Đồ án Nghiên cứu hệ nhũ tương nước - Nhiên liệu Diesel đối với động cơ Diesel

hia pha. Như vậy, sự ổn định có được là do lực đẩy của các lớp điện tích kép trên bề mặt giọt, dẫn đến làm giảm va chạm của các giọt phân bố. Tuy nhiên, các tác nhân tạo nhũ dạng này cho kết quả không cao về thời gian tồn tại của nhũ tương và nồng độ của nhũ tương. * Nhóm thứ hai: là các chất hoạt động bề mặt của xà phòng và các chất tẩy rửa. Nói chúng, các nhóm dạng này có chứa một hoặc nhiều hơn các nhóm kỵ nước (alkyl hoặc các hydrocacbon thơm, flocacbon) và có chứa một hoặc nhiều nhóm ưa nước trong cùng một phân tử. Phân tử lưỡng tính như vậy có sự bám dính và định hướng khá mạnh ở bề mặt phân chia pha hệ d/n và với sự trợ giúp của các tác nhân này, nhũ tương tồn tại khá ổn định. * Nhóm thứ ba: Nhóm này giúp nhũ tương ổn định tốt hơn, đây là các tác nhân tạo nhũ có phân tử lượng cao. Ví dụ: protein, keo, tinh bột và các chất thuỷ phân của nó như dextrin, metylxenlulo, lingo-sulphonatNgoài ra, cũng có thể là các polyme tổng hợp như: polyvinyl alcol. Các hợp chất này cũng bám dính ở bề mặt phân chia pha d/n. Do tính đa bội của các nhóm kỵ nước và các nhóm ưa nước, mỗi phân tử gắn với rất nhiều điểm theo chiều dài phân tử của nó. Các chất này giữ cho sự đông tụ của các giọt diễn ra lâu hơn. * Nhóm thứ tư: các tác nhân tạo nhũ thuộc nhóm này là các chất rắn không tan, có độ phân tán cao, có khả năng thấm ướt chọn lọc đối với chất lỏng phân cực hoặc chất lỏng không phân cực đã tạo nên nhũ tương. Có thể nhìn bằng kính hiển vi, thấy được các phần tử hình thành từ những đơn lớp của chúng bằng cách phủ lên bề mặt các giọt. Điều kiện để các phần tử này bám lên bề mặt giọt phụ thuộc vào tính chất hoá bề mặt nhiều hơn là thành phần cấu trúc bên trong chúng. Một quan tâm khác khi nghiên cứu tính không ổn định của nhũ tương là khoảng thời gian và điều kiện để khống chế chúng. Mặc dù việc mô tả tính ổn định của nhũ tương chỉ bằng một số ít các trường hợp đại diện cho tất cả các trường hợp không phải là dễ nhưng nó cũng đưa ra được một tỷ lệ nhất định sự phân chia ở các dạng khác nhau đối với nhiều nhũ tương. Sự ổn định của nhũ tương có thể được ghi nhận khi ta không thấy sự phá nhũ trong vài giờ, vài ngày hoặc vài tháng khi các giọt có khả năng chạm vào nhau nhưng không xảy ra sự phá vỡ mặt phân cách và kết hợp giữa các chất lỏng bên trong giọt. Các tác nhân tạo nhũ đã tạo ra một rào chắn phân tử giữa các dung dịch, hàng rào chắn này có thể giữ vững ở một áp suất nhất định. 2. Các tác nhân tạo nhũ Các phần đã đề cập trước chứng minh rằng các tác nhân tạo nhũ đóng góp một phần quan trọng trong quá trình làm ổn định nhũ tương. Chỉ trong thời gian ngắn gần đây, một số tác nhân tạo nhũ mới được đưa vào sử dụng rộng rãi. * Phân loại các tác nhân tạo nhũ Nếu phân loại một cách đơn giản, thì có thể chia các tác nhân tạo nhũ ra thành 3 dạng chính sau: - Các chât hoạt động bề mặt. - Các chất có sẵn trong tự nhiên. - Các chất rắn phân tán mịn. Sự phân chia này có tính ước lệ và tuỳ thuộc theo cách chia của người nghiên cứu, ví dụ: rất nhiều các chất có sẵn trong tự nhiên là chất hoạt động bề mặt. Sự phân chia này đã giúp phát hiện ra trong nhóm thứ nhất có chứa các chất tẩy rửa tổng hợp. Trong khi ở nhóm thứ hai có chứa các vật liệu như: alginate, gốc xenlulô, các chất lỏng và sterol. Nhóm thứ ba chỉ tiến hành nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. 2.1. Phân loại chung: a.. Anionic: * Axit cacbosilic: - Nhóm - COOH đính trực tiếp vào nhóm hydrocacbon. - Nhóm - COOH đính ở liên kết giữa. * Este sunfuric (sunfat): - Nhóm sunfat đính trực tiếp vào nhóm hydrocacbon. - Nhóm sunfat đính ở liên kết giữa. * Alken sunfonic axit: - Nhóm sunfonic đính trực tiếp vào nhóm hydrocacbon. - Nhóm sunfonic đính trực ở liên kết giữa. * Alkyl axit sunforic vòng thơm: - Nhóm hydrocacbon đính trực tiếp vào nhân, thêm sunfonat. - Nhóm hydrocacbon đính trực tiếp vào nhân, thêm sunfonat thông qua liên kết giữa. * Các anion ưa nước: - Phôtphat và axit photphoric. - Pesunfat và trisunfat. - Sunfo axit - Sunforic axit. b. Cation * Muối amin: - Nhóm amin đính trực tiếp vào nhóm kỵ nước. - Nhóm amin đính trực tiếp vào liên kết giữa. * Hợp chất có 4 nhóm ammoniac (- NH4): - Nitơ đính trực tiếp vào nhóm ưa nước. - Nitơ đính trực tiếp vào nhóm ở giữa. * Các bazơ không có nitơ: - Hợp chất phôtpho. - Hợp chất lưu huỳnh. c. Các chất trung tính * Liên kết ete. * Liên kết amid. d. Các chất không tan trong nước 2.2. Phân loại theo mức độ quan trọng của nhóm kỵ nước - Các nhóm alkyl mạch thẳng có số nguyên tử cacbon từ 8 – 18, có nguồn gốc từ axit béo tự nhiên. - Các nhóm alkyl thấp hơn có từ 3 – 8 nguyên tử cacbon, thường đi kèm với các nhân thơm như benzen hoặc naphtalen. Sự kết hợp này hình thành nên nhóm kỵ nước. - Propen, isobuten và một số isome của penten hay hecxen có thể bị polyme hoá ở mức độ thấp hơn, tạo ra mono-olephil có từ 8 – 20 nguyên tử cacbon. Nó có thể ngưng tụ cùng benzen, hình thành nên chất kỵ nước alkyl thơm. - Các hydrocacbon trong dầu mỏ, trong dãy từ 8 – 20 nguyên tử cacbon hoặc nhiều hơn nữa (dầu lửa, dầu nhẹ và các paraffin sáp phân nhánh) có thể bị một số phản ứng tạo nên làm thay đổi nhóm kỵ nước thích hợp. - Axit naphtenic có từ các loại dầu mỏ nhất định, bản thân nó là chất hoạt động bề mặt. Ngoài ra, chúng được sử dụng như là nguồn của nhóm kỵ nước. - Rượu có nồng độ cao và các chất tổng hợp có liên quan. - Các axit rogin (nhựa thông) có thể được sử dụng giống như axit béo tự nhiên. - Các rượu terpenes và terpene đã được sử dụng rộng rãi như các tác nhân alkyl hoá cho các nhân thơm. 2.3. Phân loại theo tính chất của các chất hoạt động bề mặt a. Khái niệm về chất hoạt động bề mặt (HĐBM) Chất hoạt động bề mặt là một loạt các chất mà khi hấp phụ lên bề mặt phân cách làm thay đổi các đặc tính bề mặt như sức căng bề mặt, sức căng bề mặt phân chia pha, tỷ trọng bề mặt, độ nhớt bề mặt, tính đàn hồi bề mặt Ngoài ra chất HĐBM cũng làm thay đổi khả năng thấm ướt, tính tạo bọt, khả năng phân tán và tính tẩy rửa của các chất. Nói chung, các chất hoá học mà khi hoà tan vào một chất lỏng, làm giảm sức căng bề mặt của chất lỏng đó hoặc làm giảm sức căng bề mặt phân chia với chất lỏng khác, do ưu tiên hấp phụ vào chất này hay chất kia ở bề mặt tiếp xúc pha, thì được gọi là chất hoạt động bề mặt hoặc chất hoạt tính bề mặt. Các chất hoạt tính bề mặt, theo định nghĩa trên thì trong phân tử có hai ái lực trái ngược nhau: một ái lực tạo ra bởi các nhóm có cực, tạo cho phân tử chất HĐBM có những tính chất háo nước (ưa nước); một ái lực được tạo ra bởi các nhóm không có cực tạo cho phân tử những tính chất háo dầu (ưa dầu). Các chất hoạt động bề mặt thường là các hợp chất hữu cơ, vì vậy nhóm có cực thường là các nhóm chức có momen lưỡng cực lớn như: - COOH, - OH, - NH2, - SH, - CN , - NO2, - CHO, - NSC, - HSO3 và nhóm không phân cực thường là các gốc hydrocacbon mạch thẳng hoặc mạch vòng, hoặc có chu kỳ phức tạp. Vì có cấu trúc như vậy nên khi được hoà tan vào nước, các nhóm ưa nước của chất HĐBM sẽ định hướng vào môi trường nước, còn các nhóm không phân cực hydrocacbon thì hướng ra ngoài không khí hoặc vào chất không phân cực khác. Trong dung dịch, các nhóm không phân cực có xu hướng quay vào nhau và hướng các đầu phân cực vào môi trường nước. Một tập hợp các chất HĐBM như vậy gọi là mixen. Khi nồng độ chất HĐBM được tăng lên, số phân tử chất HĐBM trong mixen cũng tăng lên và dạng hình cầu ban đầu của mixen sẽ dần dần chuyển sang dạng hình trụ hoặc hình tấm. Dạng cầu Dạng hình trụ Dạng tấm Hình 2: Các dạng mixen của chất hoạt động bề mặt Nồng độ mà tại đó chất HĐBM bắt đầu tạo mixen được gọi là nồng độ tới hạn tạo mixen, ký hiệu là c.m.c. Các đặc tính nhũ hoá, phân tán và làm sạch của các dung dịch chất HĐBM tăng lên cùng với sự tăng nồng độ cho đến khi tiến tới nồng độ tới hạn tạo mixen. ở nồng độ tới hạn tạo mixen, các đặc tính này hầu như tiến tới bão hoà, và ở nồng độ cao hơn nồng độ tới hạn tạo mixen, các đặc tính này không còn thay đổi nhiều. Vì có những tính chất như vậy nên chất HĐBM được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong kỹ thuật và đời sống, như trong các ngành sản xuất chất tẩy rửa, hoá mỹ phẩm, dệt, thực phẩm, tuyển nổi quặng và ngay cả trong công nghiệp sản xuất thuốc nổ. b. Phân loại chất HĐBM Có nhiều cách phân loại khác nhau, nhưng nếu căn cứ vào tính chất tương tác với môi trường nước của chất HĐBM, có thể xếp những chất HĐBM vào bốn loại sau: - Các chất HĐBM anion. - Các chất HĐBM cation - Các chất HĐBM lưỡng ion. - Các chất HĐBM không ion. * Chất HĐBM anion: Đây là những chất hoạt tính bề mặt, khi được hoà tan trong nước thì bị ion hoá thành các anion gốc hữu cơ, chính những anion này là nguyên nhân gây hoạt tính bề mặt. Trong nhóm chất loại này có: - Các muối của những axit béo. Đây là những chât mà người ta gọi dưới cái tên chung là xà phòng, như các muối gốc hữu cơ của axít béo. Ví dụ như, xà phòng Natri, xà phòng Canxi trietanolamin stearat - Các muối sulfat của axit béo. Đây là những chất hoạt tính bề mặt đã biết từ lâu và được dùng rộng rãi để làm gốc chế tạo các loại dầu gội đầu, sữa tắm sủi bọt, các chất tẩy rửa. - Các dẫn xuất sulfat: trong số nhiều chất khác nhau thuộc loại này có thể kể đến các chất sulfonat của dầu hoả, các chất lingo sulfonat, các chất alkylaryl sulfonat. - Các chất hữu cơ có phốtpho: các chất alkyl photphat là những chất được dùng làm chất nhũ hoá nhiều nhất, đặc biệt là các vi nhũ tương. * Chất HĐBM cation: Đây là những chất hoạt tính bề mặt, khi hoà tan trong nước thì cung cấp những ion hữu cơ mang điện tích dương và gây ra những hoạt tính bề mặt. Trong phân tử các chất này, ngoài một gốc hydrocacbon, phần lớn, các phân tử này còn chứa một nguyên tử chất đạm nitơ mang điện tích dương, có thể là những chất hữu cơ hoặc là mạch hở hoặc là nhiều chu kỳ phức tạp, bao gồm: - Các muối amoni alkyl bậc 4, các muối bậc 4 có chu kỳ phức tạp. - Các amin oxyt: các chất này được dùng làm một số hoá mỹ phẩm. - Các chất dẫn xuất của hoá dầu: ở đây là những chất amin và muối amoni bậc 4. - Các dẫn xuất không có nitơ: đây là những nguyên tử có hoặc là một nguyên tử lưu huỳnh, hoặc là một nguyên tử phôtpho mang điện dương. * Chất HĐBM lưỡng ion: Các chất hoạt tính bề mặt này cũng tương tự như các chất oxyt, vừa có hiệu ứng kiềm nhưng cũng vừa có cả hiệu ứng toan. Đây là những chất hoạt tính bề mặt có hai hoặc nhiều nhóm chức và tuỳ theo những điều kiện của dung môi có thể ion hoá trong dung dịch nước và trao cho hợp chất hoặc tính chất anion hoặc tính chất cation. Các chất này biểu hiện tính chất ion của mình tuỳ thuộc vào độ pH, là anion khi độ pH lớn hơn điểm đẳng điện và cation khi độ pH nhỏ hơn điểm đẳng điện. Ngoài những chất được tổng hợp bằng phương pháp hoá học, trong nhóm này còn có những axit amin thấy trong các protein thực vật (như chất lesitin của đậu tương) hoặc động vật (như easein trong sữa). Cấu trúc phân tử của các chất hoạt tính bề mặt ở nhóm này được biểu diễn sơ lược có dạng NH2-R-COOH. - Trong môi trường kiểm, tính chất anion có dạng: R COO-M+ NH2 Trong đó M+ có thể là Na+ hoặc K+: Trong môi trường axit, tính chất cation có dạng: R H2N+MM COOH Trong đó M có thể là Cl. Thuộc các chất hoạt tính bề mặt mang cả hai dấu điện, gồm có: + Các chất dẫn xuất từ bentan, như alkylbentan, alkylaminobentan là các chất có khả năng làm ướt, gây bọt và tẩy rửa. + Các chất dẫn xuất từ các axit amin, các chất hoạt tính bề mặt này được dùng để gây bọt và diệt khuẩn. * Các chất HĐBM không ion: Khác với các chất hoạt động vừa nêu trên, chất hoạt động bề mặt không ion, khi tan vao nước không bị ion hoá. Các chất này có thể tan được vào nước là vì trong thành phần của chúng có những nhóm hoạt tính rất háo nước. Thành phần ưa nước trong phân tử các chất HĐBM không ion là các liên kết ete và các nhóm hydroxit, bên cạnh đó còn xuất hiện rất nhiều các liên kết este và amit cũng là các thành phần ưa nước của phân tử chất HĐBM. Xu hướng ưa nước của chất HĐBM không ion là do có chứa oxy trong thành phần các liên kết trên, nên các phân tử này rất dễ bị hydrat hoá do tạo các liên kết hydro với phân tử nước. Một đặc điểm đáng chú ý của chất HĐBM không ion là chúng có thể tương hợp với các chất HĐBM ion ở bất kỳ pH nào. Căn cứ vào các kiểu liên hệ giữa các nhóm háo dầu và háo nước, có thể phân loại các chất HĐBM không ion thành các loại sau: - Kiểu liên hệ ete: đây là nhóm những hoá chất hữu cơ thường dùng để chế tạo nhũ tương trong công nghiệp sơn và công nghiệp thực phẩm. - Liên hệ kiểu este: trong nhóm này, có các este glycol, este glycerol, este polyglyserol, este polyetylenglycol. Các chất HĐBM này chủ yếu được dùng trong dược phẩm, mỹ phẩm và thực phẩm. - Liên hệ kiểu amit: các chất HĐBM này chủ yếu dùng trong công nghiệp mỹ phẩm và chế tạo bọt giặt. 3. Cân bằng ưa nước – ưa dầu (HLB) của chất nhũ hoá Tác dụng nhũ hoá của chất hoạt động bề mặt càng tốt nếu các phần phân cực và không phân cực của các phần tử chất nhũ hoá tương tác khá đồng đều với hai pha của nhũ tương. Điều đó có nghĩa là, chất nhũ hoá tốt phải có ái lực với môi trường phân cực và môi trường không phân cực xấp xỉ nhau, hay nói cách khác, phân tử chất HĐBM phải có một cân bằng ưa nước - ưa dầu phù hợp với hai pha của nhũ tương. Cân bằng ưa nước – ưa dầu là một trong những đặc tính quan trọng nhất của chất nhũ hoá và được biểu thị bằng chỉ số HLB. Khái niệm “cân bằng ưa nước – ưa dầu, HLB” của chất nhũ hoá đã được Clayton nghiên cứu và đề cập trong các công trình của ông và sau đó đã được nhiều nhà nghiên cứu về nhũ tương phát triển thêm. Cân bằng này được xác định bởi thành phần hoá học và khả năng bị ion hoá trong môi trường nước của một chất nhũ hoá. Vì vậy, các chất nhũ hoá có thể tan hay có ái lực với pha dầu sẽ có giá trị HLB, và các chất nhũ hoá tan tốt hay có ai lực với pha nước sẽ có giá trị HLB cao. Bằng thực nghiệm, người ta đã xác định được các khoảng giá trị HLB và phạm vi áp dụng của các chất HĐBM. Bảng 1: Thang giá trị HLB và các ứng dụng của chất HĐBM Hệ áp dụng Thang HLB Chất nhũ hoá nước trong dầu, n/d 3 – 6 Tác nhân thấm ướt 7 – 9 Chất nhũ hóa dầu trong nước, d/n 8 – 18 Chất tẩy rửa 13 – 15 Chất hoà tan 15 - 18 * Phương pháp xác định giá trị HLB: Nhiều nhà nghiên cứu về nhũ tương đã đưa ra nhiều phương pháp khác nhau để xác định giá trị HLB của chất nhũ hoá, trong đó có hai phương pháp được ứng dụng nhiều nhất trong thực té để lựa chọn chất nhũ hoá và chế tạo nhũ tương. Đó là phương pháp chỉ số HLB của Griffin và phương pháp HLB – nhiệt độ của Shinoda. Phương pháp chỉ số HLB được Griffin đưa ra lần đầu tiên vào năm 1949, theo đó nó được sử dụng để tính toán giá trị HLB cho các chất nhũ hoá không ion trên cơ sở tỷ lệ khối lượng phân tử hoặc khối lượng thực tế của hai nhóm ưa nước và ưa dầu, hàm lượng của nhóm polyoxyetylen. Theo Griffin, giá trị chỉ số HLB của một chất nhũ hoá có thể được tính toán bằng các phương trình sau: - Đối với các este của rượu đa chức và axit béo: [5] Trong đó: S: là chỉ số xà phòng hoá của este. A: là chỉ số trung hoà của axit béo. - Đối với các dẫn xuất của dầu nhựa thông, sáp ong, rosin và lanolin: [6] Trong đó: E: là hàm lượng % khối lượng của nhóm polyoxyetylen. P: là hàm lượng % khối lượng của rượu đa chức. - Đối với các chất nhũ hoá trong phần ưa nước chỉ gồm có các nhóm polyetylen, công thức có thể rút gọn: HLB = E/5 [7] - Đối với hỗn hợp của các chất nhũ hoá, giả sử có hỗn hợp của hai chất nhũ hoá A và B, trong đó chất nhũ hoá A có chỉ số HLBA và chất nhũ hoá B có chỉ số HLBB thì chỉ số HLB chung của hỗn hợp được tính theo công thức: [8] Trong đó: WA và WB: là tỷ lệ khối lượng của A và B. Bảng 2: Chi số HLB của một số chất HĐBM Tên hoá học Loại Chỉ số HLB Ghi chú Axit oleic A 1 A: anion Glycerol monostearat N 3,8 N: không ion Sorbitanmonooleat (pan80) ]N 4,3 Sorbitan monopalmitat N 6,7 Polyoxyethylen lauryl ete N 9,5 Trietanol oleat A 12 Polyoxyethylen alkyl phenol N 12,8 Natri oleat A 18 4. Cơ chế làm giảm sức căng bề mặt của chất HĐBM Ta biết rằng, các phân tử chất lỏng hay chất rắn luôn có lực liên kết với nhau. Các phân tử trong lòng chất lỏng thì có lực liên kết về mọi phía với các phân tử xung quanh, còn các phân tử ở trên bề mặt có một phía không nhận được lực liên kết với các phân tử lỏng khác, do đó, có năng lượng cao hơn. vì có năng lượng tự do bề mặt cao hơn nên xu hướng tự nhiên là càng giảm diện tích bề mặt càng nhiều càng tốt nếu có thể. Đó là nguyên nhân tại sao các giọt lỏng có dạng hình cầu để có diện tích bề mặt nhỏ nhất, và do đó có năng lượng tự do thấp nhất. Hình 3: Lực liên kết của các phân tử chất lỏng trên bề mặt và trong dung dịch Sức căng bề mặt (d) được thừa nhận là tương ứng với cường độ của lực liên kết giữa các phân tử trên bề mặt, các chất có lực liên kết lớn hơn sẽ có sức căng bề mặt cao hơn. Khi hai chất lỏng A và B tiếp xúc với nhau, giữa các phân tử của chúng có một lực liên kết với nhau, chính lực liên kết này đã bù vào sự thiếu hụt của lực liên kết ở bề mặt của cả hai chất lỏng trong một phạm vi nào đó. Do đó, sức căng bề mặt phân cách giữa chất lỏng A và chất lỏng B (dA,B) sẽ nhỏ hơn tổng sức căng bề mặt (dA + dB) của hai chất lỏng: dA,B = dA + dB - 2SAB [9] Trong đó: SAB là lực liên kết giữa các chất lỏng A, B. Vì vậy khi lực liên kết giữa các phân tử chất lỏng A và chất lỏng B lớn thì sức căng bề mặt giữa chúng sẽ nhỏ. Điều này có nghĩa là năng lượng giảm bởi sự tiếp xúc giữa chất lỏng A và chất lỏng B, do đó hai chất lỏng dần dần tự phân tán vào nhau nhằm làm tăng diện tích tiếp xúc giữa chúng. Giới hạn của sự phân tán này là hai chất lỏng trộn lẫn với nhau và tạo thành dung dịch của A và B. Trên cơ sở này có thể giải thích về cơ chế làm giảm sức căng bề mặt giữa pha dầu và pha nước dưới tác động của chất HĐBM như sau: trong các dung dịch của chất HĐBM, các phân tử chất HĐBM định hướng và bị hấp phụ lên bề mặt của dung dịch và các nhóm kỵ nước quay về phía không khí. Vì vậy, bề mặt của dung dịch đã được bao phủ bởi các nhóm kỵ nước của chất HĐBM đúng như bề mặt đã bị bao phủ bởi một màng mỏng dầu. Như đã được nói ở trên, sức căng bề mặt là do lực liên kết của các phân tử chất lỏng (hoặc chất rắn) và nó trở nên lớn hơn khi tăng lực liên kết này. Vì lực liên kết của hydrocacbon nhỏ hơn của nước, nên sức căng bề mặt của dung dịch chất HĐBM bị bao phủ bởi các nhóm kỵ nước, cũng nhỏ hơn sức căng bề mặt của nước. Nghĩa là, dưới tác dụng của chất HĐBM, sức căng bề mặt của nước giảm. Khi một chất HĐBM được hấp phụ lên bề mặt dầu – nước, khi đó các phân tử dầu và nước không tiếp xúc trực tiếp với nhau mà thông qua các phân tử chất HĐBM. Và lực liên kết giữa các phân tử dầu – chất HĐBM và nước – chất HĐBM sẽ có ảnh hưởng lớn hơn lên sức căng bề mặt hơn là lực liên kết giữa các phân tử dầu và nước. Khi các chất HĐBM hấp phụ lên bề mặt phân chia, các nhóm kỵ nước hướng vào dầu và các nhóm ưa nước hướng vào nước. Lực liên kết giữa dầu và các nhóm kỵ nước cũng như giữa nước và nhóm ưa nước đã cho thấy là có giá trị lớn hơn. Vì vậy, chất HĐBM làm giảm sức căng bề mặt giữa dầu và nước. Như vậy, cường độ của lực liên kết giữa dầu – chất HĐBM và nước – chất HĐBM đã quyết định đến sức căng bề mặt giữa dầu và nước. Hay nói cách khác, sự cân bằng trong đặc tính ưa nước, ưa dầu của chất HĐBM là rất cần thiết cho sự hấp phụ có hiệu quả lên bề mặt phân cách dầu – nước. Nếu một chất HĐBM có đặc tính ưa nước mạnh và hoà tan hoàn toàn trong nước hoặc một chất HĐBM có đặc tính kỵ nước mạnh và tan hoàn toàn trong dầu, thì cả hai loại chất HĐBM này sẽ không hấp phụ một cách có hiệu quả lên bề mặt dầu – nước, do đó, khả năng làm giảm sức căng bề mặt dầu – nước sẽ không hiệu qủa. Do đó, cân bằng ưa nước – kỵ nước là một đặc tính quan trọng của chất HĐBM trong sự lựa chọn chất nhũ hoá. IV. Chế tạo nhũ tương nước - nhiên liệu diesel 1. Phương pháp chế tạo hệ nhũ tương nước - nhiên liệu diesel Để chế tạo hệ nhũ tương nước - nhiên liệu diesel, cũng như các loại nhũ tương đặc và đậm đặc nói chung, người ta thường áp dụng phương pháp phân tán cơ học. Đầu tiên, chất nhũ hoá được đưa vào trong pha dầu, sau đó pha nước được phân tán vào pha dầu đã có chất nhũ hoá. Có rất nhiều chất nhũ hoá được dùng để chế tạo hệ nhũ tương nước - nhiên liệu diesel, tuy nhiên, thông dụng nhất vẫn là các loại chất nhũ hoá không ion. Điển hình trong loại này là các este của axit béo như: sorbitan monooleat, sorbitan monostearat, glycerol monosterat, propylene glycol monostearat 2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chế tạo nhũ tương nước - nhiên liệu diesel. 2.1 ảnh hưởng của nồng độ chất nhũ hoá Nồng độ chất nhũ hoá có ảnh hưởng rất lớn đến độ bền vững của nhũ tương. ở nồng độ rất thấp thì các phân tử chất nhũ hoá bị phân tán vào trong dung dịch và không đủ để hình thành nên các mixen, hay nói cách khác, không đủ để bao quanh giọt nhũ và do đó, độ bền của nhũ tương không cao, khi nồng độ rất cao thì hầu như tất cả các phân tử chất nhũ hoá đều tạo mixen, nhưng có thể gây hiện tượng đảo pha nhũ tương. Đã có nhiều tác giả xác định bằng thực nghiệm rằng, nồng độ của chất tạo nhũ khi vượt qua một mức nhất định nào đó cũng không làm cho chất lượng của nhũ tương tốt hơn, bởi vì, khi lớp hấp phụ đã được bão hoà thì phần dư của nó sẽ tồn tại ở dạng hoà tan trong môi trường phân tán và không tham gia vào quá trình tạo nhũ. Như vậy, để chế tạo được một hệ nhũ tương bền vững, thì việc xác định được nồng độ tối ưu của chất nhũ hoá là rất cần thiết. Vì nếu nồng độ của chất nhũ hoá thấp hơn hoặc cao hơn nhiều so với nồng độ tối ưu thì sẽ dẫn tới một hệ nhũ không bền vững, hoặc sẽ lãng phí chất nhũ hoá. Để xác định nồng độ tối ưu của chất nhũ hoá, trên thực tế người ta thường sử dụng phương pháp thực nghiệm. 2.2 ảnh hưởng của thời gian khuấy trộn Thời gian khuấy trộn là một trong những yếu tố quyết định độ bền của nhũ tương. Nhũ tương càng bền vững khi kích thước hạt càng nhỏ và đồng đều nhất. Để đạt được kích thước giọt nhũ nhỏ, đòi hỏi phải có thiết bị tạo nhũ và thời gian khuấy trộn thích hợp. Bằng thực nghiệm, người ta đã chứng minh được rằng, khi với tốc độ khuấy trộn không đổi, thì thời gian khuấy trộn càng dài cũng sẽ tạo ra được nhũ tương có cỡ hạt càng nhỏ. Nhưng khi thời gian khuấy trộn vượt quá một giá trị nào đấy thì kích thước hạt hầu như không giảm nữa và do đó không làm tăng thêm chất lượng của nhũ tương, trong hình dưới đây chỉ ra sự phụ thuộc của kích thước hạt nhũ đến thời gian khuấy trộn. Ngoài ra, nếu với tác dụng cơ học lâu dài thì có thể sẽ xảy ra hiện tượng đảo pha nhũ tương, nghĩa là nhũ tương thuận sẽ chuyển thành nhũ tương nghịch và ngược lại. Do đó, việc kéo dài thời gian khuấy trộn chưa chắc đã có lợi trong quá trình chế tạo nhũ tương. Từ việc phân tích trên, cho thấy việc nghiên cứu xác định thời gian khuấy trộn tối ưu trong quá trình tạo nhũ là yếu tố hết sức cần thiết. Hình 4: Sự phụ thuộc của kích thước hạt vào thời gian khuấy d(mm) 2.3 ảnh hưởng của thứ tự cho các pha vào nhau Vấn đề khảo sát thứ tự cho các pha vào nhau là rất quan trọng trong quá trình chế tạo nhũ tương, nó là yếu tố xác định dạng của nhũ tương được tạo thành. Thực vậy, với một tỷ lệ cao của pha dầu với pha nước là nguyên nhân tạo nên một nhũ tương nước trong dầu, nhưng trái lại một tỷ lệ cao của nước so với dầu sẽ có xu hướng tạo nên một nhũ tương dầu trong nước. Nếu gọi fi là tỉ lệ thể tích của pha dầu so với pha nước ở điểm chuyển hoá nhũ tương, thì với f > fi sẽ có khuynh hướng hình thành các nhũ tương nước trong dầu. Như vậy, nếu trong quá trình chế tạo nhũ tương nếu ta cho pha nước từ từ vào pha dầu, thì ngay tại thời điểm mà hai pha tiếp xúc với nhau pha dầu luôn luôn có thể tích lớn hơn pha nước và do đó, một nhũ tương nghịch sẽ dễ dàng được tạo ra. Còn ngược lại, nếu ta cho pha dầu từ từ vào pha nước thì một nhũ tương thuận được tạo thành là điều tất yếu. Ngoài ra, bằng thực nghiệm người ta cũng thấy rằng thứ tự thêm chất nhũ hoá vào các pha cũng có ảnh hưởng không nhỏ đến độ bền và kích thước hạt của nhũ tương. Bảng 3: ảnh hưởng của thứ tự cho chất nhũ hoá vào pha dầu, pha nước lên độ bền và kích thước hạt của nhũ tương Pha được cho chất nhũ hoá vào Kích thước (m) Mức độ tách pha (mm) - Pha dầu - Pha nước - Cho vào cả pha dầu và pha nước, mỗi pha 50% 1 40 15 0 150 150 Như vậy, rõ ràng là để tạo được một hệ nhũ tương nước trong dầu bền vững thì phương pháp tốt nhất là thêm pha nước vào pha dầu đã hoà tan chất nhũ hoá một cách từ từ cùng với sự khuấy trộn mạnh. 2.4. Chọn chất nhũ hoá Để chế tạo được một nhũ tương bền vững, nhất thiết trong hệ phải có một chất nhũ hoá hoặc một hỗn hợp chất nhũ hoá nào đó. Vai trò của chất nhũ hoá ở đây là làm giảm sức căng bề mặt giữa hai pha và do đó hai chất lỏng dần dần phân tán vào nhau một cách tự nhiên hoặc nhờ vào sự tác động cơ học, cuối cùng ta được một hệ nhũ tương. Các chất hoạt động bề mặt đóng vai trò làm chất nhũ hoá rất phong phù và đa dạng, tuy nhiên trong công tác nghiên cứu và thực nghiệm việc chọn lựa được một chất hoặc một hỗn hợp chất nhũ hoá có khả năng làm ổn định có hiệu quả cho từng loại nhũ tương cụ thể là hết sức khó khăn.