Классификация поверхностно активных веществ по химическому составу. Классификация пав и основы их действия в составе смс. Катионные поверхностно-активные вещества

Потребности народного хозяйства в поверхностно-ак­тивных веществах огромны. Их производство во всем мире возрастает с каждым годом. Из какого сырья полу­чают огромные количества разнообразных ПАВ?

Мы уже говорили, что до середины 60-х годов исполь­зовались главным образом природные (натуральные) по- верхностно-активные вещества. Основной объем ПАВ по­лучали сравнительно простой переработкой ограническо - го сырья животного и, реже, растительного происхожде­ния. Некоторые из этих веществ, хорошо зарекомендо­вавшие себя в промышленности и в быту, и теперь не утратили своего значения. Это объясняется не только до­вольно высокой эффективностью их действия, но и в не­малой степени низкой стоимостью.

Поверхностно-активные вещества, получаемые из пи­щевых продуктов, упоминаются в разных разделах книги.

Несульфируемых соединений-не более 3; сульфатов и сульфитов натрия-не более 15. Сульфанол выпускается в двух видах-жидком (содер­жание активного вещества не менее 45%) и порошко­образном (100% активного вещества).

Азоляты (А, Б, А-2) -смесь натриевых солей алкил- бензолсульфокислот. Получают из керосино-газойлевых фракций нефти в виде хорошо растворимых в воде паст. Средняя молекулярная масса 300-350, активных веществ 50-70%, воды 20-35%; относятся к «биологически мяг­Ким» ПАВ. Биоразлагаемость в сточных водах при ис­ходной концентрации ПАВ 20 и 10 мг/л составляет 85 и 95% соответственно. Поверхностная активность азоля - тов достаточно велика: поверхностное натяжение для азолята А и азолята Б составляет при концентрации 0,1% соответственно 31,2 и 35,6 Н/м, а при концентрации 0,5%-27,9 и 30,0 Н/м.

Кальциевые соли алкиларилсульфокислот - высокомоле­кулярный алкиларилсульфонат. Получают на основе про­дуктов конденсации флегмы каталитического крекинга и крекинг-керосина с последующим сульфонированием и нейтрализацией. Средняя молекулярная масса от 40 до 500. Содержание активных веществ 14-15%, воды-до 80%. Существенно снижает поверхностное натяжение во­ды (до 37 Н/м) уже при концентрации в растворе 0,25%. Дает высокократную и устойчивую пену. Эффективен в цементных материалах, глиняных суспензиях.

Динатриевые соли сульфокарбоновых кислот-смесь Высокомолекулярных кислот с числом углеродных ато­мов более 18. Общая формула

R - СН - COONa I

Биоразлагаемость в сточных водах достигает 90-95%. Получают го дешевого и недефицитного сырья по простой технологии, что делает динатриевые соли сульфокарбо­новых кислот перспективными ПАВ для получения пен средней кратности.

Некаль-смесь натриевых солей моно-, ди - и триизо - бутилнафталинсульфокислот. В основном состоит из диалкил производных

(ызо-С4Н 9)2С 10Н 5SO 3Na

Полярная группа - SO 3Na. Неполярная часть-цикличе-" ские и алифатические углеводородные радикалы. По)
внешнему виду это нерасслаивающаяся паста, в которой содержится 20-40% влаги.

Лаурилсульфат натрия - общая формула R0S03Na, і де R = С9-С15. Это наиболее дешевый пенообразователь. Заметим, что лаурилсульфаты калия дают пейу более вы­сокой кратности (почти втрое) по сравнению с на­триевыми солями. Парктическое применение находят Также продукты нейтрализации лаурилсульфата триэта - ноламином.

Оксиэтилированный лаурилсульфат натрия- Продукт конденсации оксида этилена и жирных спиртов С,2-См с последующей обработкой хлорсульфоновой кислотой и нейтрализацией NaOH. Установлено, что с увеличением числа атомов углерода в молекуле спирта растворимость в щелочной среде понижается; наибольший практический интерес представляют более доступные спирты с не­четным числом атомов углерода в молекуле (С,-С15).

Пенообразователи ПО-1 и ПО-1А - жидкости от жел­того до коричневого цвета, без осадка и посторонних включений.

ПО-1 получают путем нейтрализации керосинового контакта. Содержит не менее 45% сулы|юкислот. Для обеспечения высокой кратности и стойкости пены в со­став вводят 3,5-5,5% костного клея и 10% этилового спирта или этиленгликоля.

ПО-1 А-смесь ал кил сульфатов натрия на основе сер­нокислых эфиров вторичных спиртов с числом атомов углерода в алкильном радикале от 8 до 18. Содержание активного вещества не менее 20%.

Эти пенообразователи предназначены для получения огнегасительной пены. При использовании генераторов высокократной пены (такими установками оборудованы пожарные автомобили) из 2-5%-ных водных растворов

4-111
этих пенообразователей получается стойкая пена с крат­ностью 70-150. Такая пена хорошо тушит горящие нефтепродукты.

Вещество к Прогресс» -смесь натриевых солей серно­кислых эфиров вторичных спиртов с числом углерода в алкильных радикалах от 6 до 16. Служит детергентом в ряде синтетических моющих средств, выпускаемых отечественной промышленностью.

Соли алкиламинов и соли четырехзамещенного Аммо-і Ныл-эти катионоактивные вещества получают на основе| аминов разной степени замещения, четвертичных аммо-1 ниевых и других азотсодержащих оснований (гидразины, гуанидин, гетероциклические соединения).

RNH T - HCI - хлористоводородная соль алкиламина, где I R-углеводородный радикал от Сі0Н2і до С20Н41;

RR"R"R""NCI-coflb четырехзамещенного аммония,! где R-длинный углеводородный радикал с 12-18 атома­ми углерода, a R"R"R"" - короткие углеводородные ради­калы (СН3 или С2Н5).

ОП-7, ОП-Ю, синтанол ДС-10- Вещества неионогенно - го типа. Все они-продукты взаимодействия фенола, ал - килфенолов ИЛИ ВЫСШИХ ЖИрНЫХ СПИрТОВ С ю Cjg с НЄ-1 сколькими молями этиленоксида по реакции

ROH + nH2q-CH2 R(OCH2CH2)/JOH

Где R-углеводородный радикал от С10Н21 до С20Н41.

Кремнийорганические соединения - характеризуются вы­сокой поверхностной активностью, некоторые из них мо­гут быть использованы в качестве пенообразователей при получении водостойких материалов. Самыми распростра-,
ценными соединениями этого класса в отечественной прак­тике являются этнлхлорсиланы (ГКЖ-94), метил - и этил - силнконаты (ГКЖ-10 и ГКЖ-11).

Разработка новых синтетических поверхностно-ак - гивных веществ ведется более чем в десяти академиче­ских и отраслевых научно-исследовательских институтах страны. Создаются ПАВ с комплексом специально за­данных свойств, которые помимо высокой пенообразую - щей способности должны обладать низкой токсичностью и слабой физиологической активностью, высокой биораз - лагаемостью и многими другими важными для практики свойствами.

Поверхностно-активные вещества имеют полярное (асимметричное) строение молекул, способны адсорбироваться на границе двух сред и понижать свободную поверхностную энергию системы. Совершенно незначительные добавки ПАВ могут изменить свойства поверхности частиц и придать материалу новые качества. В основе действия ПАВ лежит явление адсорбции, которое приводит одновременно к одному или двум противоположным эффектам: уменьшению взаимодействия между частицами и стабилизации поверхности раздела между ними вследствие образования межфазного слоя. Для большинства ПАВ характерно линейное строение молекул, длина которых значительно превышает поперечные размеры (рис. 15). Радикалы молекул состоят из групп, родственных по своим свойствам молекулам растворителя, и из функциональных групп со свойствами, резко отличными от них. Это полярные гидрофильные группы, обладающие резко выраженными валентными связями и оказывающие определенное влияние на смачивающее, смазывающее и другие действия, связанные с понятием поверхностной активности. При этом уменьшается запас свободной энергии с выделением тепла в результате адсорбции. Гидрофильными группами на концах углеводородных неполярных цепей могут быть гидроксил – ОН, карбоксил – СООН, амино – NН 2 , сульфо – SO и другие сильно взаимодействующие группы. Функциональные группы представляют собой гидрофобные углеводородные радикалы, характеризующиеся побочными валентными связями. Гидрофобные взаимодействия существуют независимо от межмолекулярных сил, являясь дополнительным фактором, способствующим сближению, «слипанию» неполярных групп или молекул. Адсорбционный мономолекулярный слой молекул ПАВ свободными концами углеводородных цепей ориентируется от

поверхности частиц и делает ее несмачиваемой, гидрофобной.

Эффективность действия той или иной добавки ПАВ зависит от физико-химических свойств материала. ПАВ, дающее эффект в одной химической системе, может не оказать никакого действия или явно противоположное – в другой. При этом очень важна концентрация ПАВ, определяющая степень насыщенности адсорбционного слоя. Иногда действие, аналогичное ПАВ, проявляют высокомолекулярные соединения, хотя они и не изменяют поверхностного натяжения воды, например поливиниловый спирт, производные целлюлозы, крахмал и даже биополимеры (белковые соединения). Действие ПАВ могут оказывать электролиты и вещества, нерастворимые в воде. Поэтому определить понятие «ПАВ» очень трудно. В широком смысле это понятие относится к любому веществу, которое в небольших количествах заметно изменяет поверхностные свойства дисперсной системы.

Классификация ПАВ очень разнообразна и в отдельных случаях противоречива. Предпринято несколько попыток классификации по разным признакам. По Ребиндеру все ПАВ по механизму действия разделяются на четыре группы:

– смачиватели, пеногасители и пенообразователи, т. е. активные на границе раздела жидкость – газ. Они могут снизить поверхностное натяжение воды с 0,07 до 0,03–0,05 Дж/м 2 ;

– диспергаторы, пептизаторы;

– стабилизаторы, адсорбционные пластификаторы и разжижители (понизители вязкости);

– моющие вещества, обладающие всеми свойствами ПАВ.

За рубежом широко используется классификация ПАВ по функциональному назначению: разжижители, смачиватели, диспергаторы, дефлокулянты, пенообразователи и пеногасители, эмульгаторы, стабилизаторы дисперсных систем. Выделяются также связующие, пластифицирующие и смазывающие вещества.

По химическому строению ПАВ классифицируют в зависимости от природы гидрофильных групп и гидрофобных радикалов. Радикалы разделяют на две группы – ионогенные и неионогенные, первые могут быть анионо- и катионоактивные.

Неионогенные ПАВ содержат неионизирующиеся конечные группы с высоким сродством к дисперсионной среде (воде), в состав которых входят обычно атомы кислорода, азота, серы. Анионоактивные ПАВ – соединения, в которых длинная углеводородная цепочка молекул с низким сродством к дисперсионной среде входит в состав аниона, образующегося в водном растворе. Например, СООН – карбоксильная группа, SO 3 Н – сульфогруппа, OSO 3 Н – группа эфира, Н 2 SО 4 и др. К анионоактивным ПАВ относятся соли карбоновых кислот, алкил сульфаты, алкилсульфонаты и т. п. Катионоактивные вещества образуют в водных растворах катионы, содержащие длинный углеводородный радикал. Например, 1-, 2-, 3- и 4- замещенный аммоний и др. Примерами таких веществ могут быть соли аминов, аммониевые основания и т. п. Иногда выделяют третью группу ПАВ, куда входят амфотерные электролиты и амфолитные вещества, которые в зависимости от природы дисперсной фазы могут проявлять как кислые, так и основные свойства. Амфолиты нерастворимы в воде, но активны в неводных средах, например олеиновая кислота в углеводородах.

Японские исследователи предлагают классификацию ПАВ по физико-химическим свойствам: молекулярный вес, молекулярная структура, химическая активность и т. п. Возникающие за счет ПАВ гелеобразные оболочки на твердых частицах в результате различной ориентации полярных и неполярных групп могут вызывать разнообразные эффекты: разжижение; стабилизацию; диспергирование; пеногашение; связывающие, пластифицирующие и смазывающие действия.

Положительное действие ПАВ оказывает только при определенной концентрации. По вопросу оптимального количества вводимых ПАВ имеются очень разнообразные мнения. П. А. Ребиндер указывает, что для частиц

1–10 мкм необходимое количество ПАВ должно составлять 0,1–0,5%. В других источниках приводятся значения 0,05–1% и более для разной дисперсности. Для ферритов было найдено, что для образования мономолекулярного слоя при сухом помоле ПАВ необходимо брать из расчета 0,25 мг на 1 м 2 удельной поверхности начального продукта; для мокрого помола – 0,15–0,20 мг/м 2 . Практика показывает, что концентрация ПАВ в каждом конкретном случае должна подбираться экспериментально.

В технологии керамических РЭМ можно выделить четыре направления применения ПАВ, которые позволяют интенсифицировать физико-химические изменения и превращения в материалах и управлять ими в процессе синтеза:

– интенсификация процессов тонкого измельчения порошков для повышения дисперсности материала и сокращения времени помола при достижении заданной дисперсности;

– регулирование свойств физико-химических дисперсных систем (суспензий, шликеров, паст) в технологических процессах. Здесь важны процессы разжижения (или понижения вязкости с увеличением текучести без понижения влагосодержания), стабилизации реологических характеристик, пеногашения в дисперсных системах и т. п.;

– управление процессами факелообразования при распылении суспензий при получении заданных размеров, формы и дисперсности факела распыла;

– повышение пластичности формовочных масс, особенно получаемых при воздействии повышенных температур, и плотности изготовленных заготовок в результате введения комплекса связующих, пластифицирующих и смазывающих веществ.

Д.т.н. В.А. Рыженков, к.т.н. А. В. Куршаков, А.В. Рыженков, инженер,
Московский энергетический институт (технический университет);
к.т.н. И.П. Пульнер, главный инженер,
к.т.н. С.Н. Щербаков, директор филиала № 7 «Юго-Западный»,
ОАО «Московская объединенная энергетическая компания», г. Москва

Введение

Актуальнейшими современными проблемами в отечественной теплоэнергетике, в том числе в городских системах теплоснабжения, в настоящее время являются повышение надежности, долговечности и энергоэффективности тепловых сетей, генерирующего и теплообменного оборудования, запорно-регулирующей арматуры и трубопроводов. В рамках этого решаются такие задачи как повышение коррозионной стойкости конструкционных материалов, снижение скорости образования новых и эффективное удаление имеющихся термобарьерных отложений с поверхностей теплообмена, снижение гидравлических потерь при транспортировке теплоносителя, снижение затрат при проведении ремонтно-профилактических работ и ряд других задач.

Одним из перспективных способов комплексного подхода в решении вышеупомянутых проблем является применение разработанных в Московском энергетическом институте (техническом университете) ПАВ-технологий, базирующихся на кондиционировании теплоносителя молекулами поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Использование ПАВ-технологий в теплоэнергетике

В мировой практике немало примеров использования ПАВ в качестве высокоэффективных ингибиторов коррозии. Достаточно отметить, что в Российской Федерации на сегодняшний день действуют регламенты (руководящие документы - РД) по защите от стояночной (атмосферной) коррозии теплоэнергетического оборудования ТЭС и теплосетей (РАО «ЕЭС России»), а также АЭС с ВВЭР (Росатом) с применением ПАВ из класса пленкообразующих аминов .

Известно, что использование ПАВ в тепловых сетях ряда стран позволило кардинально решить проблему повышения надежности и ресурса теплотехнического оборудования на основе практически полного блокирования коррозионных процессов .

В последние годы в научном центре «Износостойкость» МЭИ (ТУ) впервые было обнаружено, что кондиционирование теплоносителя молекулами ПАВ приводит к повышению внутреннего относительного КПД центробежных насосов до 4%, снижению гидравлического сопротивления магистральных и разводящих трубопроводов на 25-30%. Эти эффекты связаны с формированием на металлических поверхностях плотно упакованных, строго ориентированных слоев молекул ПАВ, которые за счет «сглаживания» их шероховатости снижают степень турбулизации потока в пристенных слоях потока.

В представленной статье приводятся результаты применения одного из вариантов ПАВ-технологии в системе городского теплоснабжения на примере автономного участка теплосетей одной из квартальных тепловых станций (КТС) Филиала № 7 «Юго-Западный» ОАО «МОЭК» в период отопительного сезона 2006-2007 гг.

Автономный участок системы теплоснабжения включает в себя водогрейный котел ПТВМ-50, два котла КВГМ-20, общей мощностью 90 ккал/ч, магистральные теплотрассы и вводы с трубопроводами различного диаметра (80-500 мм), а также распределительные трубопроводы и системы отопления зданий и сооружений с общим объемом 2141 м3. Схема теплоснабжения присоединенных к тепловым сетям станции потребителей -закрытая двухтрубная. В качестве теплоносителя используется вода с температурным графиком 150-70 ОC.

Реализация ПАВ-технологии осуществлялась с использованием специально разработанной мобильной установки, общий вид которой представлен на рис. 1. Основное назначение этой установки заключается в обеспечении кондиционирования теплоносителя молекулами применяемого ПАВ по специальному технологическому регламенту. Длительность кондиционирования теплоносителя молекулами ПАВ определяется протяженностью и разветвленностью автономного участка, а также неравномерной интенсивностью подпитки.

Процесс кондиционирования заканчивается после достижения расчетных концентраций молекул ПАВ в теплоносителе в различных точках схемы (в пределах КТС, а также на ЦТП и ИТП).

В процессе реализации ПАВ-технологии удалось обеспечить достаточно эффективную сорбцию молекул ПАВ на внутренние поверхности трубопроводов и теплотехнического оборудования и сформировать на них строго-ориентированные, упорядоченные молекулярные слои, являющиеся гарантированной преградой для доступа молекул кислорода и углекислоты к металлу.

Известно, что в процессе движения к поверхности металла молекулы ПАВ благодаря своей повышенной активности способствуют разрыхлению и отслаиванию отложений и продуктов коррозии, которые, как правило, присутствуют на функциональных поверхностях оборудования систем теплоснабжения. Это обстоятельство было зафиксировано при реализации ПАВ-технологии на выбранном автономном участке системы теплоснабжения. В качестве иллюстрации на рис. 2 представлено распределение концентраций железа в пределах КТС за период с 13 марта 2007 г. по 21 марта 2007 г. Пробы теплоносителя отбирались из пробоотборных точек, расположенных непосредственно за котлом. Общее количество удаленного железа (в пересчете на Fe2O3) из экранов и конвективных пучков только одного котла ПТВМ-50 составило более 60 кг.

При этом были зафиксированы локальные «всплески» концентраций хлоридов в теплоносителе. В подаваемой сетевой воде максимальная концентрация хлоридов достигала 2,0 мг-экв/кг, в возвращаемой - до 0,5 мг-экв/кг, что свидетельствует о десорбции накопленных в процессе эксплуатации ионов хлора из микротрещин, пор и каверн поверхностного слоя металла.

Водородный показатель сетевой воды pH (как в прямом, так и в обратном трубопроводах) в течение всего периода мониторинга оставался практически неизменным. Измеренные значения находятся в диапазоне 8,89-9,08.

Как уже упоминалось выше, формирование на внутренних поверхностях трубопроводов молекулярных слоев ПАВ должно приводить к изменению режима течения теплоносителя. Для определения влияния поверхностных молекулярных слоев ПАВ на эпюры скоростей в трубопроводах теплосетей был разработан специальный зонд, схема которого представлена на рис. 3. Принцип действия зонда основан на измерении динамического напора потока на различном удалении от стенки трубопровода путем последовательного переключения трубок Пито. Динамический напор фиксировался дифманометром ДСП-160М1, к одному входу которого подсоединен коллектор трубок Пито, к другому - трубка статического давления.

Зонд был установлен в ЦТП на напорном трубопроводе диаметром 125 мм с соблюдением всех условий для минимизации погрешности измерений, связанных с нестационарностью потока.

На рис. 4 представлены профили скоростей, зафиксированные 22 января 2007 г. (до кондиционирования теплоносителя молекулами ПАВ) и 15 марта 2007 г., в дни, когда температура наружного воздуха и расходы прямой сетевой воды на КТС в момент измерений совпадали при t=+3 ОC и G=810 т/ч (см. кривые 1 и 2). На этом же рисунке для сравнения приведен классический профиль скоростей потока в абсолютно гладкой трубе. Анализ приведенных на рис. 4 профилей скоростей потока показывает, что значение средней скорости в процессе кондиционирования теплоносителя молекулами ПАВ увеличилось на 7,4%, естественно это приведет к адекватному изменению расхода теплоносителя.

С целью определения изменения перепадов давления при кондиционировании теплоносителя молекулами ПАВ на входе и выходе тепловых пунктов с зависимой (ЦТП1Т) и независимой (ЦТП2Т) схемой присоединения были установлены образцовые манометры (кл. 0,15). Также как и при измерении локальных скоростей для сравнения были выбраны даты (22.01.07 г. и 15.03.07 г.) с совпадающими температурами наружного воздуха, с расходом подаваемой сетевой воды на КТС. Измерения давления на ЦТП1Т производились при полностью открытом запорно-регули-руемом клапане. Было зафиксировано устойчивое снижение перепада давлений с 0,3333 МПа до 0,3291 МПа, т.е. на ~1,3%. Соответственно, на ЦТП2Т перепад давлений на бойлере снизился с 0,3289 МПа до 0,3177 МПа, т.е. на~3,5%.

Удаление отложений с функциональных поверхностей трубопроводов и теплотехнического оборудования, а также их гидрофобизация и соответствующее повышение КПД сетевых насосов привело к изменению частоты вращения их роторов. На рис. 5 представлено распределение частот вращения роторов сетевых насосов за период с 22.01.07 г. по 22.03.07 г.

Разброс перепадов частот достигал 5,2 Гц. Такой характер кривых связан с тем, что регулирование режима работы котлов КТС как с помощью рециркуляционных насосов (клапанов рециркуляции), так и путем подмеса части обратной сетевой воды в подающую линию через клапан перемычки обеспечивался дежурным оператором вручную, а электропривод сетевых насосов с частотно-регулирующим преобразователем настроен на фиксированное давление в подающем трубопроводе тепловой сети на выходе из КТС.

Представленные на рис. 5 результаты показывают, что частоты вращения роторов сетевых насосов при кондиционировании теплоносителя молекулами ПАВ в период с 22.01.07 г. по 22.03.07 г. снизились с 41,1 до 39,2 Гц, т.е. на 4,75%.

Для непрерывно работающих двух сетевых насосов с суммарной электрической мощностью 630 кВт (2x315 кВт) экономия электроэнергии при этом может составить ~153 тыс. кВт.ч при средней продолжительности отопительного периода в г. Москве 213 суток.

Несомненно, что с практической точки зрения более важным является удельный показатель q, вычисляемый как отношение использованного в водогрейном котле (котлах) топлива (в данном случае газа - тыс. м3) к количеству тепла (Гкал), отданному потребителю (на все ЦТП). Мониторинг этих показателей на КТС проводится в автоматическом режиме с почасовой частотой их регистрации.

| скачать бесплатно О повышении эффективности эксплуатации городских систем теплоснабжения на основе ПАВ-технологий , Рыженков В.А., Куршаков А.В., Рыженков А.В., Пульнер И.П., Щербаков С.Н.,

До изобретения мыла жир и грязь с кожи удаляли золой и мелким речным песком. Египтяне умывались смешанной с водой пастой на основе пчелиного воска. В Древнем Риме при мытье пользовались мелко истолченным мелом, пемзой, золой. Видимо, римлян не смущало, что при таких омовениях вместе с грязью можно было «соскоблить» и часть самой кожи. Заслуга в изобретении мыла принадлежит, вероятно, галльским племенам. По свидетельству Плиния Старшего, из сала и золы букового дерева галлы делали мазь, которую применяли для окрашивания волос и лечения кожных заболеваний. А во II веке ее стали использовать в качестве моющего средства.

Христианская религия считала мытье тела делом «греховодным». Многие «святые» были известны только тем, что всю свою жизнь не умывались. Но люди давно заметили вред и опасность для здоровья загрязнения кожи. Уже в 18 веке на Руси было налажено мыловарение, а в ряде европейских стран еще раньше.

Технология изготовления мыла из животных жиров складывалась на протяжении многих веков. Сначала составляется жировая смесь, которую расплавляют и омыляют – варят со щелочью. Для гидролиза жира в щелочной среде берется немного топленого свиного сала, около 10 мл этилового спирта и 10 мл раствора щелочи. Сюда же добавляют поваренную соль и нагревают полученную смесь. При этом образуются мыло и глицерин. Соль добавляют для осаждения глицерина и загрязнений. В мыльной массе образуется два слоя – ядро (чистое мыло) и подмыленный щелок.

Также получают мыло в промышленности.

Омыление жиров может протекать и в присутствии серной кислоты (кислотное омыление). При этом получаются глицерин и высшие карбоновые кислоты. Последние действием щелочи или соды переводят в мыла. Исходным сырьем для получения мыла служат растительные масла (подсолнечное, хлопковое и др.), животные жиры, а также гидроксид натрия или кальцинированная сода. Растительные масла предварительно подвергаются гидрогенизации, т. е. их превращают в твердые жиры. Применяются также заменители жиров — синтетические карбоновые жирные кислоты с большой молекулярной массой. Производство мыла требует больших количеств сырья, поэтому поставлена задача получения мыла из не пищевых продуктов. Необходимые для производства мыла карбоновые кислоты получают окислением парафина. Нейтрализацией кислот, содержащих от 9 до 15 углеродных атомов в молекуле, получают туалетное мыло, а из кислот, содержащих от 16 до 20 атома углерода, — хозяйственное мыло и мыло для технических целей.

Состав мыла

Обычные мыла состоят главным образом из смеси солей пальмитиновой, стеариновой и олеиновой кислот. Натриевые соли образуют твердые мыла, калиевые соли — жидкие мыла.

Мыло – натриевые или калиевые соли высших карбоновых кислот,
полученные в результате гидролиза жиров в щелочной среде

Строение мыла можно описать общей формулой:

R – COOМ

где R – углеводородный радикал, M – металл.

Преимущества мыла:

а) простота и удобство в использовании;

Б) хорошо удаляет кожное сало

В) обладает антисептическими свойствами

Недостатки мыла и их устранение:

недостатки	способы устранения
1. Плохая моющая способность в жесткой воде, содержащей растворимые соли кальция и магния. Так как при этом выпадают в осадок нерастворимые в воде соли высших карбоновых кислот кальция и магния. Т.е. при этом требуется большой расход мыла.	1. В состав мыла вводят вещества-комплексообразователи, способствующие смягчению воды (натриевые соли этилендиамин-тетрауксусной кислоты - ЭДТК, ЭДТА, ДТПА).
2. В водных растворах мыло частично гидролизуется, т.е. взаимодействует с водой. При этом образуется определенное количество щелочи, которая способствует расщеплению кожного сала и его удалению. Калиевые соли высших карбоновых кислот (т.е. жидкое мыло) лучше растворяются в воде и поэтому обладают более сильным моющим действием. Но при этом оказывает вредное воздействие на кожу рук и тела. Это связано с тем, что верхний тончайший слой кожи имеет слабокислую реакцию (рН =5,5) и за счет этого препятствует проникновению болезнетворных бактерий в более глубокие слои кожи. Умывание мылом приводит к нарушению рН, (реакция становится слабощелочная), раскрываются поры кожи, что приводит к понижению естественной защитной реакции. При слишком частом использовании мыла кожа сохнет, иногда воспаляется.	2. Для уменьшения данного негативного воздействия в современные сорта мыла добавляют: - слабые кислоты (лимонная кислота, борная кислота, бензойная кислота и др.), которые нормализуют рН - крема, глицерин, вазелиновое масло, пальмовое масло, кокосовое масло, диэтаноламиды кокосового и пальмового масел и т.д. для смягчения кожи и предотвращения попадания бактерий в поры кожи.

Строение мыла - стеарата натрия.

Молекула стеарата натрия имеет длинный неполярный углеводородный радикал (обозначен волнистой линией) и небольшую полярную часть:

Молекулы ПАВ на пограничной поверхности располагаются так, что гидрофильные группы карбоксильных анионов направлены в воду, а углеводородные гидрофобные выталкиваются из нее. В результате поверхность воды покрывается частоколом из молекул ПАВ. Такая водная поверхность имеет меньшее поверхностное натяжение, что способствует быстрому и полному смачиванию загрязненных поверхностей. Уменьшая поверхность натяжения воды, мы увеличиваем ее смачивающую способность.

При производстве ИСК кроме вяжущих веществ, заполнителей и наполнителей широкое применение находят добавочные вещества в смесях, именуемые добавками.

На стадиях технологического производства они:

- облегчают выполнение операций;

Снижают количество затрачиваемой энергии;

Уменьшают расход дорогостоящих компонентов;

Снижают материалоемкость;

Способствуют обеспечению необходимых показателей свойств материала;

Благоприятствуют ускорению или замедлению процессов структурообразования и отвердевания.

На стадии эксплуатации конструкций добавки, введенные ранее ИСК призваны:

Упрочнить, стабилизировать структуру материала;

Максимально тормозить неизбежную деструкцию, возникающую и развивающуюся в материале под влиянием внешней среды и внутренних самопроизвольных явлений.

Основное функциональное назначение добавок, и этим они отличаются от заполнителей и наполнителей, заключается в том, что они всегда достаточно активно взаимодействуют с одним или несколькими компонентами смесей в процессе формирования структуры вяжущей части или макроструктуры ИСК. В результате реакции возникают новые соединения, которых ранее не было в смеси, причем добавки или полностью расходуются, или утрачивают свои индивидуальные признаки. Понятно, что при избыточном количестве добавки могут частично остаться в смеси и в сформированном материале без каких- либо изменений, что не является желательным.

Поверхностно-активнымивеществами (ПАВ ) называют такие химические соединения, которые адсорбируются на поверхностях раздела жидкостей и твердых тел и влияют на их физико-химические или химические свойства. ПАВ являются, как правило, соединениями, молекулы которых состоят из двух главных частей - радикала и функциональной группы.

Радикал - представляет собой группу атомов , которая при ряде химических превращений неизменна и переходит из молекулы одного соединения в молекулу другого.

Радикалы образуются, например, при отщеплении в молекулах углеводородов органических соединений атомов водорода. Так, если в любом предельном (насыщенном) соединении, относящемся к классу парафинов типа C n H 2 n +2 , отщепляется атом водорода, то оставшаяся группа атомов C n H 2 n +1 является алифатическим (жирным) радикалом

Н - С - С - …- С -, который обозначается буквой R.

Место отщепленного водорода в молекуле может занять другой атом или группа атомов, обладающих определенными свойствами, связанных со стационарным смещением электронов на атомных орбитах, что обуславливает наличие определенного электрического диполя и дипольного момента всей молекулы. Такие атомы или группы атомов называются функциональными группами .

Наиболее часто встречающиеся в составе ПАВ функциональные группы:

Гидроксильная: (- ОН);

Карбоксильная: (- СООН);

Аминная (амино-группа): (- NН 2);

Нитрогруппа: (- NО 2);

Сульфатогруппа: (- SО 3 H).

По количеству функциональных групп в молекуле ПАВ могут быть одно-, -двух- и многоосновными.

Соединения, в которых алифатический радикал содержит менее 10 атомов углерода , как правило, не обладают поверхностной активностью, т.е. способностью адсорбироваться и понижать поверхностное натяжение жидкостей или поверхностную энергию твердых тел. При содержании в радикале более 10 атомов углерода они обычно поверхностно-активны и называются высшими жирными ПАВ . От типа функциональной полярной группы и структуры радикала зависит растворимость ПАВ в различных растворителях и способность диссоциировать на ионы.

ПАВ, в которых функциональные группы несут положительный заряд, активны в кислой среде и неактивны в щелочной, тогда как ПАВ с отрицательно заряженными функциональными группами, наоборот, активны в щелочной и неактивны в кислой.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПАВ

Принципиально все ПАВ разделяют на две большие группы: иногенные соединения, при растворении в воде диссоциирующие на ионы, и неиногенные, которые на ионы не диссоциируют.

В зависимости от того, какими ионами обусловлена поверхностная активность ионогенных веществ - анионами или катионами , ионогенные вещества подразделяются на анионактивные , катионактивные, амфолитные. Анионактивные ПАВ активны в щелочных растворах, катионактивные - в кислых, амфолитные - в тех и других.

Анионактивные вещества в щелочных растворах, образуя отрицательно заряженные поверхностно-активные ионы (анионы):

RCOONa ↔ RCOO - + Na +

Катионактивные вещества при диссоциации в кислых растворах образуют положительно заряженные поверхностно-активные ионы (катионы):

RNH 3 Cl ↔ RNH 3 + + Cl -

К анионактивным ПАВ относятся: карбоновые кислоты (RCOOH) и их соли (RCOOMe) и др.

К катионактивным ПАВ относятся амины, аммониевые основания:

RNH 2 ; RNH 3 Cl.

Амфолитные ПАВ содержат две функциональные группы, одна из которых имеет кислый, другая - основной характер, например карбоксильную и аминную группу.

В зависимости от среды амфолитные соединения обладают анионными, либо катионными свойствами:

Щелочная среда кислая среда;

RNH(СH 2) n COO - ↔ RNH(СH 2) n COOH↔RNH 2 (СH 2) n COOH;

Анионные свойства катионные свойства.

Неионогенные ПАВ, растворяясь в воде, не образуют ионов.

К группе неиогенных ПАВ относятся продукты оксиэтилирования жирных кислот, спиртов, аминов.

RCOO(C 2 H 4 O) n · H ; RCH 2 O(C 2 H 4 O) n · H ; RC 6 H 5 O(C 2 H 4 O) n OH .

КЛАССИФИКАЦИЯ ПАВ ПО МЕХАНИЗМУ ДЕЙСТВИЯ

В зависимости от действия ПАВ в дисперсных системах они делятся на 4 группы:

К первой группе относятся низкомолекулярные, истинно растворимые в воде ПАВ, например спирты. Они являются слабыми смачивателями и пеногасителями.

Ко второй группе относятся ПАВ диспергаторы и эмульгаторы . Адсорбируясь, эффективно понижают свободную поверхностную энергию жидкости или твердого тела и тем самым облегчают процесс образования новых поверхностей и диспергирование. Эти вещества обладают и некоторыми стабилизирующими действиями.

В результате ориентированной адсорбции ПАВ второй группы гидрофобизируют твердые поверхности и, наоборот, гидрофилизируют гидрофобные поверхности. Особенно резко выражен эффект гидрофобизации этих ПАВ, усиливающийся химической связью - фиксацией полярных групп ПАВ на соответствующих участках твердой поверхности.

К ПАВ второго класса относятся жирные кислоты, их водорастворимые соли, катионактивные органические основания и соли.

В третью группу объединены ПАВ, являющиеся хорошими стабилизаторами. Поверхностная активность их сравнительно мала.

Эти ПАВ являются также хорошими адсорбционными пластификаторами - пластифицируют структуру, понижая их прочность и структурную вязкость. В цементных растворах и бетонах это позволяет переходить к жестким и вместе с тем однородным смесям, способствуют равномерности перемешивания, повышает плотность и долговечность (морозостойкость), приводит к повышению прочности и к снижению расхода цемента.

В качестве пластификаторов используют лигносульфонаты кальция (сульфитно-спиртовая барда - ССБ и сульфитно-дрожжевая бражка - СДБ) и т.п.

Четвертая группа ПАВ - это моющие вещества, обладающие высокой поверхностной активностью, смачивающим и гидрофобизирующим действием. Они также эффективные эмульгаторы и стабилизаторы эмульсий. В эту группу входят мыла жирных кислот и аминов.

В строительстве в основном используют поверхностно-активные вещества второй - четвертой групп.

ПАВ для цементобетонных смесей и цементобетона подразделяют на следующие виды:

1. Регулирующие свойства бетонных смесей

1.1. Пластифицирующие 1-4 группы (супер-, сильно-, средне- и слабопластифицирующие). Увеличивают подвижность бетонной смеси, замедляют схватывание бетона и повышают прочность.

1.2. Стабилизирующие. Повышают однородность бетона, снижают проницаемость.

1.3. Водоудерживающие. Увеличивают подвижность смеси, снижают проницаемость и прочность бетона, повышают однородность бетона.

1.4. Улучшающие перекачиваемость. Повышают однородность, снижают водоотделение смеси и прочность бетона.

1.5. Замедляющие схватывание. Увеличивают время подвижности смеси, замедляют схватывание в 2 и более раза при +20°С. Увеличение прочности в дальние сроки твердения.

1.6. Ускоряющие схватывание. Ускоряют схватывание на 20% и более при 20°С. Ускорение твердения.

1.7. Поризующие - для легких бетонов.

1.8. Воздухововлекающие. Повышение удобоукладываемости и морозостойкости, снижение расслаиваемости.

1.9. Пенно- и газообразующие. Пенообразующие добавки обеспечивают получение технической пены. Газообразующие ПАВ способны выделять газ за счет химического взаимодействия с продуктами гидратации цемента.

2. Регулирующие твердение бетона

2.1. Ускоряющие твердение. Повышение прочности в возрасте 1 суток на 20% и более. Замедление набора прочности в более поздние сроки.

2.2 Замедляющие твердение. Снижение прочности бетона на 30% и более в возрасте до 7 суток.

3. Повышающие прочность и (или) коррозионную стойкость, морозостойкость бетона, снижение проницаемости бетона

3.1. Водоредуцирующие (1-4 группы). Снижение расхода воды (на 20-5%). Повышение морозостойкости и коррозионной стойкости.

3.2. Кольматирующие. Повышение марки бетона по водонепроницаемости и коррозионной стойкости.

3.3. Воздухововлекающие и газообразующие. Повышение морозостойкости в 2 и более раза, пластификация смеси.

3.4. Повышающие защитные свойства бетона по отношению к арматуре (ингибиторы коррозии стали). Увеличение подвижности смеси и снижение диффузионной проницаемости бетона.

4. Придающие бетону специальные свойства

4.1. Противоморозные (обеспечивающие твердение при отрицательных температурах).

4.2. Гидрофобизирующие (1-3 групп). Снижение водопоглощения в 1,5-5 раз и более, замедление схватывания.

Введение ПАВ в цементное тесто, растворную или бетонную смесь существенно изменяет их структуру и свойства как в пластичном, так и затвердевшем состоянии. Различные виды ПАВ, отмеченные выше, по-разному меняют свойства бетонной смеси или бетона за счет их адсорбирования на поверхности зерен клинкера и новообразований, а также поверхности каменных материалов.

Изменяется также микроструктура гидратированного цемента в результате развивающегося адсорбционного модифицирования. Поверхность образующихся в цементном тесте и камне кристаллов покрывается адсорбционной пассивирующей пленкой поверхностно-активных веществ, рост кристаллов замедляется и образуется более мелкая кристаллическая структура с изменением самой формы кристаллов.

Таким образом, применяя ПАВ, можно значительно расширить возможности производства асфальто- и цементобетонных смесей. В данном случае основное заключается в правильном выборе материалов и добавок, а также в их дозировании.