XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) представляют собой химические соединения, которые, концентрируясь на термодинамической границе раздела фаз, вызывают снижение поверхностного натяжения, создавая слой повышенной концентрации - адсорбционный слой.

Молекула ПАВ дифильная: состоит из гидрофобной части и гидратируемого остатка - гидрофильной группы. Гидрофобная часть молекулы поверхностно-активного вещества обычно состоит из парафиновой цепи с прямой или разветвленной цепью или бензольных или нафталиновых колец с алкильными радикалами. Гидрофильные группы в молекуле поверхностно-активного вещества могут представлять собой карбоксильные, сульфатные, гидроксильные, сульфонатные, полиэфирные, азотсодержащие повторяющиеся группы.

Благодаря такой структуре молекулы поверхностно-активного вещества, растворенные или диспергированные в жидкости, абсорбируются на границе раздела, демонстрируя способность снижать поверхностное натяжение на границе раздела жидкость-газ и жидкость-жидкость; они образуют молекулярные агрегаты (мицеллы) при определенной концентрации вещества, растворяют нерастворимые в воде соединения и другие функциональные свойства, определяющие область применения данного поверхностно-активного вещества.

1.1. Классификация ПАВ.

ПАВ классифицируют по различным признакам:

1.Водорастворимые ПАВ, жирорастворимые ПАВ.

2.Ионогенные и неионногенные ПАВ.

Это вещества, которые диссоциируют на ионы и недиссоциирующие. Они могут быть: анионактивные, и катионактивные, и амфотерные. Анионактивные ПАВ — это щелочные соли жирных кислот –RCOOMe, алкилсульфаты – сульфоэфиры высщих спиртов и их соли типа R-O-SO3-Me, алкил- и арилсульфонаты, RSO3Me – щелочные соли высокомолекулярных сульфокислот, где R обозначает углеводородный радикал с числом атомов углерода 10-20, а Ме – ионы Na, K, NH4. У этих ПАВ поверхностно активные ионы заряжены отрицательно.

Катионактивные ПАВ — это соли аминов, четвертичных аммоноевых оснований, алкилпиридиновых соединений: [ RN+H3]Cl, [R(CH3)3N+]Cl, [RN++-]Cl. Поверхностно-активные ионы таких веществ заряжены положительно.

Анион- и катионактивные ПАВ не могут присутствовать одновременно в водном растворе, так как при взаимодействии крупных катионов и анионов образуются соли, плохо растворимые в воде.

Амфотерные ПАВ — это алкиламинокислоты RNH₂COOH, в зависимости от рН они могут проявлять анионактивные свойства (в щелочной среде) или катионактивные (в кислой среде).

Неионногенные ПАВ (НПАВ) – это вещества, молекулы которых не диссоциируют на ионы. НПАВ дифильны, поскольку образуются, например, при взаимодействии высших спиртов, кислот, или фенолов с несколькими молекулами оксида этилена. В результате получаются соединения типа R(OCH2CH2)mОН. Чем длиннее оксиэтиленовая цепочка, тем более выражены гидрофильные свойства НПАВ.

Поверхностно-активные вещества также можно классифицировать по таким характеристикам, как:

По характеру использования:

Моющие средства

Смачивающие агенты

Эмульгаторы

Пеногасители

Солюблизаторы

По длине гидрофобной цепи:

- гидрофобные поверхностно-активные вещества

- гидрофильные поверхностно-активные вещества

Анионные ПАВ в моющих средствах – это наиболее часто используемые компоненты. Они самые эффективные и самые дешевые. Их липофильный полюс соединяет молекулы жира, а их гидрофильный полюс взаимодействует с водой. Благодаря этому можно быстро перерабатывать сложные жировые отложения.

Чаще всего в составе используют следующие компоненты:

натрия лаурилсульфат;

натрия лаурет сульфат;

лаурилсульфат аммония;

лауроилсаркозинат натрия.

Катионные поверхностно-активные вещества в детергентах – эта группа поверхностно-активных веществ при растворении разлагается на катионы и анионы. Первые являются носителями поверхностной активности. Среди них есть:

аммониевые основания;

соли высших аминов;

сульфониевые компоненты;

фосфониевые частицы.

Катионные поверхностно-активные вещества обладают плохой моющей способностью. Сфера их применения существенно ограничена. В стиральных порошках, шампунях и кондиционерах они используются для нейтрализации агрессивного воздействия анионных поверхностно-активных веществ. При контакте с ними образуются неполярные соединения, которые плохо растворяются в воде и выпадают в осадок.

Неионные поверхностно-активные вещества в детергентах - по эффективности и популярности неионные поверхностно-активные вещества уступают только анионным поверхностно-активным веществам. Они обладают следующими свойствами:

Отличное очищающее действие. Быстро удаляет загрязнения без использования дополнительных добавок в рецептуре.

Устойчив к жесткой воде. Моющие средства не влияют на их эффективность в условиях некачественной водопроводной воды.

Биоразлагаемость. Компоненты быстро распадаются на простые частицы, безопасные для здоровья человека и окружающей среды. Амфотерные ПАВ в составе моющих средств: компоненты проявляют свои свойства в зависимости от среды, в которую они попадают. Решающим фактором для их определения является уровень pH. В кислой среде проявляются свойства катионных веществ, а в щелочной - анионных.

Важное преимущество амфотерных частиц - бережное отношение к коже. Они обладают не только моющим, но и бактерицидным действием. Самые распространенные вещества:

кокаминопропил бетаин;

имидазолин.

Смачиватель представляет собой поверхностно-активное вещество, которое, ориентируясь на поверхности по принципу «подобное растворяется в подобном», имеет низкое поверхностное натяжение, образует твердые гидрофобные горючие вещества (дерево, хлопок, торф, резина, пыль. древесный уголь и др.), плохо смоченные водой. Используется для тушения пожаров.

Солюбилизаторы - это класс поверхностно-активных веществ, которые помогают растворять плохо растворимые ингредиенты в растворах. Процесс солюбилизации состоит из распределения частиц плохо растворимого вещества между раствором и мицеллами солюбилизатора.

Эмульгаторы с относительно короткой гидрофобной частью обладают более высоким сродством к воде и поэтому называются гидрофилами. Гидрофильные эмульгаторы необходимы для стабилизации эмульсий масло-в-воде. Когда к такой эмульсии добавляется гидрофильный эмульгатор, вокруг капель масла образуется непрерывный слой эмульгатора, который придает ей определенную гидрофильность и увеличивает ее стабильность.

Эмульгаторы, молекулы которых имеют относительно длинную гидрофобную часть, обычно гидрофобны. Такие эмульгаторы называют гидрофобными (или липофильными). Гидрофобные эмульгаторы стабилизируют эмульсии типа вода в масле. Их молекула, которая обычно находится в дисперсионной среде (масле), удерживается на поверхности капель воды гидрофильной группой.

1.2. Производство ПАВ из высших жирных спиртов.

Класс ПАВ	Вид ПАВ	Химическая формула	Реагент для синтеза	Схема синтеза
Неионогенные ПАВ	этоксилаты	R−O−(CH2CH2O)nH	окись этилена	ROH + n(CH2CH2)O → RO−(CH2CH2O)nH Реакция протекает в присутствии щёлочи при температуре до 160°С и давлении до 0,55 МПа. Обычно используют C9—C15 спирты в сочетании с 6—7 молями этиленоксида.
	бутоксилаты	R−O−(CH2CH(C2H5)O)nH	окись бутилена
	пропоксилаты	R−O−(CH2CH(CH3)O)nH	окись пропилена
	Алкилгликозиды	R−(O−C6H10O5)nH	глюкоза	ROH + nC6C12O6 → R−(O−C6H10O5)nH+nH2O Реакция протекает в присутствии сульфокислот при температуре до 140°С. Другой вариант — предварительное получение бутиловых эфиров с последующей переэтерификацией. Число гликозидных групп колеблется от 1 до 3.
Анионные ПАВ	Фосфаты и полифосфаты	ROP(OH)2O; (RO)2P(OH)O	оксид фосфора(V)	RO(CH2CH2O)nH + ClCH2COOH → RO(CH2CH2O)nСH2COOH + HCl Реакция протекает в присутствии щёлочи, кислота выделяется подкислением водного раствора и отделением водно-солевой фазы.
	Карбоксиэтоксилаты	R−O−(CH2CH2O)nСH2COOH	хлоруксусная кислота	3ROH + P2O5 → ROP(OH)2O +(RO)2P(OH)O Добавление порошкообразного оксида фосфора к безводным спиртам в безводной среде при 50—70 °С и интенсивном перемешивании[К 3].
	Сульфосукцинаты	ROC(O)CH2CH(SO3Na)COOR ROC(O)CH2CH(SO3Na)COOH;	сульфит натрия малеиновый ангидрид	ROC(O)CH=CHCOOH + Na2SO3 → ROC(O)CH2CH(SO3Na)COONa ROH + (COCH=CHCO)O → ROC(O)CH=CHCOOH Этерификация спиртов малиновым ангидридом (T до 100 °С) и дальнейшее присоединение к эфиру сульфита натрия при нагревании.
	Алкилэфиросульфаты	R−(CH2CH2O)nOSO3H	серная кислота, оксид серы(VI), хлорсульфоновая кислота	ROH + SO3 → ROSO3H Прямое сульфирование спиртов при последующей нейтрализации раствора щелочью.
	Алкилсульфаты	R−O−SO3H[К 4]

2. Механизм детергентного действия ПАВ.

В действии моющего средства есть важное свойство, определяющее использование поверхностно-активных веществ, это способность очищать твердую поверхность от грязи. Наиболее распространено удаление грязи биологического происхождения, жировой пленки и твердых частиц.

Моющее действие ПАВ обусловлено комплексом коллоидно-химических процессов, в который входят следующие элементы.

1. Диспергирование и солюбилизацию загрязнений.

Когда крупные частицы твердой фазы (пыль, грязь) пептизируются, а водонерастворимые жидкости эмульгируются, загрязняющие вещества диспергируются. Эмульгирование жидких загрязнителей обычно сопровождается их солюбилизацией — растворением в мицеллах поверхностно-активных веществ. Нерастворимые в воде органические вещества, такие как жиры, растворяются в водных растворах коллоидных поверхностно-активных веществ.

Самым важным этапом детергентного действия поверхностно-активных веществ является солюбилизация, но она также имеет самостоятельное значение при приготовлении смазочных жидких эмульсий, пищевых продуктов, косметических и фармацевтических форм в некоторых технологических процессах.

2.Улучшение смачивания за счет уменьшения поверхностного натяжения жидкости, начальным этапом не только моющего действия, но и других типов использования поверхностно-активных веществ является смачивание. В присутствии поверхностно-активных веществ поверхностное натяжение на границе раздела «загрязнение — раствор» уменьшается, что способствует смачиванию, превышению сил сцепления между очищаемой поверхностью и загрязнением и отделению загрязнения от поверхности.

3. Пенообразование, которое механически перемещает загрязнения от очищаемой поверхности.

Около половины мирового производства поверхностно-активных веществ используется в моющих средствах и бытовой химии (детергенты). Другая половина используется в промышленности — для улучшения смачивания в бумажной и текстильной промышленности, для уменьшения силы адсорбции, при резке и шлифовании металлов при флотации руды; повышение нефтеотдачи, регулирование агрегативной устойчивости при бурении в глинистых породах.

4. Стабилизацию образовавшейся дисперсной системы.

Адсорбция поверхностно-активных веществ на поверхность твердых загрязнений придает им агрегативную стабильность и предотвращает повторное осаждение загрязнений на вымытую поверхность.

Заключение 

Отказаться от использования синтетических компонентов в повседневной жизни невозможно. Альтернативой им являются продукты, полностью изготовленные из натуральных ингредиентов. Но их высокая цена сильно ограничивает круг потребителей. Поэтому правильным решением становится тщательный подбор продуктов.

Синтетические моющие средства очень медленно разлагаются, вредят природе и живым организмам, проявляют себя непредсказуемо. Превращение поверхностно-активных веществ в пену, нейтрализация катионными веществами и др., адсорбция активированным углем недостаточно эффективны и очень дороги. Поэтому предпочтительно очищать сточные воды от поверхностно-активных веществ в естественных условиях (в водоемах) и отстойниках путем биологического окисления под действием гетеротрофных бактерий, входящих в состав активного ила.

Список используемых источников

Электронный учебник Физическая химия. Химическая термодинамика. Данилин В.Н.1, Шурай П.Е.1, Боровская Л.В. Кубанский государственный технологический университет, 350072, г. Краснодар, - Тип: учебное пособие,- 2010 Издательство: ФГУП НТЦ "Информрегистр" (Москва).

Боровская Л.В. Электронный учебно-методический комплекс дисциплины «Физическая и коллоидная химия: учебно-методический комплекс дисциплины» Учебное пособие. ФГУП НТЦ «ИНФОРМРЕГИСТР» Депозитарий электронных изданий. Москва 2010 .

Электрокоагуляционная очистка воды от коллоидных ПАВ. Боровская Л.В., Доценко С.П. Современные наукоемкие технологии. 2010. № 4. С. 76-78.

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.

Ерёменко И.А., Кожагельдиева Д.Д. Применение ПАВ при разработке сланцевых месторождений и его влияние на экологию // Материалы X Международной студенческой научной конференции «Студенческий научный форум» URL: href="http://scienceforum.ru/2018/article/2018009319">http://scienceforum.ru/2018/article/2018009319</a> (дата обращения: 17.12.2020 ).

Код для цитирования: Скопировать