (bao gồm cả perfluorinated), có khả năng khử o mạnh hơn so với các chất hoạt động bề mặt thông thường có gốc hydrocacbon kỵ nước.
Tất nhiên, việc phân loại chất hoạt động bề mặt có thể được tiếp cận từ nhiều quan điểm khác nhau và việc phân chia theo cơ chế hoạt động của chúng thành bốn nhóm là không đầy đủ (chúng có thể trùng lặp với nhau và xuất hiện cùng nhau). Lưu ý rằng sự phân chia này về nguyên tắc được xây dựng cho các chất hoạt động bề mặt hữu cơ thông thường; đồng thời có thể mở rộng ở một mức độ nhất định sang các chất khác, đặc biệt là các chất thuộc nhóm II - chất phân tán (xem Chương IX.4).
Bạn có thể tìm thấy mô tả về đặc tính và ứng dụng của chất hoạt động bề mặt trong các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, y học, v.v., dữ liệu về nguyên liệu thô, tổng hợp và sản xuất chất hoạt động bề mặt trong tài liệu tham khảo và chuyên khảo có sẵn *.
Các nhóm chính của chất hoạt động bề mặt hữu cơ tổng hợp như sau: alkynebenzen sulfonate, alkyl sunfat, olefin sulfonate, chất hoạt động bề mặt ethoxylated, copolyme khối, bazơ amoni bậc bốn.
Các đặc điểm chính quyết định quy mô sản xuất một số chất hoạt động bề mặt nhất định, ngoài tính chất hóa lý của chúng, là giá thành, nguồn nguyên liệu thô sẵn có và tính thân thiện với môi trường, đặc trưng chủ yếu là khả năng phân hủy sinh học - thời gian để giảm nồng độ chất hoạt động bề mặt một số lần nhất định. Vấn đề tổng hợp PAB có khả năng phân hủy sinh học cao hiện đã trở nên đặc biệt quan trọng. Đặc biệt, điều này là do khi tập trung vào các lớp hấp phụ trên bề mặt nước, các chất hoạt động bề mặt sẽ làm thay đổi điều kiện sống của các sinh vật khác nhau, chẳng hạn như do thay đổi quá trình trao đổi oxy. Một mối nguy hiểm đáng kể đối với môi trường là sự hình thành bọt ổn định trong quá trình hấp phụ chất hoạt động bề mặt trên bề mặt nước, trong các bộ lọc tinh khiết, v.v. Cần lưu ý rằng chất hoạt động bề mặt có chuỗi hydrocarbon tuyến tính có tốc độ phân hủy sinh học cao nhất, trong khi chất hoạt động bề mặt có vòng thơm và Các gốc béo phân nhánh, đặc biệt là với các nguyên tử carbon bậc bốn, rất nhạy cảm với vi sinh vật. Do đó, việc sử dụng nguyên liệu parafin để tổng hợp các chất hoạt động bề mặt chuỗi tuyến tính là một khía cạnh môi trường quan trọng trong việc sản xuất và sử dụng chất hoạt động bề mặt.
Dựa trên bản chất hóa học của chúng, các chất hoạt động bề mặt hữu cơ có cấu trúc lưỡng tính được chia thành anion, cation, ammpholytic và không ion. Vị trí thống trị trong số các chất hoạt động bề mặt được sản xuất trên thế giới thuộc về chất hoạt động bề mặt anion rẻ nhất và khá phổ biến, chiếm ít nhất 60% sản lượng thế giới; lên đến 30% là chất hoạt động bề mặt không ion, ~ 10% là chất cation và chỉ một phần trăm là chất hoạt động bề mặt lưỡng tính tổng hợp.
Chất hoạt động bề mặt anion là các hợp chất hữu cơ khi phân ly trong nước sẽ tạo thành anion với gốc hydrocarbon dài - chất mang hoạt động bề mặt; Hơn nữa, cation không hoạt động bề mặt ở bề mặt phân cách nước-không khí. Chất hoạt động bề mặt anion bao gồm các hợp chất sau.
Muối của axit cacboxylic (xà phòng) có công thức chung RCOO - Me +, trong đó R là gốc hữu cơ Cg - C20; Me + - Na + (trong xà phòng rắn), K + (trong xà phòng lỏng) hoặc NH 4. Các chất hoạt động bề mặt này được phân biệt bởi công nghệ sản xuất khá đơn giản (do đó, chi phí tương đối thấp) và quan trọng là khả năng phân hủy sinh học hoàn toàn. Xà phòng axit cacboxylic chỉ có tác dụng làm sạch tốt trong môi trường kiềm; trong môi trường axit (do hình thành các axit béo kém hòa tan) và trong nước cứng (do hình thành các muối canxi và magie không hòa tan), khả năng làm sạch của xà phòng axit cacboxylic chỉ có tác dụng làm sạch tốt. các chất hoạt động bề mặt này thấp.
Trong một thời gian dài, nguyên liệu chính để sản xuất chúng là chất béo tự nhiên - este của glycerol và các axit béo khác nhau, quá trình xà phòng hóa thường được sử dụng để thu được xà phòng axit cacboxylic. Nhu cầu tiêu thụ rất lớn các nguyên liệu thực phẩm có giá trị đòi hỏi phải phát triển sản xuất axit béo tổng hợp (FFA). FFA có cấu trúc bình thường, chứa 10-20 nguyên tử carbon trên mỗi phân tử, thu được bằng một số phương pháp (xem bên dưới) và được sử dụng rộng rãi trong sản xuất chất hoạt động bề mặt.
Alkylaryl sulfonate (thường là alkylbenzen sulfonate) - muối của axit sulfonic thơm có công thức chung RArSOJMe* là chất hoạt động bề mặt tổng hợp rẻ nhất và sẵn có nhất. Họ trang điểm -70% tất cả các chất hoạt động bề mặt anion được sản xuất (hơn 100 mặt hàng). Sự hiện diện của anion axit mạnh trong phân tử của chúng đảm bảo sự phân ly và theo đó, hiệu quả làm sạch tốt của các chất hoạt động bề mặt như vậy trong cả môi trường kiềm và axit, cũng như trong nước cứng.
Thông thường, alkylbenzen sulfonate được điều chế bằng cách alkyl hóa benzen với cloroalkan hoặc olefin, sau đó là sulfo hóa và trung hòa. Cho đến năm 1964, nguyên liệu thô béo chính được gọi là propylene tetramer - hỗn hợp các olefin Cu-Cu đồng phân, bao gồm nhiều hợp chất chuỗi nhánh. Natri tetrapropylenebenzensulfonat thu được từ nguyên liệu thô này, được sản xuất ở Đức trong Thế chiến thứ nhất, do khả năng phân hủy sinh học cực kỳ kém (Hình 2).
Cơm. mười một
/- natri tetrapropylenebenzensulfonat; 2- alkylbenzensulfonat mạch thẳng; 3- alkyl sunfat tuyến tính
II-28, đường cong TÔI) hiện bị cấm sử dụng ở hầu hết các nước phát triển trên thế giới và việc sản xuất nó thực tế đã chấm dứt.
Về vấn đề này, việc sản xuất alkylbenzensulfonat có cấu trúc tuyến tính của gốc alkyl đã phát triển. Các hợp chất như vậy được đặc trưng bởi sự phân hủy nhanh hơn trong sinh quyển (Hình II-28, đường cong 2). Trong trường hợp này, nguyên liệu thô để alkyl hóa benzen là parafin thông thường, đặc biệt được phân lập từ các phần dầu có nhiệt độ sôi thấp (dầu hỏa).
Nhóm chất hoạt động bề mặt này cũng bao gồm natri propyl và butyl naphthalene sulfonate (nekali).
Alkyl sunfat là muối của este của axit sunfuric; công thức tổng quát ROSOjMe + (R thường Xiu - Xiu). Các chất hoạt động bề mặt của nhóm này rất hứa hẹn từ quan điểm môi trường (Hình II-28, đường cong J), nhưng đắt hơn alkylaryl sulfonate. Chúng có thể thu được từ cả rượu béo cao hơn (HFA) bằng quá trình sulfoester hóa sau đó trung hòa và từ olefin chuỗi dài bằng cách thêm trực tiếp axit sulfuric vào liên kết đôi và trung hòa sau đó.
Alkyl sulfonates - RSOJMe * (R thường Cu - C 2 o) - một nhóm chất hoạt động bề mặt đầy hứa hẹn có tác dụng làm sạch tốt ở các điều kiện pH khác nhau và trong nước cứng, cũng như khả năng phân hủy sinh học tốt. Chúng thu được bằng cách sulfochlor hóa hoặc sulfoxid hóa các parafin cao hơn với quá trình trung hòa tiếp theo. Trong số các chất hoạt động bề mặt anion đầy hứa hẹn, olefin sulfonate cũng nên được nhắc đến.
Chất hoạt động bề mặt anion còn bao gồm các chất mà phân tử của chúng chứa các loại nhóm anion khác: photphat - muối của este một phần của axit photphoric, các muối khác nhau của axit thiosulfonic, xanthate, thiophosphate, v.v. Chất hoạt động bề mặt anion được sử dụng làm chất làm ướt, thành phần chính của chất tẩy rửa ( chất tẩy rửa), chất tạo bọt; chúng là chất hoạt động bề mặt hình thành mixen chính (xem Chương VI) với khối lượng và phạm vi sản xuất lớn nhất. Chất hoạt động bề mặt anion thể hiện đặc tính tích cực nhất trong môi trường kiềm, mặc dù chúng cũng có thể được sử dụng trong môi trường axit, chẳng hạn như khi xử lý kim loại bằng axit để loại bỏ màng oxit.
Các chất hoạt động bề mặt cation phân ly trong nước tạo thành cation hữu cơ phát triển - chất mang hoạt động bề mặt. Chúng bao gồm các amin béo và thơm (cấp 1, cấp 2 và cấp 3) và muối của chúng, bazơ tetra-amoni, dẫn xuất pyridin, v.v..
Các amin béo có thể thu được từ alkyl halogenua bằng phản ứng với amoniac (hoặc các amin bậc thấp), từ axit béo hoặc các dẫn xuất của chúng (amit và muối amoni), cũng như bằng cách phân giải amoni của rượu béo. Các amin phân ly và thể hiện hoạt động bề mặt chủ yếu trong môi trường axit. Các chất tương đồng cao hơn, ví dụ như octadecylamine, không tan trong nước nhưng là chất hoạt động bề mặt tan trong dầu.
Muối của bazơ amoni bậc bốn)