MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, các chất hoạt động bề mặt (CHĐBM) với những đặc tính đặc biệt có khả năng tạo bọt, ổn định huyền phù, tạo nhũ tƣơng,… đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp (dệt nhuộm, khai thác dầu, mỹ phẩm,…), ngành nông nghiệp (tạo nhũ tƣơng, chất bảo vệ thực vật,…) và trong các sản phẩm gia đình, chất tẩy rửa tổng hợp. Các chất hoạt động bề mặt nếu không đƣợc xử lý trƣớc khi thải ra môi trƣờng có thể dẫn đến hậu quả ngộ độc sinh vật, ô nhiễm nguồn nƣớc và gây kích ứng da, thậm chí dẫn đến ung thƣ. Trong số nhiều loại chất hoạt động bề mặt, nhóm ankyl sunfat bao gồm: natri octyl sunfat (C8), natri decyl sunfat (C10), natri dodecyl sunfat (C12), natri tetradecyl sunfat (C14) đƣợc sử dụng rộng rãi do có độ bền cao và khả năng hoạt động bề mặt tốt. Tuy nhiên, hàm lƣợng CHĐBM trong nƣớc ở mức nồng độ siêu vết (cỡ ppb) nên sử dụng các phƣơng pháp phân tích thông thƣờng không thể phát hiện hay định lƣợng trực tiếp.
Vì vậy làm giàu CHĐBM trƣớc khi phân tích là rất cần thiết. Trong số các phƣơng pháp làm giàu, hấp phụ trên vật liệu rắn là một hƣớng nghiên cứu tƣơng đối mới và phù hợp áp dụng cho các CHĐBM. Phân tích các chất hoạt động bề mặt trong các mẫu môi trƣờng đã đƣợc thực hiện bằng một số phƣơng pháp nhƣ phổ hấp thụ phân tử UV-Vis, sắc ký khí (GC), sắc ký lỏng ghép khối phổ (LC-MS), điện di mao quản (CE). Trong đó, CE là một phƣơng pháp hiệu quả với thời gian phân tích ngắn, hiệu quả tách cao, chi phí thấp, sử dụng ít hóa chất, phù hợp với hóa học xanh.
Detector độ dẫn không tiếp xúc (C4D) đƣợc giới thiệu vào năm 1998 nhƣ là một detector vạn năng cho CE và rất hữu ích để xác định nhiều chất mang điện. Tuy nhiên, xác định các CHĐBM ankyl sunfat mang điện âm bằng phƣơng pháp CE-C4D sau khi làm giàu bằng hấp phụ hầu nhƣ chƣa đƣợc nghiên cứu ở trong và ngoài nƣớc. Do đó, đề tài “Nghiên cứu xác định đồng thời bốn chất hoạt động bề mặt ankyl sunfat bằng phương pháp điện di mao quản sử dụng detector độ dẫn không tiếp xúc CE-C4D” đƣợc lựa chọn với mục tiêu nghiên cứu và phát triển quy trình phân tích chất hoạt động bề mặt ankyl sunfat trong mẫu môi trƣờng. 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1.
Giới thiệu chung về chất hoạt động bề mặt 1. Định nghĩa Chất hoạt động bề mặt (CHĐBM) là một chất hữu cơ có tác dụng làm giảm sức căng bề mặt của chất lỏng. Phân tử của CHĐBM bao gồm: một đầu ƣa nƣớc và một đuôi kị nƣớc (Hình 1. Đầu ƣa nƣớc là các nhóm chức chứa oxi (-COOH, -OH), chứa nitơ (nitro, amin, amit, imit…), các nhóm chứa lƣu huỳnh (sunphat, sunphonat), photpho (photphat, cacboxylat)… đƣợc gọi là hidrophin.
Đuôi kị nƣớc có thể là parafin, isoparafin, benzen, ankylbenzen, naphtalen, vòng ngƣng tụ hidrocacbon có mạch nhánh đƣợc gọi là lipophin hay hiđrophop. Khi các phân tử CHĐBM nằm ở bề mặt tiếp xúc của pha khí- nƣớc và dầu-nƣớc, đầu ƣa nƣớc hƣớng về pha nƣớc, đuôi kị nƣớc hƣớng về pha khí và pha dầu. Do có cả nhóm ƣa nƣớc và nhóm kị nƣớc nên CHĐBM tan tốt cả trong nƣớc và dung môi hữu cơ [4]. Cấu tạo phân tử chất hoạt động bề mặt 1.
Tính chất a) Sự tạo thành mixen 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 nhất định (nồng độ mixen tới hạn - CMC), các phân tử hòa tan riêng biệt liên kết với nhau tạo thành các mixen (Hình 1. Các mixen làm cho CHĐBM có khả năng co cụm các phân tử chất trong dung dịch. Các mixen có dạng hình cầu, hình trụ hay màng, trong đó các phân tử chất hoạt động bề mặt liên kết với nhau bằng đầu hydrocacbon và hƣớng nhóm phân cực ra dung dịch nƣớc.
Ở các nồng độ cao hơn, các mixen có kích thƣớc tăng lên và các gốc hydrocacbon song song với nhau hình thành các mixen tấm. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Mixen có thể đƣợc tạo thành không chỉ trong các dung dịch nƣớc mà còn ở dung dịch xà phòng trong dung môi. Khi đó các phân tử xà phòng trong mixen sẽ hƣớng các nhóm phân cực vào phía trong mixen còn phần kỵ nƣớc sẽ quay ra ngoài [4]. Cấu tạo mixen b) Các tính chất cơ bản -Tính thấm ƣớt: tạo điều kiện để vật cần giặt rửa, các vết bẩn tiếp xúc với nƣớc một cách dễ dàng.
-Khả năng tạo bọt: Bọt đƣợc hình thành do sự phân tán khí trong môi trƣờng lỏng. Hiện tƣợng này làm cho bề mặt dung dịch tăng lên. -Khả năng hòa tan: Tình hòa tan phụ thuộc vào các yếu tố: Bản chất và vị trí của nhóm ƣa nƣớc, chiều dài của mạch hydrocacbon, nhiệt độ, bản chất của ion kim loại. -Khả năng hoạt động bề mặt: Nƣớc có sức căng bề mặt lớn.
Khi hòa tan CHĐBM vào nƣớc, sức căng bề mặt của nƣớc giảm. Một lớp hấp thụ định hƣớng hình thành trên bề mặt nhóm ƣa nƣớc hƣớng vào nƣớc, nhóm kị nƣớc hƣớng ra ngoài. Nhờ có lớp hấp thụ đó mà sức căng bề mặt của nƣớc giảm vì bề mặt nƣớc – không khí đƣợc thay bằng các pha kị nƣớc. -Khả năng nhũ hóa: Nhũ tƣơng là hệ phân tán không bền vững nên muốn thu đƣợc hệ bền vững thì phải cho thêm chất nhũ hóa.
CHĐBM thƣờng đƣợc dùng làm chất ổn định nhũ tƣơng. Tác dụng của chúng là làm giảm sức căng bề mặt của hai hƣớng dầu – nƣớc, sau đó làm cho hệ nhũ tƣơng dễ dàng ổn định [4]. Phân loại Chất hoạt động bề mặt có thể phân loại theo cách sử dụng, nhƣng mỗi chất có nhiều ứng dụng khác nhau. Cách phân loại phổ biến là dựa trên sự phân ly của chúng trong nƣớc.
Theo cách này, có 4 loại chất hoạt động bề mặt là: chất hoạt động bề mặt anion, chất hoạt động bề mặt cation, chất hoạt động bề mặt không ion và chất hoạt động bề mặt lƣỡng tính [4]. a) CHĐBM anion 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chất hoạt động bề mặt mà khi hòa tan vào nƣớc phân ly ra anion, là mạch hidrocacbon dài, chiếm phần lớn kích thƣớc phân tử, và ion thứ hai không có tính hoạt động bề mặt. CHĐBM anion có khả năng hoạt động bề mặt mạnh nhất so với các loại khác, có vai trò tẩy rửa chính khi phối liệu, khả năng lấy dầu cao, tạo bọt to nhƣng kém bền, bị thụ động hóa hay mất khả năng tẩy rửa trong nƣớc cứng và nƣớc cứng tạm thời. CHĐBM anion rất đa dạng, đƣợc sử dụng từ lâu trong việc tẩy rửa.
CHĐBM anion chia làm hai loại chính: -CHĐBM anion có nguồn gốc thiên nhiên: là sản phẩm từ phản ứng xà phòng hóa của các este axit béo với glyxerin (dầu cọ, dầu dừa, dầu nành, dầu lạc, dầu cao su, mỡ heo, mỡ cừu, mỡ bò, mỡ hải cẩu, mỡ cá voi. -CHĐBM anion có nguồn gốc từ dầu mỏ: Thông qua phản ứng ankyl hóa, sunfo hóa các dẫn xuất ankyl, aryl, ankylbenzen sunfonic. b) CHĐBM cation Chất hoạt động bề mặt mà khi hòa tan vào nƣớc phân ly ra cation, là mạch hydrocacbon dài chiếm phần lớn kích thƣớc toàn bộ phân tử, và ion thứ hai không có tính hoạt động bề mặt, có khả năng hoạt động bề mặt không cao. CHĐBM cation có nhóm ƣa nƣớc là ion dƣơng, thông thƣờng là các dẫn xuất của muối amin bậc bốn của clo.
Các CHĐBM cation êm dịu với da, tẩy dầu ít, không dùng để tạo bọt, tạo nhũ tốt, có khả năng phân giải sinh học kém. Tƣơng lai trên thị trƣờng sẽ có các cation dạng nhóm chức este dễ phân giải sinh học hơn cho môi trƣờng, và giảm khả năng gây dị ứng khi sử dụng. CHĐBM cation chủ yếu làm triệt tiêu tĩnh điện cho tóc, vải sợi. nên lƣợng dùng rất ít.
c) CHĐBM không ion Chất hoạt động bề mặt khi hòa tan vào trong nƣớc không phân ly thành ion. CHĐBM không ion 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 hƣởng của nƣớc cứng và pH của môi trƣờng, tuy nhiên có khả năng tạo phức với một số ion kim loại nặng trong nƣớc. Hiện nay để tổng hợp CHĐBM không ion, phƣơng pháp đƣợc dùng phổ biến nhất là quá trình etoxy hóa từ ancol béo với oxit etylen. Hoặc từ tổng hợp ancol: bằng cách cho olefin-1 phản ứng với H2SO4, rồi thủy phân (thu đƣợc ancol bậc 2).
d) CHĐBM lƣỡng tính 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Những CHĐBM mà tùy theo môi trƣờng là axit hay bazơ mà có hoạt tính cation hay anion, hay nói cách khác là CHĐBM có các nhóm lƣỡng cực vừa tích điện âm vừa tích điện dƣơng (amin, este). Có khả năng hoạt động bề mặt không cao, Ở pH thấp chúng là chất hoạt động bề mặt cation và là anion ở pH cao. Có khả năng phân hủy sinh học. Lƣợng dùng khoảng 0,2% -1% trong các sản phẩm tẩy rửa.Trong nhóm các chất hoạt động bề mặt lƣỡng tính, hiện nay các dẫn xuất từ betain đƣợc sử dụng rộng rãi nhất [4].
Một số CHĐBM phổ biến hiện nay đƣợc thể hiện trong bảng 1. Một số chất hoạt động bề mặt phổ biến hiện nay Chất hoạt động bề mặt Viết tắt Nhóm CHĐBM Ankyl benzen sunfonic axit mạch thẳng LAS Natri dodecyl sunfat SDS Ankyl sunfat AS Anion Natri lauryl sunfat SLS Ankyl ethoxysunphat AES Hợp chất Quaternary amoni QAC Benzalkon clorua BAC Cetylpyridin bromua CPB Cation Cetylpyridin clorua CPC Hexadecyl trimetyl amoni bromua HDTMA Amin oxit AO Lƣỡng tính Ankyl phenol ethoxylat APE Ancol ethoxylat AE Không ion Fatty Axit ethoxylat FAE 1. Ứng dụng Các CHĐBM có ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, xây dựng. Một số ứng dụng phổ biến đƣợc liệt kê trong Bảng 1.
Ứng dụng của chất hoạt động bề mặt Lĩnh vực Chức năng Sản phẩm chăm sóc cá nhân Tẩy rửa, nhũ hóa, bôi trơn, chống tĩnh điện Công nghiệp, xây dựng Tẩy rửa, tạo bọt, nhũ hóa, phụ gia chống tĩnh điện Luyện thép, chế tạo máy Tẩy rửa, nhũ hóa, bôi trơn, nhũ hóa, màng mỏng Nông nghiệp Nhũ hóa, thấm ƣớt, phun mù Chế biến, phụ gia thực phẩm Nhũ hóa và bền hóa, tẩy rửa, thấm ƣớt, tạo bọt Dƣợc phẩm, sinh học Thấm ƣớt, khử bọt, chống khuẩn, tạo màng sinh học Dầu mỏ Nhũ hóa, tẩy rửa, thu hồi dầu trầm tích Sơn và cao su Nhũ hóa, ổn định và phân tán pigment Dệt, nhuộm, da Tẩy giặt, thấm ƣớt, nhũ hóa 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.