Поверхностно активные вещества

Содержание

 

Тема № 8: Поверхностно активные вещества

 

Введение …………………………………………………………………... 3

1. Поверхностно активные вещества (ПАВ) ………………………... 5
2. Классификация поверхностно активных веществ. Производство поверхностно активных веществ из высших жирных спиртов ………….…… 6
3. Влияние ПАВ на компоненты окружающей среды ……...…….. 9
4. Области применения ………………………………………..…… 11
5. Величина поверхностного натяжения……………...…………… 13

Заключение ………………………………………..………………...…... 15

Список литературы …………………………………..………...……….. 16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

ПАВ – органические соединения, имеющие амфифильное строение, то есть их молекулы имеют в своём составе полярную часть, гидрофильный компонент (функциональные группы -ОН, -СООН, -SOOOH, -O-, или, чаще, их соли -ОNa, -СООNa, -SOOONa и т. п.) и неполярную (углеводородную) часть, гидрофобный компонент.

Примером ПАВ могут  служить обычное мыло (смесь натриевых солей жирных карбоновых кислот — олеата, стеарата натрия), СМС (синтетические моющие средства), а также спирты, карбоновые кислоты, амины.

ПАВ делятся на те, которые быстро разрушаются в окружающей среде и те, которые не разрушаются и могут накапливаться в организмах в недопустимых концентрациях. Один из основных негативных эффектов ПАВ в окружающей среде — понижение поверхностного натяжения.

Например в океане изменение  поверхностного натяжения приводит к снижению показателя удерживания CO₂ и кислорода в массе воды. Только немногие ПАВ считаются безопасными (алкилполиглюкозиды), так как продуктами их деградации являются углеводы.

Однако при адсорбировании ПАВ на поверхности частичек земли/песка степень/скорость их деградации снижаются многократно. Так как почти все ПАВ, используемых в промышленности и домашнем хозяйстве, имеют положительную адсорбцию на частичках земли, песка, глины, при нормальных условиях они могут высвобождать (десорбировать) ионы тяжёлых металлов, удерживаемые этими частичками, и тем самым повышать риск попадания данных веществ в организм человека.

Область применения:

– Моющие средства. 

– Косметика. 

– Текстильная промышленность. 

– Кожевенная промышленность. 

– Лакокрасочная промышленность. 

– Бумажная промышленность. 

– Металлургия. 

– Защита растений. 

– Пищевая промышленность. 

– Нефтедобыча. 

– Строительство.

– Медицина. 

Поверхностное натяжение  – термодинамическая характеристика поверхности раздела двух находящихся в равновесии фаз, определяемая работой обратимого изотермокинетического образования единицы площади этой поверхности раздела при условии, что температура, объём системы и химические потенциалы всех компонентов в обеих фазах остаются постоянными.

Поверхностное натяжение  имеет двойной физический смысл — энергетический (термодинамический) и силовой (механический).

Энергетическое (термодинамическое) определение: поверхностное натяжение — это удельная работа увеличения поверхности при её растяжении при условии постоянства температуры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Поверхностно активные вещества (ПАВ)

 

Поверхностно активные вещества (ПАВ) – химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела термодинамических фаз, вызывают снижение поверхностного натяжения.

Основной количественной характеристикой ПАВ является поверхностная активность – способность вещества снижать поверхностное натяжение на границе раздела фаз – это производная поверхностного натяжения по концентрации ПАВ при стремлении С к нулю. Однако, ПАВ имеет предел растворимости (так называемую критическую концентрацию мицелло образования или ККМ), с достижением которого при добавлении ПАВ в раствор концентрация на границе раздела фаз остается постоянной, но в то же время происходит самоорганизация молекул ПАВ в объёмном растворе (мицелло образование или агрегация). В результате такой агрегации образуются так называемые мицеллы.

Отличительным признаком  мицелло образования служит помутнение раствора ПАВ.

Водные растворы ПАВ, при  мицелло образовании также приобретают голубоватый оттенок (студенистый оттенок) за счёт преломления света мицеллами.

Методы определения ККМ:

– Метод поверхностного натяжения;

– Метод измерения краевого угла (угла смачивания) с твердой или жидкой поверхностью (Contact angle);

– Метод вращающейся капли (Spindrop/Spinning drop);

ПАВ – органические соединения, имеющие амфифильное строение, то есть их молекулы имеют в своём составе полярную часть, гидрофильный компонент (функциональные группы:

– ОН,

– СООН,

– SOOOH,

– O –,

или, чаще, их соли:

– ОNa,

– СООNa,

– SOOONa)

И неполярную (углеводородную) часть, гидрофобный компонент.

Примером ПАВ могут  служить:

– обычное мыло (смесь натриевых солей жирных карбоновых кислот — олеата, стеарата натрия),

– СМС (синтетические моющие средства),

– спирты,

– карбоновые кислоты, 

– амины.

2. Классификация поверхностно активных веществ.

Производство поверхностно активных веществ из высших жирных спиртов

 

Классификация ПАВ:

– Ионогенные ПАВ;

– Катионные ПАВ;

– Анионные ПАВ;

– Амфотерные;

– Неионогенные ПАВ;

– Алкилполиглюкозиды;

– Алкилполиэтоксилаты.

 

Производство ПАВ из высших жирных спиртов:

Важнейшим сырьём в производстве современных поверхностно-активных веществ для синтетических моющих средств являются высшие жирные спирты, которые в зависимости от реагента дают неионогенные или анионные ПАВ, что иллюстрирует приведённая ниже схема:

 

 

 

Схема 1

 

 

Мировой объём использования  высших жирных спиртов в производстве ПАВ в 2000 году составил 1,68 миллионов тонн. В 2003 году около 2,5 миллионов тонн ПАВ было произведено на основе высших жирных спиртов.

 

Класс ПАВ	Вид ПАВ		Химическая формула	Реагент для синтеза	Схема синтеза
Неионогенные ПАВ	Алкоксилаты	этоксилаты		окись этилена	Реакция протекает в присутствии  щелочи при температуре до 160°С и  давлении до 0,55МПа. Обычно используют C9—C15 спирты в сочетании с 6—7 молями окиси этилена
		пропоксилаты		окись пропилена
		бутоксилаты		окись бутилена
	Алкилгликозиды			глюкоза	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	Карбоксиэтоксилаты			хлоруксусная кислота	Реакция протекает в присутствии  щёлочи, кислота выделяется подкислением водного раствора и отделением водно-солевой  фазы.
	Фосфаты и полифосфаты		;	оксид фосфора(V)	Добавление порошкообразного оксида фосфора к безводным спиртам  в безводной среде при 50—70 °С и интенсивном перемешивании.
	Сульфосукцинаты		;	малеиновый ангидрид, сульфит натрия	Этерификация спиртов малиновым ангидридом (T до 100 °С) и дальнейшее присоединение к эфиру сульфита натрия при нагревании.
	Алкилсульфаты			серная кислота,оксид серы(VI), хлорсульфоновая кислота	Прямое сульфирование  спиртов при последующей нейтрализации раствора щелочью.
	Алкилэфиросульфаты

 

 

Таблица 1 Применение высших жирных спиртов для производства поверхностно-активных веществ

 

Также в производстве ПАВ  используются и некоторые другие спирты: 

– глицерин (сложные эфиры с жирными кислотами — эмульгаторы), 

– сорбитол (сорбитаны), 

– моноэтаноламин и диэтаноламин (алканоламиды).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Влияние ПАВ на компоненты окружающей среды

 

ПАВ делятся на те, которые быстро разрушаются в окружающей среде и те, которые не разрушаются и могут накапливаться в организмах в недопустимых концентрациях. Один из основных негативных эффектов ПАВ в окружающей среде — понижение поверхностного натяжения. Например в океане изменение поверхностного натяжения приводит к снижению показателя удерживания CO₂ и кислорода в массе воды. Только немногие ПАВ считаются безопасными (алкилполиглюкозиды), так как продуктами их деградации являются углеводы. Однако при адсорбировании ПАВ на поверхности частичек земли/песка степень/скорость их деградации снижаются многократно. Так как почти все ПАВ, используемых в промышленности и домашнем хозяйстве, имеют положительную адсорбцию на частичках земли, песка, глины, при нормальных условиях они могут высвобождать (десорбировать) ионы тяжёлых металлов, удерживаемые этими частичками, и тем самым повышать риск попадания данных веществ в организм человека.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Области применения

 

Область применения:

– Моющие средства. 

Основное применение ПАВ — в качестве активного компонента моющих и чистящих средств (в том числе, применяемых для дезактивации), мыла, для ухода за помещениями, посудой, одеждой, вещами, автомобилями и пр. В 2007 году в России было произведено более 1 млн тонн синтетических моющих средств, главным образом — стиральных порошков.

– Косметика. 

Основное использование  ПАВ в косметике — шампуни, где содержание ПАВ может достигать десятков процентов от общего объёма. Также ПАВ используются в небольших количествах в зубной пасте, лосьонах, тониках и других продуктах.

– Текстильная промышленность. 

ПАВ используются в основном для снятия статического электричества на волокнах синтетической ткани.

– Кожевенная промышленность. 

Защита кожаных изделий  от лёгких повреждений и слипания.

– Лакокрасочная промышленность. 

ПАВ используются для снижения поверхностного натяжения, что обеспечивает лёгкое проникновение красочного материала в маленькие углубления на обрабатываемой поверхности и их заполнение с вытеснением при этом оттуда другого вещества (например, воды).

– Бумажная промышленность. 

ПАВ используются для разделения чернил и варёной целлюлозы при переработке использованной бумаги. Молекулы ПАВ адсорбируются на пигменте чернил. Пигмент становится гидрофобным. Далее воздух пропускается через раствор пигмента и целлюлозы. Пузырьки воздуха адсорбируются на гидрофобной части ПАВ и частички пигмента чернил всплывают на поверхность.

– Металлургия. 

Эмульсии ПАВ используются для смазки прокатных станов. Снижают  трение. Выдерживают высокие температуры, при которых сгорает масло.

– Защита растений. 

ПАВ широко используются в агрономии и сельском хозяйстве для образования эмульсий. Используются для повышения эффективности транспортировки питательных компонентов к растениям через мембранные стенки.

– Пищевая промышленность. 

ПАВ в виде эмульгаторов (например лецитина) добавляют для улучшения вкусовых качеств мороженого, шоколада, взбитых сливок, соусов для салатов и других блюд.

– Нефтедобыча. 

ПАВ применяются для гидрофобизации призабойной зоны пласта (ПЗП) с целью  увеличения нефтеотдачи.

– Строительство.

ПАВ называемые пластификаторами, добавляют к цементно-песчаным смесям и бетонам для уменьшения их водопотребности при сохранении подвижности. Это увеличивает конечную прочность (марку) затвердевшего материала, его плотность, морозостойкость, водонепроницаемость.

 – Медицина. 

Катионные и анионные ПАВ  применяют в хирургии в качестве антисептиков. Например, четвертичные аммониевые соединения приблизительно в 300 раз эффективнее фенола по губительному действию в отношении микроорганизмов. Антимикробное действие ПАВ связывают с их влиянием на проницаемость клеточных мембран, а также ингибирующим действием на ферментативные системы микроорганизмов. Неионогенные ПАВ практически не обладают противомикробным действием.