Изучение Гиббсовской адсорбции поверхностно-активных веществ в водных растворах и растворах перхлорэтилена

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) играют главную роль во всех стадиях моющего процесса. Несмотря на сегодняшнюю общепризнанность этого положения, некоторые аспекты состояния ПАВ в растворах и механизм влияния ПАВ на различных стадиях моющего действия изучены недостаточно. ПАВ широко применяется для модификации поверхностных свойств текстильных и других материалов. Однако адсорбция ПАВ на различных технологически важных поверхностях (например, на текстильных волокнах) изучена слабо, особенно в случае неводных растворов. Поэтому представляется актуальным (в том числе и с методической точки зрения) накопление экспериментальных данных по физической химии растворов ПАВ, и получение эмпирических (на первом этапе) уравнений связи между различными свойствами и составом системы.

Нами изучены поверхностные свойства трех ПАВ: додецилсульфата натрия, 3-оксо-2-сульфаторида перфторундекана, оксифоса Б. Последний ПАВ представляет собой технический продукт, широко при- меняющийся в составах химических препаратов для химчистки, стирки и клининга. Два первых ПАВ — индивидуальные вещества высокой степени очистки. Додецилсульфат натрия — анионактивное ПАВ. Оксифос Б также анионактивное ПАВ, но сложного строения общей формулы:

[СnН2n+1О(С2Н4О)5]2РООК, где n=8-10.

F-ПАВ, изученное нами, также представляет собой неионогенное соединение, перфторированный сульфокетон.

Межфазное натяжение растворителя на границе раствор ПАВ—насыщенный пар измерялось по методу наибольшего давления в пузырьке на приборе Ребиндера. Экспериментально получены изотермы поверхностного натяжения при Т=293 К. На изотермах поверхностного натяжения оксифоса Б были обнаружены минимумы, характерные для “грязных” ПАВ, имеющих примеси как поверхностно-активных, так и поверхностно-инактивных веществ (рис. 1).

Рис.1. Изотерма поверхностного натяжения оксифос Б — вода

Интересна обнаруженная инактивность в области больших разбавлений. Это свидетельство хорошей чувствительности эксперимента, поскольку, по мнению многих авторов [1], инактивность имеет место на всех изотермах, если удается провести эксперимент при достаточно низких концентрациях. В целом оксифос Б и в воде и в ПХЭ (перхлорэтилен) (рис. 2) проявляет относительно слабую поверхностную активность.

Значительно большую поверхностную активность проявляет перфторированный сульфокетон, причем не только в воде, но и в ПХЭ, где обычные углеводородные ПАВ неэффективны или вовсе инактивны (рис. 3).

С,моль/л

Рис.3. Изотермы поверхностного натяжения: ——— F ПАВ —вода; —.—.— F ПАВ —ПХЭ; — — — додецилсульфат натрия —вода

Для целей дальнейшей обработки желательно таблично заданные функции а = f(C) представить в аналитическом виде. Для этого экспериментальные данные аппроксимировались степенным рядом по методу наименьших квадратов (рис. 4). На этом же рисунке показаны результаты дифференцирования аппроксимирующей кривой для получения значений гиббсовской адсорбции:

” RT dC’ где C — концентрация раствора, моль/л; σ — поверхностное натяжение, н/м; R — универсальная газовая постоянная, Дж/моль К; T — термодинамическая температура, К.

Рис. 4. Изотермы поверхностного натяжения и гиббсовской адсорбции:

F ПАВ —вода;

—.—.— F ПАВ – ПХЭ; — — — додецилсульфат натрия – вода.

Значительно большую поверхностную активность проявляет перфторированный сульфокетон, причем не только в воде, но и в ПХЭ, где обычные углеводородные ПАВ неэффективны или вовсе инактивны (рис. 3).

Величина поверхностной активности, , приведена в таблице.

Величина Г_max , определяемая как точка перегиба на кривой а = f(C) или максимум на кривой Г = f(C) , должна быть эквидистантной величине поверхностной активности, что мы в нашем случае и наблюдаем в таблице.

В таблице приведены и значения площади, занимаемой одной молекулой ПАВ в насыщенном адсорбционном слое ( , где Na = 6,023*10 2моль –1

— число Авогадро). Можно обоснованно предполо- жить, что насыщенный адсорбционный слой перфторированного кетона в воде представляет собой “частокол Ленгмюра”, где полярная часть находится в воде, а гидрофобные ”хвосты” в газовой фазе вертикально ориентированы. На поверхности ПХЭ молекулы перфторированного сульфокетона расположены “плашмя”, реализуя дисперсионные взаимодействия гидрофобной части с неполярными молекулами ПХЭ [2].

Кроме описанных выше коллоидно-химических характеристик изученных систем, результаты работы позволяют сделать два важных технологических вывода.

• 1.    Углеводородные ПАВ не проявляют поверхностной активности в растворителе химической чистки.

• 2.    Эффективными компонентами препаратов для химической чистки могут быть перфторированные ПАВы.

Таблица

Характеристики поверхностной активности ПАВ

Система	дж • м g. моль	Гтах,моль/м *105	ю,м" *102°
Додецилсульфат натрия-вода	3,929	0,59	28
Перфторированный сульфокетон-вода	6,329	1,16	14
Перфторированный сульфокетон-ПХЭ	13,574	0,43	38