Поверхностно-активные вещества свойства и применение

Содержание:

 

 

Введение

1. Классификация ПАВ…………………………………………………….

2. Методы оценки эффективности ПАВ…………………………………..

2.1  Практические показатели эффективности ПАВ………………………

2.2  Физико-химические критерии оценки эффективности ПАВ………….

2.3  Методы определения адсорбции ПАВ…………………………………

2.4  Поверхностное натяжение жидкости в присутствии ПАВ……………

2.4.1. Виды изотерм поверхностного  натяжения…………………………… ..

2.4.2. Расчет адсорбции  по изотермам поверхностного  натяжения…………..

2.5  Поверхностное давление…………………………………………………

2.6  Критическая концентрация мицеллообразования……………………..

2.7  Краевой угол смачивания………………………………………………

3. Применение ПАВ…………………………………………………………

3.1  Применение ПАВ в моющих средствах……………………………….

3.2  Применение ПАВ в бумажной промышленности……………………

3.3  ПАВ в текстильной промышленности…………………………………

3.4  Техническая чистка твердых поверхностей……………………………

3.5  ПАВ в процессе нефтедобычи вторичным методом…………………..

3.6   Битумные эмульсии……………………………………………………..

3.7   Разрушение эмульсий…………………………………………………..

Заключение………………………………………………………………………..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

Теоретические основы для  исследований растворов ПАВ были заложены Гиббсом и Лэнгмюром. Макбейн предложил новые методы изучения адсорбции, а Гриффин - гидрофильно - липофильного баланса. В настоящее время разработкой новых соединений, обладающих поверхностной активностью, занимается огромное число химиков.  

 В настоящее время поверхностно - активные вещества (ПАВ) применяются в различных областях промышленности  - это моющие средства, флотореагенты, стабилизаторы эмульсии и пен, диспергаторы минералов, антистатики, ингибиторы коррозии, деэмульгаторы и т. д. Такое широкое применение обусловлено их способностью в низких концентрациях значительно интенсифицировать технологические процессы, а также модифицировать поверхности, придавая им необходимые свойства. /1/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Классификация.

 

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) - вещества с асимметричной молекулярной структурой, молекулы которых содержат одну или несколько гидрофильных групп и один или несколько гидрофобных радикалов. Такая структура, называемая дифильной, обусловливает поверхностную (адсорбционную) активность ПАВ, т. е. их способность концентрироваться на межфазных поверхностях раздела (адсорбироваться), изменяя их свойства.

 

По характеру диссоциации  все ПАВ делятся на:

• Ионогенные ПАВ

- Анионные ПАВ, функциональные группы которых в результате ионизации в растворе образуют отрицательно заряженные органические ионы, обусловливающие поверхностную активность:

Соли карбоновых кислот RCOOMe (где Me — металл)

Соли сульфоэфиров (металл алкилсульфаты) R0S0₃Me

 Соли сульфоновых кислот (металл алкилсульфонаты) RS0₃Me

Соли сульфиновых кислот (металл алкилсульфинаты) RSО₂Me

Соли тиосульфатов (металл S-алкилтиосульфаты) RS₂О₃Me 

Соли персульфатов R0S0₂00S0₃Me

Соли сульфаминовых кислот (металл ациламиносульфонаты) R'R''NSO₃Me

Металл алкилфосфаты ROPO(OMe)₂, (RO)₂POOMe

Металл диалкилдифосфаты (R0)₂P₂0₃Me

Металл алкилфосфиты ROP(OMe)₂

Металл алкилфосфонаты RPO(OMe)₂, R₂PO(OMe);

- Катионные ПАВ, функциональные группы которых в результате ионизации в растворе образуют положительно заряженные органические ионы, обусловливающие поверхностную активность:

Соли аминов (первичных, вторичных и третичных), алкилгидразинов, гидразонов, гуанидинов и т. д. RNR'R"HX (где X — анион)

Четвертичные аммониевые основания [RN(R'R''R'")]+X- и их соли

Четвертичные основания  гетероциклических соединений и их соли (например, алкилпиридиний ацилаты [RNC₅H₅]+X-)

Четвертичные окиси аминов RN(CH₃)₂0

Четвертичные фосфониевые основания [RP(R'R''R''')]+X-

Четвертичные арсониевые основания [RAs(R'R''R''')]+X-

Третичные сульфониевые основания [RS(R'R")]+X-;

• Неионогенные ПАВ, практически не образующие в водном растворе ионов;

Одно- и многоатомные спирты ROH и R(OH)n

Кислоты RCOOH

Амины RNR'R"

Альдегиды и кетоны RCHO, RCOR'

Простые эфиры ROR'

Сложные эфиры одно- и  многоатомных спиртов и кислот RCOOR'

Сложные эфиры глюкозидов RCOOG (где G — остаток глюкозида)

Амиды кислот RCON(R'R")

Нитрилы RCN

Нитросоединения RN0₂

Алкилгалогениды RHal

Оксиэтильные производные веществ, имеющих активный атом водорода (спиртов, кислот, аминов, амидов, фенолов, глюкозидов, сульфатов, сульфонатов, фосфатов и т. д. и т. п.) [R]_mY[(C₂H₄0)_nH]_k (где Y — полярные группы перечисленных классов веществ, т и k в большинстве случаев равны 1) Сополимеры окиси этилена и окиси пропилена Н0(СН₃СНСН₂0)_n-(С₂Н₄0)_mН, так называемые плюроники и проксанолы.

• Амфолитные ПАВ, образующие в водном растворе в зависимости от условий (pH, растворитель и т. д.) или анионоактивные, или катионоактивные вещества.

Карбоксибетаины (триалкиламмонийалканоаты} (R'R''R''')N+RCOO-                                       Сульфобетаины (триалкиламмонийалкансульфонаты) (R'R''R''')N+RS0-3                         Аминокарбоновые кислоты и их соли H2NRCOOH и RR'NR" (CONHR'''COOH                    Фосфобетаины (триалкиламмонийалканфосфаты) RP0-3(CH2)nN+(R')3

В отдельную группу выделяются высокомолекулярные (полимерные) ПАВ, состоящие из большого числа повторяющихся звеньев, каждое из которых имеет полярные и неполярные группы.

Класс ПАВ определяется полярной группой. Следует лишь учитывать, что многие ПАВ полифункциональны, т. е. имеют несколько различных полярных групп, совмещая свойства различных классов, например сульфосукцинаты (соли эфиров сульфоянтарной кислоты).

Высокомолекулярные ПАВ  по механизму действия и адсорбционной  способности принципиально отличаются от классических дифильных ПАВ.

Для всех высокомолекулярных ПАВ характерна линейная структура  цепи.

По характеру диссоциации  полярных групп высокомолекулярные ПАВ, так же как низкомолекулярные, делятся на анионные, катионные, неионогенные и амфолитные и относятся к классам по полярной группе. Кроме того они делятся по природе элементарного звена на природные полипептиды и полисахариды, синтетические поливинилы или замещенные полиэтилены [—СН₂СНХ—]_n, [—CHXCHZ—]_n, полиоксы, полиимины, полиэфиры, полиамиды и т. д. общей формулы [—(СН2)_mY—]_n. Высокомолекулярные ПАВ также часто бывают полифункциональны.

 

Наиболее распространены следующие гидрофобные группы (они  входят как радикал R во все классы ПАВ): первичный, вторичный или третичный алкил С_nН2_n+1; алкен CnH_2n+1CH = CHC_nH_2n; алкин C_nH_2n+1C≡CC_nH_2n; алкилбензол С_nН_2n+1С₆Н₄; моно-  или полиалкилнафталин C_nH_2n+1C₁₀H₆; алкилциклоалкан С_nН_2n+1С₆Н₁₀.

Все ПАВ объединяет то, что  применение их обусловлено адсорбцией на границах раздела фаз и способностью понижать поверхностное натяжение. Эти их свойства определяются дифильностью молекул, т. е. наличием в них гидрофильных и гидрофобных центров. /2/

 

Практические показатели эффективности  ПАВ

Существует значительный разрыв между практическими характеристиками ПАВ и показателями физико-химических свойств систем.

Оценка эффективности ПАВ проходит в три этапа:

а) непосредственная оценка действия (например, оценка моющего по отмыванию загрязнений, флотационного  - по эффективности флотации и т. д.);

б) с использованием критериев, предложенных на основании интуиции исследователя или качественных представлений (например, система ГЛБ);

в) с использованием критериев, представляющих собой постоянные или параметры фундаментальных уравнений (например, оценка поверхностной активности dϭ/dC из уравнения Гиббса или ее энергетического выражения  - работы  адсорбции  ,

где ϭ — поверхностное натяжение, С — концентрация ПАВ в растворе, δ — толщина поверхностного слоя).

Из перечисленных методов  только последние имеют четкий физический смысл и предсказательную силу. Однако действие ПАВ до настоящего времени  часто оценивают по непосредственным показателям эффективности. В первой графе таблицы  приведены основные процессы с применением ПАВ, а со второй — непосредственные методы оценки эффективности действия ПАВ в каждом из перечисленных процессов. /2/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1.

 

 

 

Чтобы ПАВ было эффективным эмульгатором, пенообразователем, моющим реагентом и т. д., в его  молекуле должен быть определенный баланс между полярными и неполярными группами.

Первоначально система ГЛБ была предложена для  отличия эмульгаторов первого рода, стабилизирующих эмульсии масло/вода, от эмульгаторов второго рода, стабилизирующих эмульсии вода/масло, а затем получила распространение и в других областях применения ПАВ. Система ГЛБ имеет шкалу от 0 до 40; ПАВ с выраженными липофильными свойствами (растворимые в органических растворителях) имеют низкие значения ГЛБ, а гидрофильные вещества — высокое. Ниже приводятся примерные пределы чисел ГЛБ и соответствующие им применения ПАВ:

Чтобы найти число ГЛБ для  конкретного ПАВ, необходимо испытать его в сравнении с уже известными веществами и найти ему место на шкале.

Однако эти  весьма трудоемкие операции дают возможность  лишь приблизительно приписать исследованным ПАВ число ГЛБ.

В настоящее время существует и ряд инструментальных методов  оценки ГЛБ: по коэффициенту растекания, по коэффициенту распределения, с помощью  газожидкостной хроматографии и хроматографии на бумаге и некоторые другие, однако все они трудоемки и недостаточно надежны.

Попытка создать теорию ГЛБ была предпринята Дэвисом, который  каждой группе, входящей в молекулу ПАВ, приписал групповое число. При  сложении этих чисел получается ГЛБ ПАВ по формуле:

Ниже приводятся значения групповых чисел ГЛБ  по Дэвису:

 

Система дает общие  представления о свойствах вещества и удовлетворительно объясняет качественно поведение ПАВ, однако она не позволяет осуществить количественных расчетов — в этом ее основной недостаток. /2/

 

Физико-химические критерии оценки эффективности ПАВ

 

Основные процессы, базирующиеся на адсорбционной способности ПАВ, могут рассматриваться как складывающиеся из элементарных актов (см. таблицу 1).

 

Диспергирование гетерогенных систем. С понижением поверхностного натяжения облегчается диспергируемость гетерогенных систем. Оценкой диспергирующего действия ПАВ должно служить изменение поверхностного натяжения  ∆ϭ=ϭ₀-ϭ (где ϭ и ϭ_о — поверхностное натяжение систем с ПАВ и без ПАВ). При некоторой концентрации достигается предел растворимости С_р (в случае коллоидных ПАВ С_Р = ККМ) и поверхностное натяжение больше не понижается. Следовательно, максимальный удельный эффект, который может быть достигнут, составляет ∆ϭ /С_р. Это и есть критерий оценки диспергирующего действия ПАВ. Если ПАВ гомогенизирует фазы, то вместо С_р необходимо брать концентрацию гомогенизации С _гом. /2/

 

Образование защитных и  гидрофобизирующих пленок. При адсорбции образуется защитный, по отношению к внешним воздействиям слой, и это действие характеризуется изменением гидрофильно - гидрофобных свойств поверхности, описывающихся изменением косинуса угла смачивания ∆cosƟ/∆Г или изменением поверхностного натяжения ∆ϭ, необходимым для придания изолирующих и защитных свойств при определенной адсорбции Г (последняя равняется концентрации ПАВ на поверхности раздела фаз), т. е. ∆cosƟ/∆Г для поверхности твердое/жидкость и ∆ϭ /∆Г для жидких подвижных поверхностей. Кроме того, необходимо оценить, насколько прочно ПАВ будет удерживаться на поверхности раздела фаз, т. е. как долго будет работать этот слой. Этот показатель оценивается работой адсорбции W. /2/

 

Стабилизация и дестабилизация дисперсных систем. Стабилизирующее действие ПАВ (предотвращение слияния или слипания дисперсных частиц гетерогенных систем) оценивается по тому, насколько устойчива дисперсная система, стабилизированная данным ПАВ; какую максимальную поверхность может стабилизировать ПАВ при данной концентрации; в каких концентрационных пределах С_e ПАВ является стабилизатором дисперсных систем. Показателем устойчивости системы служит коэффициент устойчивости К_уст, рассчитываемый по кинетическим уравнениям, или «время жизни» системы.