ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕНООБРАЗУЮЩИХ СВОЙСТВ СИНТЕЗИРОВАННОГО НЕИОНОГЕННОГО ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНОГО ВЕЩЕСТВА

АННОТАЦИЯ

В данном исследовании изучены пенообразующая способность и устойчивость пены неионогенных поверхностно-активных веществ (ПАВ), синтезированных на основе олеиновой кислоты (OК) и диэтаноламида (ДЕА), обозначенных как NK-1, NK-2 и NK-3. NK-1 был синтезирован при мольном соотношении ОК и ДЭА 1:1, NK-2 – при соотношении 1:2, а NK-3 – при соотношении 1:3. Экспериментальные данные при различных концентрациях водных растворов показывают, что с увеличением концентрации высота и устойчивость пены возрастают, при этом наибольшую пенообразующую способность демонстрирует NK-1. Полученные результаты подчеркивают значимость таких факторов, как поверхностное натяжение и вязкость жидкостной пленки, влияющих на образование и устойчивость пены, что важно для потенциального применения синтезированных ПАВ в промышленности в качестве устойчивых альтернатив нефтехимическим аналогам.

ABSTRACT

This study investigates the foaming capacity and foam stability of nonionic surfactants synthesized from oleic acid (OK) and diethanolamide (DEA), designated as NK-1, NK-2, and NK-3. NK-1 was synthesized from a 1:1 molar ratio of OK to DEA, NK-2 from a 1:2 ratio, and NK-3 from a 1:3 ratio. Through varying concentrations in aqueous solutions, the experiments reveal that foam height and stability increase with concentration, with NK-1 exhibiting the highest foaming ability. The findings highlight how properties such as surface tension and film viscosity influence foam formation and stability, essential for potential industrial applications where robust foaming agents are desirable. This research underscores the promise of synthesized surfactants as alternatives to petrochemical-derived agents, promoting enhanced sustainability in industrial processes.

Ключевые слова. нефтехимических источников, софоролипиды, жидкостной пленки, синергетические эффекты.

Keywords. petrochemical sources, sophorolipids, liquid film, synergistic effects

Введение

Поверхностно-активные вещества широко применяются в промышленности, включая моющие средства, эмульгаторы и пенообразователи. Традиционные ПАВ из нефтехимии вызывают экологические проблемы вследствие их низкой биодеградируемости и использования невозобновляемых ресурсов, что стимулирует интерес к устойчивым аналогам из натуральных и переработанных источников [6]. Биологические ПАВ, такие как рамнолипиды и софоролипиды из бактериальной ферментации, а также растительные сапонины, обладают высокой биодеградируемостью и низкой токсичностью, что делает их перспективными для применения в области косметики и фармацевтики [2; 4].

Наше предыдущее исследование было посвящено синтезу поверхностно-активных веществ из олеиновой кислоты и диэтаноламида [1]. Полученные поверхностно-активные вещества различаются по выходу и обозначены как NK-1, NK-2 и NK-3. В данной работе были исследованы их пенообразующая способность и устойчивость пены.

Методы и материалы

В ходе научной работы были подготовлены водные растворы с различными концентрациями поверхностно-активных веществ (ПАВ). В мерный цилиндр объемом 100 мл с герметичной стеклянной пробкой поместили 20 мл раствора и проводили встряхивание при температуре 298 К. Процесс встряхивания включал 30-кратное переворачивание цилиндра, при этом каждое переворачивание длилось 2 секунды. Затем объем образовавшейся пены измеряли дважды: сразу после встряхивания и спустя 10 минут. Каждый эксперимент проводился трижды для обеспечения достоверности результатов [5].

Результаты и обсуждение

Пенообразующая способность и устойчивость пены синтезированных поверхностно-активных веществ изучались при различных концентрациях. Начальная высота пены и ее соответствующий показатель через 10 минут представлены в Таблице 3.

Таблица 1.

Пенообразующая способность и устойчивость пены полученных ПАВ при различных концентрациях при температуре 298 К

Таблица 3 показывает, что пенообразующая способность и устойчивость пены ПАВ зависят от межфазного натяжения и свойств межфазной пленки. Для образования пены с одинаковой общей поверхностью системе с более низким поверхностным натяжением требуется меньше энергии. Хотя низкое поверхностное натяжение способствует пенообразованию, оно также может приводить к нестабильности пены (ее разрушению). Устойчивость пены в основном зависит от скорости стекания и прочности жидкостной пленки, а также от вязкости раствора. Более высокая вязкость укрепляет жидкостную пленку, замедляя её стекание и предотвращая разрушение. При медленном уменьшении толщины жидкостной пленки её повреждение откладывается, что приводит к повышению устойчивости пены. Кроме того, в жидкостной пленке, окружающей газ, возникает двойной слой адсорбции, а гидрофильные группы ПАВ создают гидратационный слой внутри жидкостной пленки [7].

Смеси, содержащие два или более различных типов ПАВ, часто демонстрируют "синергетические" эффекты [3]. Например, они могут иметь более низкое поверхностное натяжение по сравнению с отдельными компонентами. Поэтому во многих промышленных приложениях предпочтение отдается смесям ПАВ, а не одиночным соединениям. Так как синтезированные ПАВ представляют собой смесь эфиров и амидов, полученных из моноэтаноламина и олеиновой кислоты, их растворы обладают отличной пенообразующей способностью и демонстрируют аналогичную устойчивость пены, как указано в Таблице 1.

Рисунок 1. Изменения (а) способности образовывать пену и (б) стойкости пены, образуемой синтезированными поверхностно-активными веществами, в зависимости от их различных концентраций при 298 К

В результате установлено, что с увеличением концентрации постепенно увеличивается и высота пены. Среди трех ПАВ на основе ДЭА наибольшую пенообразующую способность продемонстрировал NK-1. Растворы 0,2 % NK-1 и 0,3 % NK-2 дали одинаковую высоту и устойчивость пены. Что касается растворов NK-3, концентрация 0,3 % показала аналогичное пенообразование с 0,1 % раствором NK-1, а 0,2 % раствор был сопоставим с 0,1 % раствором NK-2 (Рисунок 1a). Пена, образованная в этих растворах, варьировалась в зависимости от концентрации и типа ПАВ, что влияло на ее устойчивость. Спустя 10 минут высота пены раствора 0,2 % NK-1 оставалась постоянной, как и у растворов 0,3 % NK-3. Напротив, высота пены для растворов 0,2 % и 0,3 % NK-2 со временем различалась (Рисунок 1b).

Заключение

С увеличением концентрации растворов ПАВ высота и устойчивость пены также возрастает, при этом наибольшую пенообразующую способность показал NK-1, в то время как устойчивость пены варьировалась в зависимости от концентрации и типа ПАВ.

Список литературы:

1. Муратов М.М., Эшметов Р.Ж., Салиханова Д.С., Адизов Б.З., Султанов А.А., Усмоналиев Ж.И. Синтез и анализ неионогенного поверхностно-активного вещества // Universum: Химия и биология: науч. журнал.  – 2024. – №10(124). – С. 41–44 с.
2. Banjare R.K., Banjare M.K., Behera K., Pandey S., Ghosh K.K. Micellization behavior of conventional cationic surfactants within glyceral-based deep eutectic solvents // ACS Omega. – 2020. – № 5. – P. 19315-19919.
3. Carey E., Stubenrauch C. Foaming properties of mixture of a non-ionic (C₁₂DMPO) and an ionic surfactant (C₁₂TAB) // Journal of colloid and Interface Science. – 2010. – № 346. – P. 414–423.
4. El-Sukkary M.M.A., Shaker N.O., Ismail D.A., Ahmed S.M., Awad A.I., Preparation and evoluation of some amide ether carboxylate surfactants // Egyptian Journal of Petroleum. – 2012. – №21. – P. 11–17.
5. Gawali I.T., Usmani G.A. Novel non-ionic gemini surfactants from fatty acid and diethanolamine: Synthesis, surface-active properties and anticorrosion study, Chemistry Africa. – 2019. – № 3. – P.75–88.
6. Tiwari S., Mall C., Salonki P.P., Surfactant and its applications: Review // Engineering Research and Application. – 2018. – № 8. – P.  61–66.
7. Xu Q., Wang L., Xing F. Synthesis and properties of dissymmetric gemini surfactants, J Surfactant Deterg. – 2011. – №14. – P. 85–90.