СИНТЕЗ И АНАЛИЗ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ НА ОСНОВЕ ВТОРИЧНЫХ ЭТАНОЛАМИНОВ

АННОТАЦИЯ

В данной статье описывается синтез поверхностно-активных веществ с использованием вторичных отходов этаноламинов, имеющихся в нашей республике, и их коллоидно-химические свойства. Изучен гидрофильно-липофильный баланс поверхностно-активного вещества, полученного синтезом с использованием моноэтаноламина и серной кислоты. В рамках исследования описан синтез новых поверхностно-активных веществ (ПAВ) на основе доступных и местных ресурсов и анализ их коллоидно-химических свойств. В частности, подробно изучены показатели гидрофильно-липофильного баланса (ГЛБ) соединений, полученных на основе взаимодействия моноэтаноламина и серной кислоты.

ABSTRACT

This article describes the synthesis of surfactants using secondary waste ethanolamines available in our republic and their colloidal chemical properties. The hydrophilic-lipophilic balance of the surfactant obtained by synthesizing the surfactant using monoethanolamine and sulfuric acid was studied. The synthesis of new surfactants (surfactant) based on affordable and local resources and the analysis of their colloidal-chemical properties were described within the framework of the study. In particular, the hydrophilic-lipophilic balance (HLB) indicators of compounds obtained based on the interaction of monoethanolamine and sulfuric acid were studied in detail.

Ключевые слова: очистка газов, моноэтаноламин, диэтаноламин, метилдиэтаноламин, сероводород, абсорбция, поверхностно-активные вещества, гидрофильно-липофильный баланс, технология.

Keywords: gas purification, monoethanolamine, diethanolamine, methyldiethanolamine, hydrogen sulfide, absorption, surfactants, hydrophilic-lipophilic balance, technology.

Введение

В настоящее время спрос на поверхностно-активные вещества (ПАВ) в потребительском и промышленном секторах демонстрирует устойчивый рост, составляя в среднем 5–6 % в год. Несмотря на то, что ПАВ нефтехимического происхождения по-прежнему занимают доминирующее положение благодаря относительной экономической доступности и удовлетворительным физико-химическим характеристикам, современные тенденции развития химической промышленности ориентированы на поиск альтернативных молекул на основе возобновляемого сырья [11]. Перспективные ПАВ нового поколения должны синтезироваться с применением устойчивых технологий, а также содержать биосовместимые и биоразлагаемые функциональные группы, обеспечивающие минимальное воздействие на окружающую среду [4]. За последнее десятилетие наблюдается значительный рост интереса к поверхностно-активным веществам, полученным из возобновляемых природных источников, особенно в индустрии бытовой химии и моющих средств. Данная тенденция обусловлена ростом экологической ответственности общества и ужесточением природоохранных требований [8]. Вместе с тем замещение традиционных нефтехимических ПАВ полноценными альтернативами в промышленном масштабе остаётся сложной научно-технологической задачей, связанной с необходимостью обеспечения стабильных эксплуатационных свойств и экономической рентабельности процессов [4].

Вторичные этаноламины и их сульфонированные производные рассматриваются как перспективный класс соединений, способных выступать в качестве эффективной альтернативы традиционным синтетическим ПАВ. Это обусловлено относительной простотой их синтеза, доступностью исходных реагентов и высокими поверхностно-активными и физико-химическими характеристиками [2; 3; 9]. В то время как поверхностно-активные вещества на основе моноэтаноламина (МЭА) достаточно широко представлены в научных исследованиях, сведения о вторичных производных этаноламинов и их коллоидно-химической эффективности остаются фрагментарными и недостаточно систематизированными.

Особый интерес представляет использование переработанного (регенерированного) моноэтаноламина в качестве исходного сырья, что позволяет снизить себестоимость конечных продуктов и повысить экологическую устойчивость технологического процесса. Систематическая оценка поверхностно- и коллоидно-химических свойств ПАВ, включая критическую концентрацию мицеллообразования, способность к снижению поверхностного натяжения и эмульгирующую активность, является необходимым этапом для обоснования их практического применения [10].

Целью настоящей работы является синтез и комплексное исследование физико-химических и коллоидно-химических свойств поверхностно-активных веществ на основе вторичных этаноламинов с использованием переработанного моноэтаноламина.

Методы и материалы

Серная кислота и гидроксид натрия были приобретены у компании «Химрективинвест», Ташкент, Узбекистан. МЭА был получен в качестве отходов на Шуртанском нефтеперерабатывающем заводе, где он используется в качестве абсорбента для удаления H₂O и CO₂ в процессе переработки газа.

Очистка мембранно-электродного блока (МЭА) проводилась в несколько этапов методом проталкивания. Очищенный МЭА затем собирали для дальнейшего использования [8].

Моноэтаноламин и его сульфопроизводное могут быть использованы для синтеза различных поверхностно-активных веществ. Ниже приведена общая схема реакции синтеза:

NH₂-CH₂-CH₂-OH + H₂SO₄ → NH₂-CH₂-CH₂-OSO₃H + H₂0,

NH₂-CH₂-CH₂-OSO₃H + NaOH → NH₂-CH₂-CH₂-OSO₃Na + H₂O

Анализ ИК-спектроскопии проводился с использованием ИК-фурье-спектрометра FT-IR/NIR Spectrum 3 (Perkin Elmer) методом полного и абсолютного отражения.

Для определения ГЛБ очищенного этаноламина и поверхностно-активных веществ, полученных в результате его сульфирования, в мерный цилиндр объемом 100 мл наливали 47,5 мл масла (минерального или промышленного), 47,5 мл воды и 5 мл поверхностно-активного вещества. Цилиндр плотно закрывали [1; 7]. Затем для стабилизации системы добавляли NaOH, цилиндр встряхивали, закрывали пробкой и оставляли в термостате при 25 °C на 24 часа. По истечении времени измеряли высоту эмульсионного слоя между водной и масляной фазами. Отсутствие эмульсионного слоя или наличие нескольких несмешивающихся слоев указывало на достаточные эмульгирующие свойства вещества. При образовании белой водной эмульсии ГЛБ рассчитывали по следующей формуле:

ГЛБ = 20 L₁/L

где L1 — высота эмульсионного слоя, L — общая высота содержимого цилиндра.

Результаты и обсуждение

На рисунке 1 показаны ИК-спектры исходного (а) и полученного (б) продуктов.

a)

b)

Рисунок 1. a) MEA, b) ИК-спектр продукта

ИК-спектр полученного поверхностно-активного вещества выявил характерные пики, подтверждающие взаимодействие МЭА с серной кислотой. Область 3200–2800 см⁻¹: данная широкая и сильная полоса поглощения обусловлена ​​преимущественно валентными колебаниями групп -OH и -NH₂. В частности, пик при 2882,26 см⁻¹ отнесен к валентным колебаниям связей C-H в алкильной цепи. Область 1624,05 и 1522,19 см⁻¹ представляет собой пики, которые отнесены к деформационным колебаниям аминной группы -NH₂. Внутренняя структура рассмариваемого вещества подтверждает, что это первичный амин. Область 1251,04 и 1219,47 см⁻¹: здесь наблюдаются асимметричные валентные колебания связи -SO₃ S=O в сульфогруппе. Область 1047,31 и 1011,45 см⁻¹ — это наиболее сильная область поглощения в спектре, связанная с симметричными колебаниями растяжения -SO₃ сульфогруппы и колебаниями растяжения связи C-O. Подобного рода пики указывают на успешное протекание реакции сульфолирования. Область 606,87 см⁻¹ — низкочастотная область, соответствующая деформационным колебаниям связи S-O в сульфогруппе. Было определено гидрофильно-липофильное равновесие (ГЛБ) синтезированного поверхностно-активного вещества (ПAВ), и на основе полученных показателей был проведен анализ наиболее эффективных областей его применения. Объем эмульсии, образовавшейся в ходе эксперимента за 24 часа, составил 62,5 мл. Для расчета значения ГЛБ вещества использовалось следующее математическое выражение:

GLБ = (20∙62,5)/100 = 12,5

Значение гидрофильно-липофильного баланса (ГЛБ), равное 12,5, указывает на преобладание гидрофильных групп над липофильными частями в структуре синтезированного вещества. Это, в свою очередь, обеспечивает более интенсивное взаимодействие вещества с водной средой по сравнению с гидрофобными соединениями. Как правило, поверхностно-активные вещества с высоким индексом ГЛБ эффективно используются в технологических процессах, где требуется высокая растворимость системы в воде, а также в производстве средств для мытья автомобилей [5].

Заключение

ИК-спектральный анализ продукта реакции подтвердил образование химических связей между исходными материалами. В результате образовалась смесь сульфата моноэтаноламина и его эфиров. Значение ГЛБ также составило 12,5, что подтверждает относительную гидрофильность полученного продукта.

Список литературы:

1. Тарасевич Б.Н. ИК спектры основных классов органических соединений // Справочные материалы. — М: Изд-во МГУ, 2012. — 35 с.
2. Bagheri M., Shekaari H., Mokhtarpour M., Ghaffari F., Faraji S., Golmohammadi B. Hydration behavior of gabapentin in the presence of surfactant ionic liquids, mono, di, and tri ethanolamine octanoate at different temperatures // Journal of Molecular Liquids. — 2024. — Vol. 397. — P. 124063.
3. Fernández-Pérez M., Otero C. (2001). Enzymatic synthesis of amide surfactants from ethanolamine // Enzyme and microbial technology. — 2001. — Vol.  28(6). — Pp. 527–536.
4. Gozlan C., Deruer E., Duclos M.C., Molinier V., Aubry J.M., Redl A., ... & Lemaire M. Preparation of amphiphilic sorbitan monoethers through hydrogenolysis of sorbitan acetals and evaluation as bio-based surfactants //  Green Chemistry. — 2016. — Vol. 18 (7). — Pp. 1994–2004.
5. Hao L, Jiang B, Zhang L, Yang H, Sun Y, Wang B, Yang N. Efficient Demulsification of Diesel-in-Water Emulsions by Different Structural Dendrimer-Based Demulsifiers // Industrial & Engineering Chemistry Research. — 2016. — Vol. 55. — Pp. 1748−1759.
6. Kamalov A., Nurmanov S., Xayitboyev J. Cleaning of methyldiethanolamine and diethanolamine solutions used in natural gas cleaning // Universum: технические науки журн. — 2024. — № 5(122). DOI: 10.32743/UniTech.2024.122.5.17448
7. Klein R., Muller E., Kraus B., Brunner G., Estrine B., ¨ Touraud D., Heilmann J., Kellermeier M., Kunz W. Biodegradability and cytotoxicity of choline soaps on human cell lines: effects of chain length and the cation // RSC Advances. — 2013. — Vol. 3. — P. 23347
8. Marchant R., Banat I.M. Biosurfactants: a sustainable replacement for chemical surfactants? // Biotechnology letters. — 2012. — Vol. 34(9). — Pp. 1597–1605.
9. Patil H.V., Badgujar N.P., Suresh S., Kulkarni R.D., Nagaraj K. Sustainable Bio-Based Surfactants: Advances in Green Chemistry and Environmental Applications // Materials Today Communications. — 2025. — P. 113583.
10. Richmond J. (Ed.). Cationic surfactants: organic chemistry. — Routledge, 1990. — 320 p.
11. Romero Vega G., Gallo Stampino P. Bio-Based surfactants and biosurfactants: An overview and main characteristics // Molecules. — 2025. — Vol. 30(4). — P. 863.