IFT - Đo lực căng liên diện từ hệ nước-dầu không hòa tan đến siêu thấp trong vi nhũ tương

IFT – Đo lực căng liên diện từ hệ nước-dầu không hòa tan đến siêu thấp trong vi nhũ tương

Xác định IFT trong phạm vi sáu bậc độ lớn chỉ với một thiết bị

Trong các ứng dụng công nghiệp như khai thác dầu tăng cường (EOR), dược phẩm hoặc mỹ phẩm, thường cần phải huy động và vận chuyển các chất kỵ nước trong môi trường nước. Cách lý tưởng để làm điều này là tạo thành một vi nhũ tương, tức là một hệ phân tán ổn định về mặt nhiệt động học.

Khi cố gắng tổng hợp các hỗn hợp như vậy, sức căng bề mặt (IFT) giữa nước và pha kỵ nước có thể dao động từ 50 mN/m đối với các chất thô đến giá trị thấp tới 10‑5 mN/m đối với các phân đoạn của một vi nhũ tương được tạo thành thành công. Trong quá trình tìm kiếm thành phần phù hợp, việc sử dụng một thiết bị đo có thể bao phủ phổ IFT rất rộng này là hữu ích.

Trong báo cáo ứng dụng này, trước tiên chúng tôi chứng minh cách đo được một phạm vi IFT rộng ấn tượng bằng Spinning Drop Tensiometer – SDT, bắt đầu với một hệ đơn giản gồm pha nước, pha dầu (cyclohexane) và một hydrotrope (tert-butyl alcohol).

Các giá trị đo được từ 50 mN/m xuống đến 0,1 mN/m phù hợp tốt với dữ liệu đã công bố của Force Tensiometer – K20 và thậm chí còn cho thấy khả năng tái lập tốt hơn. Bằng cách mở rộng phân tích sang một hệ pha có IFT siêu thấp, chúng tôi có thể chứng minh rằng thiết bị này có khả năng cho kết quả đáng tin cậy trong phạm vi sáu bậc độ lớn, tức là xuống đến 2,7·10‑5 mN/m.

Tóm tắt nội dung

Đo IFT bằng Spinning Drop Tensiometer – SDT

Spinning Drop Tensiometer – SDT cho phép xác định quang học IFT của hệ lỏng–lỏng bằng phân tích hình dạng của một giọt pha nhẹ được bao quanh bởi pha nặng [2]. Giọt bị kéo dài trong mao quản quay do lực ly tâm, lực này bị chống lại bởi IFT vốn có xu hướng làm giọt trở lại hình dạng tròn. Kết quả là IFT có thể được tính toán bằng cách phân tích độ cong (theo phương pháp Young–Laplace) hoặc đường kính thẳng đứng của giọt kéo dài (phương pháp Vonnegut).

Một số ưu điểm nổi bật của SDT với tư cách là thiết bị hiện đại bao gồm: quy trình nạp mao quản được cấp bằng sáng chế và chức năng phóng giọt tự động [3], mức độ tự động hóa cao nhờ phần mềm ADVANCE, hiệu chuẩn hình ảnh chính xác với hình nón tích hợp có kích thước xác định, và hệ thống chiếu sáng bằng đèn strobe để phát hiện chính xác biên dạng giọt.

Ảnh hưởng của hydrotrope đến IFT nước–dầu

Hydrotrope là những phân tử amphiphilic nhỏ có thể làm tăng độ hòa tan của các chất kỵ nước trong nước, do đó hoạt động như một chất đồng dung môi. Hydrotrope có xu hướng làm giảm IFT giữa pha nước và pha dầu, nhưng khác với chất hoạt động bề mặt, chúng không tạo thành micelle ổn định trong nước vì phần kỵ nước của phân tử quá nhỏ. Chúng thường được sử dụng để tăng cường độ ổn định của vi nhũ tương. Một ví dụ điển hình là tert-butyl alcohol (TBA).

Phần thực nghiệm

Một hệ đơn giản gồm nước cất hai lần làm pha nặng và cyclohexane (CHX, Sigma Aldrich, khan, ≥ 99,5%) làm pha nhẹ đã được nghiên cứu về IFT với các tỷ lệ khác nhau của TBA (Carl Roth, ≥ 99,5%). Tất cả hóa chất được sử dụng mà không qua tinh chế thêm. Các hỗn hợp mẫu được chuẩn bị theo tài liệu tham khảo [1] và các pha được bão hòa lẫn nhau.

Dữ liệu về mật độ và IFT được xác định bằng Force Tensiometer – K20 được lấy từ cùng một công bố và có sẵn như một phần của thông tin bổ sung [4]. Thành phần mẫu và dữ liệu trong tài liệu được liệt kê trong Bảng 1.

**Bảng 1:** Thành phần và khối lượng riêng của các hỗn hợp mẫu, trích từ tài liệu tham khảo [1, 4].

Các phép đo IFT được thực hiện bằng Spinning Drop Tensiometer – SDT. Nhiệt độ được kiểm soát bằng bộ điều nhiệt kết nối với thiết bị và được đặt ở 20 °C.

Kết quả thực

Hình 1 cho thấy các hình ảnh giọt mẫu minh họa đối với giá trị IFT cao nhất (A, mẫu 1) và giá trị IFT thấp nhất (B, mẫu 7) trong số các mẫu được thử nghiệm.

Giọt điển hình của mẫu 1 (A) và mẫu 7 (B). Tốc độ quay lần lượt là 12.000 và 6.000 vòng/phút. Hình dạng giọt được khớp theo phương trình Young–Laplace. — **Hình 1:** Hình ảnh giọt điển hình của mẫu 1 (A) và mẫu 7 (B). Tốc độ quay lần lượt là 12.000 và 6.000 vòng/phút. Hình dạng giọt được khớp theo phương trình Young–Laplace.

Các giá trị IFT thu được cho tất cả các mẫu thử nghiệm, cũng như dữ liệu từ tài liệu được đo bằng lực kế K20 [1], được liệt kê trong Bảng 2. Ngoài ra, trong Hình 2, IFT đã được chuẩn hóa được biểu diễn theo phân số mol của TBA trong nước cho cả SDT và K20 để so sánh.

Dữ liệu thu được từ cả hai phương pháp đều phù hợp tốt, trong đó đặc biệt đối với các giá trị IFT thấp, độ lệch chuẩn của các phép đo bằng SDT nhỏ hơn nhiều so với các phép đo bằng K20.

Thực tế, với giá trị 0,3 mN/m, độ không chắc chắn của phương pháp Wilhelmy trên K20 lớn gấp ba lần giá trị IFT đo được, đó là lý do tại sao đối với các giá trị IFT thấp, phương pháp giọt quay rõ ràng được khuyến nghị hơn so với các phương pháp dựa trên lực.

**Bảng 2:** Giá trị lực căng liên diện (IFT) và độ lệch chuẩn (N = 3–4) của các hỗn hợp mẫu, được xác định bằng SDT (nghiên cứu này) và bằng K20 (phương pháp bản Wilhelmy, [1]). Độ không đảm bảo chuẩn của phương pháp bản Wilhelmy là 0,3 mN/m theo tài liệu [1].

**Hình 2:** Đồ thị IFT chuẩn hóa (IFT chia cho IFT của hệ nước so với CHX không có TBA = IFT₀) theo phần mol của TBA trong nước ở điều kiện cân bằng. Dữ liệu đo bằng spinning drop (màu xanh nhạt) và K20 (màu xanh đậm, [1]) trùng khớp rất tốt, trong khi độ lệch chuẩn (thanh sai số), đặc biệt ở vùng IFT thấp, của SDT nhỏ hơn đáng kể so với K20.

Để chứng minh tiềm năng của thiết bị trong việc xác định IFT siêu thấp, một hỗn hợp gồm nước (250 mL), natri clorua (25,5 mg), n-heptan (250 mL) và chất hoạt động bề mặt AOT (dioctyl sodium sulfosuccinate, 55,5 mg) đã được chuẩn bị. Hỗn hợp này đã cho thấy giá trị IFT trong khoảng 10‑5 mN/m [5]. Tất cả các hóa chất được trộn kỹ bằng máy khuấy từ trong 18 giờ ở nhiệt độ phòng. Hỗn hợp sau đó được cho vào phễu chiết. Quá trình tách thành ba pha diễn ra trong khoảng 4 giờ.

Pha vi nhũ tương ở giữa được sử dụng làm pha giọt và được đo so với pha nước ở đáy (pha nặng) bằng SDT ở 25 °C. Một hình ảnh giọt minh họa cùng với giá trị IFT thu được là 2,7·10‑5 mN/m được thể hiện trong Hình 3.

**Hình 3:** Hình ảnh minh họa của một giọt microemulsion trong pha nước nặng xung quanh đối với hệ nước – NaCl – n-heptan – AOT. Tốc độ quay được thiết lập ở 1.400 vòng/phút. Hình dạng giọt được khớp theo mô hình Vonnegut.

Tóm tắt

Việc đo và kiểm soát sức căng bề mặt lỏng–lỏng (IFT) có ý nghĩa rất quan trọng đối với các ngành công nghiệp liên quan đến nhũ tương, đặc biệt là vi nhũ tương. Chúng tôi trình bày dữ liệu IFT được ghi lại bằng Spinning Drop Tensiometer – SDT cho một hệ đơn giản gồm pha nước, pha dầu và chất đồng dung môi. Kết quả thu được phù hợp rất tốt với dữ liệu trong tài liệu, đồng thời cho thấy độ không chắc chắn nhỏ hơn nhiều.

Đối với một hệ vi nhũ tương khác, IFT trong khoảng 10‑5 mN/m đã được đo, nhấn mạnh phổ IFT rất rộng mà SDT có thể tiếp cận. Phạm vi rộng này, kết hợp với khả năng thao tác thân thiện với người dùng và các tính năng kỹ thuật tiên tiến cho kết quả chính xác, khiến SDT trở thành thiết bị được lựa chọn hàng đầu để đo các giá trị IFT thấp.

Để tìm hiểu về các thiết bị IFT và các thiết bị phân tích sức căng liên diện, vui lòng liên hệ với chúng tôi để được hỗ trợ tư vấn trực tiếp.

Tài liệu tham khảo:

[1] A. A. Novikov et al., J Phys Chem C 2017, 121, 16423.
[2] https://www.kruss-scientific.com/services/education-theory/glossary/spinning-drop-tensiometer/ (accessed December 3, 2018)
[3] European Patent EP3 090 802 B1, Method and Device for Measuring an Interfacial Tension, priority date 2015-05-08
[4] pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/acs.jpcc.7b05156, (accessed December 5, 2018)
[5] B. P. Binks, Ultralow Interfacial Tensions and Microemulsion Formation in Oil-Water-Surfactant Systems 1986, PhD thesis, University of Hull, UK.
Báo cáo nghiên cứu khoa học ” From an immiscible water-oil system to the ultralow interfacial tension of a microemulsion”