Föreläsning 6 Ytaktiva ämnen, micellbildning m.m. NOP 2011

Transkript

1 Föreläsning 6 Ytaktiva ämnen, micellbildning m.m. NOP

2 Ur Ytkemi om svårigheten att blanda (Akzo Nobel) Ytaktiva ämnen (Se även teorin till lab. 2) 2

3 3

4 4

5 5

6 Ytaktiva molekyler bildar strukturer i lösning (self-assembly strukturer) exv Miceller Drivkraften för micellbildning Det är inte gynnsamt för vatten att växelverka med kolvätekedjorna (skulle kunna leda till fasseparation istället) Den polära gruppen motverkar fasseparation För långa alkoholer sker fasseparation istället för micellbildning För joniska tensider är fasseparation entropiskt mycket ofördelaktigt p.g.a. motjonerna Lösligheten för surfaktanter kan vara starkt temperaturberoende Lösligheten ökar mycket vid den s.k. Krafft-temperaturen micellbildning 6

7 CMC kritiska micell-koncentrationen Vid koncentrationer över CMC hamnar all tillsatt surfaktant i miceller 7

8 Fakta kring kritiska micellkoncentrationen (CMC) CMC sjunker om kolvätekedjans längd ökar CMC för nonjoniska tensider är lägre än för joniska Högre valens på motjonerna sänker CMC emperaturen har liten effekt på CMC illsats av inert elektrolyt sänker CMC för joniska tensider illsats av nonjontensid t.ex. alkohol sänker CMC för joniska tensider Olika sätta att mäta CMC endast för joniska 8

9 Renheten på lösningarna spelar stor roll vid mätning av CMC CMC för blandningen Dodekanol medför lägre CMC då den är mer ytaktiv än SDS. Efter CMC blir dodekanolen solubiliserad inne i micellerna 9

10 ermodynamiska modeller för att beskriva micellbildning Nonjon ns ns S n joniska G G G Vid eftersom G micell 0 + nm micell n as + R ln K R (per mol CMC + ( S M ) [ ln a n ln a ] är a surf.) s n är stort kan termen CMC n micell a m z CMC Samfifil naggregationstal (N i boken) zm z n m För nonjoniska gäller då (a aktivitet, x i boken som molbråk) a K R ln a + s R R ln C + CMC 1 ln a n 1 ln a n Mmotjon micell micell + ln a s försummas 10

11 ( ) ( ) ( ) ( ) ) (1 / ln ln ) ln ( ) ) (1 / 1 1/ ( / 1 / / ekvation Helmholtzs - Gibbs C R C R H C R H G G H S H G CMC CMC CMC mic mic mic lnc CMC 1/ 11 endoterm exoterm

12 Sfäriska miceller är bara en möjlig aggregatstruktur för amfifiler Sfäriska miceller bildas inte alls för vissa amfifiler, för andra existerar de inom ett begränsat koncentration-temperatur område re olika beteenden kan identifieras då koncentrationen varieras 1. Surfaktanten har hög löslighet, CMC uppnås. Över CMC sker ingen nämnvärd förändring i struktur då koncentrationen ökar. ill sist uppnås mättnad. 2. Surfaktanten har hög löslighet, CMC uppnås. Över CMC ändras lösningens egenskaper markant (aggregaten förändras) Även monomerkonc. förändras. 3. Surfaktanten har låg löslighet vilket resulterar i fasseparation Den fas som bildas vid mättnad kan vara: En vätskekristallin fas En fast fas av (hydratiserad) surfaktant (gel) En mer koncentrerad lösning av surfaktant 12

13 Surfaktanter med en kolkedja bildar ofta miceller medan surfaktanter med två kolkedjor bildar lamellära faser eller omvända strukturer Studeras m.h.a. CPP kritiska packningsparametern. Jmf. HLB-värde för emuls. CPP ν ( l a) max För en micell ν volymen för en kedja l max kolkedjans maximala längd a tvärsnittsyta Vmic N ν Amic N a 3 4πRmic 3ν 3 4πRmic och 3ν 2 4πRmic a 2 4πRmic ν a R a mic 1 3 R mic l max detta ger ν l a max

14 två kedjor en kedja jonisk huvudgrupp och tillsatt elektrolyt (eller nonjonisk huvudgrupp) en kedja jonisk huvudgrupp Man kan använda en effektiv huvudgruppsstorlek. För joniska surfaktanter minskar a om elektrolyt tillsätts 14

15 Några fasdiagram 15

16 Detergency rengöring-tvätt Avlägsnande av smuts kan betraktas som ett adhesionsarbete w AB A (γ DW + γ SW γ SD ) För oljedroppe Denna vinkel är definierad som tidigare, d.v.s inte som i figur cosθ f -cos(180-θ f ) cosθ G γ A G 0 γ θ θ OW f f cosθ > 90 < 90 OW f om γ om γ cosθ γ OS OS SW OS SW SW OS SW är bäst Adsorption på fasta ytan sänker γ f + γ > γ < γ γ γ vilket är bra! SW Mycket skum betyder inte bra tvättmedel!! (Lågt γ WG )

17 Olika mekanismer har föreslagits för avlägsnande av smuts emulsifiering Emusifiering. En låg gränsskiktsspänning uppnås mellan olja och tvättlösning. Mekanismen bestäms av växelverkan mellan surfaktant och olja och beror inte på materialets egenskaper. Solubilisering. Oljan solubiliseras i en på plats bildad mikroemulsion. Processen beror inte på materialets egenskaper. Processen kräver ultralåg gränsskiktsspänning mellan olja och tvättlösning. Roll-up. I denna mekanism är vätning av ytan mycket central. Bra resultat erhålles om kontaktvinkeln är>90º. Denna mekanism är troligen den viktigaste för polära material, t.ex. bomull. För opolära material som polyester kan stora kontaktvinklar inte uppnås. solubilisering roll-up

18 Flotation W A θ S För bra luftadhesion θ<90 G γ γ WA SA 0 γ + γ cos θ γ 0 Separation av mineral cos θ γ Bäst om γ S A/S γ SW SW SW SA > γ Det är önskvärt Man men inte kan också vid γ ( γ + γ ) AW SA titta SA med WA SW. adsorption på SA Detta SW är kollektorn s uppgift. spridning vid SA - ytan för att sänka Deinking (borttagning av trycksvärta på returpapper) Vattenrening illsatser: Regulator ger kollektorn selektivitet (ex. ph påverkar mineralytans laddning) Kollektor för att ändra kontaktvinkel (xantater, andra S-fören.) Skumbildare för att ge tillräckligt med skum