Chương 1: Tổng quan tài liệu, 43 trang - Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu, 13 trang - _ Chương 3: Kết quả va thảo luận, 45 trang - Kết luận, 2 trang - _ Danh mục các công trình của tác giả có liên quan đến luận án, 1 trang - Tai liệu tham khảo, 9 trang - Phụ lục, 8 trang. TONG QUAN TÀI LIEU 1. GIỚI THIEU CHUNG VE CHAT HOẠT ĐỘNG BE MAT 1. Dinh nghia Chat hoạt động bề mặt (HDBM) là chất hữu cơ gồm phần đầu ưa nước và phần đuôi ki nước (Hình 1-1), là thành phan chính trong các chất tay rửa gia dụng và công nghiệp.
Đầu ưa nước là các nhóm chức chứa oxi (-COOH, -OH), chứa nitơ, các nhóm chứa lưu huỳnh (sunfat, sunphonat), photpho. được gọi là hydrophilic. Đuôi ki nước có thé là parafin, isoparafin, benzen, ankylbenzen, naphtalen, vòng ngưng tụ hidrocacbon có mạch nhánh được gọi là hydrophobic [10]. Ki nước Ua nước Hình 1-1.
Cấu tạo của chất hoạt động bề mặt Do phân tử có chứa nhóm ưa nước và nhóm ki nước nên chất HDBM tan tốt cả trong nước và dung môi hữu cơ. Tính chất Các tính chat cơ ban của chất HDBM gồm tính thấm ướt, khả năng tao bọt, có thé hòa tan tốt trong cả nước và dung môi hữu cơ, khả năng nhũ hóa [10, 51, 84]. Bên cạnh các tính chất này, các chất HĐBM có khả năng tạo thành mixen, đây là tính chất đặc biệt khiến chất HĐBM được chọn làm thành phần chính trong các chất tây rửa. Mixen là tập hợp các phân tử HDBM tạo thành các tiêu phân hình cầu, hình trụ hay màng, với phần kị nước chụm vào nhau, còn phần ưa nước hướng ra ngoài môi trường nước.
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 đến một giá tri nhất định (nồng độ mixen tới hạn - CMC), các phân tử riêng biệt liên kết với nhau tạo thành các mixen (Hình 1-2) [66]. Hình dạng mixen cia chất HĐBM Ở các nồng độ cao hơn, các mixen có kích thước tăng lên và các gốc hydrocacbon song song với nhau hình thành các mixen tam. Số phân tử chat HDBM trong khoảng từ 100 đến 1000 đối với loại HĐBM không ion và thường dưới 100 đối với các chất HĐBM ion [51]. Với chất HĐBM anion như SDS, các mixen có năng lượng 6n định cao nhất khi có khoảng 60 phân tử SDS trong tiểu phân [68].
Sự hình thành mixen có ý nghĩa quan trọng trong các ứng dụng làm sạch bởi các mixen sẽ hoạt động như một đơn vi để loại bỏ chất ban. Quá trình này được mô tả như Hình 1-3. Chất ban bị kéo khỏi bề mat Bề mặt được làm sạch Hình 1-3. Cơ chê loại bỏ chat ban của mixen Khi lượng chat HDBM được hoà tan vào nước đên diém CMC, các mixen được hình thành (Hình 1-3(1)), các đuôi ky nước bị hút bởi các hạt chat ban sẽ bám vào hạt chat ban đó (Hình 1-3(2)), trong khi các đầu ưa nước kéo chat ban xung quanh khỏi bề mặt (Hình 1-3(3)), đi vào môi trường nước.
Dạng mixen mới hình thành với hạt chất ban nằm ở trung tâm của cấu trúc, bề mặt vật cần giặt/rửa đã được làm sạch (Hình 1-3(4)). Phân loại và ứng dụng Hiện nay có nhiều cách phân loại chat HDBM, tuy nhiên, cách phân loại phổ biến là dựa trên sự phân ly của chúng trong nước. Theo cách này, có 4 loại chất hoạt động bề mặt dựa trên đầu ưa nước của chúng (do đuôi ky nước thường giống nhau) là: chất HĐBM anion, chất HDBM cation, chất HDBM không ion và chất HDBM lưỡng tính [68] được minh họa như ở hình 1-4. CH,CH,***CH,CH Anion CH;CH;"**CH;CH; Cation CH;CH,“ --CH,CH,(OCH2CH2)nH Không ion CH;CH,"**CH;CH;——|— N—CH)C Lưỡng tính Hình 1-4.
Phân loại và cấu trúc các loại chất HĐBM Mỗi chất có những đặc điểm riêng và được ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau [85]: a) Chất HĐBM anion Chất HDBM anion là các chất khi hòa tan trong nước cho đầu phân cực mang điện tích âm, bao gồm alkylbenzen sulfonat (chất tay rửa), xà phòng (axit béo), lauryl sulfat (chất tạo bọt), đi-alkyl sulfosuccinat (chất làm ướt), lignosulfonat (chất phân tán). Các chất HĐBM anion tạo ra rất nhiều bọt khi trộn. Điện tích âm giúp các phân tử chất hoạt động bề mặt chuyền và giữ chất bân như đất trong mixen, nên có khả năng làm sạch cao, được sử dụng nhiều trong xà phòng và chất tây rửa. Chất HĐBM anion là những chat HDBM được sử dụng phổ biến nhất, chiếm khoảng 50- 55% sản lượng các loại chất HDBM của thé giới.
b) Chất HĐBM cation Chất HĐBM cation phân ly trong nước tạo thành nhóm mang điện tích dương trên đầu phân cực. Phần lớn các chất HĐBM cation là các hợp chất nitơ như muối amin béo và amoni bậc bốn, với một hoặc một vài mạch dài của loại ankyl. Điện tích dương giúp các chat HDBM cation hữu ích trong các sản phẩm chống tĩnh điện, như chất làm mềm vải. Các chất HĐBM cation thường có giá thành cao hơn loại anion, do quá trình tổng hợp cần thực hiện phản ứng hydro hóa áp suất cao, thường chỉ được sử dụng trong trường hợp không có chất thay thế rẻ hơn.
Do đó, chất HĐBM cation chỉ chiếm khoảng 4% sản lượng các loại chất HĐBM trên thế gidi. c) Chat HDBM không ion Chất HDBM không ion là các chat khi hòa tan vào trong nước không phân ly thành ion, do đầu ưa nước không có nhóm mang điện tích. Hầu hết các chất hoạt động bề mặt không ion đều ở dạng lỏng hoặc huyền phù, độ hòa tan của chúng trong nước giảm khi nhiệt độ tăng. Các chất hoạt động bề mặt không ion được sử dung rộng rãi trong ngành dệt, giấy, thực pham, nhựa, thủy tinh, sợi, thuốc, thuốc trừ sâu, thuốc nhuộm và các ngành công nghiệp khác.
Số lượng sản phẩm lớn thứ hai với khoảng 40-45% tổng các loại chất HĐBM trên thé giới, chi sau các chất HDBM anion. d) Chất HDBM lưỡng tính Chất HĐBM lưỡng tính là những chất mà tùy theo môi trường là axit hay bazơ mà có hoạt tính cation hay anion, nói cách khác là chất HĐBM loại này có các nhóm lưỡng cực vừa mang điện âm vừa mang điện dương (amit, este). Do có khả năng hoạt động bề mặt không cao nên lượng dùng chỉ khoảng 1% tổng các loại chất HĐBM trên thế giới, thường được sử dụng trong các sản phẩm tây rửa. Hiện nay, chất HDBM được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau, sẽ tiếp tục mở rộng phạm vi ứng dụng và mức tiêu thụ cũng tăng lên.
Tổng nhu cầu sử dụng các loại chat HDBM trong năm 2018 là 16,8 triệu tắn/năm, gần một nửa trong số này là các loại xà phòng [43] chi tiết như ở hình 1-5. Chăm sóc cá nhân Chat tay rửa gia dung Céng nghiép Hình 1-5. Nhu cau sử dụng chat HĐBM theo nhóm sản phẩm năm 2018 Phân theo nhóm sản phẩm (Hình 1-5), chat HĐBM được sử dụng nhiều nhất trong chat tay rửa gia dụng, sau đó là các ứng dụng trong công nghiệp (sơn, dầu mỏ, thực pham, đồ uống,.) và các sản pham chăm sóc cá nhân như mỹ pham, dầu gội. Ảnh hưởng của chất HĐBM đến môi trường và con người a) Ảnh hưởng tới thực vật thủy sinh Các chất HĐBM có trong nước gây ngộ độc cấp tính đối với thủy sinh.
Khi hàm lượng chất HDBM trong nước cao sẽ ảnh hưởng đến sự phát triển của tảo và các vi sinh vật khác trong nước, dẫn đến giảm năng suất sinh học và suy yếu chuỗi thức ăn của sinh vật. Chat HDBM làm tăng tính thâm thấu qua màng tế bào tới exosomes, làm cấu trúc tế bào dần tan rã, các enzym và chất diệp lục giảm. Mối quan hệ giữa cấu trúc hóa học của chất HĐBM và tính độc hại của nó với sinh vật đưới nước có thé được tóm tắt như hai điểm sau [108]: - Độ ky nước càng lớn, độc tính thủy sinh càng lớn; - _ Nhóm ethoxylate càng nhiều thì độc tính với sinh vật đưới nước càng thấp; b) Ảnh hướng tới động vật thủy sinh Động vật thủy sinh bị ảnh hưởng trực tiếp qua da và nguồn thức ăn. Khi nồng độ chất hoạt động bề mặt trong nước quá cao, chất hoạt động bề mặt có thể xâm nhập vào máu, thận, tuyên tụy, túi mật và gan, tạo ra hiệu ứng độc tính dưới nước.
Các chất hoạt động bề mặt anion có thê liên kết với các đại phân tử có hoạt tính sinh học như peptide, enzyme và DNA. Khi liên kết với protein và peptide, chất HĐBM sẽ thay đôi đặc tính xoắn của chuỗi polypeptide và đặc tính điện tích của phân tử, từ đó làm thay đổi chức năng sinh học của sinh vật [46]. Ngưỡng độc cấp tính đối với các sinh vật của các chất HDBM khác nhau là khác nhau chi tiết như trong bang 1-1. Giá trị độc cấp tính ECso của một số chất HĐBM doi với sinh vật A Tài liệu Sinh vật.
Chat HDBM | Ngưỡng| (mg/l) mạm khảo Vibrio fischeri SDS 2,6 [63] Vibrio fischeri LAS 109,7 90 Vi khuẩn Pseudomonas putida LAS 33,4 90] Phosphobacterium phosphoreum AO 2,4 [35] Microcystisaeruginosa AE 0,2 [19] Carassiusauratus LAS 5,1 ; Gammbusiaaffinis SDS 40,2 [105] Cá Salmogairdneri AES 10,8 Pimephalespromelas AE 4,4 [19] Artemia salina SDS 41,04 [61] Giáp xác Ceriodaphnia dubia LAS 5,96 [101] Daphnia magna AO 6,8 [35] Artemia franciscana AES 23,92 [87] Nhuyén thê (thân Physa acuta SDS 27,2 [61] mém) Nhim bién Paracentrotuslividus SDS 3,2 [63] Lưỡng cu Xenopuslaevis AES 6,8 [87] Ghi chú: SDS - Sodium dodecyl! sulfate, LAS - Linear alkylbenzene sulfonates, AO - Amine oxide, AE - Alcohol ethoxylates, AES - Alcohol ethoxysulfates. 10 Cá rất dễ hap thụ các chat HDBM qua bề mặt cơ thé và mang, sau đó phát tán đến các mô và cơ quan thông qua sự lưu thông máu. Khi cá tiếp xúc với chất HDBM, huyết thanh và các hoạt tính phosphatase axit, phosphatase kiềm tăng lên, tạo ra các tác dụng phụ khiến cá bị nhiễm độc. Nếu cá bị nhiễm độc, con người cũng sẽ bị nhiễm độc thông qua chuỗi thức ăn, tạo ra sự ức chế các loại enzyme khác nhau trong cơ thể người, do đó làm giảm kha năng miễn dịch của cơ thé [108].
c) Ảnh hướng tới môi trường nước Khi nông độ của chất hoạt động bề mặt đạt tới 0, mg/L, nước có thể xuất hiện bọt. Khi có rất nhiều bọt trên bề mặt nước sẽ tạo thành lớp cách nhiệt, làm giảm sự trao đôi giữa nước và khí quyền, dẫn đến giảm oxy hòa tan. Bên cạnh đó, nếu nồng độ chat HDBM vượt quá nồng độ CMC sẽ hình thành các mixen, dẫn tới tăng nồng độ các chat 6 nhiễm không hòa tan và hòa tan trong nước.