Способы получения анионно- поверхностно активных веществ из неионогенных

АННОТАЦИЯ

В данной статье обсуждается роль химической науки технологии, описаны ПАВ и их задачи, проведенные опыты и результаты испытаний. Предлагается способ, позволяющий получить продукт со значительно лучшей способностью к понижению поверхностного натяжения водных растворов, чем известные.

ABSTRACT

This article discusses the role of the chemical science of technology, describes surfactants and their tasks, describes the experiments and test results. 

The proposed method allows you to obtain a product with a significantly better ability to lower the surface tension of aqueous solutions than known.<

Ключевые слова: неионогенные ПАВ, амфотерные ПАВ, анионные ПАВ, ГЛР (гидрофильно-липофильное равновесие), моноэтаноамид, алкилбензолсульфонат.

Keywords: nonionic surfactant, amphoteric surfactant, anionic surfactant, GLR (hydrophilic lipophilic equilibrium), monoethanoamide, alkyl benzene sulfonate.

Развитие, происходящее сегодня во всем мире, связано с развитием науки и технологий. Производство качественной продукции для людей и удовлетворения их потребностей требует от ученых большой ответственности. Химическая промышленность, как и все другие развивающиеся отрасли, возлагает эту ответственность на химиков. Каждый производитель должен иметь базовые химические концепции и знания об ингредиентах производимого продукта. Только тогда их продукция будет значима как с точки зрения качества, так и с точки зрения удовлетворенности клиентов. При производстве различных продуктов в химической промышленности поверхностно-активные вещества обладают определенной химической активностью в растворе и играют важную роль в приготовлении различных продуктов.

Например, для приготовления одной эмульсии требуются разные поверхностно-активные вещества [4].

Поверхностно-активные вещества делятся на несколько типов из-за различных механизмов действия и их свойств в растворах:

1) неионогенные поверхностно-активные вещества;

2) амфотерные поверхностно-активные вещества;

3) анионные поверхностно-активные вещества.

Неионогенные поверхностно-активные вещества содержат только амфифильные соединения органических групп (–СН2– метилен; OCH2–CH2–OH оксиэтил и др.) с низкими значениями ГЛР. Эти вещества растворимы в воде из-за гидрофильной части, но не разлагаются на ионы [3]. Следовательно, в растворе нет заряда, т.е. pH нейтральный. Однако также в растворе имеются не нейтральные неионогенные поверхностно-активные вещества. Например, кокосовое масло содержит слабощелочную среду в растворе из-за двойных электронов в азоте, содержащемся в этаноламидах.

Благодаря группе неионогенных поверхностно-активных веществ OН (щелочная) среда может быть преобразована в слегка кислую, но эти изменения на практике не заметны, поэтому даже в таких случаях ионные поверхностно-активные вещества обладают такими же свойствами. На неионогенные поверхностно-активные вещества приходится 20 % всего производства этих веществ. Общий объем производства поверхностно-активных веществ (без мыла) в мире превышает 2 млн тонн. В таблице 1 приведены значения гидрофильных и гидрофобных групп в числах. 

Таблица 1.

Значения гидрофильных и гидрофобных групп в числах

На основе приведенной выше таблицы количество гидрофильных и липофильных равновесий (ГЛР) поверхностно-активных веществ определяется по следующей формуле:

ГЛРпав = 7 + ∑(ГЛР_г.фил) + ∑ (ГЛР_г.фоб).

В зависимости от численных значений ГЛР можно определить механизм действия ПАВ.В процессе абсорбции в результате того, что полярная часть поверхностно-активного вещества связывает полярный растворитель, а неполярная часть связывает неполярный растворитель, они образуют гомогенную систему. Если количество ГЛР используется для смачивателей до 7–9, то моющего средства – до 13–15, солюбилизатора – до 15<–18 в зависимости от доли оксиэтиленовой (ЭО) группы поверхностно-активных веществ вместе со значениями ГЛР.

Таблица 2.

ГЛР поверхностно-активных веществ за счет оксиэтилена

Поверхностно-активные вещества, которые могут взаимодействовать с ионами (анион и катион) в растворе, называются катион-активными и анион-активными веществами.

Поверхностно-активные вещества, которые могут взаимодействовать как с анионами, так и с ионами катионов в растворе, называются амфотерными поверхностно-активными веществами и используются в различных областях в зависимости от их конкретных свойств.

Количество ГЛР (гидрофильно-липофильное равновесие) этих веществ, естественно, больше, чем у других поверхностно-активных веществ.

Анионные поверхностно-активные вещества – сульфонатные соединения высших спиртов, сульфатные и фосфатные соединения высших олефинов, сульфатные соединения алкилбензолов, натриевые соли жирных кислот и многие другие поверхностно-активные вещества [5].

Катионные поверхностно-активные вещества – первичные, вторичные, третичные амины алифатических веществ. Примерами этих аминов являются фосфатные и сульфатные, карбоксильные группы и соли, образованные из них.

Катионные активные вещества обладают коррозионной стойкостью, бактерицидными, фунгицидными, консервирующими свойствами.

Амфотерные активные вещества – аминокарбоновые кислоты с аминогруппой, не менее 8 атомов углерода, алкилбетаины: S– и N– алкилбетаин RCH (N + (CH3) 3) COO– RN + (CH3) 2CH2COO–, амидобетаин RCONH (CH2) 3N + (CH3) 2COO являются примером [7].

В настоящее время в нашей стране производятся ПАВ алкилбензолсульфонат.

                            [6]

Эти ПАВ используются только для изготовления моющих и гигиенических средств. Поверхностно-активные вещества действуют как эмульгаторы, связываясь с отходами очищаемой ткани, повышая их растворимость. Кроме того, ПАВ повышает коагуляцию и активность веществ.

Повышение качества поверхностно-активных веществ сегодня является актуальной проблемой.

В результате гидролиза метиловым спиртом или серной кислотой растительные масла превращаются в более активно реакционно-способную жирную кислоту или метиловый эфир жирной кислоты [7].

или

Образовавшиеся активные вещества амидируют этаноламином в щелочных условиях при температуре 100–150 °С в течение 3 часов:

Полученный моноэтаноамид жирной кислоты является поверхностно-активным веществом с неионными свойствами. Его поверхностная активность и количество ГЛР соответствуют эмульгирующимся свойствам.

Именно в этих областях применение ПАВ с высокой активностью сокращает область применения этого вещества. Эта статья направлена на расширение использования моноэтаноамида жирной кислоты. Предлагаем превратить это вещество в анионное ПАВ [6].

Если обратить внимание на структуру, можно увидеть, что существует гидроксильная функциональная группа (OН), которая является активным центром этого вещества. Сульфагруппа была введена в эту функциональную группу [1].

Эмульгирующее свойство и пенооброзование соединения жирной кислоты ускоряются из-за увеличения количества ГЛБ в образующемся этаноламидосульфонате. В результате это вещество может использоваться в таких продуктах, как жидкое мыло, технический шампунь, стиральный порошок, из-за повышенных моющих свойств.

Выше указанная химическая схема была проведена в лаборатории по следующей схеме. Соопсток разбавляется с водой до 20–25 % и разогревается острым паром или на теплообменнике до 160–180 °С, после под давлением подается в автоклав. В автоклаве при атмосферном давлении 2–3 и длительности времени 10 часов производится гидролиз. После смесь охлаждается и передается на процесс разложения с серной кислотой. Разложение производится при температуре 80–90 °С, при 80 °С процесс гидролиза длится 10–20 мин до pH = 2–2,5. Для смешивания исползуется воздух. После реакционная смесь осаждается. На осадителях смесь отделяется: верхняя часть – на жирные кислоты, нижняя часть – на смесь воды и сулфатов. Жирные кислоты омываются для очистки от натрия сульфата и серной кислоты. Из остаточной воды натрий сульфат отделяется и применяется в виде продукта. Жирные кислоты после очистки передаются на дистиллят.

Получают 248,5 г промытого жира, который направляют на расщепление в присутствии 120 г воды, 4 г серной кислоты и 5 г контакта Петрова. Процесс ведут при 100 °С в течение 2 часов. Смесь затем отстаивают, отделяют глицериновую воду с примесью серной кислоты и контакта Петрова (142 г) и 236 карбоновых кислот. Кислоты промывают 240 г воды от глицерина и серной кислоты. Получают 234 г промытых карбоновых кислот и 242 г промывной воды. Кислоты подают на осушку и дистилляцию. Отбирают 186,5 г дистиллированных кислот, 8 г водного конденсата, 38 г кубовых кислот и 1,5 г потери.

Опыт 1. В колбу из термостойкого стекла, снабженную мешалкой и обратным холодильником, загружают 28,0 г (0,1 г/моль) дистиллированной кислоты и 40 г этиленгликоля. Смесь нагревают до полного расплавления кислоты и медленно при перемешивании приливают 6,7 г (0,11 моль) моноэтаноламина, реакционную смесь затем быстро нагревают на воздушной бане при перемешивании до температуры кипения этиленгликоля, после чего перемешивание прекращают и нагревают смесь при кипении этиленгликоля в течение 0,5 ч. По окончании нагревания реакционную массу охлаждали при комнатной температуре до полной выкристаллизации амида. Полученный амид отделяют от этиленгликоля путем фильтрации на вакуум-фильтре, промывают на фильтре последовательно охлажденным ацетоном и эфиром. Получают белый кристаллический порошок. Выход моноэтаноламида лауриновой кислоты – 28,4 г (88 %); т. пл. – 81–83 °С (из ацетона). Литературные данные: т. пл. – 81–83 °С.

Опыт 2. В цилиндрический реактор с внутренним диаметром 45 мм и высотой 110 мм, оснащенный барботажной трубкой, лопастной мешалкой, охлаждающей рубашкой, термометром и штуцерами для подачи реагентов и отвода газообразных продуктов реакции, помещают 120,0 г моноэтаноламида жирных кислот и 180 г органического растворителя. После расплавления органического реагента включают мешалку и начинают подавать в реактор газообразный серный ангидрид, разбавленный воздухом до концентрации 2 об.%. Расход серного ангидрида – 1,50 г/мин. Время сульфатирования – 18 мин. Мольное отношение органического вещества к серному ангидриду – 1:1,0. Температура реакции сульфатирования – 68 °С. После прекращения подачи в реактор серного ангидрида в течение 5 мин продолжают перемешивание реакционной массы до прекращения выделения газообразных продуктов реакции, после чего ее нейтрализуют при температуре до рН 7,5–8,0 прибавлением 97,4 г 20 %-ного раствора едкого натра. Получают 243,8 г нейтрализованной реакционной массы. Выход анионного ПАВ – 149,2 г (92 %). Содержание неорганических солей – 1,27 мас.%. Поверхностное натяжение 0,25 %-ного раствора полученного продукта – 29,4 % дин/см.

Заключение. Таким образом, приведенные испытания показали, что предлагаемый способ по сравнению с известным позволяет получить продукт со значительно лучшей способностью к понижению поверхностного натяжения водных растворов.

Список литературы:

1. Абдсарова Д.К., Тожиев Э.А. Получение спиртов из растительных отходов, содержащих пятичленные гетероциклические спирты, промышленным способом // гл. ред. С.М. Ахметов. – 2019. – С. 96.
2. Бухштаб З.И., Мельник А.П., Ковалев В.М. Технология синтетических моющих средств. – М., 1988.
3. Ковалев В.М., Петренко Д.С. Технология производства синтетических моющих средств. – М. : Химия, 1992.
4. Ланге К.Р. Поверхностно-активные вещества: синтез, свойства, анализ, применение / пер. с англ.; науч. ред. канд. хим. наук Л.П. Зайченко. – СПб., 2005.
5. Нарзиев М.С., Абдуллаева М.А., Ибрагимов Р.Р. Аналитический метод определения концентрации легколетучих компонентов при перегонке острым паром многокомпонентного раствора // Технологии производства пищевых продуктов питания и экспертиза товаров. – 2015. – С. 141–144.
6. Николаев П.В., Козлов Н.А., Петрова С.Н. Основы химии технологии производства синтетических моющих средств : учеб. пособие. – Иваново, 2007.
7. Получение хинолиновых оснований на основе ароматических аминов реакцией с карбонильными соединениями получения гетероциклов в паровой фазе / Ш.М. Хошимов [и др.] // Universum: технические науки. – 2019. – № 11-3 (68).