XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Поверхностно-активные вещества

1.1 Количественная характеристика ПАВ

Поверхностно-активные вещества - химические соединения, которые способны адсорбироваться на поверхности раздела фаз «жидкость-твердое тело», «жидкость-газ», «жидкость-жидкость» и т.д. и изменять физико-химические свойства системы, в первую очередь межфазное (поверхностное) натяжение. Классификация поверхностно-активных веществ, принятая в 1960 году, основана на химической природе молекул и включает четыре основных класса поверхностно-активных веществ: катионактивные, анионактивные, неионогенные и амфотерные. То есть химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела термодинамических фаз, вызывают снижение поверхностного натяжения, называются поверхностно-активными веществами. Синтетические поверхностно-активные вещества являются одним из компонентов моющих средств.

Главной количественной характеристикой поверхностно-активных веществ является поверхностная активность G, то есть способность вещества снижать поверхностное натяжение на границе раздела фаз.

Поверхностно-активные вещества - это органические соединения, которые имеют амфифильное (дифильное) строение, то есть их молекулы имеют в своем составе полярную часть, гидрофильный компонент ( функциональные группы –OH,

‒COOH, ‒SOOOH, ‒O‒ и т.п., или чаще их соли ‒ONa, ‒COONa, ‒SOOONa и т.п.), а также неполярную (углеводородную) часть, гидрофобный компонент.

1.2 Классификация ПАВ

Поверхностно-активные вещества классифицируется на:

1. Ионогенные поверхностно-активные вещества

‒ Катионные поверхностно-активные вещества;

‒ Анионные поверхностно-активные вещества;

‒Амфотерные поверхностно-активные вещества;

2. Неионогенные поверхностно-активные вещества

‒ Алкилполиглюкозиды;

‒ Алкилполиэтоксилаты;

Поверхностно-активные вещества делятся на 2 типа:

1. ПАВ, которые быстро разрушаются в окружающей среде.

2. ПАВ, которые не разрушаются и могут накапливаться в организмах в не допустимых концентрациях.

Основной негативный эффект поверхностно-активных веществ - понижение поверхностного натяжения в природных системах. Из-за этого, например в океане, происходит снижение показателя удерживания CO₂ и кислорода в массе воды. Бывают и безопасные поверхностно-активные вещества (алкилполиглюкозиды), т.к. продуктами их деградации являются углеводы. Однако при адсорбировании ПАВ на поверхности частичек земли скорость их деградации снижаются многократно. Так как многие поверхностно-активные вещества, используемые в промышленности, а также в домашнем хозяйстве, имеют положительную адсорбацию на частичках земли, глины, песка, при нормальных условиях они могут высвобождать (десорбировать) ионы тяжелых металлов, удерживаемые этими частичками, и тем самым повышать риск попадания данных веществ в организм человека.

Области применения

1.Моющие средства. Поверхностно активные вещества являются одним из главных компонентов чистящих и моющих средств, мыла. В настоящее время наиболее распространенным поверхностно-активным веществом в синтетических моющих средствах является алкилбензосульфонат. К группе анионных поверхностно-активных веществ такжe принадлежат алкансульфонат, алкилсульфат и летучий алкилсульфат. Алкилсульфат получают из растительного сырья, например, рапсового масла или масла кокоса. В катионных поверхностно-активных веществах гидрофильная группа представлена положительно заряженной азотсодержащей группой. В качестве отрицательно заряженного противовеса выступает метилсульфат или ион хлора. Такие поверхностно-активные вещества используют в синтетических средствах для «щадящей» стирки, так как играют роль смазки. Неионогенные поверхностно-активные вещества абсолютно невосприимчивы к жесткости воды, не образуют много пены и препятствуют потемнению белья. Примером неионогенного поверхностно-активного вещества может служить алкилполиглюкозид (APG), добываемый из возобновляемого сырья: сахарного тростника, кокосового ореха и кукурузы. Алкилполиглюкозид является биологически разлагаемым и имеет отличную совместимость с кожей. Именно эти поверхностно-активные вещества используют в натуральных стиральных порошках.

2.Наука. Поверхностно-активные вещества часто используют в различных исследованиях, например, в биологии для разрушения клеточных мембран в целях выделения компонентов клеток(хроматин, РНК, белки) для непосредственного их анализа (вестерн-блот, количественная ПЦР) или использования в других экспериментах (иммунопреципитация белковых комплексов (хроматина, РНК и пр.)

3. Косметика. В основном поверхностно-активные вещества содержатся в косметике, например шампуни, где содержание поверхностно-активных веществ достигает десятков процентов от общего объема. Также поверхностно-активные вещества содержатся в тониках, зубной пасте, лосьонах и т.д.

4. Текстильная промышленность. В текстильной промышленности поверхностно-активные вещества используют для снятия статического электричества с волокон синтетической ткани.

5. Кожевенная промышленность. Поверхностно-активные вещества защищают кожаные изделия от легких повреждений и слипания.

6. Бумажная промышленность. Поверхностно-активные вещества используют для отделения чернил от целлюлозы при переработке макулатуры. Молекулы поверхностно-активных веществ адсорбируясь на пигменте чернил, делает его гидрофобным. После этого процесса воздух пропускается через раствор пигмента и целлюлозы. Пузырьки воздуха адсорбируются на гидрофобной части поверхностно-активных веществ и частички пигмента выплывают на поверхность.

7. Металлургия. Эмульсии поверхностно-активных веществ используются для снижения трения, а также для смазки прокатных станов. Выдерживают высокие температуры, при которых сгорает масло.

8. Защита растений. В агрономии и сельском хозяйстве часто используют поверхностно-активные вещества для образования эмульсий пестицидов. Также используются для повышения эффективности транспортировки питательных компонентов к растениям через мембранные стенки их клеток.

9. Пищевая промышленность. Поверхностно-активные вещества в виде эмульгаторов ( например, лецитина) добавляют для улучшения качества многих продуктов: мороженого, печенья, взбитых сливок, шоколада и т.д.

10. Нефтедобыча. Поверхностно-активные вещества применяют для гидрофобизации призабойной зоны пласта, с целью увеличения нефтеотдачи.

11. Строительство. Поверхностно-активные вещества добавляют к цементно-песчаным смесям с целью уменьшения их водопотребности при сохранении подвижности. Данные поверхностно-активные вещества увеличивают прочность, плотность, а также водонепроницаемость.

12. Медицина. Поверхностно-активные вещества катионного и анионного типа широко используют в хирургии и в качестве антисептиков. Антимикробное действие поверхностно-активных веществ связано с их влиянием на проницаемость клеточных мембран, а также ингибирующим действием на ферментативные системы микроорганизмов. Поверхностно-активные вещества неионогенного типа практически не обладают противомикробным действием.

Теплоэнергетика. Здесь поверхностно-активные вещества используются с целью обработки поверхностей систем теплоснабжения и поверхностей теплообменного оборудования для того, чтобы повысить гидрофобность. Это приводит к следующим положительным: снижение гидравлического сопротивления, исключение отложений с оборудования и последующее устранение новых отложений, а также снижение скорости коррозионных процессов.

Поверхностно-активных вещества в мировом производстве составляют 2–3 кг на каждого человека в год. Поверхностно-активные вещества применяются во многих отраслях народного хозяйства. Большими потребителями поверхностно-активных веществ являются химическая, строительная и нефтяная промышленности. Производство поверхностно-активных веществ растет, следовательно, увеличивается рост промышленности. Широкое использование ПАВ в различных технологических процессах обусловливает накопление их в почве, сточных водах, отходах производств.

Предельно допустимая концентрация ПАВ

В водоёмах предельно допустимая концентрация поверхностно-активных веществ равняется 0,5 мг/дм^3, неионогенных — 0,1 мг/дм^3. Когда поверхностно-активные вещества попадают в водоёмы, они оказывают важное влияние на их физикобиологическое состояние, ухудшая кислородный режим и органолептические свойства, они могут сохраняться там долгое время, ведь разлагаются очень медленно. Некоторые сточные воды, которые содержат продукты гидролиза полифосфатных поверхностно-активных веществ, имеют свойства вызывать интенсивный рост растений. Это ведет к сильному загрязнению водоемов: начинается отмирание растений и происходит обеднение воды кислородом, а это делает условия существования губительными для форм жизни в воде. Также большим минусом поверхностно-активных веществ является их сильное пенообразующее свойство.

Биодеградация (биоразложение) ПАВ

Классификация биодеградации ПАВ

Биодеградация – это главный процесс удаления поверхностно-активных веществ из почвенных и водных сред. В этом процессе все поверхностно-активные вещества принято делятся на три группы:

1)легкоокисляемые— это хлорсульфанол и алкилсульфат. Данные вещества довольно просто окисляются микроорганизмами.

2)трудноокисляемые – это сульфанол НП-1 и НП-3;

Если поверхностно-активные вещества попадают в почву или водоёмы, их молекулы подвергаются деструкции и разрушаются микроорганизмами, которые присутствуют в воде, почве и иле.

Стадии биоразложения

Различают несколько стадий процесса биоразложения :

1)первичная биоразлагаемость – происходит разрушение структуры молекулы и отщепление гидрофильных групп, которое обусловливает потерю поверхностно-активных свойств молекул поверхностно-активных веществ, это сразу проявляется отсутствием пенообразования.

2)полную биоразлагаемость -это усвоение осколков молекул поверхностно-активных веществ микробами вплоть до разложения на СО2 и Н2О.

3)вещества, которые имеют промежуточную степень доступности для биодеградации.

Применение легко биоразрушаемых соединений

Данные, полученные в результате различных исследований по биоразлагаемости поверхностно-активных веществ, доказывают , с одной стороны, необходимость внедрения в производство соединений, которые имеют свойство легко биоразрушаться , но с другой стороны о показывают необходимость разработки интенсивных, новых способов очистки среды от поверхностно-активных веществ. Эти способы должны использовать специально полученные высокоактивных культуры микроорганизмов — деструкторов поверхностно-активных веществ. Использование этих культур в микробном методе очистки должно способствовать защите окружающей среды от загрязнения синтетическими веществами, а также сохранению окружающей человека.

3 Пути решения

Пагубное воздействие на живые организмы

Поверхностно-активные вещества не являются высокотоксичными веществами, но есть данные об их косвенном воздействии на гидробионты. При концентрациях 5–15 мг/дм^3 происходит потеря слизистого покрова у рыб, а при еще более высоких концентрациях наблюдается кровотечение жабр. Когда поверхностно-активные вещества попадают в живой организм, происходят генетические нарушения, возникают злокачественные опухоли, ухудшается иммунитет у высших организмов и человека. Для микроорганизмов токсичная доза 0,8–4,0 мг/дм^3, для водорослей — 0,5–6,0 мг/дм^3, для беспозвоночных — 0,01–0,9 мг/дм^3. Поэтому в настоящее время большую актуальность приобретают исследования, направленные на создание эффективных методов очистки окружающей среды от загрязнения поверхностно активными веществами.

Способы очистки сточных вод

Перевод поверхностно-активных веществ в пену, нейтрализация катионактивными веществами, адсорбция активным углем являются главным методом очистки сточных вод в отстойниках. Минус этих методов – дороговизна и неэффективность. Главными факторами понижения концентрации ПАВ являются процессы биохимического окисления, сорбция взвешенными веществами и донными отложениями. Степень биохимического окисления ПАВ зависит от их химического строения и условий окружающей среды.

Использование бактериальных культур для разработки способов очистки

При изучении деструктивной способности штаммов по отношению к поверхностно-активным веществам выявлено, что все они способны к деградации анионных и катионных поверхностно-активных веществ. Появляется возможность использования бактериальных культур для определения методов очистки жидкостей от поверхностно-активных веществ. Метод локальной микробной очистки в данный момент по отношению к сточным водам, содержащим поверхностно-активные вещества, сохраняется на уровне 13 %. Этот метод находит наиболее перспективное применение вв обезвреживании высококонцентрированных стоков, так как бактерии являются единственной группой организмов, которые вносят вклад в разрушение поверхностно-активных веществ в окружающей среде. Данный метод наиболее экономичен и эффективен, и отличается экологической безопасностью.

Экспериментальная часть

Метод Ребиндера – это метод максимального давления в пузырьке.

Когда происходит увеличение количества газа, который проходит через капилляр, возраст поверхности снижается, из этого следует, что снижается время, которое необходимо молекулам для адсорбции и диффузии. Происходит неполное покрытие образованной поверхности активными молекулами, следовательно, поверхностное натяжение увеличивается. В зависимости от возраста поверхности можно построить кривую при наблюдении за каждым пузырьком. По уравнению Лапласа давление внутри пузырька, при уменьшении его диаметра, увеличивается. На кончике капилляра при опускании в жидкость, форма пузырька меняется. Когда пузырь принимает форму сферы, давление становится максимальным. Данное максимальное давление прямо пропорционально поверхностному натяжению.

С помощью данного метода появляется возможность измерять поверхностное натяжение до 100 мН/м.

Данный метод находит свое применение в исследованиях поверхностно-активных веществ, при изучении моющих средств, при оптимизации процессов распыления.

Экспериментальным путем мы определили поверхностное натяжение воды с помощью метода отрыва капель.

Номер опыта	Масса капeль	Число капeль	Длина шприца	Поверхностное натяжение
1	0,001	20	0,0025	0.0693
2	0,002	39	0,0025	0.0711
3	0,003	58	0,0025	0.0717

По формуле вычисляем поверхностное натяжение :

Н/м

Н/м

Н/м

Среднее значение поверхностного натяжения находится по формуле:

Отсюда вычисляем:

Далее определяем относительную погрешность с помощью метода оценки результатов измерений:

Мы измерили поверхностное натяжение жидкости, которое получилось 0.0707 Н/м, данная величина совпадает с табличным значением, при погрешности 1,805

Заключение

На данный момент экологическое состояние водоемов требует синтеза и внедрения в производство биоразлагаемых поверхностно-активных веществ и разработки более действенных, новых и интенсивных способов очистки окружающей среды от поверхностно-активных веществ. Данные способы должны опираться на высокоактивных чистые культуры микроорганизмов-деструкторов ПАВ, полученные специальным путем. Применение данных чистых культур в микробном методе очистки будет способствовать защите окружающей среды и жизни живых существ.

Список используемой литературы:

Ланге К.Р. Поверхностно-активные вещества, перевод с английского, под общее редактирование Л. П. Зайченко, 2004 г. - 240 с.

Вережников В.Н.,Гермашева И.И., Крысин М.Ю. Коллоидная химия поверхностно-активных веществ: Учебно-методическое пособие/ Вережников В.Н.,Гермашева И.И., Крысин М.Ю.-Лань,2015г.-304с.

Башкирцева Н.Ю. Поверхностно-активные вещества и методы исследования их свойств: учебно-методическое пособие / Н. Ю. Башкирцева, О. Ю. Сладовская и др. Казань:Изд-во Казан. гос.технол. ун-та, 2009. – 132 с.

БИОРАЗЛОЖЕНИЕ ПАВ И РАСЧЕТ УДЕЛЬНОЙ АДСОРБЦИИ

Рогожева И.И., Шадрина Д.С., Боровская Л.В.Физико-химический анализ свойств многокомпонентных систем. 2009. № 7. С. 3.

ЭЛЕКТРОКОАГУЛЯЦИОННАЯ ОЧИСТКА ВОДЫ ОТ КОЛЛОИДНЫХ ПАВ. Боровская Л.В., Доценко С.П. Современные наукоемкие технологии. 2010. № 4. С. 76-78.

Код для цитирования: Скопировать