Обзор поверхностно-активных веществ

Растущий спрос на различные виды поверхностно-активных веществ (ПАВ) во многих областях жизнедеятельности привел к тому, что в настоящее время ПАВы являются основным источником синтетического органического углерода, вводимого в поверхностные воды.
Поверхностно-активные вещества и продукты их неполного биоразложения постоянно попадают в сточные и подземные водотоки. Вклад поверхностно-активных соединений, особенно группы неионных поверхностно-активных веществ, постепенно увеличивается, поэтому их контроль и поиск эффективных средств ограничения этого типа загрязнения имеют важное значение. Поверхностно-активные вещества попадают в гидросферу из-за неправильно работающих очистных сооружений.
Следствием таких действий является увеличение количества поверхностно-активных веществ, переносимых со сточными водами. Катионные поверхностно-активные вещества проявляют наибольшую токсичность, однако оценить их экологическую опасность сложно, поскольку их доля в мировом производстве поверхностно-активных соединений не превышает 7–10% . Кроме того, они образуют комплексы с анионными поверхностно-активными веществами, которые присутствуют в намного более высоких концентрациях в сточных водах . Установлено, что такие комплексы характеризуются в несколько раз меньшей токсичностью по сравнению с чистыми катионными соединениями. Более того, если суммарное количество атомов углерода в комплексе превышает 22 атома, соединение выпадет в осадок. Анионные поверхностно-активные вещества в 3 раза менее токсичны по сравнению с катионными поверхностно-активными веществами, однако из-за широких масштабов производства их присутствие в окружающей среде является серьезной проблемой.
Из-за того, что сточные воды могут содержать несколько тысяч соединений и характеризуются постоянно меняющимся качественным и количественным составом, традиционные инструментальные методы не подходят для надлежащего анализа. Несмотря на большое разнообразие ежегодно публикуемых методов, посвященных определению поверхностно-активных соединений, трудно указать простые, экономичные и точные методы, которые были бы полезны для обычного мониторинга поверхностных и сточных вод, особенно в отношении ионных поверхностно-активных веществ .
Использование современных инструментальных методов для анализа поверхностно-активных веществ заметно ограничено сложностью аналита. Поверхностно-активные вещества представляют собой смесь гомологов, и их сложные хроматограммы, а также ЯМР (спектроскопия ядерного магнитного резонанса), и масс-спектры редко можно интерпретировать точным образом. Дополнительная проблема связана со сложной матрицей сильно загрязненных проб окружающей среды (неочищенные и очищенные сточные воды, поверхностные воды).
Основные синтетические поверхностно-активные вещества, на долю которых приходится более 72% использования в России, США и Европе – это этоксилаты спирта (AE), алкил сульфаты (АС), алкилэтоксисульфаты (АЭС) и линейный алкилбензинсульфонат (ЛАС) . Поверхностно-активные вещества представляют собой органические соединения, которые содержат как гидрофобные группы («хвосты»), так и гидрофильные группы («головки»), что делает их растворимыми как в органических растворителях, так и в воде. Гидрофобная группа в поверхностно-активном веществе состоит из 8-18 углеродных атомов, которые могут быть алифатическими, ароматическими или их смесью

. Поверхностно-активные вещества, в которых углеводород получен из биологических масел или жиров, таких как пальмовое масло или жир, известны как олеохимикаты. Поверхностно-активные вещества, в которых источником углеводорода является нефть или газ, называются нефтехимическими веществами. В дополнение к источнику углеводорода, поверхностно-активные вещества подразделяются на неионогенные, анионогенные, катионогенные или цвиттерионогенные по наличию или отсутствию заряженных гидрофильных головных групп. Наиболее широко используемым типом поверхностно-активных веществ являются анионные поверхностно-активные вещества, такие как, алкил сульфаты (АС), алкилэтоксисульфаты (АЭС) и линейный алкилбензолсульфонат (ЛАС). Данные средства используются для стирки, мытья посуды, как моющие средства и шампуни из-за их превосходных моющих свойств и высокого пенообразующего потенциала. Другим поверхностно-активным веществом большого объема является неионогенное поверхностно-активное вещество, AE. Большинство моющих средств для стирки содержат неионогенные и анионные поверхностно-активные вещества, поскольку неионогенные поверхностно-активные вещества делают систему поверхностно-активных веществ менее чувствительной к жесткости воды. Объем катионных и цвиттерионных поверхностно-активных веществ значительно ниже.
Выбор исходного сырья (например, олеохимического или нефтехимического) обычно зависит от относительной стоимости и доступности сырья, необходимого для получения углеводородного хвоста поверхностно-активного вещества, которое обычно представляет собой жирный спирт из диапазона детергентов. Из-за колебаний как цены, так и доступности сырья, соотношение используемого сырья является переменным. Поскольку три из этих поверхностно-активных веществ (т.е. AE, АЭС и АС) основаны на добавлении гидрофильной группы к жирному спирту, эти три основных поверхностно-активных вещества часто связаны друг с другом. В таблице 1 приведены наиболее широко используемые виды поверхностно-активных веществ и их структуры.
Таблица 1 - Широко используемые виды поверхностно-активных веществ и их структуры
Тип Структура Формула Упоминание
Анионные ПАВ

Алкил-бензол сульфонаты (ЛАС) C12H25C6H4SO3Na

Алкил-этокси сульфаты (АЭС) CnH2n (C2H4O)mSO4X
n=12-18, m=0-8
X= sodium, ammonium
Алкил сульфаты (АС)
CnH2n+1OSO2ONa
Мыло
RCOONa

Катионные ПАВ
Четвертичный аммоний

Неионные ПАВ
Этоксилатные спирты (AE) CnAEm,
n=8-18, m=3-12, A=alcohol, E= ethylene oxide

Цвиттерионные ПАВ
Имидазолины
C3H8N2
Бетаины C5H11NO2
Алкил-имино-дипропионат


Алкилэтоксилаты
Алкилэтоксилатные поверхностно-активные вещества (AE) определяются базовой структурой C x – y E n, где нижний индекс после «C» указывает диапазон единиц углеродной цепи, а нижний индекс «E» указывает среднее количество этиленоксида (ЭО). Этиленоксид также часто называют этоксилатным числом.
Алкилэтоксилатные поверхностно-активные вещества в основном получают из линейных моющих спиртов, и в меньшей степени, из линейных вторичных спиртов из олеохимического или нефтехимического сырья путем этоксилирования с помощью ЭО, с использованием реакции, катализируемой основанием, с гидроксидом калия или натрия с последующей нейтрализацией с помощью кислоты, такой как уксусная или фосфорная. Алкилэтоксилаты, обычно используемые в бытовых продуктах, имеют углеродные цепи от C 8 до C 18 и среднюю длину цепей EO от 3 до 12 единиц.
Большая часть производимого коммерческого АE поставляется в форме твердого вещества, пасты или раствора