Tiểu luận hóa keo và những Ứng dụng của hóa keo trong Đời sống và kỹ thuật

PHÂN LOẠI CÁC HỆ KEO 3.1 Theo kích thước hạt phân tán Dựa vào kích thước hoặc đường kinh của hạt phân tán, các hệ phân tán được chia làm 3 loại chỉnh sau: • Hệ phân tán phân tử: Trong

TP,HCM, tháng 3 năm 2024

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

~~~~~~~~~~~~

Tiểu luận:

HÓA KEO VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA HÓA KEO TRONG

ĐỜI SỐNG VÀ KỸ THUẬT

Sinh viên thực hiện : Cao Duy Phương Thảo

MỤC LỤC

A GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ HÓA KEO 3

1 NGUỒN GỐC TÊN GỌI HÓA KEO 3

2 ĐỊNH NGHĨA 3

3 PHÂN LOẠI CÁC HỆ KEO 3

3.1 Theo kích thước hạt phân tán 3

4 ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ KEO 4

5 TÍNH CHẤT CỦA HỆ KEO 4

5.1 Tính chất quang học của hệ phân tán 4

5.1.1 Sự phân tán ánh sáng của hệ keo 4

5.1.2 Sự hấp thụ ánh sáng của hệ keo: 5

5.2 Tính chất động học theo phân tử của hệ keo: 5

5.2.1 Chuyển động Brown : 5

5.2.2 Sự khuyếch tán trong dung dịch keo : 5

5.3 Áp suất thẩm thấu của dung dịch keo: 6

5.4 Sự sa lắng trong hệ keo : 6

5.5 Độ nhớt của các hệ keo: 6

6 TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA CÁC HỆ KEO : 6

6.1 Một số hiện tượng điện trong hệ keo: 6

6.2 Cấu tạo hạt keo ghét lưu 7

7 ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH KEO 7

7.1 Điều chế 7

7.2 Tinh chế keo 7

8 VAI TRÒ VÀ Ý NGHĨA CỦA HÓA KEO TRONG ĐỜI SỐNG KỸ THUẬT 8

B ỨNG DỤNG CỦA HÓA KEO TRONG LĨNH VỰC THỰC PHẨM VÀ MỸ PHẨM 9

1 ỨNG DỤNG CỦA HÓA KEO TRONG THỰC PHẨM: 9

1.1 Sản phẩm sữa 9

1.2 Sữa chua 10

1.3 Kem: 11

1.4 Sôcôla 12

1.5 Giò chả rong sụn 12

1.6 Bánh kẹo: 13

1.7 Rau câu 14

2 ỨNG DỤNG CỦA HÓA KEO TRONG MỸ PHẨM 15

2.1 Kem dưỡng da: 15

2.2 Sơn móng tay 15

2.3 Dầu gội đầu: 16

TÀI LIỆU THAM KHẢO 17

A GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ HÓA KEO

1 NGUỒN GỐC TÊN GỌI HÓA KEO

Bộ môn nghiên cứu về hệ keo được nhà khoa học người Scotland Graham (1860):

- Dùng màng động vật tách được những chất có tính chất dính như gelatin, gôm Arabic,tinh bột…

- Chữ Latinh, colla có nghĩa là hồ dán => Graham gọi các chất này là colloid ( dung dịch keo)

2 ĐỊNH NGHĨA

Hóa keo là lĩnh vực hóa học nghiên cứu về các cách chế tạo, đặc điểm và biến đổi các hệ keo Hệ keo là một hệ thống phân tán các phần tử có kích thước từ một phần triệu cho đến vài phần ngàn milimét Các phần tử này được phân tán trong một môi trường phân tán

Hệ keo là một hệ phân tán giữa dung dịch và huyền phù Hệ keo không có áp suất thẩm thấu, không tăng nhiệt độ sôi và không giảm nhiệt độ đông đặc của môi trường phân tán (gọi là các tính chất của hệ keo) Các hạt keo thường mang điện tích hấp thụ vì thế mà

có thể tách chúng ra bằng phương pháp điện di Các hạt keo chống sự kết tụ của các loại hạt keo khác thường được gọi là keo bảo vệ, ví dụ như dextrin Trong cơ thể động vật và thực vật có rất nhiều hoạt chất tồn tại trong hệ keo

3 PHÂN LOẠI CÁC HỆ KEO

3.1 Theo kích thước hạt phân tán

Dựa vào kích thước hoặc đường kinh của hạt phân tán, các hệ phân tán được chia làm 3 loại chỉnh sau:

• Hệ phân tán phân tử: Trong hệ, chất phân tán ở dạng những phần từ rất nhỏ, kích thước nhỏ hơn 10-7cm, chúng là những phân tử và ion đơn giản

• Hệ phân tán keo: Gồm các hạt phân tán có kích thước 10-7 đến 10-4cm Hệ phân tẫn keo thường được gọi là hệ keo hoặc son (sol)

• Hệ phân tán thô: Gồm các hạt có kích thước lớn hơn 10-4cm, hệ thô là hệ vì dị thể không bền vững

3.2 Theo trạng thái tập hợp pha của hệ

- Phương pháp đơn giản cho cách phân loại này là dựa vào pha môi trường của hệ

để phân loại các hệ vi di dị thể

• Môi trường phân tán khí: Gọi chung là son khí (aeorosol) gồm các hệ: Hệ L/K (các giọt lòng phân bố trong pha khí) như: mây, sương mù Hệ R/L (các hạt rắn phân bố trong pha khí) như: khói, bụi (Hệ K/K là hệ phân tán phân từ)

Môi trường phân tán lỏng: Gồm các hệ: Hệ K/L (Các bọt khí phân bố trong pha lỏng như: bọt xà phòng trong nước Hệ L/L (các giọt lỏng phân bốtrong pha lóng) như: huyên phù, keo vô cơ trong nước

Môi trường phân tán rắn: Gồm các hệ: Hệ K/R (các hạt khí phân bô trong pha rắn) nhự: bọt khí trong thuỷ tinh, các vật liệu xốp Hệ L/R (các giọt long phân bố trong môi trườg rắn) như những giọt lỏng trong mô động, thực vật Hê R/R (các hạt phân tán rắn trong pha rắn) nhu: thuý tinh mâu, họp kim

3.3 Theo cường độ tương tác giữa hạt phân tán và môi trường của hệ

- Các hệ vi dị thể trong môi trường lỏng được chia làm 2 loại là các hệ keo ghét lưu

và hệ keo ưa lưu

Hệ keo ghét lưu: Hệ gồm các hạt phân tán hầu như không liên kết với môi trường thì được gọi là hệ keo ghét lưu hoặc hệ keo ghét dung môi(lyophobe), nếu môi trường nước thì gọi là hê keo ghét nước (hydrophobe)

Hệ keo ưa lưu: Hệ gồm các hạt phân tán liên kết chǎt chē với mōi trưòng của hệ được gọi là hệ keo ưa lưu hay hệ keo ưa dung môi (lyophile).néu môi trường nước thì gọi hệ keo

ưa nưóc (hydrophile)

4 ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ KEO

- Dung dịch keo có khả năng phân tán ánh sáng

- Sự khuếch tán trong dung dịch keo rất chậm

- Áp suất thẩm thấu trong dung dịch keo rất nhỏ

- Dung dịch keo có khả năng thẩm tích (hạt keo không lọt qua màng bán thấm)

- Dung dịch keo không bền vững

- Dung dịch keo thường có hiện tượng điện di

5 TÍNH CHẤT CỦA HỆ KEO

5.1 Tính chất quang học của hệ phân tán

5.1.1 Sự phân tán ánh sáng của hệ keo

- Khi chiếu một chùm sáng vào một dung dịch keo trong suốt để trong bóng thì thấy một dải sáng sáng mờ đục dạng hình nón xuất hiện ở phần dung dịch có ánh sáng

đi qua

– Hệ phân tán có kích thước hạt lớn hơn bước sóng phản xạ ánh sáng làm cho hệ

có màu đục Hệ heo có kích thước hạt nhỏ hơn bước sóng, nên có khả năng phân tán ánh sáng

– Đặc điểm của ánh sáng phân tán bởi hệ keo là nó bị phân cực.Theo phương

tới ánh sáng phân tán hầu như không bị phân cực, trong khi đó, theo phương vuông góc với phương tới thì ánh sáng phân tán hầu như bị phân cực hoàn toàn

 Ta có thể rút ra một số kết luận như sau:

• Hạt keo có kích thước càng lớn (V càng lớn ) tán xạ càng mạnh

• Nồng độ hạt càng lớn, ánh sáng bị tán xạ càng mạnh

• Ánh sáng tới có bước sóng càng ngắn càng bị tán xạ mạnh khi chiếu vào hệ keo

5.1.2 Sự hấp thụ ánh sáng của hệ keo:

Nói chung, các hệ phân tán bao gồm các dung dịch thực, dung dịch keo, hệ

phân tán thô nếu có màu và không trong suốt thì đều có khả năng hấp thụ ánh sáng ở những mức độ khác nhau.Màu sắc của dung dịch keo phụ thuộc vào nhiều yếu tố: bản chất của chất phân tán và môi trường phân tán, nồng độ, hình dạng hạt, bước sóng ánh sáng, góc nhìn

Nhìn chung, màu sắc của sol kim loại có màu sắc rất phức tạp Nguyên nhân là do sol kim loại vừa hấp thụ mạnh ánh sáng lại vừa phân tán ánh sáng

5.2 Tính chất động học theo phân tử của hệ keo:

5.2.1 Chuyển động Brown :

Chuyển động Brown là chuyển động nhiệt của của các hạt pha phân tán trong

hệ keo cũng như các hệ vi dị thể Chuyển động Brown diễn ra không ngừng, không phụ thuộc vào các nguồn sáng năng lượng bên ngoài và chuyển động càng mạnh khi nhiệt độ càng cao

5.2.2 Sự khuyếch tán trong dung dịch keo :

Sự khuyếch tán là một quá trình tự diễn biến để san bằng nồng độ của chất

phân tán vào môi trường phân tán Khuyếch tán là một tính chất đặc trưng của các hệ phân tán Tốc độ khuyếch tán của các hạt keo nhỏ hơn nhiều so với tốc độ khuyếch tán của phân

tử hoặc iôn, vì kích thước hạt keo lớn hơn nhiều so với phân tử hoặc ion

Nguyên nhân chủ yếu của sự khuyếch tán là sự chuyển động nhiệt của các phân tử

chất phân tán và môi trường phân tán

5.3 Áp suất thẩm thấu của dung dịch keo:

Thẩm thấu là sự khuếch tán một chiều của các phân tử dung môi qua màng bán thấm theo chiều hướng làm giảm nồng độ dung dịch

Nói một cách rộng hơn thì sự thẩm thấu là sự khuyếch tán và dung môi đưa đến sự san bằng nồng độ trong toàn bộ thể tích của hệ Áp suất thẩm thấu của dung dịch keo chỉ phụ thuộc vào số hạt chứ không phụ thuộc vào bản chất và kích thước hạt keo

5.4 Sự sa lắng trong hệ keo :

Khi xem xét sự khuếch tán, chúng ta đã bỏ qua lực hút của trái đất đối với các hạt phân tán Thực ra các hạt phân tán có kích thước đủ lớn như hạt phân tán thô dễ dàng bị lắng đọng xuống đáy bình, gọi là sự sa lắng Trái lại đối với dung dịch thực, các phân tử hoặc iôn có kích thước bé thì sự chuyển động nhiệt lớn, ảnh hưởng của trọng lực trở lên không đáng kể, nghĩa là không có sự sa lắng các phân tử chất tan Trong thực tế, trong một hệ (đặc biệt là hệ keo và hệ phân tán thô) kích thước các hạt khác nhau phân bố trong

hệ (gọi là hệ đa phân tán ) thì sự khuếch tán và sự sa lắng xảy ra phức tạp hơn nhiều

5.5 Độ nhớt của các hệ keo:

Do dung dịch keo có các phần tử lơ lửng với kích thước lớn hơn nhiều do với

kích thước phân tử thông thường Nên hệ keo có vận tốc chảy tăng, sự chảy dòng

chuyển sang chảy cuộn sớm hơn

Mặt khác, hạt keo làm giảm khoản không gian của chất lỏng cho nên độ nhớt của dung dịch keo bao giờ cũng lớn hơn của dung dịch phân tán

6 TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA CÁC HỆ KEO :

6.1 Một số hiện tượng điện trong hệ keo:

 Hiện tượng điện di ( hay hiện tượng điện chuyển ) là hiện tượng các hạt rắn di chuyển trong môi trường lỏng, dưới tác dụng của điện trường

 Hiện tượng điện thẩm ( hay hiện tượng điện thẩm thấu ) là sự di chuyển của pha lỏng tương đối so với pha rắn dưới tác dụng của điện trường

 Hiệu ứng Dorn : là hiện tượng dòng điện xuất hiện khi các hạt pha rắn chuyển động so với chất lỏng đứng yên Hiện tượng này ngược với hiện tượng điện di Hiện tượng thế chảy : sự chuyển động của pha lỏng với pha rắn làm xuất hiện dòng điện Điện thế đo được trong trường hợp này gọi là : thế chảy Hiện tượng này ngược với hiện tượng điện thẩm

 Ứng dụng của các hiện tượng điện trong hệ keo

• Áp dụng hiện tượng điện di có thể tách được các thành phần của những hỗn hợp phức tạp như cá protit tự nhiên và các chất điện ly cao phân tử

• Dùng phương pháp điện di phủ lên bề mặt vật liệu dẫn điện một lớp mỏng các hạt keo có độ đồng nhất cao với bề dày cần thiết

• Điện di còn được áp dụng để phủ cao su lên bề mặt kim loại

• Điện thẩm được ứng dụng trong việc làm khô các vật liệu xốp và lọc tách các lớp

kết tủa……

6.2 Cấu tạo hạt keo ghét lưu.

Hai thành phần chủ yếu của hạt keo là nhân keo và lớp điện kép

* Nhân keo:

• Nhân keo do rất nhiều phân tử, nguyên tử hoặc ion đơn giản tập hợp lại, cũng có trường hợp do sự chia nhỏ của hạt lớn hơn

• Nhân keo có thể có cấu tạo tinh thể hoặc vô định hình, nhưng là phần vật chất ổn định, hầu như không có biến đổi trong các quá trình biến động của hệ phân tán

* Lớp điện kép:

• Lớp điện kép gồm hai lớp tích điện ngược dấu nhau, nhưng cấu tạo phức tạp và luôn luôn biến đổi dưới tác động bên ngoài (môi trường, pH, lực ion, nhiệt độ….)

• Lớp điện kép được hình thành chủ yếu do sự hấp phụ

7 ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH KEO

7.1 Điều chế

Có 2 phương pháp chính điều chế là phương pháp phân tán và phương pháp ngưng tụ

• Phương pháp phân tán: bao gồm các biện pháp chia nhỏ các hạt phân tán có kích thước lớn thành các hạt có kích thước nhỏ, thích hợp Ví dụ: nghiền, xay, giã, dùng hồ quang, siêu âm…

• Phương pháp ngưng tụ: bao gồm các biện pháp tập hợp các phần tử nhỏ thành các

hạt có kích thước thích hợp

7.2 Tinh chế keo

Trong quá trình điều chế, do nguyên liệu đã dùng, do phải thêm chất làm bền…

nên dung dịch keo thu được thường không sạch Trong số các chất làm bền thì chất điệnly

là chất ảnh hưởng lớn đến tính chất của hệ keo Do đó việc tinh chế keo, trước hết nhằm tách các chất điện ly ra khỏi hệ bằng phương pháp thẩm tích Ngoài phương pháp thẩm tích còn có thể dùng phương pháp siêu lọc

8 VAI TRÒ VÀ Ý NGHĨA CỦA HÓA KEO TRONG ĐỜI SỐNG KỸ THUẬT

Các hệ keo rất phổ biến trong tự nhiên và có ý nghĩa vô cùng to lớn trong kỹ thuật hiện đại

Trong công nghiệp hầu như nghành nào cũng có liên quan đến hoá học chất keo Các hiện tượng khí tượng có liên quan chặt chẽ với các vấn đề của hoá học chất keo: mây và sương mù là những hệ keo L/K trong đó pha lỏng là các hạt nước có kích thước rất nhỏ và thường là mang điện Mưa, tuyết là những hiện tượng gắn liền với các quá trình hoá keo Việc tạo thành các vùng châu thổ tại những chỗ cửa sông nối liền với biển được giải thích bằng sự keo tụ các hạt keo chứa trong nước sông khi gặp các ion chứa trong nước biển

Hoá học chất keo có ý nghĩa to lớn trong thổ nhưỡng học, canh tác học Đất là một hệ thống keo phức tạp, hình dạng, kích thước cũng như bản chất của các hạt keo đất quyết định khả năng thấm ướt, khả năng hấp thụ của đất Đất cát gồm hạt lớn không giữ nước, đất sét gồm hạt mịn giữ nước tốt, sự có mặt của các ion kim loại kiềm làm tăng độ phân tán và tính

ưa nước của đất, còn ion Ca2+ thì làm keo đất keo tụ và làm giảm tính ưa nước, do đó bón vôi cho đất làm cho đất giảm khả năng giữ nước

Kỹ nghệ đồ gốm sử dụng nguồn nguyên liệu là khoáng sét - dạng huyền phù đậm đặc của vật liệu alumiosilicat hydrat hoá Phẩm chất của nguyên liệu tuỳ thuộc vào tính chất hoá

lý của các hạt chứa trong nguyên liệu đó Chính điều này quyết định chất lượng của các sản phẩm gốm sứ Đối với việc chế tạo vật liệu composit như gốm kim loại (cermet) việc hiểu biết về hoá keo, về cơ học cấu trúc là rất cần thiết Hiện nay mới xuất hiện công nghệ dưới micro (công nghệ nanomet) liên quan đến kích thước hạt siêu mịn cỡ 10-9m Các nghành sản xuất như giấy, nhuộm, thuộc da có liên quan nhiều đến các quá trình keo Nhuộm sợi, thuộc

da là làm cho các hạt keo (phẩm nhuộm, chất thuộc da) khuyếch tán vào vải, vào da và bị keo tụ trên bề mặt các vật liệu này

Trong ngành cao su, chất dẻo thì các quá trình keo cũng có vai trò đáng kể Nhiều quá trình điều chế polime được tiến hành ở dạng nhũ tương Bản chất chất dẻo cũng là các hệ keo với sự có mặt các chất độn ở dạng các hạt rất nhỏ (dạng keo)

Nhiều quá trình bào chế thuốc là những quá trình keo, ví dụ chế tạo các loại dựơc phẩm dưới dạng huyền phù, nhũ tương, kem, dầu, cao Khi đưa thuốc vào cơ thể dưới dạng keo có hai ưu điểm: định chỗ được tác dụng của nó và làm cho thuốc có tác dụng lâu dài Trong nghiên cứu cũng như trong công nghiệp hóa học, chất xúc tác dạng keo có tác dụng tốt hơn nhiều so với dạng hạt lớn

B ỨNG DỤNG CỦA HÓA KEO TRONG LĨNH VỰC THỰC PHẨM VÀ

MỸ PHẨM

1 ỨNG DỤNG CỦA HÓA KEO TRONG THỰC PHẨM:

1.1 Sản phẩm sữa

- Sữa là một hệ nhũ tương phức tạp và cũng là một dung dịch keo Hệ nhũ tươngbao gồm những giọt béo phân tán trong dịch liên tục chứa protein Hàm lượng béo có trong sữa khá đa dạng, từ 0,1% trong sữa gầy đến hơn 20% trong sữa nguyên kem Do đó chất nhũ hóa đóng vai trò rất quan trọng trong việc duy trì sự ổn định của hệ, tránh hiện tượng phân tách lớp làm giảm giá trị cảm quan của sản phẩm

- Chất nhũ hóa sử dụng trong sản phẩm sữa là các monoglycerid và diglyceridecủa các acid béo và rượu Chúng có tác dụng trở thành lớp phim membrane mỏng bao quanh các giọt béo có trong sữa và từ đó giúp tăng và ổn định bề mặt tiếp xúc của các giọt béo này trong quá trình đồng hóa sữa

- Sodium alginate: alginate là polysaccharide được chiết xuất từ rong nâu Phaeophyceae, tồn tại liên kết với muối, Kali, canxi, và Magie Tùy thuộc vào từng loại

mà alginate có khả năng duy trì một số loại cấu trúc sản phẩm Người ta hay sử dụng sodium alginate như là một chất nhũ hóa ion Sodium alginate có khả năng tan trong nước lạnh và thường được dùng như chất làm “dày” dung dịch Tuy nhiên nhược điểm của sodium alginate là khả năng hòa tan kém khi trong môi trường giàu canxi Người ta khắc phục nhược điểm này bằng cách thêm axitcitric

Carrageenan: được chiết xuất từ rong đỏ thuộc Rhodophycea Có 3 loại carrageenan

đã được định danh là Kappa, iota và lamda Tuy nhiên kappa thường được sử dụng trong sản phẩm sưã hơn, đặc biệt ở sữa có bổ sung axit béo omega 3 Trong quá trình bảo quản sữa, sự ổn định của sữa lien quan đến việc duy trì hệ thixotropic Khi gia nhiệt, bề mặt cấu trúc của kappa carrageenan có thể phản ứng với nhau hay với mixen casein của sữa để hình thành gel thixotropic

– Polymer này có gốc galatose và anhydro-galatase với rất nhiều lien kết sulfate Hệ thixotropic là cấu trúc gel đã được hình thành lại, có tác dụng duy trì hệ nhũ tương ổn định và đồng hóa tốt Một phần bề mặt cấu trúc phân tử của kappa carrageenan có khả năng phản ứng casein mixeo trong sữa trong quá trình gia nhiệt.Những phần cuối của phân tử carrageenan liên kết với nhau để tạo thành một mạng lưới, mạng lưới này liên kết với casein hình thành hệ gel thixotropic Hệ gel này chống việc hình thành “đường kem” trong sản phẩm bằng cách làm giảm quá trình đông tụ và phân tách các hạt cầu béo

1.2 Sữa chua

Trong sữa chua, hàm lượng chất béo từ 0-3,5% chất béo sữa và 10-15% chất béo phi sữa Chất nhũ hóa thưng được sử dụng có nguồn gốc tự nhiên và đã được biến tính, chiết xuất từ rong biển (carrageenan, alginate) và gelatin

“Alginate” là một thuật ngữ thường được sử dụng cho các muối của axit alginic, nhưng nó cũng có thể tham khảo tất cả các dẫn xuất của axit alginic và acid alginic bản thân, trong một số ấn phẩm “algin” được sử dụng thay vì alginate Alginate có mặt trong các bức tường tế bào của tảo nâu như canxi, magiê và muối natri của axit alginic Mụctiêu của quá trình khai thác là để có được khô, alginate natri bột, Các muối canxi và magiê không hòa tan trong nước, muối natri Lý do đằng sau việc khai thác các alginate từ rong biển để chuyển đổi tất cả các muối alginate muối natri, giải thể này trong nước,và loại bỏ các dư lượng rong biển bằng cách lọc Alginate sau đó phải được thu hồi từ dung dịch nước Giải pháp là rất loãng và bay hơi của nước là không kinh tế Có hai cách khác nhau khôi phục alginate

Gelatin là một hỗn hợp của các peptide và protein được sản xuất bởi thủy phân một phần của collagen được chiết xuất từ xương luộc, mô liên kết, các cơ quan vàmột

số ruột của các loài động vật như thuần hóa gia súc và lợn Các liên kết phân tử tựnhiên giữa các sợi collagen cá nhân được chia thành một hình thức sắp xếp lại dễ dànghơn

Hình1: Sản phẩm sữa