Микроэмульсии для очистки от масел и загрязнений иной природы (стр. 1 из 4)

Реферат

по химии

на тему:

"Микроэмульсии для очистки от масел и загрязнений иной природы"

2009

Сложный состав моющих композиций

Удаление загрязнений с поверхности тканей, т. е. моющее действие, является сложным процессом, включающим взаимодействие между ПАВ, загрязнением и поверхностью ткани. Успешное решение задачи напрямую связано с правильным выбором ПАВ. Чистящие композиции на основе ПАВ представляют собой один из старейших композиционных продуктов технического назначения. Традиционно для этих целей использовали натриевые и калиевые соли жирных кислот, которые получали омылением триглицеридов. Мыла и до сих пор используют в небольших количествах во многих моющих композициях, однако в настоящее время для таких композиций в основном используют синтетические неионогенные и анионные ПАВ. Чаще всего это этоксилированные спирты, алкиларилсульфонаты, алкилсульфаты и эфиры алкилсульфатов.

Природа загрязнений текстильных материалов может варьироваться в широких пределах, поэтому механизмы их удаления оказываются совершенно различными. Термин «масляное загрязнение» относится не только к нефтяным продуктам, например моторным маслам, но также и растительным маслам, и даже к кожному салу. Поверхностно-активные вещества эффективно удаляют масляные загрязнения, а гидролитические ферменты, вводимые в настоящее время в большинство моющих композиций, необходимы для гидролиза триглицеридов, белков и крахмала. На практике масляные загрязнения полностью удаляются только при совместном действии ПАВ и ферментов.

Твердые загрязнения, состоящие из частиц глины и других веществ, обычно удаляются в процессах смачивания и диспергирования, при этом необходимо вводить в состав композиций, кроме ПАВ, сильнозаряженные анионные полиэлектролиты.

Некоторые пятна, например от чая и крови, трудно удаляются даже при использовании оптимизированных комбинаций ПАВ и ферментов. Для удаления таких пятен нужны отбеливающие агенты, действие которых связано с окислением хромофорных групп загрязняющего вещества с образованием бесцветных продуктов, которые затем могут удаляться с помощью ПАВ.

Моющие композиции содержат также большое количество так называемых структурообразователей, функция которых заключается в образовании комплексов с двухзарядными ионами, что предотвращает осаждение кальциевых и магниевых солей в жесткой воде. К другим, менее важным добавкам относятся агенты, предотвращающие налипание отмытого загрязнения, флуоресцирующие агенты, отдушки и др.

Возможные механизмы очистки от масляных загрязнений

Ниже представлены три наиболее важных механизма очистки от масляных загрязнений.

1) Скатывание. Этот механизм связан со смачиванием ткани, которое достигается за счет взаимодействия ПАВ с поверхностью ткани. Хорошее отделение загрязнения достигается при контактном угле больше 90°. Типичный пример — масляное загрязнение на полярных текстильных тканях, таких как хлопок. На полиэфирных и других менее полярных тканях обычно получается краевой угол меньше 90°.

2) Эмульгирование. В этом случае необходимо, чтобы межфазное натяжение между масляной фазой и раствором ПАВ было низким. Механизм основан на взаимодействии ПАВ-масло, поэтому процесс не зависит от свойств ткани.

3) Солюбилизация. Масляное загрязнение солюбилизируется образующейся insituмикроэмульсией. Подобно механизму эмульгирования солюбилизация не зависит от свойств поверхности подложки. Для протекания этого процесса необходимо сверхнизкое межфазное натяжение между маслом и раствором ПАВ.

Указанные механизмы очистки от масляных загрязнений действуют взаимосвязанно. Можно сказать, что механизм скатывания с большой вероятностью действует при очистке полярных тканей. Эмульгирование и солюбилизация управляют очисткой неполярных материалов. Следует также отметить, что скатывание осуществляется довольно просто, поскольку большинство ПАВ обладает достаточно хорошим смачивающим действием, а эмульгирование и особенно солюбилизация требуют тонко сбалансированного состава композиций. Эффективная солюбилизация достигается только при использовании ПАВ, снижающих межфазное натяжение на границе вода-масло до очень низких значений. Процессы солюбилизации и образования микроэмульсий, реализующиеся при очистке поверхностей от масляных загрязнений и при использовании ПАВ для повышения нефтеотдачи, одинаковы, поскольку масляные компоненты имеют одну и ту же природу.

Рис. 1. Удаление масляного загрязнения с твердой поверхности по механизму «скатывания»

Рис. 2. Удаление масляного загрязнения с твердой поверхности по механизму эмульгирования

Рис. 3. Удаление масляного загрязнения с твердой поверхности по механизму солюбилизации

Как достигается ультранизкое межфазное натяжение?

Межфазное натяжение в системе масло-вода минимально при температуре инверсии фаз системы масло-вода-ПАВ. При очистке от масляного загрязнения его следует рассматривать как неполярный компонент в трехкомпонентной системе.

Неионные ПАВ обычно характеризуют точкой помутнения. Однако приведенные ранее значения точек помутнения определялись без учета присутствия в системе масляной фазы. Важно помнить, что именно ТИФ системы масло-вода-ПАВ, а не точка помутнения водного раствора ПАВ является температурой, определяющей эффективность солюбилизации. Существует ли корреляция между точкой помутнения и ТИФ?

1. В случае масла, проникающего между углеводородными фрагментами слоя ПАВ, его добавление к мицеллярному раствору приводит к увеличению объема н углеводорода в выражении КПУ = v/. Величина КПУ растет, а изменение геометрии проявляется как сдвиг в сторону образования более удлиненных мицелл.

2. Если масло не проникает в слой углеводородных фрагментов ПАВ, то оно формирует ядро мицеллы. Как показано на рис. 5, это приводит к увеличению площади, занимаемой полярной группой, т.е. к увеличению параметра а, что в свою очередь приводит к уменьшению КПУ. При этом изменяется геометрия мицелл, которые становятся более сферическими.

Небольшие молекулы масла обычно проникают в слой и перемешиваются с углеводородными цепями ПАВ, в то время как для больших молекул это невозможно. Алифатические масла с неразветвленными цепями хорошо смешиваются с ПАВ с неразветвленными цепями, если цепи молекул масла не превосходят по длине алифатические цепи ПАВ. Более длинные цепи масла образуют отдельное ядро.

На рис. 6 показана зависимость точки помутнения от добавок низкомолекулярного алифатического углеводорода. Значительное снижение точки помутнения согласуется с представлением о том, что углеводород проникает между углеводородными «хвостами» ПАВ, приводя к увеличению КПУ. При большем количестве октана точка помутнения начинает расти, что указывает на насыщение углеводородного слоя ПАВ, что заставляет избыток масла формировать мицеллярное ядро.

Влияние на точку помутнения алифатических углеводородов с большой молекулярной массой показано на рис. 7. Такие углеводороды не смешиваются с неполярными «хвостами» ПАВ. Почти линейное возрастание точки помутнения с концентрацией углеводорода коррелирует с увеличением а и уменьшением КПУ, что уже обсуждалось выше.

Таким образом, чтобы достичь максимальной солюбилизации, процесс отмывания необходимо проводить при температуре, отвечающей точке ТИФ системы масло-вода-ПАВ, в которой неполярная фаза представлена масляным загрязнением. Если молекулы масла больше углеводородных фрагментов ПАВ, ТИФ оказывается выше точки помутнения. Например, наилучшая очистка от моторного масла с использованием чистящих средств на основе НПАВ достигается при температурах примерно на 20 ⁰C выше точки помутнения. При такой температуре исходная смесь НПАВ- вода представляет собой разбавленную дисперсию ламелярной жидкокристаллической фазы в воде. Для удаления масел с цепями, более короткими, чем углеводородные радикалы ПАВ, отмывание следует проводить при температуре ниже точки помутнения.

Рис. 4. Масла, проникающие в углеводородный слой ПАВ, приводят к образованию удлиненных мицелл

Рис. 5. Масла, не проникающие между углеводородными фрагментами ПАВ, приводят к образованию более сферических мицелл

Концентрация октана, г/л Рис. 6. Влияние добавок низкомолекулярного масла на точку помутнения

Рис. 7. Влияние добавок высокомолекулярного углеводорода на точку помутнения

В качестве переменного параметра использована температура, варьирование которой позволяет достичь максимальной солюбилизации масла. Другой путь оптимизации композиций чистящих средств заключается в подборе ПАВ. В частности, при использовании этоксилированных спиртов состав композиций ПАВ необходимо точно «подстраивать» под конкретную задачу. Два параметра — температура и состав ПАВ, — конечно, взаимосвязаны. Процессы отмывания при 40 и 60 ⁰C для достижения оптимального результата требуют применения различных ПАВ.

Рис. 8. Влияние длины цепи нормальных углеводородов на межфазное натяжение на границе масло-вода присутствии неионных ПАВ