Chất hoạt động bề mặt là gì? Thế giới của chất hoạt động bề mặt từ góc nhìn Chuẩn Độ

Các sản phẩm chăm sóc cá nhân như dầu gội và các sản phẩm làm sạch như chất tẩy rửa có điểm gì chung? Chúng chứa các chất hoạt động bề mặt tạo điều kiện cho việc trộn lẫn các chất không thể phối trộn theo kiểu thông thường như dầu và nước. Bản thân từ «chất hoạt động bề mặt» được cấu tạo từ thuật ngữ «tác nhân hoạt động bề mặt», và điều này mô tả chính xác phương thức hoạt động: chất hoạt động bề mặt làm giảm sức căng bề mặt và cho phép hình thành sự phân tán giữa các chất khác nhau. Xác định chất hoạt động bề mặt là rất quan trọng để kiểm soát chất lượng của các sản phẩm hàng ngày (ví dụ: dầu gội, chất tẩy rửa, kem đánh răng, chất khử trùng) cũng như nguyên liệu thô. Khi có yêu cầu xác định hàm lượng chất hoạt động bề mặt một cách đáng tin cậy, chuẩn độ điện thế là lựa chọn tốt nhất. Chuẩn độ chất hoạt động bề mặt có thể gặp thách thức vì nhiều yếu tố (được mô tả chi tiết hơn trong bài viết này) phải được xem xét. Metrohm có nhiều kinh nghiệm trong việc phát triển phương pháp và cung cấp nhiều loại thiết bị chuẩn độ và điện cực phù hợp để xác định hàm lượng chất hoạt động bề mặt một cách đáng tin cậy.

Bài viết gồm những nội dung chính sau:

Chất hoạt động bề mặt là gì?
Đo hàm lượng chất hoạt động bề mặt bằng chuẩn độ
Cách chọn điện cực phù hợp để chuẩn độ chất hoạt động bề mặt
Cách thực hiện chuẩn độ chất hoạt động

Basic structure of different surfactants.

Hình 1. Cấu trúc cơ bản của các chất hoạt động bề mặt khác nhau.

1. Chất hoạt động bề mặt là gì?

Tất cả các chất hoạt động bề mặt đều bao gồm phần phân cực và phần không phân cực, hay chính xác hơn là phần ưa nước (hút nước) và kỵ nước (đẩy nước). Phần kỵ nước thường là một nhóm alkyl (chuỗi dài), trong khi phần ưa nước thay đổi tùy theo bản chất của chất hoạt động bề mặt, hoặc là anion, cation hoặc không ion (NIO). Chất hoạt động bề mặt anion có nhóm chức anion như carboxylate hoặc sulfate, chất hoạt động bề mặt cation chủ yếu có nhóm ammonium bậc bốn là nhóm chức và chất hoạt động bề mặt NIO không chứa các nhóm chức phân ly cũng như không tạo thành các phân tử tích điện. Các cấu trúc khác nhau của các loại chất hoạt động bề mặt này được mô tả trong Hình 1.

NIO surfactants based on POE adducts form a pseudo-cationic complex with barium chloride. This complex is then titrated with the anionic surfactant STPB.

Hình 2. Chất hoạt động bề mặt NIO dựa trên chất cộng POE tạo thành phức hợp giả cation với bari clorua. Phức hợp này sau đó được chuẩn độ bằng chất hoạt động bề mặt anion STPB.

2. Đo hàm lượng chất hoạt động bề mặt bằng chuẩn độ

Mỗi loại chất hoạt động bề mặt khác nhau này có thể được xác định bằng phương pháp chuẩn độ điện thế. Nguyên tắc đằng sau phương pháp này là chuẩn độ kết tủa, có nghĩa là các chất hoạt động bề mặt anion được chuẩn độ bằng chất hoạt động bề mặt cation và ngược lại.

Nhưng điều này có ý nghĩa gì đối với các chất hoạt động bề mặt NIO không phân ly thành các nhóm chức tích điện?

Chất hoạt động bề mặt NIO có chứa các nhóm polyoxyethylene (POE) yêu cầu thêm một bước. Khi bổ sung BaCl2, chúng tạo thành một phức chất cation giả (Hình 2). Phức hợp này sau đó được chuẩn độ bằng sodium tetraphenylborate (STPB).

Các chất hoạt động bề mặt NIO dựa trên alkyl glycoside (AG) và alkyl maltoside (AM) cần một bước sulfon hóa bổ sung trước khi chúng có thể được chuẩn độ giống như các chất hoạt động bề mặt anion trong chuẩn độ hai pha.

2.1 Phân tích chất hoạt động bề mặt trong môi trường nước và hai pha

Tùy thuộc vào mẫu, hàm lượng chất hoạt động bề mặt được xác định trong môi trường nước hoặc trong hỗn hợp nước và dung môi hữu cơ.

Trái ngược với các chất hoạt động bề mặt anion và cation, chất hoạt động bề mặt NIO chỉ có thể được xác định trong môi trường nước tinh khiết. Tuy nhiên, đây không phải là khía cạnh đặc biệt duy nhất. Một hệ số hiệu chuẩn phải được xác định trước tiên cho các chất hoạt động bề mặt NIO, vì sự hình thành phức chất cation giả với BaCl2 được đề cập trước đó không hoàn toàn tương ứng tỉ lệ. Như thể hiện trong Hình 2, các cation barium hóa trị hai được bao quanh bởi chuỗi POE theo cấu trúc hình xoắn ốc. Cấu trúc này rất linh hoạt, và sự bao bọc cation không chuyên biệt. Hàm lượng NIO sau đó được biểu thị bằng x% của đương lượng chuẩn. Một chất chuẩn tốt để sử dụng là Tergitol 15-S-9. Trước đây, Triton X-100 là một chất chuẩn điển hình, nhưng hóa chất này được REACH đánh giá là hợp chất được REACH quan tâm rất cao.

Ngoài việc chuẩn độ trong môi trường nước, các chất hoạt động bề mặt anion và cation cũng có thể được xác định thông qua chuẩn độ chất hoạt động bề mặt hai pha. Thông thường, dung môi có chứa clo được sử dụng làm dung môi hữu cơ, dựa trên phương pháp Epton được phát triển ban đầu. Ngoài việc sử dụng dung môi có chứa clo, có khả năng gây hại cho môi trường và sức khỏe con người, phương pháp Epton còn tốn thời gian và sử dụng các chỉ số màu sắc có thể là nguồn gây ra lỗi khi nói đến độ tin cậy của kết quả. Tuy nhiên, Metrohm đã chứng minh trong nhiều ứng dụng rằng có thể thay thế dung môi có chứa clo bằng methyl isobutyl ketone (MIBK): EtOH (1: 1) cùng với việc sử dụng các điện cực để phát hiện điểm cuối một cách đáng tin cậy hơn.

Nguyên lý chuẩn độ chất hoạt động bề mặt hai pha được minh họa trong Hình 3. Ở bên trái, tình huống bắt đầu chuẩn độ được hiển thị trước khi đạt đến điểm tương đương (EP). Chất hoạt động bề mặt anion có mặt trong pha nước (màu xanh lam). Sau khi chuẩn độ bằng chất hoạt động bề mặt cation, kết tủa được hình thành và di chuyển vào pha hữu cơ (màu xám). Ngay sau khi đạt đến EP, không có chất hoạt động bề mặt anion nào có mặt trong pha nước nữa (Hình 3, giữa). Vào cuối quá trình chuẩn độ sau khi đạt đến EP, một lượng dư chất hoạt động bề mặt cation có mặt trong pha nước (Hình 3, bên phải). Việc khuấy mạnh là điều cần thiết để trộn đều hai pha và đảm bảo sự di chuyển của các chất hoạt động bề mặt giữa các pha.

Figure 3. Left: Situation before the EP, anionic surfactants are present in the aqueous phase. Center: Situation at the EP, precipitate moves to the organic phase and no anionic surfactants are left in the aqueous phase. Right: Situation after the EP, excess of cationic surfactants are present in the aqueous phase.

2.2 Lựa chọn pH chính xác khi chuẩn độ chất hoạt động bề mặt

Ngoài việc lựa chọn môi trường, chủ yếu được xác định bởi chính loại mẫu, giá trị pH chính xác đóng một vai trò quan trọng để chuẩn độ chất hoạt động bề mặt thành công. Đối với chất hoạt động bề mặt NIO, thường không cần thiết phải điều chỉnh độ pH đến một giá trị xác định. Tuy nhiên, nên thực hiện chuẩn độ trong phạm vi pH từ 3–9.

Ngược lại, độ pH phải được điều chỉnh cho các chất hoạt động bề mặt anion và cation. Đối với nhiều chất hoạt động bề mặt anion, lấy ví dụ, một nhóm sulfate, chuẩn độ chất hoạt động bề mặt nên được thực hiện ở pH 2-4. Tuy nhiên, các chất hoạt động bề mặt anion với nhóm carboxylate nên được chuẩn độ ở pH 10–13. Nhiều chất hoạt động bề mặt cation được chuẩn độ ở pH 3-5.

Việc điều chỉnh pH chính xác có thể dễ dàng được thực hiện với chế độ chuẩn độ SET pH bằng acid hoặc base, trước khi chuẩn độ chất hoạt động bề mặt thực tế.

3. Cách chọn điện cực phù hợp để chuẩn độ chất hoạt động bề mặt

Bên cạnh việc xem xét môi trường và giá trị pH chính xác để việc chuẩn độ thành công, một điện cực thích hợp cũng phải được sử dụng. Metrohm cung cấp một số loại điện cực, với mức độ phù hợp tùy thuộc vào môi trường mẫu (Hình 4).

Đối với chuẩn độ chất hoạt động bề mặt trong nước, hiện có điện cực NIO Surfactant Electrode, Ionic Surfactant Electrode và Cationic Surfactant Electrode. Trong khi điện cực đầu tiên dành riêng cho chuẩn độ chất hoạt động bề mặt NIO, hai điện cực còn lại có thể được sử dụng cho cả chuẩn độ chất hoạt động bề mặt anion và cation. Nếu chỉ có chất hoạt động bề mặt cation đang được chuẩn độ, nên sử dụng điện cực hoạt động bề mặt cation. Cả ba điện cực đều được phủ một màng polymer sẽ bị phá hủy khi tiếp xúc với các dung môi như toluene hoặc chloroform.

Đối với chuẩn độ chất hoạt động bề mặt hai pha, có thể sử dụng Surfactrode Resistant hoặc Surfactrode Refill. Surfactrode Resistant phải được sử dụng khi có dung môi chứa clo. Surfactrode Refill không chịu được dung môi có chứa clo và vật liệu hoạt động của điện cực này có thể được nạp lại, về cơ bản đảm bảo tuổi thọ không giới hạn.

Tất cả các điện cực được đề cập trong phần này phải được sử dụng kết hợp với điện cực so sánh, chẳng hạn như điện cực so sánh LL ISE (Hình 4).

Figure 4. Metrohm offers several electrodes for the determination of surfactants in various matrices. From left to right: NIO surfactant electrode, Ionic Surfactant Electrode, Cationic Surfactant Electrode, Surfactrode Resistant, Surfactrode Refill, and LL ISE reference electrode.

Figure 5. Titration curve of the determination of an anionic surfactant in toothpaste with the Surfactrode Refill.

4. Cách thực hiện chuẩn độ chất hoạt động

Sau khi điều chỉnh pH, phép chuẩn độ chất hoạt động bề mặt được thực hiện. Nó không khác với bất kỳ loại chuẩn độ (kết tủa) nào khác.

Một ví dụ về xác định chất hoạt động bề mặt anion trong kem đánh răng với phép chuẩn độ chất hoạt động bề mặt hai pha được thể hiện trong Hình 5.

Xác định kem đánh răng được hiển thị ở đây được thực hiện với Máy chuẩn độ OMNIS giúp giảm thiểu sự tiếp xúc của người dùng với các hóa chất có khả năng gây hại. Việc bơm định lượng dung dịch chuẩn độ được thực hiện với một xi lanh OMNIS có độ phân giải 100.000 bước, cho các kết quả đáng tin cậy và lặp lại. Lợi ích của việc sử dụng Surfactrode Refill cho phân tích này là vật liệu hoạt động có thể được nạp lại. Điều này về cơ bản dẫn đến việc một điện cực «mới» được dùng mỗi khi vật liệu hoạt động được lấp đầy.

Tóm tắt

Chúng ta tương tác với các chất hoạt động bề mặt mỗi ngày, thường không nhận thấy, nhưng chúng chắc chắn cải thiện cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Việc xác định hàm lượng chất hoạt động bề mặt chính xác trong các mẫu thông qua chuẩn độ điện thế có thể là một thách thức vì nhiều khía cạnh phải được tính đến. Nhưng với sự lựa chọn chính xác giá trị pH, điện cực thích hợp và thực hiện một vài mẹo và thủ thuật, việc xác định hàm lượng chất hoạt động bề mặt với chuẩn độ vừa đáng tin cậy vừa chính xác.