Поверхностно-активные вещества: их производство и применение

Введение. Общая характеристика поверхностно-активных веществ и их происхождение
Поверхностно-активные вещества являются важной составляющей национальной экономики. Их уровень освоенности и применения считается важным показателем развития химической технологии во всех странах. Он стал центром внимания мировой химической промышленности. Нет сомнений в том, что расширение сферы применения поверхностно-активных веществ наряду с увеличением потребления служит экономическому росту. Поверхностно-активные вещества играют важную роль в качестве чистящих, смачивающих, диспергирующих, эмульгирующих, пенообразующих и противовспенивающих агентов во многих практических применениях и продуктах, включая моющие средства, смягчители тканей, эмульсии, мыло, краски, клеи, чернила, анти-туман, лыжный воск, воск для сноуборда, удаление из вторичной бумаги, при флотации, промывке и ферментативных процессах, слабительные средства. Также агрохимические составы, такие как гербициды (некоторые), инсектициды, биоциды (дезинфицирующие средства) и спермициды (ноноксинол-9), средства личной гигиены, такие как косметика, шампуни, гель для душа, кондиционеры для волос (после шампуня), зубные пасты [1]. Поверхностно-активные вещества используются в пожаротушении и трубопроводах (средства, уменьшающие сопротивление жидкости). Щелочные поверхностно-активные полимеры используются для мобилизации нефти в нефтяных скважинах. Поверхностно-активные вещества используются в качестве пластификатора в наноцеллюлозе и в жидкостных детекторах утечек.
Но стоит сказать, что ПАВ наносят вред окружающей среде. Следовательно, обнаружение содержания в воде поверхностно-активных веществ очень важно. В настоящее время, сталкиваясь с большими опасностями, связанными с поверхностно-активными веществами, люди должны своевременно принимать меры по минимизации количества поверхностно-активных веществ, как только разрабатывается соответствующая технология быстрого, простого и точного обнаружения поверхностно-активных веществ, чтобы защитить водную среду и улучшить качество воды.
Краткое описание химических свойств поверхностно-активных веществ
Слово сурфактант является английской аббревиатурой от поверхностно-активного вещества. Поверхностно-активное вещество характеризуется своей склонностью к адсорбции на поверхностях. Примеры поверхностей раздела, включающих жидкую фазу, включают суспензию (твердое тело-жидкость), эмульсию (жидкость-жидкость) и пену (жидкость-пар). Во многих разработанных продуктах несколько типов фаз присутствуют одновременно. Другим общим и фундаментальным свойством поверхностно-активных веществ является то, что мономеры в растворах имеют тенденцию образовывать агрегаты, называемые мицеллами [2]. Мицеллы образуются уже при очень низких концентрациях поверхностно-активного вещества в воде. Концентрация, при которой начинают образовываться мицеллы, называется критической концентрацией мицелл (КМЦ). Образование мицелл или мицеллообразование можно рассматривать как альтернативный механизм адсорбции на границах раздела для удаления гидрофобных групп от контакта с водой, тем самым уменьшая свободную энергию системы. Это важное явление, поскольку молекулы сурфактанта ведут себя очень по-разному в зависимости от того, присутствуют ли они в мицеллах или в виде свободных мономеров. Мицеллы ведут себя как крупные молекулы и влияют на растворимость органических углеводородов и масел в водном растворе, а также на вязкость. Размер мицеллы измеряется числом агрегации, которое является числом молекул поверхностно-активного вещества, связанных с мицеллой. Только поверхностно-активные мономеры способствуют снижению поверхностного и межфазного натяжения. Смачивание и пенообразование регулируются концентрацией свободных мономеров в растворе. Мицеллы можно рассматривать как резервуар для мономеров сурфактанта. При более высоких концентрациях поверхностно-активного вещества образуются другие агрегаты. Различные фазовые структуры дают очень разные физико-химические свойства. Чтобы понять физико-химическое поведение поверхностно-активного вещества в диапазоне концентраций при различных температурах, построены фазовые диаграммы поверхностно-активных веществ в воде.
Молекулярные структуры сурфактанта состоят из двух частей. Одна называется гидрофильной группой, которая растворима в воде и имеет гидрофильную природу. Другая часть называется липофильной группой, которая не растворяется в масле, но и не растворяется в воде и имеет липофильную природу. Два вида групп находятся в противоположных направлениях, и оба конца соединены в одну и ту же молекулу, образуя асимметричную и полярную структуру. Структура обычно называется «родительской структурой» (амфифильная структура). Молекулы поверхностно-активного вещества имеют амфифильную структуру, включая сродство к воде и к маслу. Гидрофильная группа имеет общую -СООН, -SO3H и полиоксиэтиленовую цепь; липофильная группа имеет общую -Si, -CF, -CF2 и полиоксипропиленовую цепь. Гидрофилия и липофильность в молекулах сурфактанта изменяются с составом и структурой молекулы. Когда гидрофильность сильнее липофильности, это водорастворимое поверхностно-активное вещество; когда наоборот, это маслорастворимое поверхностно-активное вещество. Водорастворимость или маслорастворимость отражают важные физические и химические параметры применения поверхностно-активного вещества. Это является важной основой для разумного выбора поверхностно-активного вещества. Поверхностно-активные вещества должны значительно уменьшить поверхностное натяжение между двумя жидкостями. Благодаря добавлению небольшого количества поверхностно-активных веществ-растворителей поверхностное натяжение снижается, и состояние интерфейсной системы изменяется. Они дают смачивающие, эмульгирующие, пенообразующие и растворяющие свойства. Поверхностно-активные вещества обладают свойствами межфазного натяжения, поверхностного натяжения и ориентации адсорбции, тем самым образуя дисперсию, пенообразование, флокуляцию, дезинфекцию, дезактивацию и последовательность функций. Они широко используются в нефтедобывающей, горнодобывающей, текстильной, полиграфической и красящей, фармацевтической, экологической, пищевой, косметической, резиновой, металлообрабатывающей и бумажной промышленности.
Химическое поведение поверхностно-активных веществ живого происхождения
Биосурфактанты - это поверхностно-активные вещества, синтезируемые живыми клетками [3]

. Интерес к микробным поверхностно-активным веществам обусловлен их разнообразием, экологичностью, возможностью крупномасштабного производства, селективностью, эксплуатационными характеристиками в экстремальных условиях и потенциальным применением в защите окружающей среды. Несколько популярных примеров микробных биосурфактантов включают Эмульсан, продуцируемый Acinetobacter calcoaceticus, Софоролипиды, продуцируемые несколькими дрожжами, принадлежащими к Candida и кладме starmerella, и Рамнолипид, продуцируемый Pseudomonas aeruginosa и т.д.
Биосурфактанты усиливают эмульгирование углеводородов, имеют потенциал для растворения углеводородных загрязнений и повышения их доступности для микробной деградации. Использование химикатов для обработки загрязненного углеводородами участка может загрязнять окружающую среду их побочными продуктами, тогда как биологическая очистка может эффективно уничтожать загрязняющие вещества, будучи при этом биоразлагаемой. Следовательно, биосурфактант-продуцирующие микроорганизмы могут играть важную роль в ускоренной биоремедиации участков, загрязненных углеводородами. Эти соединения также могут быть использованы для повышения нефтеотдачи и могут быть рассмотрены для других потенциальных применений в защите окружающей среды. Другие области применения включают составы гербицидов и пестицидов, моющие средства, здравоохранение и косметику, целлюлозу и бумагу, уголь, текстиль, керамическую и пищевую промышленности, переработку урановой руды и механическое обезвоживание торфа.
Известно, что некоторые микроорганизмы синтезируют поверхностно-активные вещества; большинство из них - бактерии и дрожжи. При выращивании на углеводородном субстрате в качестве источника углерода эти микроорганизмы синтезируют широкий спектр химических веществ с поверхностной активностью, таких как гликолипид, фосфолипид и другие. Эти химические вещества синтезируются для эмульгирования углеводородного субстрата и облегчения его транспорта в клетки. У некоторых видов бактерий, таких как Pseudomonas aeruginosa, биосурфактанты также участвуют в групповом поведении, называемом роящей подвижностью.
Химическое поведение поверхностно-активных веществ в сточных водах
Сточные воды, содержащие поверхностно-активные вещества, сбрасываемые в окружающую среду, могут вызвать проблемы с загрязнением воды. Когда концентрация поверхностно-активного вещества достигает 0,1 мг / л, в воде могут появиться устойчивые пены. Многие пузырьки с трудом исчезают в воде, образуя пенный изолирующий слой. Изолирующий слой ослабляет обмен между водоемом и газовой атмосферой, приводя к уменьшению растворенного кислорода. Большое количество микроорганизмов погибает из-за гипоксии, что приводит к ухудшению водоемов. Ниже критической концентрации мицелл (КМЦ), с увеличением концентрации поверхностно-активных веществ и поверхностного натяжения быстро уменьшаются. Когда концентрация поверхностно-активного вещества превышает КМЦ в толще воды, это может увеличить концентрацию нерастворимых или растворимых в воде загрязняющих веществ. Они поглощают вещество, не обладающее исходной энергией адсорбции, в материал адсорбционного слоя, это поведение при солюбилизации может привести к косвенному загрязнению и изменению свойств воды. Поверхностно-активные вещества также могут убивать микроорганизмы в окружающей среде и препятствовать разложению других токсических веществ. Поскольку большинство моющих средств содержат большое количество полифосфата в качестве чистого агента, сточные воды содержат большое количество фосфора, что может легко привести к эвтрофикации. При очистке сточных вод растений, когда концентрация поверхностно-активных веществ превышает определенную концентрацию, это влияет на аэрацию, осаждение, нитрификацию осадка и многие другие процессы и увеличивает сложность очистки сточных вод [4]. Поверхностно-активные вещества способствуют эмульгированию и диспергированию в нерастворимых в воде маслах и полихлорированных органических веществах, снижая эффективность очистки загрязнителей.
Степень повреждения поверхностно-активных веществ водными растениями зависит от его концентрации. Когда содержание поверхностно-активных веществ в воде высокое, это повлияет на рост водорослей и других микроорганизмов в воде, что приведет к снижению первичной продуктивности водных объектов, что приведет к подрыву пищевой цепи водных организмов в водных объектах. Причина в том, что поверхностно-активные вещества, вызывающие острое отравление, могут привести к увеличению проницаемости мембран, так что материал экзосмоса и клеточная структура постепенно распадаются. Содержание супероксиддисмутазы, каталазы, пероксидазной активности и хлорофилла снижается. Накопление поверхностно-активных веществ увеличивается со временем. Исходя из химической структуры, связь между химической структурой поверхностно-активных веществ и токсичностью воды для водных организмов может быть обобщена в виде следующих трех пунктов: (1) чем больше гидрофобность (величина ГЛБ меньше) поверхностно-активных веществ, тем выше токсичность для водной среды; (2) Чем больше этоксилатной группы, тем ниже токсичность водных организмов; (3) По сравнению с неионными поверхностно-активными веществами токсичность анионных поверхностно-активных веществ снижается.
Химическое поведение поверхностно-активных веществ в почве и биоте
При изучении почв было показано, чтоВведение

небольших количеств поверхностно-активных веществ приводит к значительному увеличению водоустойчивости почвенной структуры. При этом изменяются образующие фрактальные кластеры супермолекулы, а в гумусовой матрице наблюдается возникновение микро- и наноструктурной сегрегации. Меняется также фракционный состав ГВ, выделяемых из почв.
Изменение водоустойчивости почвенной структуры под влиянием ПАВ является с прикладной точки зрения одним из самых интересных и важных моментов. Имеющиеся сведения о структурной организации почвенных гелей позволяют предположить, что их водоустойчивость, обусловливающая водоустойчивость почв, определяется взаимодействием между фрактальными кластерами из супермолекул ГВ в почвенных гелях. По-видимому, чем больше связей и они прочнее между фрактальными кластерами, тем более водоустойчива почвенная структура. В связи с тем, что супермолекулы ГВ во фрактальных кластерах имеют мозаичную - гидрофильно-гидрофобную поверхность, связи между этими кластерами в водной среде могут возникать только за счет взаимодействия гидрофобных областей