Характеристика поверхностно–активных веществ

1.1 Характеристика поверхностно – активных веществ

Целью данного параграфа является описание классификации структуры и свойств поверхностно – активных веществ.

В «Химической энциклопедии» (1983) поверхностно – активные вещества рассмотрены как химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела фаз, вызывают снижение поверхностного натяжения. В соответствии с уравнением Гиббса адсорбция для таких веществ положительна, то есть их концентрация в поверхностном слое выше объемной концентрации.

В работах и др. (2004) поверхностно-активными веществами называют вещества которые могут адсорбироваться на поверхности раздела различных фаз (жидкость - газ, жидкость - жидкость, жидкость - твердое тело, твердое тело - газ) и снижать ее свободную поверхностную энергию.

В работах строение поверхностно - активных веществ рассматривается как система взаимодействия фаз на границе вода – воздух и вода – углеводород. Поверхностно – активными являются органические соединения, в молекулах которых имеются углеводородная (неполярная) часть и полярная группа (- ОН, - СООН, - NH2 и др.). Такое асимметричное (дифильное) строение молекул ПАВ приводит к тому, что они оказываются родственными обеим контактирующим фазам: хорошо гидратирующаяся полярная группа обуславливает родственность молекул ПАВ по отношению к воде, а углеводородная цепь – к неполярной фазе. На границе с воздухом поверхностно – активные вещества имеют поверхностное натяжение (≈ 25 мДж/м2) значительно меньше чем вода (72,75 мДж/м2).

Основной количественной характеристикой ПАВ является поверхностная активность — способность вещества снижать поверхностное натяжение на границе раздела фаз — это производная поверхностного натяжения по концентрации ПАВ при стремлении С к нулю.

В качестве меры поверхностной активности Ребиндер предложил использовать величину G, равную:

(1),

и измеряемую в мДж×м-2 /(кмоль× м-3).

Однако, ПАВ имеет предел растворимости (так называемую критическую концентрацию мицеллобразования или ККМ), с достижением которого при добавлении ПАВ в раствор концентрация на границе раздела фаз остается постоянной, но в то же время происходит самоорганизация молекул ПАВ в объёмном растворе (мицеллообразование или агрегация). В результате такой агрегации образуются так называемые мицеллы. Отличительным признаком мицеллообразования служит помутнение раствора ПАВ. Водные растворы ПАВ, при мицеллообразовании также приобретают голубоватый оттенок (студенистый оттенок) за счёт преломления света мицеллами.

Измерения критическая концентрация мицеллобразования (ККМ) проводится от порядка 0,6М для октаноата натрия до нижнего предела определения, который представлен для амфифильных соединений с очень низкой растворимостью и не превышает 10-6М. Верхним пределом, ограничивающим значение ККМ, является растворимость S.

Структура мицелл и солюбилизация

Благодаря этим свойствам (адсорбция на межфазных поверхностях и образование мицелл в растворах) ПАВ используют очень широко во многих технологических процессах и в быту. Общий объем производства ПАВ – примерно 10 млн. тонн в год.

Поверхностно – активные вещества применяют:

для регулирования поверхностных свойств коллоидных систем, основанных на адсорбции ПАВ;

обеспечения устойчивости (стабильности) коллоидных систем, основанной на структурно – механических свойствах адсорбционных слоев ПАВ;

изменения механических свойств материалов за счет адсорбционного понижения прочности;

в коллоидно – химических технологиях (флотация, нанесение пленок, полиграфия, эмульсионная полимеризация и др.), в биотехнологии и многих других областях.

Существуют несколько классификаций ПАВ на основе различных признаков. Схемы классификации ПАВ традиционно основаны на физических свойствах или функциональности.

Наиболее распространенное физическое свойство, используемое в классификации, — это ионность: ПАВ является заряженным или незаряженным, ионным или неионогенным.

Другое — это молекулярная масса: номинально ПАВ либо низкомолекулярное (ММ < 400), либо высокомолекулярное (ММ = ).

Еще одно важное свойство — это физическое состояние: ПАВ в стандартных условиях — кристаллическое твердое тело, аморфная паста или жидкость.

1.2Механизм образования нефтяных пленок

Важнейшим представителем природных и обратных эмульсий является сырая нефть – эмульсия, содержащая до 50-60% сильно засоленной воды и очень сильно стабилизованная природными ПАВ и смолами; разрушение этой эмульсии является первой и достаточно трудной стадией переработки нефти.

Типы эмульсий

—  Прямые ,с каплями неполярной жидкости в полярной среде.

—  Обратные, или инвертные.

Понятие эмульсии, деэмульгатора (ПАВ)

В нефтяной промышленности широкое применение распространение ПАВ получило в процессах подготовки нефти к переработке, в частности, в применяемых методах обессоливания и обезвоживания нефти.

При добыче нефти ее почти всегда сопровождает пластовая вода. Для качественной транспортировки и переработки нефти воду удаляют из нее.

Известно, что нефть и вода взаимно плохо растворимы, поэтому отделение основной массы воды от нефти простым отстаиванием не представляет большого труда, если при добыче не образовалась водно-нефтяная эмульсия. Но чаще всего такая эмульсия образуется.

Эмульсия представляет собой систему двух взаимно нерастворимых или не вполне растворимых жидкостей, в которых одна содержится в другой во взвешенном состоянии в виде огромного количества микроскопических капель (глобул) исчисляемых триллионами литр эмульсии. Жидкость, в которой распределены глобулы, называется дисперсной средой, а вторая жидкость, распределенная в дисперсной среде,- дисперсной фазой.

Нефтяные эмульсии чаще всего представляют собой эмульсии типа вода в нефти, в которых дисперсной средой является нефть, а дисперсной фазой – вода. Такая эмульсия гидрофобна: в воде она всплывает, а в бензине или других растворителях равномерно распределяется.

Реже встречаются эмульсии типа нефть в воде, в которых дисперсной средой служит вода. Такая эмульсия гидрофильна: в воде она равномерно распределяется, а в бензине тонет.

Перерабатывать обводненную эмульгированную нефть нельзя. Для ее обработки применяют различные методы, один из которых является термохимическим. Сущность термохимического метода обезвоживания состоит в сочетании термического воздействия и в обработке водонефтяной эмульсии специальным веществом – деэмульгатором – основой, которого является ПАВ и добавляется в количестве 15-20 г на 1 тонну эмульсии. Он разрушает бронирующую оболочку на поверхности капель воды и обеспечивает тем самым условия для их слияния при столкновениях. В последующем эти укрупнившиеся капельки относительно легко отделяются в специальных аппаратах – отстойниках за счет разности плотности фаз. Термическое воздействие заключается в нагревании нефти перед отстаиванием. В результате прочность бронирующих оболочек на поверхности капель воды уменьшается, а деэмульгатор (ПАВ) в конце концов, разрушает их. Роль бронирующих оболочек выполняют вещества способствующие образованию и стабилизации эмульсии, и называется эмульгаторами. В основном они входят в состав нефти. Ими являются такие полярные вещества нефти, как смолы, асфальтены, асфальтогеновые кислоты и их ангидриды, соли нафтеновых кислот, а также различные неорганические примеси

1.3. Экологическая роль образования нефтяных пленок на поверхности воды

Цель параграфа определить источники образования нефтяных пленок, воздействие нефтяные пленки на водные экосистемы, характеристику препаратов, используемых для разрушения нефтяных пленок.

На основе анализа научно-популярной литературы и Интернет ресурсов мы пришли к выводу, что источниками загрязнения гидросферы нефтью и нефтепродуктами являются:

·  морские и речные суда загрязняют ее отходами, получаемыми в результате эксплуатационной деятельности,

·  выбросы в случае аварий токсичных грузов, большей частью нефти и нефтепродуктов. Энергетические установки судов (в основном дизельные двигатели) постоянно загрязняют атмосферу, откуда токсичные вещества частично или почти полностью попадают в воды рек, морей и океанов.

·  Нефтебурильные установки

По данным экологического общества

ежегодно в Мировой океан попадает более 10 млн. т нефти и до 20% его площади уже покрыты нефтяной пленкой. В первую очередь это связано с тем, что добыча нефти и газа в Мировом океане стала важнейшим компонентом нефтегазового комплекса.

Из общего грузооборота мирового морского флота в настоящее время 49% падает на нефть и ее производные. Ежегодно около 6000 танкеров международных флотилий транспортируют 3 млрд. т нефти. По мере роста перевозок нефтегрузов все большее количество нефти стало попадать в океан при авариях.

На танкерах, перевозящих нефть и ее производные, перед каждой очередной загрузкой, как правило, промываются емкости (танки) для удаления остатков ранее перевезенного груза. Промывочная вода, а с ней и остатки груза обычно сбрасываются за борт.