表面活性剂的功能与作用.pdf

第 1 页 第八章第八章 表面活性剂的功能与作用表面活性剂的功能与作用 第 2 页 增溶作用增溶作用 1 定义 是指由于表面活性剂胶束的存在 使得在溶剂中难 溶甚至不溶的物质溶解度显著增加的作用 例 乙基苯几乎不溶于水 但在1L 0 3mol L的十 六酸钾溶液中可溶解达到50g 又如 室温下苯在水中的溶解度上 每100g只能 溶解0 07g苯 但在10 的油酸钠水溶液中 苯的 溶解度达到7g 100g 增加了100倍 第 3 页 增溶作用增溶作用 2 特点 与表面活性剂cmc有密切关系 在表面活性剂浓度小于其临界胶团浓度时 有机物 溶解度很小而且不随表面活性剂浓度改变 在临界胶团浓度以上则溶度大为增加 并随表面活 性剂浓度增加迅速上升 表面活性剂溶液浓度超过临界胶团浓度越多 微 溶物也就溶解得越多 由此推论 微溶物溶度之增加与溶液中胶团形成有 密切关系 第 4 页 增溶作用增溶作用 2 特点 第 5 页 增溶作用增溶作用 2 特点 与有机物溶于混合溶剂有本质区别 增溶作用是被增溶物进入胶团 而不是提高了增溶 物在溶剂中的溶解度 以苯为例 它在水中的溶度可因加入乙醇而大大 增加 不过 为此加入的乙醇量比较大 这是由 于乙醇改变了溶剂水的性质的结果 叫做水溶助长 作用或助溶作用 与之不同 在加溶作用中表面活 性剂的用量相当少 溶剂的性质应无明显的变化 第 6 页 增溶作用增溶作用 2 特点 与有机物溶于混合溶剂有本质区别 第 7 页 增溶作用增溶作用 2 特点 加溶作用也不同于乳化作用 乳化作用是不溶液体分散于水中或另一液体中 形 成热力学上不稳定的多相体系 而加溶作用可使被 增溶物的化学势降低 使体系更加稳定 是自发进 行的过程 所形成的是热力学上稳定的均相体系 第 8 页 增溶作用增溶作用 3 方式 通过X射线衍射 紫外光谱及核磁共振等分析方 法 研究发现增溶作用主要有四种方式 1 非极性分子在胶束内核的增溶 饱和脂肪烃 环烷烃以及 其它不易极化的化合物 一 一般是被加溶于胶团的内 核之中 就像溶于非极性 碳氢化合物液体中一样 第 9 页 增溶作用增溶作用 3 方式 2 在表面活性剂分子间的增溶 对于分子结构与表面活性剂相似的极性 有机化合物 如长链醇 胺 脂肪酸和 极性染料等两亲分子 被增溶物的非极 性碳氢链插入胶束内部 其极性头插入 表面活性剂极性基之间 通过氢键或偶 极分子相互作用联系起来 第 10 页 增溶作用增溶作用 3 方式 3 在胶束表面的吸附增溶 某些小的极性分子及染料既不易溶 于水也不易溶于非极性烃 如苯二甲酸 二甲酯以及一些染料 它们是采取吸着于胶团表面区域或 部分进入表面活性剂极性基层而加溶 一些高分子物质 甘油 蔗糖等也采用 此种方式增溶 第 11 页 增溶作用增溶作用 3 方式 4 聚氧乙烯链间的增溶 以聚氧乙烯基为亲水基团的非离子 表面活性剂 通常被增溶物被包藏在胶 束外层的聚氧乙烯链中 以这种方式增溶的物质主要是较易极 化的碳氢化合物 如苯 乙苯 苯酚等 短链芳香烃类化合物 第 12 页 增溶作用增溶作用 4 增溶量变化顺序 增溶量的顺序为胶团栅栏层外壳 内核栅栏层 胶团内核 胶 团表面 即 4 2 1 3 尽管随着科学技术的发展 测试手段更为先进和精确 但 应当知道 增溶物在胶团中的增溶位置受到多种因素的影 响可以有所变化 此外 增溶体系是动态平衡体系 即原始胶团和指定分子 的增溶位置随着时间变化而变化 增溶物在胶团中的平均 存在时间仅约为10 6 10 10s 第 13 页 增溶作用增溶作用 5 影响增溶作用的一些因素 1 表面活性剂结构和性质的影响 对于饱和烃和极性小的有机物在同系列表面活性剂水溶液 中的增溶能力随表面活性剂碳链增长而增加 这是由于此类增溶物通常主要增溶于胶团内核 表面活性 剂碳链增长 其cmc值减小 胶团聚集数大 胶团大小增 大 因而使此类增溶物增溶量增大 第 14 页 增溶作用增溶作用 5 影响增溶作用的一些因素 1 表面活性剂结构和性质的影响 第 15 页 增溶作用增溶作用 5 影响增溶作用的一些因素 1 表面活性剂结构和性质的影响 基本规律 表面活性剂的加溶能力受其类型的影响 也就是受其亲水 基变化的影响 具有同样疏水基的不同类型表面活性剂的加溶量常有如下 次序 非离子型 阳离子型 阴离子型 非离子表面活性剂溶液对脂肪烃的加溶作用随其疏水基链 长增加而增加 但随聚氧乙烯基链长增加而减小 离子型表曲活性剂极性基的变化也会影响其加溶能力 二 价金属的烷基硫酸盐比相应的钠盐有较大的加溶能力 例如 1L 0 01mol L 十二烷基硫酸钠溶液约加溶1g苯 而 同浓度的十二烷基硫酸镁溶液则约溶解3 6g苯 第 16 页 增溶作用增溶作用 5 影响增溶作用的一些因素 2 增溶物结构与性质的影响 增溶物无论处于胶团中的何种位置 增溶量都与它们的分 子量 分子体积 构型 分子极性等有关 烃类加溶一般规律 分子越大 也就是摩尔体积越大 加溶程度越小 脂肪烃与烷基芳烃 加溶的程度随加溶物链长增加而减 小 随其不饱和程度增加而增加 对于多环芳烃 加溶程度随分子大小增加而下降 有分支的化合物与其直链异构体的加溶程度一般相差不大 第 17 页 增溶作用增溶作用 5 影响增溶作用的一些因素 2 增溶物结构与性质的影响 若烷烃的一个氢原子被极性基取代而变成极性化合物 则被表面活性剂溶液加溶的程度会大大增加 例如 正庚烷被 OH基取代而成为正庚醇后 在十四酸钾水 溶液中的加溶量就增加很多 第 18 页 增溶作用增溶作用 5 影响增溶作用的一些因素 3 无机电解质的影响 对于离子型表面活性剂 电解质的加入可降低其cmc值和增加胶团聚集数 这将对增 溶作用产生2方面的影响 胶团聚集数增加导致胶团内部容积增大 有利于增大增溶 于胶团内核的非极性有机物的增溶量 电解质中表面活性剂离子的反离子使得胶团中表面活性剂 离子端基间静电斥力减小 栅栏层堆积密度增大 增溶于 此区域的极性有机物的增溶量将减小 第 19 页 增溶作用增溶作用 5 影响增溶作用的一些因素 3 无机电解质的影响 非离子型表面活性剂 电解质的加入可增大非离子型表面活性剂胶团的聚 集数 提高其对非极性有机物的增溶能力 不同无机离子对非离子型表面活性剂增溶能力的影 响与其对浊点影响顺序相同 K Na Li Ca2 Al3 SO42 Cl 第 20 页 增溶作用增溶作用 5 影响增溶作用的一些因素 4 非电解质的影响 极性有机物 如长碳链醇 胺和酚等的加入可提高非极性增溶物在离子 型表面活性剂溶液中的增溶能力 这是因为极性有机物在构成胶团的表面活性离子间起间隔 作用 减小端基的电性排斥作用 并且不利于外界水相与 胶团内核的接触 胶团表面曲率半径增大 胶团内核容量 增加 从而提高非极性有机物的增溶量 第 21 页 增溶作用增溶作用 5 影响增溶作用的一些因素 4 非电解质的影响 非极性有机物 非极性有机物的加入常可使胶团增大 有利于极性有机物 增溶于胶团的栅栏层中 例如 在无正己烷存在时染料Orange OT在0 2 mol L十二 酸钾溶液中增溶量为每摩尔十二酸钾0 0039 mol染料 每 升上述十二酸钾溶液中加入3 92mL正已烷后 Orange OT 的增溶量增至每摩尔十二酸钾0 0064 mol染料 第 22 页 增溶作用增溶作用 5 影响增溶作用的一些因素 5 温度的影响 一般来说 温度对离子型表面活性剂的cmc和胶团 聚集数影响较小 因此 对于大多数离子型表面活性剂溶液 温度升 高热运动使胶团中可供容纳增溶物的空间增大 提 高增溶物在胶团中的溶解度 在非离子型表面活性剂溶液中温度对增溶作用的影 响常与增溶物的性质有关 对于非极性增溶物 温度升高增溶量增大 温度升 高至表面活性剂浊点时增溶量常出现最大值 温度 继续升高 增溶量急剧降低 第 23 页 增溶作用增溶作用 6 混合表面活性剂体系的增溶作用 一般来说 两种同类型的离子型表面活性剂混合物的增溶 与混合物的组成有关 当其中一种表面活性剂的浓度很低时 其降低cmc和增加增 溶能力与加入其它电解质的作用相似 当两种面活性剂的浓度都较大时 将形成混合胶团 混合 胶团的增溶能力大 但若相对含量少的表面活性剂碳链长 度明显小于主要组的 增溶能力将降低 第 24 页 增溶作用增溶作用 6 混合表面活性剂体系的增溶作用 第 25 页 增溶作用增溶作用 7 其它两亲分子有序组合体中的加溶其它两亲分子有序组合体中的加溶 除了胶团以外的其它两亲分子有序组合体 如囊泡和由表 面活性剂吸附于固体表面形成的表面胶团 吸附胶团 也具 有加溶作用 在这些体系中的加溶作用 近期引起多方面 的兴趣 在囊泡体系中的加溶 由天然的或合成的两亲分子形成的脂质体和囊泡可以同时 加溶水溶性和油溶性物质 前者存身于囊泡的内外水相之中 其本质属于包藏 水不 溶性或微溶的有机物的加溶与一般胶团的加溶作用相似 是存身于构成囊泡的两亲分子双层之中 第 26 页 增溶作用增溶作用 7 其它两亲分子有序组合体中的加溶其它两亲分子有序组合体中的加溶 在囊泡体系中的加溶 极性有机物如醇 酸 酚等通常将其头基固定在囊 泡的极性基或离子型基团层中 而它们的非极性的 碳氢基则存在于囊泡的碳氢微区之中 不过 当加 溶量大的时候 带有极性基的加溶物也会在疏水部 分有一定的分布 芳烃的性质介于高度极性化合物 和脂肪经之间 其加溶位置也介于两者之间 第 27 页 增溶作用增溶作用 8 反胶团的加溶作用 非水溶剂中的反胶团也有加溶作用 这时 极性的物质 特别是水和水溶液 被加溶到 非水溶剂的体系之中 加溶物存身于反胶团的极性 内核之中和附近 反胶团的加溶作用 长期以来由于与干洗 防腐等 应用密切相关而引起研究的兴趣 近期更由于用作 有机反应和酶促反应的微反应器而受到重视 第 28 页 增溶作用增溶作用 8 反胶团的加溶作用 适于在非极性溶剂中加溶水的表面活性剂 适于在非极性溶剂中加溶水的表面活性剂必须能溶于有机 溶剂 只有少数离子型表面活性剂能达到这个要求 最常用的阴离子表面活性剂是二烷基磺基琥珀酸盐 以及 脂肪酸的胺皂和二壬基萘磺酸盐 常用的阳离子表面活性剂有十二胺羧酸盐 双十二烷基二 甲基卤化铵以及卤化二乙基己基铵 非离子表面活性剂易溶于脂肪烃和芳香烃中 应用较多 第 29 页 增溶作用增溶作用 9 加溶作用对表面活性剂体系性质的影响 添加剂加溶到胶团中会使聚集体的许多性质发生变化 如 降低临界胶团浓度 降低非离子表面活性剂的浊点 改变 聚集体的尺寸和形状 引起胶团的球 棒转化 改变体系 的流动性 改变体系的加溶能力等 在离子型表面活性剂溶液中加溶了难溶的极性有机物使临 界胶团浓度降低 非离子型表面活件剂体系的浊点在应用上有重要意义 难 溶有机物的加溶会改变体系的浊点 升高或降低 第 30 页 增溶作用增溶作用 9 加溶作用对表面活性剂体系性质的影响 1 浊点升高 质量分数为1 的壬基酚九聚 氧乙烯醚溶液和十二烷基酚九 聚氧乙烯醚溶液的浊点随加溶 庚烷量改变的曲线 可以看出 溶液加溶庚烷后 可使浊点升高约20 第 31 页 增溶作用增溶作用 9 加溶作用对表面活性剂体系性质的影响 2 浊点降低 极性的香料分子的加溶会降低体系的浊点 如图为为0 01mol L的十六烷 基十聚氧乙烯醚溶液中加溶丁 子香酚和芳樟醇对溶液浊点的 影响 曲线表明 加溶香料以后 可以使体系的浊点降低几十度 第 32 页 增溶作用和微乳状液增溶作用和微乳状液 9 加溶作用对表面活性剂体系性质的影响 3 对胶团尺寸影响 加溶不仅影响临界胶团浓度和非离子型表面活性剂的浊 点 而且会改变胶团的尺寸 如图为为0 01mol L的十六烷 基十聚氧乙烯醚溶液中加溶丁 子香酚 A 和芳樟醇 B 对胶团 直径的影响 需要说明 加溶对聚集体系 的这些影响都随加溶物的性质 改变 第 33 页 增溶作用和微乳状液增溶作用和微乳状液 9 加溶作用对表面活性剂体系性质的影响 4 有机物加溶对囊泡性质的影响 聚集体尺寸改变 通常非极性加溶物的影响较 小 而极性加溶物会使之变大 第 34 页 增溶作用和微乳状液增溶作用和微乳状液 9 加溶作用对表面活性剂体系性质的影响 5 有机物加溶对囊泡性质的影响 包藏功能 通常使之削弱 导致包藏物 泄漏 可以看出极性加溶物的影响 比非极性加溶物大 但并不是 极性越强影响越严重 第 35 页 增溶作用和微乳状液增溶作用和微乳状液 10 应用 乳液聚合 石油开采 胶片生产 洗涤去污 有机反应胶团催化 干洗 生物 医药 等方面 第 36 页 乳化与破乳作用乳化与破乳作用 8 2 1 概述 1 相关概念 乳化作用是在一定条件下使互溶的两种液体形成一 定稳定性的液液分散体系的作用 在此分散体系中被分散的液体 分散相 以小液珠 形式分散于连续的另一种液体 分散介质 中 此 体系称为乳状液 为了进行乳化作用和得到有一定稳定性的乳状液必 须加入的第三种 或自然形成 物质称为乳化剂 乳化剂大多为各种类型的表面活性剂 高分散的 固体粉末状物质也有作乳化剂的 第 37 页 乳化与破乳作用乳化与破乳作用 8 2 1 概述 2 日常应用 金属切割人造黄油冰激凌金属切割人造黄油冰激凌 杀虫剂杀虫剂沥青沥青护肤品护肤品 第 38 页 乳化与破乳作用乳化与破乳作用 8 2 1 概述 3 乳状液的物理性质 1 液珠大小 乳状液的外观常为乳白色不透明液体 乳状液之名即由此 而得 乳状液的这种外观与其分散相质点的大小密切相关 液珠大小外观 大液滴 100 m 可分辩出两相 1 m 乳白色乳状液 0 1 1 m 蓝白色乳状液 0 05 0 1 m 灰色半透明液 90 为不润湿 90 为润湿 平衡接触等于0或不存在则为铺展 第 105 页 润湿作用 4 接触角测量方法 1 平面固体上接触角的测定 躺滴或贴泡法 小液滴和液饼法 垂片毛细升高法 斜板法 2 粉体上接触角的测定 透过高度法 第 106 页 润湿作用 5 润湿剂 能使液体润湿或加速润湿固体表面的表面活性剂称为润湿 剂 能使液体渗透或加速渗入孔性固体表面的表面活性剂 为渗透剂 润湿剂能改变润湿作用的基本原因是它可降低液体的表面 张力和固液界面张力 润湿剂主要是阴离子和非离子表面活性剂 以水为溶剂的常用润湿剂有 烷基硫酸盐 烷基磺酸盐 脂肪酸或脂肪酸酯硫酸盐 羧酸盐 磷酸酯等阴离子表面 活性剂 及含聚氧乙烯链的非离子表面活性剂 在有机溶剂介质中润湿剂多用高分子类表面活性剂 第 107 页 分散和聚集作用分散和聚集作用 1 定义 分散作用 指把一种物质分散在另一种物质中以形成分散体系的作用 被分散的物质叫分散相 另一种物质叫分散介质 分散过程分3个阶段 使粉体润湿 将附着于粉体上的空气 以液体介质取代 使固体粒子团簇破碎和分散 阻止已分 散的粒子再聚集 溶液 悬浮液和类雾都是分散体系 聚集作用 分散相粒子以任意方式和受任何因素的作用而结合到一起 形成有结构或无特定结构的集团的作用称为聚集作用 形 成的这些集团称为聚集体 第 108 页 分散和聚集作用分散和聚集作用 2 分散体系的分类 分散体系可以按分散相和分散介质的聚集态分为8 类 第 109 页 分散和聚集作用分散和聚集作用 3 分散剂 使分散体系形成并使其稳定的外加物质 分散剂应具有下述特点 良好的润湿性质 能使分体表面和内孔都能润湿并使其分散 便于分散过程的进行 要有助于粒子的破碎 在湿磨时要能使稀悬浮体黏度降低 能稳定形成的分散体系 润湿作用和稳定作用都要求分散剂能在固定粒子表面上吸附 第 110 页 分散和聚集作用分散和聚集作用 3 分散剂 无机分散剂 无机分散剂主是是弱酸或中等强度弱酸的钠盐 钾盐和铵 盐 是以静电稳定机制使分散体系稳定 常用的无机分散 剂都是不同分子量的某些化合物的混合物 如多磷酸盐 聚硅酸盐 聚铝酸盐等 无机盐作为分散剂必须有其特殊的分子结构才使其与粒子 表面有强烈的作用 例如 磷酸不能用做分散剂 而多磷 酸盐Nan 2PnO3n 1 n 2 偏磷酸盐NanPnO3n 就可稳定二氣 化钛和氧化铁在水介质中的分散体系 多磷酸盐羧基的解 离常数随pH值不同而变化 它不适于在酸性介质中使用 因为它将解离为正磷酸 而后者不能用做分散剂 第 111 页 分散和聚集作用分散和聚集作用 3 分散剂 低分子量有机分散剂 低分子量有机分散剂即为常用阴离子型 阳离子型 非离 子型 两性型等表面活性剂 阴离子型分散剂 这种分散剂的阴离子吸附于粒子表面使其带有负电荷 粒 子间的静电排斥作用使分散体系得以稳定 常用的有直链 烷基苯磺酸盐 十二烷基硫酸钠 磷酸酯等 阳离子型分散剂 在亲油介质中阳离子型分散剂是有效的 在这种情况下 分散剂电荷端基吸附于负电性粒子表面 碳氢链留在介质 中 在水中阳离子分散剂常可引起絮凝 高昂的价格 对 介质pH值的敏感性也是阳离子型分散剂在水分散剂体系中 应用受到限制的原因 第 112 页 分散和聚集作用分散和聚集作用 3 分散剂 低分子量有机分散剂 非离子型分散剂 非离子型分散剂在粒子表面吸附时以其亲油基团吸附 而 亲水基团形成包围粒子的水化壳 不受介质pH的影响 对 电解质不太敏感 并且 其亲水 亲油平衡易于用调节氧乙 烯链的方法予以改变 最常用的非离子型分散剂是烷基酚聚氧乙烯醚 APE 脂 肪醇聚氧乙烯醚和聚氧乙烯脂肪酸脂 近年来 出于环保考虑 后二者有取代APE的趋势 钛酸 酯 Ti OR 4 作为颜料的分散剂已有应用 第 113 页 分散和聚集作用分散和聚集作用 3 分散剂 高分子分散剂 高分子分散剂可以空间稳定机制 有的带电高分子可以静 电稳定机制使分散体系稳定 因而这种分散剂常比有机小 分子分散剂更有效 在非水介质中因其低的介电常数静电稳定机制不起作用 主要是空间稳定机制的作用 为了保证空间稳定作用和静电稳定作用有效果 分散剂必 须能粘附于粒子表面 均聚物可优先于粒子表面结合 也 可以与溶剂结合 因而均聚物作为空间稳定剂就不很有效 作为分散剂的共聚物可是无规共聚物或嵌段共聚物 第 114 页 分散和聚集作用分散和聚集作用 3 分散剂 天然产物分散剂 天然产物分散剂包括聚合物和低分子量的物质 如磷脂 脂肪酸 如鱼油 等 无机氧化物在有机液体中的分散体系通常可用合成离分子 分散剂制备 但陶瓷粉在有机溶剂中的分散体系却用低分 子量的分散剂 如脂肪酸 脂肪酸酰胺 胺和酯等 有时带有扭曲碳链的 脂肪酸可作为分散剂 而直链的却无效 例如油酸是分散 剂 而硬脂酸不是 许多天然产物聚合物可用做分散剂或用于制造分散剂 如 多糖 纤维素衍生物 天然胶及其制品等 第 115 页 分散和聚集作用分散和聚集作用 4 表面活性剂的分散作用 1 粉体的润湿 液体中加入润湿剂 表面活性剂 时 表面活性剂会 在液 气界面 水为分散介质 定向吸附 使气液界面 张力降低 而且表面活性剂在固液界面以疏水链吸 附于固体粒子表面 亲水基介入水相 因此有利于 接触角变小 固体粒子被充分润湿 第 116 页 分散和聚集作用分散和聚集作用 4 表面活性剂的分散作用 2 固体粒子聚集体的破碎和分散 粒子团的分散或破裂涉及粒子团内部的固固界面分离 在 形成粒子聚集体时总会存在有缝隙 若将这些缝隙看做是 等当的毛细管 分散介质将可能在这些缝隙中渗透 加入 表面活性剂时 表面活性剂可吸附在粒子微裂缝中 加深 微裂缝 减少固体质点分散所需的机械功 有利于固体的 分散 第 117 页 分散和聚集作用分散和聚集作用 4 表面活性剂的分散作用 3 防止固体微粒重新聚集 固体微粒在液体中的分散体系为热力学不稳定体系 微粒 聚集变大是自然趋势 固体分散于液体中后 由于表面活 性剂降低了固液界面张力 增加了分散体系的热稳定性 并且可吸附在固体微粒的表面上 从而增加了防止微粒再 聚集的抛垒 因此 加入表面活性剂分降低粒子再聚集的 顷向 第 118 页 分散和聚集作用分散和聚集作用 5 分散体系的聚集 区别聚沉 絮凝和聚集这三个术语是困难的 因为它们本 无实质上的不同 只是习惯用法上的差异 有人建议以聚集作用为通用术语 以避开区分聚沉 絮凝 的困难 当然也有人按照自己的习惯仍对聚沉 絮凝做细 致的区分 如有人认为絮凝与聚沉在聚集机理上是不同的 絮凝是胶 体粒子被聚合物 包括聚合电解质 聚集的作用 而聚沉 是用低分子量电解质使其聚集的作用 第 119 页 分散和聚集作用分散和聚集作用 5 分散体系的聚集 1 聚集作用机理 聚集作用 聚沉或絮凝 可看做两步的过程 被分散粒子的去稳定作用导致的粒子间排斥作用的减 弱 去稳定的粒子相互聚集 粒子间的排斥力抑制聚集作用 而吸引力对抗排斥力利于 聚集作用 第 120 页 分散和聚集作用分散和聚集作用 5 分散体系的聚集 2 絮凝剂 絮凝剂是在较低浓度就能使分散体系稳定性并能提高聚集 速度的化学物质 主要用于生活用水 工业用水和污水的处理 以除去其中 的无机和有机固体物 絮凝剂也用于固液分离 污泥脱水 纸料处理等 絮凝剂主要有无机絮凝剂和有机絮凝剂两大类 有机絮凝 剂以高分子絮凝剂为主 第 121 页 分散和聚集作用分散和聚集作用 5 分散体系的聚集 2 絮凝剂 无机絮凝剂 常用的有水溶性铝盐 铁盐 氧化钙 硅酸钠 酸 HCl H2SO4 碱 NaOH Ca OH 2 等 铝盐和铁盐有硫酸铝 三氯化铝 三氯化铁 硫酸铁等 它们在水中都以三价铝 和三价铁各种形态存在 另一类无机絮凝剂是无机高分子絮凝剂 常用的有聚合铝 和聚合铁 聚合铝与聚合铁絮凝机制以电性中和为主 它 们在水中能电离生成高价聚阳离子 这些聚阳离子吸附在 负电粒子表面中和粒子电荷而使聚集 第 122 页 分散和聚集作用分散和聚集作用 5 分散体系的聚集 2 絮凝剂 有机絮凝剂 有机絮凝剂有表面活性剂 水溶性天然高分子化合物和合 成高分子化合物 其中以合成高分子絮凝剂应用最为广泛 天然高分子絮凝剂 如淀粉 纤维素衍生物 胶类等 分 子量小 絮凝效果差 应用远比合成高分子絮凝剂少 但 近年来由甲壳素加工而成的絮凝剂受到重视 第 123 页 分散和聚集作用分散和聚集作用 5 分散体系的聚集 2 絮凝剂 有机絮凝剂 第 124 页 洗涤作用洗涤作用 冼涤过裎在在现代生活及生产中有着极为广泛的应用 洗涤作用是涉及千家万户的一种过程 从从古到今一直在不 断应用 除了大量地在日日常生活中应用外 也越来越多地 应用于工业生产及其它各种生产中 小者如精密器件及机械 仪器的清洗等 大者如建筑物的清洗 甚至原油生生产中为提高采收率所用 的 活性水 驱油 微乳液驱油等 第 125 页 洗涤作用洗涤作用 1 洗涤作用简介 1 洗涤的基本过程 自浸浸在某种液体介质 一般为水 中的固体表面去除污垢 的过程 在此过程中 借助于某些化学物质 洗涤剂 以减弱污物 与固体表面的粘附作用 并施以机械力搅动 使污垢与固固 体表面分离而悬浮于液体介质中 最后将污物洗净 冲走 物品 污垢 洗涤剂物品 洗涤剂 污垢 洗涤剂 第 126 页 洗涤作用洗涤作用 1 洗涤作用简介 1 洗涤的基本过程 自浸浸在某种液体介质 一般为水 中的固体表面去除污垢 的过程 在此过程中 借助于某些化学物质 洗涤剂 以减弱污物 与固体表面的粘附作用 并施以机械力搅动 使污垢与固固 体表面分离而悬浮于液体介质中 最后将污物洗净 冲走 物品 污垢 洗涤剂物品 洗涤剂 污垢 洗涤剂 第 127 页 洗涤作用洗涤作用 1 洗涤作用简介 1 洗涤的基本过程 第 128 页 洗涤作用洗涤作用 1 洗涤作用简介 2 污垢的分类 一般污垢可分为油性污垢及固体污垢两类 油性污垢 油性污垢主要来自人体分泌的皮脂和环境中的油状物 皮脂由皮酯腺分泌 以膜状覆盖子皮肤表面而极难除去 它含有游离脂肪酸 油指 蜡烃 角鲨烯 胆固酵 脂肪 醇及各种脂肪酸酯等 其中 约有70 为可皂化物 第 129 页 洗涤作用洗涤作用 1 洗涤作用简介 2 污垢的分类 固体污垢 来自空气中的尘埃 垃圾 硅质污垢粒度从10 2000 m 其中2 0 2 m的微细致土粒钻入纤维 极难除 去 固体污垢将在洗涤时产生再沉积 但黏附在衣服上的微累 粒子大都呈集合状 有可能被除去 烟尘约40 200 m左右 易吸附在疏水性合成纤维织物 上 使颜色发暗 第 130 页 洗涤作用洗涤作用 1 洗涤作用简介 3 污垢的黏附 机械黏附 主要表面在固体尘土的黏附现象上 这种污垢几乎可以用 单纯的搅拌和振动力交去除 当污垢粒子小于0 1 m时 很难去除 夹在纤维中间和凹 处的污垢也难以去除 第 131 页 洗涤作用洗涤作用 1 洗涤作用简介 3 污垢的黏附 静电力黏附 水介质中 静电引力一般较弱 但有时污垢也可以通过静 电引力黏附 如 纤维素和蛋白纤维的表面在碱性溶液中带有负电 而 炭黑 氧化铁等固体污垢粒子在此条件下带正电 它们之 间可以通过静电引力产生黏附 静电结合力比机械结合力强 因此较难去除 第 132 页 洗涤作用洗涤作用 1 洗涤作用简介 3 污垢的黏附 化学结合力 极性固体污垢 如黏土 脂肪酸 蛋白质等与纤维素的羟 基之间通过形成氢键或离子键的化学结合力而黏附在纤维 上 这类污垢用通常的洗涤方法很难去除 需要采取特殊的化学处理 使之分解 去除 第 133 页 洗涤作用洗涤作用 1 洗涤作用简介 3 污垢的黏附 分子间力黏附 物品和污垢以分子间范德华力 包括氢键 结合 例如 油污在各种非极性板材上的黏附 油污的疏水基通 过与板材间的范德华力 将油污吸附在高分子板材的表 面 污垢难以去除 天然纤维制品如棉 麻和丝制品与血渍的黏附等 第 134 页 洗涤作用洗涤作用 2 影响洗涤作用的一些因素影响洗涤作用的一些因素 1 表面张力表面张力 表面张力是表面活性剂水溶液的一种重要的物理化学性 质 而表面活性剂又是洗涤液中的主要成分和必需成分 故表面张力与洗涤作用的关系必然有一定的规律 大多数有优良洗涤作用的洗涤剂水溶液 均具有较低的表 面张力和油 水界面张力 根据固体表面润湿的原理 对干 一定的固体表面 较低的表面张力的液体有较好的润湿性 能 从而才有可能进一步起洗涤作用 此外 较低的表 界面张力有利于液体油污的清除 也有 利于油污的乳化 分散 因而有利于洗涤作用 第 135 页 洗涤作用洗涤作用 2 影响洗涤作用的一些因素影响洗涤作用的一些因素 2 加溶作用 表面活性剂胶束增溶是除去基质液体油污极为重要的一种 作用 有时比吸附作用更重要 这一作用取决于表面活性 剂的化学结构 浓度及温度 低浓度时 胶束呈球形 只有少量油污增溶其中 高浓度 高出cmc10 100倍 则类似微乳液 可增溶较多油污 使用离子表面活性剂时 由于使用浓度超过cmc不多 增 溶不能完全除去油污 那就要依靠乳化作用来除去 使用非离子表面活性剂时 最佳增溶条件是在所用非离子 表面活性剂的浊点附近 因此 提高温度至浊点附近就显 得十分重要 第 136 页 洗涤作用洗涤作用 2 影响洗涤作用的一些因素影响洗涤作用的一些因素 3 吸附作用吸附作用 表面活性剂在污垢及冼涤物品表面上 自溶液中 的吸附 对洗涤作用有重要的影响 这一影响主要是由于吸附使得 界而及表面在各种性质 如机械性质 电解质及化学性质 上均有变化而产生的 对于液体油污 表面活性剂在油 水界面上的吸附主要导致 界张力降低 从而有利于油污的清洗 界面张力的降低 也有利于于形成分散度较大的乳状液 同 时由于界而吸附所形成的界面膜一般具有较大的强度 而 吸附膜可能带电 若是吸附表面活性离子 于是便形成的 乳状液具有较高的稳定性 不易再沉积于冼涤物表面 表面活性剂在固体污垢质点上的吸附比较复杂 与质点的 表面性质和表面活件剂的类型 化学结构有密切关系 第 137 页 洗涤作用洗涤作用 2 影响洗涤作用的一些因素影响洗涤作用的一些因素 4 表面活性剂疏水链长 表面活性剂同系物中 碳氢链长与物理化学性质 如表面 活性 润湿性 乳化作用等 有密切关系 一般而论 碳 氢链较长者 洗涤性能较好 第 138 页 洗涤作用洗涤作用 2 影响洗涤作用的一些因素影响洗涤作用的一些因素 5 表面活性剂亲水基的影响 离子性面活性剂的电荷在洗剂 分散作用中起重要作用 由于离子子表面活性剂的亲水离子基团板易吸附于与之带相 反电荷的洗涤物表面或污垢质点上 使表面活性剂的疏水 链朝向水相 故离子表面活性剂在此种情况下不能有效地 自带相反电荷的物品表面去除污垢 特别是阳离子表面活 性剂 因为一般在水介水介质中的物品表面易带负电荷 故不 能作为有效的洗涤剂 对于聚氧乙烯基的非离子表面活性剂 则无上述电性相互 作用的限制 而且由于于大亲水基团的空间阻碍效应 故一 般而论 其洗涤作用优于离子表面活性剂 第 139 页 洗涤作用洗涤作用 2 影响洗涤作用的一些因素影响洗涤作用的一些因素 6 乳化与起泡 乳化 表面活性剂的乳化作用 不管油污多少 在冼涤过程中总 是相当重要的 要使乳化作用顺利进行 必须加入有高度表面活性的表面 活性剂 以最大限度地降低界面张力 这样 只需用最小 的机械功 略作搅拌 即可乳化 在降低界向张力的同时 界面吸附伴随发生 形成有一定 强度的界面膜 防止油珠聚结 有利于乳状液的稳定 油 污质点不易再沉积于固体表面 然而很明显 仅仅是油污的乳化 分散 尚不足以有效地 完成洗涤过程 还需要根据具体情况 考虑前面讨论过的 各种因素的影响 第 140 页 洗涤作用洗涤作用 2 影响洗涤作用的一些因素影响洗涤作用的一些因素 6 乳化与起泡 起泡 起泡作用与冼涤作用的关系 不像乳化作用和洗涤作用的 关系那样清楚 在过去习惯于把起泡作用与洗涤作用混为 一谈 往往认为一种洗涤液的好坏决定于其起泡作用 实际上并非如此 很多经验告诉我们 二者之间并无直接 相应的联系 在很多场合中 采用低泡型的表面活性剂水 溶液进行洗涤有很好的效果 但在某些场合 泡沫还是有 助于去除污垢的 总括而言 在工业冼涤过程或家庭洗衣机洗涤过程中 很 难看出泡沫对洗涤作用有直接的帮助 第 141 页 洗涤作用洗涤作用 3 洗涤剂中的表面活性剂 表面活性剂是洗涤剂中不可缺少的最重要的成分 为适应 衣着织物品种和洗涤工艺的变化 洗涤剂配方中的表面活 性剂已由单一品种发展成为多元复合表面活性剂 以发挥 其协同作用 并使其性能得到相互补偿 特别是不同结构的阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂 复合使用更为重要 选择表面活性剂主要应考虑如下几个 方面 去污性能好 加工时工艺上易于处理 成本要低 经济效益好 对人体和环境安全的影响 第 142 页 洗涤作用洗涤作用 4 助洗剂助洗剂 在一般洗涤剂配方中 除了作为主要成分的表面活性剂 外 还含有较大量的无机物 主要是无机盐 及少量的有 机添加剂 根据其对清洗作用的影响又可分为助洗剂和添 加剂两类 助洗剂必须满足如下几方面要求 1 能除去水 织物和污垢中的碱土金属离子 2 一次洗涤性能 去除颜料 蛋白质和油性污垢的能力 强 对各种不同的织物纤维有独特的去污力 能改进表面 活性剂的性质 可将污垢分散在洗涤剂溶液中 改进起泡 性能 3 多次洗涤性能 抗再沉积性好 防止洗下的污垢再次 沉积到织物上产生结垢 防止在洗衣机上产生沉积物 具 有抗腐蚀性 第 143 页 洗涤作用洗涤作用 4 助洗剂助洗剂 4 工艺性质 化学稳定性好 工艺上易于处理 不吸湿 具有适宜的色泽和气味 与洗涤剂中其他组分相容性好 贮存稳定性好 原料供应有保证 5 对人体安全 无毒 6 环境安全 可由生物降解 吸附成其他机理脱活 对废 水处理装置和表面水中的生物系统无不良影响 没有不可 控制的累积 无重金属再溶解作用 无过肥化作用 不影 响饮水质量 7 成本低 经济效益好 常用物质 洗涤剂中使用的助洗剂主要有碱性物质 如碳酸钠 硅酸 钠 螯合剂 如三聚磷酸钠 离子交换剂 如A型沸石等 第 144 页 洗涤作用洗涤作用 4 助洗剂助洗剂 第 145 页 起泡和消泡作用起泡和消泡作用 泡沫现象由来已久 随着肥皂和表面活件剂的应用 人们 观察到大量泡沫生成与消灭的现象 在洗涤衣物时 肥皂 或洗剂的用量不足或油污过多时 泡沫不易生成或生成后 容易消失 于是人们常以泡沫多少来衡量洗涤效果 在矿物开采中 常利用泡沫进行 浮选 以达到富集 精 选的目的 泡沫塑料的制造亦为泡沫应用之一例 具有量轻 隔音 隔热特性的建筑材料 如泡沫玻璃 泡 沫水泥等 生产更是泡沫应用的明例 但在大规模的洗涤 印染工业中 泡沫形成却给操作带来 不便 其它如抗生素等药物的生产 蔗糖的精制 胶片乳 剂的涂布 造纸工业 工业 以及各种液体蒸馏过程中 生成泡 沫都会使操作困难或使产品质量量下降 于是破泡措施又成 为急需研究的课题 由此可见 泡沫在生生产实践中的应用是 分为二的 有其利 则必有其弊 关键在于人们如何掌握泡沫生成与破坏的规 律 以便作到趋利避害 第 146 页 起泡和消泡作用起泡和消泡作用 第 147 页 起泡和消泡作用起泡和消泡作用 8 8 1 泡沫的性质 1 定义 具有多个界面的气泡的聚集体则叫泡沫 它它是气体分散在 液体或固体中的一种分散体系分散体系 在液体泡沫中 液体薄膜即液体和气体的界面起着重要作 用 仅有一个界面的叫气泡 第 148 页 起泡和消泡作用起泡和消泡作用 8 8 1 泡沫的性质 2 特点 由于气体与液体的密度相差很大 故在液体中的气泡会很 快上升至液面 形成以少量液体构成的液膜隔开气体的泡 沫 因重力作用 液面上形成的泡沫逐渐分为两种结构形态 下面部分的气泡呈球状 分隔液体的量较多 上面部分的 气泡为多面体状 分隔液体的量越到顶部越少 如图 而且 气泡越大 第 149 页 起泡和消泡作用起泡和消泡作用 8 8 1 泡沫的性质 3 分类 按不同的方法 泡沫可分为三种 1 按泡沫寿命划分 寿命几秒的 短暂泡沫 和在无干扰条件下能维持几天不破 的 持久泡沫 2 按产生泡沫的力和破泡之间的平衡分 不断接近平衡状态的 不稳定性泡沫 和平衡过程受阻的 稳 定性泡沫 3 按聚集状态分 液多气少的 气泡分散体系 和气多液少的 泡沫 第 150 页 起泡和消泡作用起泡和消泡作用 8 8 2 泡沫产生的条件 经验告诉我们 纯液体不能形成稳定的泡沫 或者可以比 较保险地说 绝对纯的液体不起泡 列如纯净的水 只 有加入肥皂或其它表面活性剂等 才能形成泡沫 其它纯 液体如乙醇 苯等 也不能形成泡沫 能形成稳定泡沫的液体 至少必须有两个以上组分 表面活性剂溶液是容易产生泡沫的体系 蛋白 质以及其它 一些水溶性高分子溶液也容易产生稳定 持久的泡沫 起泡液体不仅限于水溶液 非水溶液也常会产生稳定的泡 沫 例如润滑油炼制过程中 减压蒸馏时 也常常容易起泡 造成生产操作的困难 第 151 页 起泡和消泡作用起泡和消泡作用 8 8 3 起泡剂与稳泡剂起泡剂与稳泡剂 起泡性好的物质称为起泡剂 一般肥皂 洗衣粉中的表面活性剂 烷基苯磺酸钠 烷基硫 酸钠等 均是起泡剂 但应注意 起泡剂只是在一定条件下 搅拌 鼓气等 具有良好的起泡能力 形成的泡沫不一定 能持久 例如 肥皂和烷基苯磺酸钠虽然都有良好的起泡能力 但 前者生成的泡沫有很好的持久性 而后者则较差 为了提高泡沫的持久性 常在表面活性剂配方中加入一些 辅助表面活性剂 如在十二烷基苯磺酸钠或十二烷基硫酸钠中加入十二酰二 乙醇胺 则可得到持久性良好的泡沫 此类增加泡沫稳定性的表面活性物质 称为稳泡剂 第 152 页 起泡和消泡作用起泡和消泡作用 8 8 4 表面活性剂的起泡和稳泡作用表面活性剂的起泡和稳泡作用 与乳状液相似 泡沫是一种热力学不稳定体系 破泡后体 系总表面减少 能量降低 这是一个自发过程 与乳状液相似 泡沫是一种热力学不稳定体系 破泡后体 系总表面减少 能量降低 这是一个自发过程 但是 有合适的表面活性剂 并在不受外界干扰的情况 下 有的寿命可达数天 甚至数月 但是 有合适的表面活性剂 并在不受外界干扰的情况 下 有的寿命可达数天 甚至数月 表面活性剂的泡沫性能包括两个方面 表面活性剂的泡沫性能包括两个方面 起泡力起泡力 和和 泡沫稳 定性 泡沫稳 定性 起泡力是指泡沫形成的难易程度和生成泡沫量的多少起泡力是指泡沫形成的难易程度和生成泡沫量的多少 泡沫稳定性是指生成泡沫的持久性 消泡的难易 也就是 指泡沫的寿命长短 泡沫稳定性是指生成泡沫的持久性 消泡的难易 也就是 指泡沫的寿命长短 第 153 页 起泡和消泡作用起泡和消泡作用 8 8 4 表面活性剂的起泡和稳泡作用表面活性剂的起泡和稳泡作用 1 表面活性剂的起泡性表面活性剂的起泡性 阴离子的表面活性剂起泡力最大 聚氧乙烯醚型非离子表 面活性剂次之 脂肪酸酯型非离子表面活性剂起泡力最小 阴离子的表面活性剂起泡力最大 聚氧乙烯醚型非离子表 面活性剂次之 脂肪酸酯型非离子表面活性剂起泡力最小 第 154 页 起泡和消泡作用起泡和消泡作用 8 8 4 表面活性剂的起泡和稳泡作用表面活性剂的起泡和稳泡作用 2 表面活性剂的稳泡性表面活性剂的稳泡性 稳泡性与液膜的性质有密切关系 作为稳泡的表面活性剂 可提高液膜的表面黏度 增加泡沫的稳定性 延长泡沫的 寿命 稳泡性与液膜的性质有密切关系 作为稳泡的表面活性剂 可提高液膜的表面黏度 增加泡沫的稳定性 延长泡沫的 寿命 第 155 页 起泡和消泡作用起泡和消泡作用 8 8 5 消泡剂消泡剂 1 定义定义 具有破坏泡沫能力的物质叫做消泡剂 具有破坏泡沫能力的物质叫做消泡剂 消泡剂的要求 消泡剂的要求 具有能与泡沫表面接触的亲和能力具有能与泡沫表面接触的亲和能力 具有能在泡沫上扩散和进入泡沫 并取代泡沫膜壁的性能具有能在泡沫上扩散和进入泡沫 并取代泡沫膜壁的性能 不溶于介质中不溶于介质中 具有在泡沫介质中分散和适宜颗粒作为消泡核心具有在泡沫介质中分散和适宜颗粒作为消泡核心 具有防止泡沫再生的能力具有防止泡沫再生的能力 第 156 页 起泡和消泡作用起泡和消泡作用 8 8 5 消泡剂消泡剂 2 常用消泡剂常用消泡剂 1 醇类 常常应用有分支结构的醇 如二乙基己醇 异辛醇 异戊 醇 二异丁基甲醇等 这些消泡剂常用于制糖 造纸 印 染工业中 2 脂肪酸及脂肪酸酯脂肪酸及脂肪酸酯 不易溶于水的脂肪酸及其酯 很多是无毒的 常用于食品 工业中作为消泡剂 如失水山梨酵单月桂酸酯 Span 20 用于奶糖液的蒸发干 燥 用于鸡蛋白及蜜糖液的浓缩 以肪止发泡 三油酸酯 Span 85 则用于酪素及酪素胶液的蒸发 以及酵 母发酵时的消泡 第 157 页 起泡和消泡作用起泡和消泡作用 8 8 5 消泡剂消泡剂 2 常用消泡剂常用消泡剂 3 酰胺 相对分子质量较大的多 聚 酰胺是蒸汽锅炉水经常使用的 消泡剂 二硬脂酰乙二胺 二粽榈酰乙二胺及油酰二乙烯三胺缩合 物等的使用效果比较好 4 有机硅化合物 硅酮硅酮 硅酮一类化合物 主要是甲基硅油 的表面张力很低 容 易吸附于表面 在液面上容易辅展 但形成的表面膜强度 不高 因此是一种优良的消泡剂 第 158 页 起泡和消泡作用起泡和消泡作用 8 8 5 消泡剂消泡剂 2 常用消泡剂常用消泡剂 5 磷酸酯磷酸酯 磷酸三丁酯是常用的消泡剂 其消泡作用可能是由于有降 低表面粘度的能力 从而使泡沫液膜的排液更为容易 这是因为磷酸三丁酷分子在表面上有较大的分子截面积 它插入表面活性剂起泡剂分子之间 降低其分子间内聚 力 结果使表面粘度降低 液膜排液加快 其它磷酸酯 如磷酸三辛酯以及磷酸戊 辛酯有机胺盐亦 常应用 第 159 页 起泡和消泡作用起泡和消泡作用 8 8 5 消泡剂消泡剂 2 常用消泡剂常用消泡剂 6 卤化有机物 卤化有机物 如氯化径 特别是氟有机化合物 如氟氯化 烃及多氟化经等 也常用作消泡剂 高氟化合物 因其表面张力往往比非水油类的低 故常用 于防止非水体系 如机械润滑油 起泡 第 160 页 起泡和消泡作用起泡和消泡作用 8 8 5 消泡剂消泡剂 2 常用消泡剂常用消泡剂 7 表面活性剂 一般非离子表面活性剂的起泡性大都较差 特别是聚醚型 非离子表面活性剂的起泡性能更差 多为低泡型表面活性 剂 有些甚至是很好的防泡和消泡剂 非离子表面活性剂在其浊点附近或浊点以上时 都呈现防 泡性能 基本上即作为消泡剂使用 第 161 页 起泡和消泡作用起泡和消泡作用 8 8 5 消泡剂消泡剂 4 泡沫消除机理泡沫消除机理 1 使液膜局部表面张力降低而消泡使液膜局部表面张力降低而消泡 因消泡剂微滴的表面张力比泡沫 液膜的表面张力低 消泡剂浸入 气泡液膜 顶替了原来液膜表面 上的稳泡剂 使其此处的表面张 力降低 图中A B处 而存在 着稳泡剂的液膜表面的表面张力 高 将产生收缩力 从而使低表 面张力的C处液膜伸长而变薄最 后破裂使气泡消除 D处 第 162 页 起泡和消泡作用起泡和消泡作用 8 8 5 消泡剂消泡剂 4 泡沫消除机理泡沫消除机理 2 消泡剂破坏膜弹性使液膜失去自修复作用而消泡消泡剂破坏膜弹性使液膜失去自修复作用而消泡 加入表面张力极低的消泡剂如聚氧乙烯聚硅氧烷消泡剂 此消泡剂进入泡沫液膜后 会使此处液膜的表面张力降至 极低 当此处的液膜受到外界的扰动或冲击拉长 液膜面积会增 加 使此处的消泡剂浓度降低 引起液膜的表面张力上 升 而使膜失去弹性 液膜不会产生有效的弹性收缩力来 使膜的表面张力和液膜厚度恢复 液膜终因失去自修复作 用而被破坏 第 163 页 起泡和消泡作用起泡和消泡作用 8 8 5 消泡剂消泡剂 4 泡沫消除机理泡沫消除机理 3 消泡剂降低液膜粘度使泡沫寿命缩短而消泡 泡沫液膜的表面粘度高会增加液膜的强度 减缓液膜的排 液速度 降低液膜的透气性阻止泡内气体扩散等作用 延 长了泡沫的寿命而起到稳定泡沫的作用 在低温时聚醚型表面活性剂的醚键与水可形成氢键 蛋白 质的肽朊链间能形成氢键而提高液膜的表面粘度 若用不能产生氢键的消泡剂将能 产生氢键的稳泡剂从液膜 表面取代下来 就会减小液 膜表面粘度 使泡沫液膜的排 液速度和气体扩散速度加快 减少泡沫的寿命而消泡 第 164 页 起泡和消泡作用起泡和消泡