Выделение, очистка, колличественное получение поверхностно-активных веществ в воде

Содержание

 

 

 

Введение

 

В настоящее время во всех областях промышленности, народного хозяйства и биологии применяют поверхностно-активные вещества (ПАВ). По объему производства, ассортименту на мировом рынке и важности в хозяйстве ПАВ стоят на одном уровне с каучуками, красителями, взрывчатыми веществами и др.

ПАВ применяют для самых различных целей: в качестве моющих агентов, для стабилизации дисперсных систем — эмульсий, пен, суспензий, для понижения прочности обрабатываемых материалов покрытия поверхностей, например, с целью гидрофобизации или защиты от испарения, для флотации и т. д.

Основные объекты применения связаны с использованием тех физических свойств ПАВ, которые обусловливают их адсорбционную способность. Несмотря на это именно физические свойства ПАВ изучены недостаточно и неполно разработана теория применения ПАВ.

Теоретически любое химическое соединение, имеющее в молекуле гидрофильные и гидрофобные участки, будет поверхностно-активным. Однако в действительности только некоторые из них являются эффективными моющими средствами, стабилизаторами эмульсий и пен, пленкообразователями и т. д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Общая характеристика  поверхностно – активных веществ (ПАВ)

 

Поверхностно – активные вещества (ПАВ) – обширная группа соединений, различная по своей структуре и относящаяся к разным классам веществ. ПАВ адсорбируются на поверхности раздела фаз, понижая тем самым поверхностное натяжение (чем объясняется их моющий эффект).

ПАВ – органические соединения, молекулы которых имеют в строении полярную гидрофильную часть  (функциональные группы  – OH, – COOH,

– O и др.) и углеводородную гидрофобную. Таким образом, они растворимы в органических растворителях и воде [10].

Рисунок 1 – Мицелла

Основная количественная характеристика ПАВ - поверхностная активность — способность вещества снижать поверхностное натяжение на границе раздела фаз. Но ПАВ имеет предел растворимости ("критическую концентрацию мицеллообразования" 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 объемном растворе (мицеллообразование или агрегация). В результате такой агрегации образуются мицеллы. Отличительным признаком мицеллообразования служит помутнение раствора ПАВ. Водные растворы ПАВ, при мицеллообразовании также приобретают голубоватый оттенок (студенистый оттенок) за счет преломления света мицеллами [10].

 

1.1 Типы  ПАВ

 

Анионактивные ПАВ – содержат в молекуле одну или несколько полярных групп и диссоциируют в водном растворе с образованием длинноцепочечных анионов, определяющих их поверхностную активность. Это группы: COOH(M), OSO2OH(M), SO3H(M), где M-металл (одно-, двух- или трехвалентный). Гидрофобная часть молекулы обычно представлена предельными или непредельными алифатическими цепями или алкилароматическими радикалами.

В анионактивных ПАВ катион может быть не только металлом, но и органическим основанием. Часто это ди- или триэтаноламин. Поверхностная активность начинает проявляться при длине углеводородной гидрофобной цепи C8и с увеличением длины цепи увеличивается вплоть до полной потери растворимости ПАВ в воде. В зависимости от структуры промежуточных функциональных групп и гидрофильности полярной части молекулы длина углеводородной части может доходить до C18 [10].

Катионактивные ПАВ - диссоциируют в водном растворе с образованием поверхностно-активного катиона с длинной гидрофобной цепью и аниона (обычно галогенида, иногда аниона серной или фосфорной кислоты).

Среди катионактивных ПАВ преобладают азотсодержащие соединения; также используются вещества, не содержащие азот: соединения сульфония [RR'R:S]+X-и сульфоксония [RR'R:SO]+Х-, фосфония [R3PR']+X-, арсония [R3AsR']+Х-, иодония [10].

Катионактивные ПАВ меньше снижают поверхностное натяжение, чем анионактивные, но они химически взаимодействуют с поверхностью адсорбента, напр. с клеточными белками бактерий, обусловливая бактерицидное действие.

Амфолитные ПАВ – в зависимости от величины рН они проявляют свойства катионактивных или анионактивных ПАВ [10].

Содержат в молекуле гидрофильный радикал и гидрофобную часть, способную быть акцептором или донором протона в зависимости от рН раствора. Обычно эти ПАВ включают одну или несколько основных и кислотных групп, могут содержать также и неионогенную полигликолевую группу. При некоторых значениях рН, наз. изоэлектрической точкой, ПАВ существуют в виде цвиттер-ионов. Константы ионизации кислотных и основных групп истинно растворимых амфотерных ПАВ весьма низки, однако чаще всего встречаются катионно-ориентированные и анионно-ориентированные цвиттер-ионы. В качестве катионной группы обычно служит первичная, вторичная или третичная аммониевая группа, остаток пиридина или имидазолина. Вместо N м.б. атомы S, P, As и т. п. Анионными группами являются карбоксильные, сульфонатные, сульфоэфирные или фосфатные группы.

Неионогенные ПАВ – высокомолекулярные соединения, не образующие ионов в водном растворе [10].

Их растворимость обусловлена наличием в молекулах гидрофильных эфирных и гидроксильных групп, чаще всего полиэтиленгликолевой цепи. При растворении образуются гидраты вследствие образования водородной связи между кислородными атомами полиэтиленгликолевого остатка и молекулами воды. Вследствие разрыва водородной связи при повышении температуры растворимость неионогенных ПАВ уменьшается, поэтому для них точка помутнения - верх. температурный предел мицеллообразования- является важным показателем. Многие соединения., содержащие подвижной атом H (кислоты, спирты, фенолы, амины), реагируя с этиленоксидом, образуют неионогенные ПАВ RO (C2H4O)nH. Полярность одной оксиэтиленовой группы значительно меньше полярности любой кислотной группы в анионактивных ПАВ. Поэтому для придания молекуле требуемой гидрофильности и значения ГЛБ в зависимости от гидрофобного радикала требуется от 7 до 50 оксиэтиленовых групп. Характерная особенность неионогенных ПАВ - жидкое состояние и малое пенообразование в водных растворах. Неионогенные ПАВ хорошо комбинируются с другими ПАВ и часто включаются в рецептуры моющих средств [10].

 

1.2 Влияние  ПАВ на окружающую среду

 

Водные растворы ПАВ поступают в стоки промышленных вод и в конечном счете в водоемы. Из-за низкой скорости разложения ПАВ вредные результаты их воздействия на природу и живые организмы непредсказуемы. Сточные воды, содержащие продукты гидролиза полифосфатных ПАВ, могут вызвать интенсивный рост растений, что приводит к загрязнению ранее чистых водоемов: по мере отмирания растений начинается их гниение, а вода обедняется кислородом, что в свою очередь ухудшает условия существования других форм жизни в воде.

 

1.3 Основные  пути поступления поверхностно – активных веществ в воду

 

В воду ПАВ могут поступать следующими основными путями:

а) с бытовыми сточными водами в результате использования ПАВ в составе синтетических моющих средств (СМС) в быту, в прачечных;

б) с промышленными сточными водами при производстве и в результате использования ПАВ и СМС в промышленности;

в) с поверхностным стоком с сельскохозяйственных полей как результат использования ПАВ для эмульгирования пестицидов, а также с территорий, прилегающих к предприятиям, производящим СМС;

г) в подземные воды ПАВ могут попадать в результате использования почвенных методов очистки сточных вод, содержащих ПАВ, при пополнении подземных вод водой из поверхностных водоисточников и при прочих загрязнениях почвы этими веществами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Методы обнаружения ПАВ в воде

 

Одним из методов, который используется для обнаружения ПАВ в воде

является применение  мембраны ионоселективного электрода, состоящей из поливинилхлорида в качестве матрицы, дибутилфталата в качестве пластификатора и электродно-активного соединения, содержащего медь и додецилсульфат натрия. Мембрана характеризуется тем, что электродно-активное соединение дополнительно содержит пиридин, причем медь Сu2+, пиридин и додецилсульфат взяты в соотношении 1:2:2 соответственно, а компоненты мембраны находятся в следующем соотношении, мас. %: поливинилхлорид 24,88 - 24,73; дибутилфталат 74,61 - 74,25; электродно-активное соединение 0,51 - 1,02. Использование мембраны позволяет снизить предел обнаружения ионных ПАВ в водных средах, снизить погрешности определения результата, уменьшить время отклика электрода в разбавленных растворах [7].

Сущностью данного метода является создание мембраны ИСЭ для экспрессного определения гомологов солей алкилпиридиния, тетраалкиламмония и алкилсульфатов в сточных водах и синтетических моющих средствах, и создание на основе полученной мембраны ионоселективного электрода, чувствительного к ионным ПАВ, для их количественного определения в водных средах [7].

Техническим результатом является понижение предела обнаружения ионных ПАВ в водных средах, снижение погрешности определения результата, уменьшения времени отклика электрода в разбавленных растворах [7].

Данный метод используется в аналитической химии и может быть использован в контрольно-аналитических лабораториях для определения концентрации анионных (гомологов алкилсульфатов натрия) и катионных (гомологов солей алкилпиридиния и тетраалкиламмония) поверхностно-активных веществ в исследуемых жидких средах, для стандартизации и контроля качества синтетических моющих средств, для определения ионных поверхностно-активных веществ (ПАВ) в сточных водах с целью контроля загрязнения окружающей среды [7].

Актуальным вопросом контроля качества выпускаемой продукции, охраны окружающей среды и здоровья человека является контроль содержания компонентов в производимых синтетических моющих средствах, а также загрязняющих веществ в бытовых и производственных сточных водах. Эффективность контроля качества синтетических моющих средств обеспечивается внедрением в практику химических и технологических производств современных физико-химических методов анализа, среди которых важное место занимает потенциометрический метод с ионоселективными электродами [7].

Объектами настоящего исследования являются гомологи алкилсульфатов, алкилпиридиния, четвертичных аммониевых оснований, которые являются основой различных синтетических моющих средств (стиральных порошков, таблеток и жидкостей для посудомоечных машин, шампуней, бальзамов для волос, кондиционеров для белья и др.) [7].

Известны различные методы определения ионных ПАВ в сточных водах и синтетических моющих средствах: спектроскопические, электрофоретические, хроматографические, например, высокоэффективная жидкостная хроматография; электрохимические [7].

Для определения гомологов алкилсульфатов натрия, солей алкилпиридиния и тетраалкиламмония используют спектрофотометрию (детергенты, шампуни, мыла, природные, промывочные и сточные воды), сорбционно- и экстракционно-фотометрический метод (природные и питьевые воды), хемилюминесценцию (модельные растворы, речная и питьевая вода, шампуни-кондиционеры), капиллярный электрофорез (продукты бытовой химии, зубная паста, косметические и фармацевтические препараты, природные и сточные воды, ил сточных вод), высокоэффективную жидкостную хроматографию (природные воды), ион-парная обращенно-фазовая хроматография (сточные воды предприятий), жидкостную хроматографию с масс-спектрометрическим детектором (речные и сточные воды, осадки сточных вод) [19].

Однако многие из этих методов требуют дорогостоящего оборудования, реактивов, высококвалифицированных операторов, отличаются длительностью эксперимента.

Одним из перспективных методов определения ионных поверхностно-активных веществ в сточных водах и синтетических моющих средствах является потенциометрия с использованием различных сенсоров, например, ионоселективных электродов (ИСЭ). Метод отличается экспрессностью, селективностью, простотой и доступностью оборудования.

Известен ионоселективный электрод с мембранами, содержащими в качестве электродно-активных веществ (ЭАВ) ионные ассоциаты анионных ПАВ с алкиламмониевыми катионами или красителями трифенилметанового ряда [20].

Однако данные ИСЭ не дают отклик на катионные ПАВ и используются только для определения анионных поверхностно-активных веществ с интервалом концентраций от ККМ до 10-6 М.

Кроме того, существует способ раздельного определения анионных, катионных и неионогенных поверхностно-активных веществ [8].

Изобретение относится к области аналитической химии и может быть использовано для раздельного определения катионных (КПАВ), неионогенных (НПАВ) и анионных (АПАВ) поверхностно-активных веществ (ПАВ) в различных объектах, например шампунях, моющих средствах, сточных водах и др [8].