Дипломная работа: Снижение вязкости растворов мелассы с помощью моноглицеридов дистиллированных
9
Мировое производство ПАВ постоянно возрастает, причем доля неионных и катионных веществ в общем выпуске все время увеличивается. В зависимости от назначения и химического состава ПАВ выпускают в виде твердых продуктов (кусков, хлопьев, гранул, порошков), жидкостей и полужидких веществ (паст,гелей).
Особое внимание все больше и больше уделяется производству ПАВ с линейным строением молекул, которые легко подвергаются биохимическому разложению в природных условиях и не загрязняют окружающую среду.
По механизму молекулярного действия (делятся на четыре группы).
К первой относятся вещества, которые активны на границе жидкость-газ и вода-воздух. Эти соединения не образовывают коллоидных структур и относятся к низкомолекулярным веществам, растворимым в воде. Например спирты понижают поверхностное натяжение воды при 20 оС с 72,8 до 30-50 эрг/см2. Используют такие ПАВ как пеногасители, вытесняющие менее поверхностно-активные стабилизаторы пены.
Ко второй группе принадлежат вещества, активные на границе двух несмешивающихся жидкостей или на границе твердых поверхностей раздела. Они не образуют структур ни в объеме раствора, ни в поверхностных слоях. Понижая свободную поверхностную энергию жидкости или твердого тела в результате адсорбции, ПАВ второй группы облегчают процесс образования новых поверхностей, т.е. диспергирования в данной среде.
К третьей группе относятся вещества, которые дают гелеобразную структуру, как в адсорбционном слое, так и в растворе; они являются сильными стабилизаторами суспензий – предотвращают коагуляцию частиц, их агрегирование при любом содержании твердой дисперсионной фазы, обеспечивая ее равномерное распределение в окружающей среде. Стабилизаторы не только препятствуют обычной коагуляции частиц, но и предотвращают развитие коагуляционных структур. Адсорбируясь на поверхности, они блокируют места сцепления частиц, препятствуя их сближению; разрушается пространственная сетка, что позволяет уменьшить количество воды для среды без изменения текучести системы.
ПАВ как стабилизаторы, так и не обладающие стабилизирующим действием, могут модифицировать зарождение и рост кристаллов новой фазы. Прежде всего, они замедляют развитие возникающих центров кристаллизации, образуют на их поверхности адсорбционные слои. Избирательная абсорбция, различная на разных гранях развивающегося кристалла, резко изменяет форму кристалла, часто способствует развитию поверхности, т.е. превращение симметричных форм в анизометричные тонкие пластинки.
Четвертая группа ПАВ – моющие средства. Они сильно понижают поверхностное натяжение воды на границе с воздухом. Моющие вещества, как правило, являются не только диспергаторами, но и стабилизаторами и эмульгаторами.
По биохимической устойчивости.
ПАВ делят на мягкие, промежуточные и жесткие с константами скорости биохимического окисления, соответственно не менее 0,3 сутки-1; 0,3-0,05 сутки-1; менее 0,05 сутки-1.
К числу наиболее легко окисляющихся ПАВ относятся первичные и вторичные алкилсульфаты нормального строения. С увеличением разветвления цепи скорость окисления понижается, и наиболее трудно разрушаются алкилбензол-сульфонаты, приготовленные на основе тетрамеров пропилена.
При понижении температуры скорость окисления ПАВ уменьшается и при 0-5оС протекает весьма медленно. Наиболее благоприятные для процесса самоочищения от ПАВ нейтральная или слабощелочная среды (pH 7-9).
Максимальные количества кислорода (БПК), потребляемые 1 мг/дм3 различных ПАВ колеблется от 0 до 1,6 мг/дм3. При биохимическом окислении ПАВ образуются различные промежуточные продукты распада: спирты, альдегиды, органические кислоты и др. В результате распада ПАВ, содержащих бензольное кольцо, образуются фенолы.
Полярные и неполярные группы ПАВ.
Примером полярных групп могут служить –OH, -COOH, -NO2, -NH2, -CN, -OSO3 и т.д. Неполярной частью молекулы обычно являются углеродные радикалы. К ПАВ относятся карбоновые кислоты, спирты, амины, сульфокислоты и другие вещества. Условно принято обозначать молекулы ПАВ символом ----О, где кружок соответствует полярной группе, а палочка неполярной.
Типичные ПАВ – органические соединения дифильного строения, т. е. содержащие в молекуле атомные группы, сильно различающиеся по интенсивности взаимодействия с окружающей средой (в наиболее практически важном случае – водой). Так в молекулах ПАВ имеются один или несколько углеводородных радикалов, составляющих липофильную часть (она же гидрофобная часть молекулы), и одна или несколько полярных групп – гидрофильная часть.
Слабо взаимодействующие с водой олеофильные (гидрофобные) группы определяют стремление молекулы к переходу из водной (полярной) среды в углеводородную (неполярную). Гидрофильные группы, наоборот, удерживают молекулу в полярной среде или, если молекула ПАВ находится в углеводородной жидкости, определяют ее стремление к переходу в полярную среду. Таким образом, поверхностная активность ПАВ, растворенных в неполярных жидкостях, обусловлена гидрофильными группами, а растворенных в воде – гидрофобными радикалами.
Все ПАВ можно разделить на две категории по типу систем, образуемых ими при взаимодействии с растворяющей средой. К одной категории относятся мицеллообразующие ПАВ, к другой – не образующие мицелл. В растворах мицеллообразующих ПАВ выше критической концентрации мицеллообразования (ККМ) возникают коллоидные частицы (мицеллы), состоящие из десятков или сотен молекул (ионов).
Мицеллы обратимо распадаются на отдельные молекулы или ионы при разбавлении раствора (точнее, коллоидной дисперсии) до концентрации ниже ККМ. Таким образом, растворы мицеллообразующих ПАВ занимают промежуточное положение между истинными (молекулярными) и коллоидными растворами (золями), поэтому их часто называют полуколлоидными системами. К мицеллообразующим ПАВ относятся все моющие вещества, эмульгаторы, смачиватели, диспергаторы и др.
1.2. Нормы добавления ПАВ
Любое вещество в виде компонента жидкого раствора или газа (пара) при соответствующих условиях может проявить поверхностную активность, т.е. адсорбироваться под действием межмолекулярных сил на той или иной поверхности, понижая ее свободную энергию. Однако поверхностно - активными обычно называются лишь те вещества, адсорбция которых из растворов уже при весьма малых концентрациях (десятые и сотые доли процента) приводит к резкому снижению поверхностного натяжения, т.е. существует оптимальная величина добавки ПАВ. Следует отметить, что количество ПАВ не должно превышать установленных норм, так как может наступить критическое состояние, при котором образуются мицеллы, - критическая концентрация мицеллообразования. Мицеллы представляют собой новую коллоидную форму. Они возникают в результате сцепления углеводородных цепей. При увеличении концентрации ПАВ, мицеллы становятся цилиндрическими или эллипсоидальными, пока не превращаются в слоистые мицеллы. Это превращение сопровождается резким повышением вязкости раствора. Поверхностная активность веществ зависит не только от их природы, но и от природы растворителя. Так, все вышеуказанные ПАВ обладают поверхностной активностью на границе вода – воздух, но являются инактивными по отношению к поверхности фаз органические растворители – воздух.
|
|
Рис. 1. Влияние поверхностно-инактивного (1) и поверхностно-активного (2) веществ на поверхностное натяжение:
Молекулы ПАВ адсорбируются на поверхности раздела фаз, снижая тем самым J поверхностное натяжение. Адсорбция ПАВ происходит по следующей причине. Взаимодействие между диполями воды значительно сильнее, чем между диполями и неполярными частями ПАВ. Поэтому энергетически выгоден переход молекул ПАВ из фазы на поверхность или в другую фазу, при этом восстанавливаются сильные диполь-дипольные и водородные связи молекул воды. Чем длиннее углеводородный радикал, там больше молекул воды он разобщает и тем больше тенденция выхода молекул ПАВ на поверхность, т.е. тем больше их адсорбция. Эффект снижения поверхностного натяжения растворов с ПАВ может быть очень велик.
С ростом концентрации ПАВ в растворе поверхностное натяжение сначала падает резко, а затем – постепенно, подобный ход кривой объясняется тем, что при малых концентрациях поверхность жидкости свободна и практически все растворенные молекулы ПАВ адсорбируются на поверхности воды, сильно снижая поверхностное натяжение. При больших концентрациях на поверхности образуется насыщенный мономолекулярный слой молекул ПАВ, дальнейшая адсорбция становится невозможной и с ростом концентрации поверхностное натяжение изменяется незначительно. Поверхностное натяжение растворов при этих концентрациях приближается к значению поверхностного натяжения самих ПАВ на границе с воздухом.
1.3. Физико-химические основы действия ПАВ
Поверхностно-активными веществами (ПАВ) являются химические соединения, которые способны адсорбироваться на границе раздела фаз. Адсорбируясь в виде тончайшего (мономолекулярного) слоя, ПАВ могут резко изменять молекулярное взаимодействие соприкасающихся фаз, вследствие чего меняются скорости обмена веществ между фазами: скорости испарения, растворения, конденсации, кристаллизации. Причем эти изменения происходят под влиянием ничтожно малых количеств ПАВ, что определяют их высокую технико-экономическую эффективность.
Поверхностная активность зависит от природы растворяемого вещества.
При растворении в воде неорганические электролиты являются поверхностно-инактивными по отношению к воде, т.е. несколько превышают поверхностное натяжение чистой воды. Поэтому в водных растворах инактивных веществ, которыми могут являться обычные соли, воду необходимо рассматривать как ПАВ. На границе же жидкости и твердого тела электролиты могут адсорбироваться положительно, т.е. оказываться ПАВ.
Поверхностно-активными веществами в водных растворах на границе раздела с воздухом или собственным паром являются органические вещества, молекулы которых состоят из ассиметрично расположенных полярной группы и углеводородного радикала (спирты, амины, фенолы, карбоновые кислоты и др.), а также их щелочные соли.
Решающее значение для оценки поверхностно-активных свойств веществ имеет баланс между полярной группой и углеводородным неполярным радикалом.