Поверхностно активные веществ и их применение в промышленности

Введение
1. Определение ПАВ.
2. Классификация ПАВ.
3. Механизм действия моющих ПАВ
3.1. Строение молекул и поверхностная активность
3.2. Мицеллообразование ПАВ
3.3. Растворимость ПАВ
3.4. Смачивающее действие ПАВ
3.5. Эмульгирующая и пенообразующая способность ПАВ
3.6. Солюбилизирующая способность ПАВ
3.7. Моющее действие ПАВ
3.8. Термическая устойчивость ПАВ
4. Применение ПАВ в промышленности.
4.1. Применение ПАВ в бытовых моющих средствах
4.2 Применение ПАВ в бумажной промышленности
4.2.1 Непрерывная очистка бумажной массы войлоком
4.2.2 Периодическая очистка войлока
4.2.3 Смачивание картона
4.2.4 Мягчители, разрыхлители и антистатики древесной массы и туалетной бумаги
4.2.5 Пеногасители
4.2.6 Обесцвечивание макулатуры
4.2.7 Фракционирование волокнистой бумажной массы
4.3. ПАВ в текстильной промышленности
4.4. Промышленная стирка
4.5 Техническая чистка твердых поверхностей
4.5.1 Бумажные предприятия
4.5.2 Сталелитейные предприятия
4.5.3 Очистка металлических гальванопокрытий
4.5.4 Другие системы покрытий
4.6 ПАВ как ингибиторы коррозии
4.7 ПАВ в процессах обработки металлов
4.8. ПАВ в процессе нефтедобычи вторичным методом
4.9. Битумные эмульсии
4.10 ПАВ в эмульсионной полимеризации
4.11 Разрушение эмульсий
4.12 Транспортировка топливных суспензий
4.13 ПАВ в процессах флотации
4.14 ПАВ в процессе пожаротушения
4.15 Утверждение цемента
ПАВ в пищевой промышленности
4.16.1.Вещества, препятствующие слеживанию и комкованию
4.16.2.Пеногасители.
4.16.3.Эмульгаторы
4.17 Применение ПАВ в сельском хозяйстве
4.18 Использование ПАВ в фармакологии
Заключение
Список используемой литературы.

Компании, специализирующиеся на проблемах бурения скважин, продают множество различных реагентов, но их сложные составы являются коммерческой тайной, что делает их анализ здесь весьма затруднительным.
4.9. Битумные эмульсии
Для асфальтового покрытия дорог или при кровельных работах обычно используется битум (расплавленный или в виде эмульсии). Применяются и нагретые эмульсии. Обычно битум смешивается с раздробленным минеральным наполнителем и присадками, которые обеспечивают долговечность покрытия. Преимущество битумных эмульсий состоит в упрощенном способе их применения и в меньшей стоимости, кроме того, упрощается используемое оборудование и зачастую удается избежать нагрева.
Для приготовления битумных эмульсий, как правило, применяют катионные ПАВ, а именно амидоамины и имидазолины, так как они позволяют получать эмульсии битума в воде, обеспечивают хорошую смачиваемость и адгезию битума к минеральному наполнителю, что создает условия для увеличения долговечности дорог.
Данные ПАВ получают взаимодействием жирных кислот с этиленамином. Таким образом, в ходе реакции диэтилентриамина с длинноцепной жирной кислотой на первой стадии идет образование соли амина. При нагревании она превращается в амид. Имидазолин получают при дальнейшем нагревании, используя два моля жирной кислоты и амида. Он сразу вступает в реакцию с агентом, приводящим к образованию четвертичного соединения, в противном случае имеет место обратный гидролиз до соответствующего диамида.
Битумные эмульсии применяются повсеместно, однако существует определенная опасность — избыточное количество эмульгатора может привести к проблемам на дорогах, когда при жаркой и влажной погоде излишек ПАВ выделяется и становится причиной скользких дорог.
Использование эмульсий обладает рядом преимуществ: смесь может быть приготовлена прямо на месте производимых работ и часто без нагревания. Это приводит к снижению временных затрат и стоимости всего процесса. Важно иметь в виду, что такая эмульсия со временем может разлагаться, что делает дорожное покрытие недолговечным. Быстро разрушающиеся эмульсии применяют для текущего ремонта дорожных покрытий.
Эмульгаторы, используемые в данной области — это жирные амины, которые для образования эмульсии, как правило, требуют подогрева, либо продукты конденсации аминов с жирными кислотами, в принципе, также требующие нагрева, но способные формировать эмульсии и без этого. Эти эмульсии в дальнейшем смешиваются с наполнителем и укладываются в виде дорожного покрытия. Данный метод используется не только в дорожном строительстве, но и в строительстве прочих коммунальных объектов, а также в других областях применения асфальта.
Анионные ПАВ применяются когда необходимо обеспечить долговечность и большую стабильность эмульсии, кроме того, важно поддержание определенного значения вязкости. Талловые масла, а также сульфоната основе талловых масел, применяются в концентрациях 0,75%. При необходимости увеличения стабильности битумных эмульсий могут быть использованы полиакрилаты.
4.10 ПАВ в эмульсионной полимеризации
Высокомолекулярные полимеры последнее время получают с использованием специальных растворителей, которые растворяют мономер. В дальнейшем получаемый продукт отделяется от растворителя и высушивается. Иногда используют эмульсионные полимеры, в этом случае мономеры эмульгируются в растворителе, например, в таком, в котором мономер не растворим. Проводят полимеризацию, и получаемый полимер остается в растворе в виде эмульсии. В дальнейшем полимер может быть использован при растворении в «подходящем» растворителе.
Полиакрилаты (после синтеза — это эмульсия в минеральных маслах в присутствии эмульгатора ПАВ), могут быть выделены при добавлении воды, которая приводит к обращению эмульсии, где полимер уже не растворим. Или наоборот, водонерастворимые мономеры эмульгируют в воде, а эмульсионный полимер получают в виде гранул, коагулирующихся из системы.
Эмульсионная полимеризация имеет ряд преимуществ, в число которых входят низкая энергоемкость, усовершенствованный контроль за ходом процесса, и, в случае полиакрилатов, простота работы с получаемой жидкостью. ПАВ, применяемые в эмульсионной полимеризации, включают анионные ПАВ (например, сульфосукцинаты) для получения винилхлоридных латексов в водной эмульсии.
4.11 Разрушение эмульсий
ПАВ необходимы для формирования эмульсий, но они могут быть использованы и для их разрушения. В большинстве случаев разрушение эмульсий проводят недорогими неорганическими кислотами и основаниями. Так, всем хорошо известно «кислотное разложение», при котором снижение рН дестабилизирует щелочную эмульсию. Это эффективно используется при обработке металлов для разложения отработанных смазочно-охлаждающих средств.
В процессах добычи нефти тоже существуют проблемы с эмульсиями. Нефть, выкачиваемая на поверхность, содержит соленую воду, и в зависимости от состава представляет собой эмульсию воды в нефти или наоборот. Часто в качестве стабилизаторов таких эмульсий выступают анионные ПАВ, добавляемые в буровые растворы. Когда не действует обычное кислотное разложение, применяют повышенные температуры. Если эмульсия стабильна, используют деэмульгаторы, которые представляют собой композиции ПАВ (например, аминов, амидоаминов и имидазолинов), добавляя их в подогреваемые «отстойники» на месторождениях.
4.12 Транспортировка топливных суспензий
Во многих странах уголь все еще остается источником получения энергии. Транспортировка угля — это дорогостоящее мероприятие, и по возможности необходимо снижать его стоимость. Одним из предложенных методов является транспортировка в виде суспензии порошкового угля в масле или дизтопливо по трубопроводам или в емкостях. Для этой технологии требуется образование устойчивых суспензий по доступной цене. Используемые в достижении этих целей ПАВ — это анионные и неионогенные смачивающие агенты, а также этоксилированные катионные ПАВ. При получении топливных суспензий в масло добавляют спирт или небольшое количество воды в присутствии ПАВ. Суспензия получается добавлением порошкового угля в приготовленную смесь при перемешивании. Готовая смесь может быть доставлена непосредственно в паровой котел или в хранилище.
Данный метод имеет ограниченное применение из-за недостаточной стабильности получаемых суспензий и, как следствие, невозможности их прокачки.
4.13 ПАВ в процессах флотации
В разделе, касающемся бумажной промышленности, были упомянуты методы флотации, используемые для удаления примесей с волокон, а также для разделения волокон по размерам и методам их получения. Флотация имеет более обширную сферу применения при разделении руд, включающую их обогащение от различных примесей пустой породы.
Добываемая из земли руда редко находится в достаточно чистом виде и не пригодна для ее прямого использования. Большинство руд содержат примеси глины и других минералов. Некоторые минералы встречаются в природе совместно, такие как марганец и оксид железа или сульфид меди и цинка. В таком случае руды отделяются довольно экономичным путем с использованием флотации. Основными реагентами, применяющимися для повышения эффективности флотации, являются коллекторы-собиратели, как правило, ПАВ.
Функция коллектора заключается в селективной адсорбции ПАВ на поверхности руды, чтобы она могла быть отделена от пустой породы. ПАВ адсорбируются на поверхности руды функциональными группами, оставляя гидрофобные хвосты на поверхности. Частичная гидрофобность поверхности притягивает пузырьки воздуха, снижая плотность и делая возможным процесс флотации. Частицы, не обладающие участками для адсорбции ПАВ, оседают на дно. Конечно, возможен и обратный механизм, по которому коллектор притягивается к загрязнителям, а желаемая руда выпадает в виде осадка.
ПАВ, используемые в подобном процессе, обычно взаимодействуют с поверхностью посредством электростатических зарядов (так называемое Кулоновское взаимодействие). Если взаимодействие очень сильное и приводит к образованию химических связей ПАВ с поверхностью руды, то имеет место хемосорбция.
Используемые ПАВ существуют в растворе в виде мицеллярных агрегатов, и есть множество теорий относительно формы их существования при адсорбции. Мицеллы могут адсорбироваться, развертываясь на поверхности, либо как гемимицеллы. Мономерные ПАВ могут адсорбироваться индивидуально, или мицеллы могут изменять свою форму и размеры под действием поверхностных сил. Все это возможные варианты, но ни один из них доказан, поскольку пока не разработаны методы, позволяющих это сделать.
4.14 ПАВ в процессе пожаротушения
ПАВ играют ключевую роль как пенообразователи в средствах пожаротушения. Пенный покров направляется непосредственно на пламя по воздушной подложке или на подложке из двуокиси углерода.
Наиболее распространенным методом, применяемым в огнетушении, является использование пенных покровов диоксида углерода. Обычно, это реакция нейтрализации натрия и бикарбоната кислотой в присутствии воды, и которой растворяется ПАВ, обладающее способностью к ценообразованию. Такие свойства имеют сульфоэтокси-латы, бетаины и сульфонаты. В качестве кислоты используют серную кислоту или даже соль (например, алюминий сульфат). В огнетушителе оба компонента хранятся отдельно друг от друга до тех пор, пока они не будут востребованы; в нужный момент они объединяются. В систему могут быть добавлены и стабилизаторы пены — это водорастворимые протеины (типа альбумина).
Воздушные пены генерируются путем вовлечения воздуха или диоксида углерода в раствор ПАВ.
4.15 Утверждение цемента
В виде добавок в бетон и цемент используют недорогие лигносульфонаты. Включение таких ПАВ в качестве пластифицирующих средств может снизить количество воды, необходимое для замешивания, ускоряя отверждение без потери прочности. Правильно подобранные лигносульфонаты не пенятся. Высоко пенящиеся ПАВ находят применение в легких пеноцементах.
Если возникает проблема коррозии, например, в армированных решетках, то вместо лигносульфонатов используются неионогенные ПАВ. Возможно применение полигликолевых эфиров
.
ПАВ в пищевой промышленности
ПАВ применяются в пищевой промышленности для интенсификации технологических процессов и улучшения качества продукции.
Пищевые добавки.
В соответствии с действующим законодательством под термином «пищевые добавки» понимают природные или синтетические вещества, преднамеренно вводимые в пищевые продукты с целью придания им заданных свойств. Введение пищевых добавок с точки зрения технологии может быть направлено на улучшение внешнего вида и органолептических свойств продукта, сохранение качества продукта в процессе его хранения, и ускорение сроков изготовления пищевых продуктов. Рассмотрим некоторые из них.
4.16.1.Вещества, препятствующие слеживанию и комкованию
Для предотвращения слеживания гигроскопических порошков применяют гидрофобизацию поверхности частиц с помощью поверностно-активных веществ (ПАВ).Молекулы ПАВ, адсорбируясь на поверхности твердых частиц, покрывают их тонкой пленкой, что создает барьер для проникновения влаги, провоцирующей слеживание и образование комков. Основную группу неорганических соединений составляют силикаты и алюмосиликаты щелочных, щелочноземельных и других сходных по ряду металлов (калия, натрия, кальция, алюминия и цинка). К органическим соединениям, которые входят в состав этих добавок, относятся соли жирных кислот и полидиметилсилоксан.
Соли жирных кислот (Е470) представляют собой главным образом натриевые, калиевые, кальциевые, магниевые, алюминиевые, аммониевые соли миристиновой, олеиновой, пальмитиновой и стеариновой кислот.
Соли высших жирных кислот обладают поверхностной активностью и способны предотвращать агломерацию частиц путем гидрофобизации их поверхности. ( до 5г на кг. продукта)
Полидиметилсилоксан (Е 900), называемый также демификон или семификон, представляет собой синтетическую смесь кремнийсодержащего соединения диметилполисилоксана силикагеля (диоксида кремния).
Полисилоксаны обладают высокой водоотталкивающей способностью, инертны и используются в различных продуктах в концентрации 10 мг/ кг.
4.16.2.Пеногасители.
Это добавки, обладающие способностью предупреждать или снижать образование пен – стабилизированных дисперсий определенных типов газов в жидкой дисперсионной среде. Для гашения пен наиболее экономичным и эффективным является применение химических пеногасителей.
Альгиновые кислоты и их соли (Е 400 – Е 404) – загустители, стабилизаторы и студнеобразующие вещества получают из бурых водорослей. Представляют собой полисахариды, состоящие из остатков D-маннуровой и L-гиалуроновой кислот. Альгиновые кислоты в воде не растворимы ,но связывают ее. При нейтрализации карбоксильных групп Альгиновые кислоты образуют альгинаты, которые растворимы в горячей воде.
Альгиновые кислоты и альгинаты используются в качестве студнеобразователя при производстве мармелада, фруктового желе, конфет; мороженого – для процесса кристаллизации, создания равномерной структуры и замедления таяния; соусов, заливок – для получения гладкой, приятной на вкус, не расслаивающейся на фракции эмульсии; сбитых кремов – для предотвращения выделения воды при замораживании; пива – для контроля пенообразования в заданных пределах..( до 50мг/кг, а пропиленгликольальгинат до 25мг/кг.
Жирные кислоты и их соли.(Е481–Е482) в пищевой промышленности применяются в качестве эмульгаторов. Так, свободные жирные кислоты – олеиновую, стеариновую, пальмитиновую, а так же их соли (натриевые, калиевые, кальциевые) – используют в производстве хлебобулочных и кондитерских изделий в концентрации до 5г/кг.
Моно и диацилглицеролы жирных кислот (Е 471) в шоколадном производстве позволяют экономить масло какао, а в маргариновом – получать низкокалорийные маргарины с содержанием фазы 40 -50 %.
В производстве маргарина применяют эмульгатор Т-8 – смесь эмульгатора Т – 1 и фосфолипидных концентратов. Эмульгатор Т -1 – это смесь моно – и диацилглицеролов жирных кислот, которые получают путем гидролиза ацилглицеролов или этерификации глицерина высокомолекулярными жирными кислотами. Применение такой пищевой добавки в количестве 0,18% массы муки в хлебопечении улучшает качество хлеба, замедляет процесс черствления, а в производстве маргарина повышает пластичные свойства.
Эмульгатор Т-2 получают путем этерификации предельных жирных кислот с 16 и 18 атомами углерода и применяют в производстве маргаринов в качестве пластификатора и антиразбрызгивателя, а также в хлебопечении для улучшения качества хлеба.(125мг/кг массы тела).
Полидиметилсилоксан (Е900а) применяют в качестве пеногасителя, эмульгатора, добавки, препятствующей слеживанию и комкованию.
4.16.3.Эмульгаторы
Эмульгаторы – это вещества, уменьшающие поверхностное натяжение на границе раздела фаз. Их добавляют к пищевым продуктам для получения тонкодисперсных и устойчивых коллоидных систем. В частности, с помощью таких добавок создают эмульсии жира в воде или воды в жире. Такая способность связана с поверхностно – активными свойствами, поэтому применительно к данной группе пищевых добавок термины «эмульгатор», «эмульгирующий агент» - и «ПАВ» - синонимы.
Поверхностно – активные вещества позволяют регулировать свойства гетерогенных систем, которыми являются пищевое сырье, полуфабрикаты или готовая пищевая продукция. Применяемые в промышленности ПАВ – это не индивидуальные вещества, а многокомпонентные смеси. Химическое название препарата при этом соответствует лишь его основной части.
Некоторые эмульгаторы могут выполнять смежные технологические функции, например, стабилизаторов или антиоксидантов.
Лецитин (Е322) входит в группу фосфолипидов, содержащихся в растительных маслах. Лецитины получают в основном из подсолнечного, соевого, рапсового масел и применяют в пищевой промышленности преимущественно как эмульгаторы. Хорошие эмульгирующий свойства их – это следствие комбинации липофильных и гидрофильных групп в молекулах. Лецитин применяется при производстве хлеба, мучных кондитерских изделий, конфет, шоколада, напитков, мороженого, сухого молока.
Алифатические спирты жирного ряда, получаемые в результате гидрирования соответствующих жирных кислот, отчасти являются естественными компонентами жиров. В большинстве случаев это стеариловые и олеиловые спирты. Они применяются непосредственно или в виде сложных эфиров уксусной, молочной, фумаровой, яблочной, лимонной или других кислот в качестве стабилизаторов при производстве печенья. Например, ацилированный моноацилглицерол ( Е 472i). применяется в хлебопечении, в сахарной промышленности и при производстве мороженого. Стеароилмолочная кислота (производное молочной кислоты с высшими жирными кислотами) и ее натриевая соль (стеароиллактилат натрия) используются в качестве ПАВ для маргаринов и других продуктов.
Сложные эфиры жирных кислот сахара и сорбита также входят в класс эмульгаторов. Этерификация сахаров (сахарозы, глюкозы) и сорбитов (сорбитангидрида) жирными кислотами дает группу эмульгаторов с широким диапазоном поверхностно – активных свойств. Их можно комбинировать с полиоксиэтиленами (полиэтиленгликолевые эфиры), в результате чего получаются эмульгаторы с измененными свойствами. Наиболее известны СПЭНы и Твины. Они применяются при изготовлении жировых эмульсий, шоколада, печенья, кондитерских изделий, яичного и какао-порошка и для улучшения растворимости кофе.
Экстракт мыльного корня – классический стабилизатор пены. Токсичен и используется только при производстве халвы при обработке измельченных масличных семян и карамельной массы.
Фосфаты (Е 450 Е452) наиболее широко применяются в качестве стабилизаторов влагоудерживающей способности колбасного фарша, мяса рыбы и беспозвоночных. В производстве продуктов используются как нейтральные, так и кислые монофосфаты, дифосфаты,триффосфаты и высшие полифосфаты.
4.17 Применение ПАВ в сельском хозяйстве
Практически в каждой из областей сельского хозяйства ПАВ находят широкое применение в качестве ингредиентов промышленных продуктов. ПАВ используются для регулирования структуры почвы. Алкилсульфонаты могут изменять плотную почву, делая ее более гидрофильной, и разрыхлять присутствующую в ней глину, что упрощает возделывание почв. Введение ПАВ может повысить эффективность гербицидов, фунгицидов и инсектицидов. Соли и этоксилаты аминов создают условия для улучшенного смачивания и распыления. Кроме того, наличие гидрофобной поверхности обеспечивает и защиту от влаги. В данной области ПАВ играют важную роль и оказывают влияние на длительность хранения продуктов. Эмульсии пестицидов стабилизируют ПАВ-эмульгаторами, кроме того, ПАВ могут выступать в качестве стабилизаторов суспензий порошковых инсектицидов при их применении в виде водных суспензий.
Удобрения имеют тенденцию к слипанию. Это можно предотвратить введением в их состав ПАВ (например, жирных аминов). Жирные амины предотвращают слипание, действуя как влагопоглотители. ПАВ используются вместе с неорганическими солями, например аммоний нитратом или аммоний сульфатом, где жирные амины эффективны в количествах 100ррт и менее. Данные вещества применяются в виде спреев, разбавленных минеральными маслами, или расплавов низкоплавких восков. ПАВ снижают время производства фосфатных удобрений, предотвращают их слипание, а улучшением свойств смачиваемости и распрыскивания способствуют распределению в почве.
4.18 Использование ПАВ в фармакологии
Как фармакологические вспомогательные средства ПАВ применяются главным образом благодаря своим очищающим и змульгирующим свойствам. Многие области их применения связаны с обработкой кожи — в данном случае смачивающие агенты способствуют улучшению контакта лекарственного препарата с кожей. Натрий лаурилсульфат используют при изготовлении зубных паст. Некоторые катионные ПАВ известны благодаря своим бактерицидным свойствам и использованию в качестве вспомогательных фармацевтических средств.
Заключение
Целью данной работы было показать разнообразие и широту областей промышленного применения ПАВ. Некоторые ПАВ потребляются в больших количествах, например, в металлообработке, другие используются в незначительных, как в фармакологии. Все они имеют свое специфическое применение.
Возрастающие запросы потребителей приводят к появлению новых сфер применения ПАВ и расширению их рынка.
Список используемой литературы.
1. Волков В.А. Поверхностно-активные вещества в синтетических моющих средствах и усилителях химической чистки. - М.: Ленпромбытиздат, 1985.- 200 с.
2. Гумайлов Н. В., Ямпольская Г. П. Поверхностные явления в белковых системах. М. Химия. 1988.
3. Дерягин Б. В., Чураев Н. В. Поверхностные силы. 1985.
4. Коллоидные поверхностно-активные вещества, пер. с англ. под ред. А. Б. Таубмана, 3. H. Маркиной, M., 1966;
5. Ланге К.Р Поверхностно-активные вещества: синтез, свойства, анализ, применение. Профессия, 2005
6. Мицеллообразование, солюбилизация и микроэмульсии, пер. с англ., M., 1980;
7. Неволин Ф. В., Химия и технология синтетических моющих средств, 2 изд., М., 1971;
8. Поверхностно-активные вещества. Справочник/под ред. А.А. Абрамзона и Г.М. Гаевого. – Л.: Химия, 1979.- 376 с.
9. Файнгольд С. И., Синтетические моющие средства из нефтяного и сланцевого сырья, Л., 1964.
10. Физико-химические основы применения поверхностно-активных веществ, Ташкент, 1977;
11. Шварц А., Перри Дж., Берч Д ж., Поверхностно-активные вещества и моющие средства, пер. с англ., М., 1960;
12. Штюпель Г., Синтетические моющие и очищающие средства, пер. с нем., М., 1960;
Ланге К.Р Поверхностно-активные вещества: синтез, свойства, анализ, применение. Профессия, 2005
6. Мицеллообразование, солюбилизация и микроэмульсии, пер. с англ., M., 1980
6. Мицеллообразование, солюбилизация и микроэмульсии, пер. с англ., M., 1980
Ланге К.Р Поверхностно-активные вещества: синтез, свойства, анализ, применение. Профессия, 2005
Дерягин Б. В., Чураев Н. В. Поверхностные силы. 1985
12. Штюпель Г., Синтетические моющие и очищающие средства, пер. с нем., М., 1960;
Волков В.А. Поверхностно-активные вещества в синтетических моющих средствах и усилителях химической чистки. - М.: Ленпромбытиздат, 1985.- 200 с
Файнгольд С. И., Синтетические моющие средства из нефтяного и сланцевого сырья, Л., 1964
Ланге К.Р Поверхностно-активные вещества: синтез, свойства, анализ, применение. Профессия, 2005
2