จุดเมฆ – คำจำกัดความ กลไก และวิธีการวัด

กลไกการละลายของสารลดแรงตึงผิวในน้ำ

ความสามารถในการละลาย เป็นคุณสมบัติทางกายภาพของสารประกอบทางเคมี ซึ่งขึ้นอยู่กับชนิดของสารที่ละลายและสารละลายที่ใช้ละลายเป็นหลัก ปัจจัยที่มีผลต่อความสามารถในการละลาย ได้แก่ อุณหภูมิของสารละลาย และความดัน กลไกการละลายจะแตกต่างกันไปตามสารที่ละลาย และอาจเกี่ยวข้องกับ:

• การแตกตัวและการเกิดไอออนในกรณีของสารประกอบไอออนิก
• การเกิดพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลของน้ำและออกซิเจนของอีเทอร์ในหมู่ oxyalkylene ในกรณีของสารประกอบที่ไม่เป็นไอออน

นอกจากนี้ ยังมีความสัมพันธ์บางประการที่ควรกล่าวถึงเมื่อพิจารณาถึงความสามารถในการละลายของสารลดแรงตึงผิว:

• ยิ่งโมเลกุลของสารลดแรงตึงผิวมีหมู่เอเทอร์มากเท่าไร ก็ยิ่งละลายในน้ำได้ดีขึ้นเท่านั้น เนื่องจากมีคุณสมบัติชอบน้ำมากขึ้น
• ยิ่งอุณหภูมิสูง ความสามารถในการละลายก็จะยิ่งลดลง ส่งผลให้สารละลายขุ่นขึ้น

อุณหภูมิที่สูงกว่านั้น สารละลายจะเริ่มแยกตัวออกเป็นสองเฟสและกลายเป็นสารละลายที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน เรียกว่า จุดเมฆ (cloud point)

การมีเกลืออนินทรีย์ในน้ำสามารถลดจุดเมฆของสารละลายสารลดแรงตึงผิวได้

ไฮโดรโทรป ซึ่งเป็นกลุ่มสารประกอบทางเคมีเฉพาะกลุ่มหนึ่ง ถูกนำมาใช้เพื่อป้องกันไม่ให้จุดเมฆลดลง

ไฮโดรโทรปคืออะไร?

สารเหล่านี้เป็นสารที่มีความสามารถในการปรับเปลี่ยนความสามารถในการละลายของสารประกอบทางเคมีในน้ำ มีลักษณะเฉพาะคือเป็นสารแอมฟิฟิลิซิตี้ กล่าวคือมีทั้งส่วนที่ไม่ชอบน้ำและส่วนที่ชอบน้ำอยู่ในโมเลกุล ที่ความเข้มข้นสูงกว่าระดับหนึ่งที่เรียกว่าความเข้มข้นไฮโดรโทรปิก พวกมันจะก่อตัวเป็นไมเซลล์ ดังนั้นหน้าที่หลักของพวกมันคือการป้องกันการตกตะกอนของส่วนประกอบจากสูตรที่มีสารลดแรงตึงผิวสูงที่อุณหภูมิต่ำ โครงสร้างของพวกมันคล้ายกับสารลดแรงตึงผิว แต่ส่วนหางที่ไม่ชอบน้ำจะสั้นกว่า

ดูสารไฮโดรโทรปิก ที่มีจำหน่ายจากกลุ่ม PCC

การตกตะกอนและการจับตัวเป็นก้อน

สารลดแรงตึงผิว ในรูปของ ไมเซลล์ เช่นเดียวกับสารละลาย คอลลอยด์ ทั้งหมด ภายใต้เงื่อนไขบางประการ มีแนวโน้มที่จะรวมตัวกันเป็นกลุ่มก้อนหรือมวลสารขนาดใหญ่ขึ้น การจับตัวเป็นก้อน (Coagulation) นำไปสู่การลดลงของพื้นที่ผิวสัมผัส ส่งผลให้เฟสแต่ละเฟสแยกออกจากกัน การตกตะกอน (Flocculation) ก็ทำให้เกิดมวลสารขนาดใหญ่ขึ้นเช่นกัน แต่กลุ่มก้อนเหล่านี้สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระในตัวกลางการกระจายตัว ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อกระบวนการนี้คือลักษณะของชั้นไฟฟ้าคู่ (electric double layer) รอบๆ ไมเซลล์

ดูสารตกตะกอน ในกลุ่มผลิตภัณฑ์ของ PCC Group

สารลดแรงตึงผิวที่ไม่มีประจุ

“กระบวนการที่มุ่งสร้างคลัสเตอร์ขนาดใหญ่ขึ้นนั้นขึ้นอยู่กับความสามารถในการดูดซับน้ำของหมู่ -OH หรือ -(CH2CH2O)n- อย่างเคร่งครัด เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ระดับการดูดซับน้ำจะลดลง ส่งผลให้สารละลายไมเซลล์ของสารลดแรงตึงผิวเกิดการตกตะกอน และตามมาด้วยการผสมกันของเฟสต่างๆ” “ในระหว่างกระบวนการนี้ สามารถสังเกตเห็นเฟสของเหลวใสที่แทบไม่มีสารลดแรงตึงผิว และเฟสขุ่นที่มีสารละลายคอลลอยด์ของสารลดแรงตึงผิวที่มีความเข้มข้นสูง ความขุ่นของสารละลายจึงเป็นผลมาจากการมีกลุ่มก้อนของสารลดแรงตึงผิวขนาดใหญ่อยู่ในนั้น ซึ่งทำให้แสงที่มองเห็นได้ที่ผ่านสารละลายเกิดการกระเจิง สามารถสังเกตการแยกเฟสได้ในช่วงอุณหภูมิหนึ่ง ใกล้จุดเกิดเมฆ”

สารผสมของสารลดแรงตึงผิวประจุลบและประจุบวก

“ปรากฏการณ์ความขุ่นของสารละลายยังพบได้ในสารผสมของ สารลดแรงตึงผิว ประจุลบ และประจุบวก แต่เกิดจากกลไกอื่น ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของสารลดแรงตึงผิวประจุลบและประจุบวกที่มีอยู่ในสารละลาย รวมถึงการมีอยู่ของอิเล็กโทรไลต์ ระบบอาจเป็นสารละลายไมเซลล์ใสหรือระบบตกตะกอน-โคแอเซอร์เวตที่มีสมดุลร่วมกันหลายแบบ” “ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของสารผสมที่ใช้ ความสัมพันธ์ระหว่างจุดขุ่นและเศษส่วนโมลของส่วนประกอบใดส่วนประกอบหนึ่งสามารถแสดงได้โดยใช้กราฟลักษณะเฉพาะ การศึกษาเชิงประจักษ์แสดงให้เห็นว่าการเพิ่มเศษส่วนของสารลดแรงตึงผิวประจุลบจากประมาณ 0.47 เป็นประมาณ 0.51 ทำให้จุดขุ่นลดลง จากประมาณ 0.51 เป็นประมาณ 0.57 พบว่าจุดขุ่นเพิ่มขึ้น โดยทั่วไปแล้ว อาจกล่าวได้ว่าการมีอยู่ของอิเล็กโทรไลต์ในสารละลายทำให้จุดขุ่นลดลง”

จุดเมฆ – ความสามารถในการย้อนกลับของการเปลี่ยนแปลง

สารละลายของสารลดแรงตึงผิวจะขุ่นเมื่อได้รับความร้อน แต่เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงนี้สามารถย้อนกลับได้ จึงจะกลับมาใสอีกครั้งเมื่อเย็นลงถึงอุณหภูมิที่กำหนด

อะไรบ้างที่ส่งผลต่อจุดเมฆ?

1. 1. สิ่งปนเปื้อน: ยิ่งมีสิ่งปนเปื้อนในสารละลายมากเท่าไร จุดเกิดเมฆก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น อนุภาคเพิ่มเติมจะรบกวนโครงสร้างและขัดขวางการก่อตัวของไมเซลล์
   2. ความดัน: ยิ่งความดันสูง จุดเมฆยิ่งสูง ความดันสูงส่งเสริมการก่อตัวของโครงสร้างที่หนาแน่นมากขึ้น
   3. ตัวทำละลาย
   4. สารลดแรงตึงผิว: สำหรับ สารลดแรงตึงผิวชนิดไม่มีประจุ ที่พบได้ทั่วไป ความสัมพันธ์ต่อไปนี้ใช้ได้:
      1. โครงสร้างทางเคมี – ความยาวของโซ่ไฮโดรโฟบิก
      2. ระดับของออกซีเอทิลเลชัน

ยิ่งสายโซ่ไฮโดรโฟบิกยาวขึ้นและระดับออกซีเอทิลเลชันต่ำลง จุดเมฆก็จะยิ่งต่ำลง

วิธีการกำหนดจุดเมฆ

1. 1. วิธีการทางภาพ
      1. การสังเกตด้วยสายตาในระหว่างการให้ความร้อนแก่สารละลายทีละน้อย
      2. การใช้เครื่องมือเฉพาะที่ใช้เทคนิคการให้ความร้อนแบบควบคุม
   2. วิธีการวัดสเปกโทรโฟโตเมตริก
      1. การวัดการดูดกลืนหรือการส่งผ่านแสง ซึ่งเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ

ความสำคัญของพารามิเตอร์จุดเมฆ

• อุตสาหกรรมอาหารและเคมีภัณฑ์ รวมถึงการกำหนดคุณสมบัติของสูตรสารลดแรงตึงผิว
• การควบคุมคุณภาพของเชื้อเพลิงและน้ำมัน
• การหาค่าคุณสมบัติของวัสดุ เช่น โพลิเมอร์และไขมัน