Свойства прямых мицелл и микроэмульсий в трехкомпонентной системе вода - толуол - Твин-80 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.11, кандидат химических наук Потешнова, Мария Викторовна

• Потешнова, Мария Викторовна
• кандидат химических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат химических наук Потешнова, Мария Викторовна

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1. Основные характеристики прямых мицелл неионогенных ПАВ и методы их определения.

2. Влияние различных факторов на свойства мицелл НПАВ в водной среде.

3. Влияние солюбилизатов различной природы на структуру мицелл

НПАВ.

4. Условия образования и свойства прямых трехкомпонентных микроэмульсий на основе НПАВ.

5. Термодинамика самоорганизации молекул НПАВ в присутствии и в отсутствие солюбилизата в водной среде.

Глава 2. Экспериментальная часть.

1. Объекты исследования.

2. Методы исследования.

3. Получение и свойства трехкомпонентных прямых микроэмульсий вода-толуол-Твин-80.

3.1. Образование микроэмульсий.

3.2. Солюбилизационная емкость микроэмульсий.

3.3. Определение полярности микроокружения толуола в прямых микроэмульсиях на основе Твин-80.

3.4. Фрагмент фазовой диаграммы для трехкомпонентной системы вода-толуол-Твин-80.

4. Исследование свойств мицелл Твин-80 в водной среде.

4.1. Солюбилизационная емкость мицелл Твинпо отношению к толуолу.

4.2. Полярность микроокружения толуола, солюбилизированного в мицеллах Твин-80.

4.3. Числа агрегации, размер и степень гидратации мицелл

Твин-80 водной среде.

4.4. Равновесная адсорбция Твин-80 на границе раздела вода-воздух.

Глава 3. Обсуждение результатов.

1. Структурные превращения мицеллярных систем в микроэмульсионные.

2. Термодинамические параметры микроэмульгирования толуола.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Свойства прямых мицелл и микроэмульсий в трехкомпонентной системе вода - толуол - Твин-80»

Изучение свойств прямых мицелл и микроэмульсий является одним из важнейших современных направлений фундаментальных исследований в коллоидной химии, в задачи которого входит создание супрамолекулярных ансамблей с контролируемыми свойствами и структурой. Структурно-организованные среды (мицеллярные и микроэмульсионные) находят широкое применение в фармацевтической, косметической, пищевой, текстильной и нефтедобывающей промышленности. В последние годы еще одной областью применения ультрамикрогетерогенных дисперсий на основе ПАВ стала экология. Восстановление свойств почв и грунтов, загрязненных нефтепродуктами, регенерация угольных сорбентов, очистка воды и водоносных горизонтов, удаление нефти с поверхности моря и т. д. основано на солюбилизации олеофильных токсичных веществ, малорастворимых в воде, в мицеллах или каплях микроэмульсий.

Как правило, микроэмульсии представляют собой многокомпонентные системы (от 4 компонентов и более). Однако наиболее удобными для теоретического анализа являются системы с наименьшим числом компонентов, т.е. трехкомпонентные микроэмульсии на основе неионогенных ПАВ (НПАВ). До недавнего времени основное внимание исследователей было сосредоточено на получении фазовых диаграмм для трехкомпонентных систем вода-масло-НПАВ с целью выяснения концентрационных и температурных областей существования различных типов микроэмульсий (прямых, обратных и биконтинуальных). Структура микроэмульсионных систем, содержащих высокие концентрации НПАВ, изучена достаточно подробно. Особенно много информации об обратных микроэмульсиях. Сведения же о структуре прямых микроэмульсий с низкими концентрациями НПАВ практически отсутствуют. Кроме того, отсутствует сопоставление свойств прямых мицелл и микроэмульсий, а также анализ влияния на эти свойства различных концентраций олеофильного компонента.

В настоящее время проблема удаления токсичных примесей жидких ароматических соединений имеет особое значение, поскольку их истинная растворимость в воде превышает предельно допустимую концентрацию (ПДК) на несколько порядков. Поэтому исследование трехкомпонентных систем вода - ароматический углеводород — НПАВ, в которых могут образовываться не только мицеллярные растворы, но и микроэмульсии, обладающие высокой солюбилизационной емкостью по отношению к токсичным загрязнителям окружающей среды, приобретает несомненную актуальность. Наиболее привлекательными с этой точки зрения являются микроэмульсии биконтинуальной структуры, характеризующиеся максимальной солюбилизационной емкостью, однако их практически невозможно получить в реальных геохимических условиях, поскольку они существуют при сравнительно высоких концентрациях НПАВ и в достаточно узком температурном интервале. Поэтому наиболее перспективными с точки зрения экологии являются прямые микроэмульсии, сохраняющие свою стабильность при достаточно малых концентрациях НПАВ в широком интервале температур.

Поэтому в данной работе на основе различных методов (рефрактометрия, прецизионная тензиометрия, УФ- и ЯМР-спектроскопия, динамическое и статическое светорассеяние) проведено комплексное коллоидно-химическое исследование свойств прямых мицелл и микроэмульсий в трехкомпонентной системе вода — толуол — НПАВ. При этом в качестве НПАВ было выбрано биоразлагаемое, экологически безопасное НПАВ - Твин-80 (оксиэтилированный сорбитан моноолеат, со средней степенью оксиэтилирования п=20).

Основные задачи работы:

- определение условий образования прямых микроэмульсий в системе вода-толуол-Твин-80. систематическое исследование влияния концентрации толуола в системе на параметры прямых мицелл и частиц дисперсной фазы микроэмульсии: состав, гидродинамический радиус, число агрегации, степень гидратации, а также полярность микроокружения солюбилизированного толуола.

- экспериментальное исследование температурной зависимости солюбилизационной емкости микроэмульсий и анализ термодинамических параметров массопереноса толуола из дисперсионной среды в дисперсную фазу микроэмульсии, а также термодинамические параметры образования прямых микроэмульсий.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 01-03-32408).

Заключение диссертации по теме «Коллоидная химия и физико-химическая механика», Потешнова, Мария Викторовна

Выводы.

1) Рефрактометрическим методом исследованы трехкомпонентные системы вода — углеводород - ПАВ, при этом в качестве углеводорода использовались толуол и октан, а в качестве ПАВ анионактивный додецилсульфат натрия, катионактивный цетилпиридиний хлорид и неионогенный Твин-80. Показано, что только для системы вода - толуол - Твин-80 наблюдалось образование микроэмульсий I типа по классификации Винзора, т.е. прямых микроэмульсий, находящихся в равновесии с избытком масляной фазы.

2) Для водных растворов Твин-80 предложена методика определения солюбилизационной емкости мицелл, основанная на спектрофотометрии разбавленных микроэмульсий.

3) Для системы вода - толуол — Твин-80 построен фрагмент водной части фазовой диаграммы температура - состав и определены области существования мицеллярных и микроэмульсионных систем. Во всей исследованной области концентраций Твин-80 (1,5x10"4 - 0,01 М, т.е. от 1 ККМ до ~ 65 ККМ) переход от мицеллярных систем к микроэмульсионным регулируется содержанием толуола в водной фазе.

4) Исследованы свойства прямых мицелл и частиц дисперсной фазы микроэмульсий при различном содержании толуола: гидродинамический радиус (Rh), числа агрегации молекул НПАВ (n), степень гидратации (п\у/ое). Показано, что солюбилизация толуола в мицеллах Твин-80 сопровождалась увеличением значений nw/ов от 6 до 11 молекул воды на одно оксиэтильное звено, при этом другие параметры мицелл изменялись незначительно (rh = 3,6 5,0 нм; n = 34 -г- 58 молекул НПАВ). При переходе от мицеллярных систем к микроэмульсиям наблюдалось увеличение значений Rh (от 5,0 до 11,2 нм) и n (от 58 до 592 молекул НПАВ).

5) Определена полярность микроокружения толуола. Методом УФ-спектроскопии показано, что толуол в первую очередь располагается в углеводородном ядре мицелл Твин-80 и только после его насыщения происходит накопление солюбилизата в оксиэтильном слое. Методом ЯМР-спектроскопии обнаружено, что в микроэмульсиях 60% толуола локализовано внутри углеводородного ядра частиц дисперсной фазы, а 40% - в оксиэтильном слое.

6) Предложен новый способ расчета изменения стандартной свободной энергии образования прямых микроэмульсий на основе неионогенных ПАВ. На основе температурной зависимости солюбилизационной емкости микроэмульсий msr(t) в интервале температур 293-313 К были рассчитаны стандартные термодинамические функции образования микроэмульсий. Показано, что процесс экзотермичен и носит энтропийный характер.

Рассчитаны стандартные термодинамические функции массопереноса толуола из дисперсионной среды в дисперсную фазу микроэмульсии. Показано, что процесс экзотермичен и носит энтропийный характер.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Потешнова, Мария Викторовна, 2005 год

1. Русанов А.И. Мицеллообразованне в растворах поверхностно-активных веществ. Химия. СПб. 1992.280 с.

2. Шенфельд Н. Поверхностно-активные вещества на основе оксида этилена. Химия. М. 1982.749 с.

3. Mitchell D.J., Ninham B.W. Micelles, vesicles and microemulsions. J. Chem. Soc. Faraday Trans. 2.1981. v. 77. № 4. p.601-629.

4. Langevin D. Micelles and microemulsions. Annu. Rev. Phys. Chem. 1992. v. 43. p. 341369.

5. Калианасундарам К., Томас Дж.К. Радиационные процессы в неионных мицеллах. В сб.: Мицеллообразованне, солюбилизация и микроэмульсии. Под ред. Миттел К. Мир. М. 1980. с. 307-326.

6. Podo F., Ray A., Nemethy G. Structure and hydration of nonionic detergent micelles. High resolution nuclear magnetic resonance study. J. Am.Chem. Soc. 1973. v. 95. № 19. p.6164-6171.

7. Molina-Bolivar J. A., Aguiar J., Ruiz C.C. Growth and hydration of Triton X-l 00 micelles in monovalent alkali salts: a light scattering study. J.Phys. Chem. B. 2002. v. 106. № 4. p.870-877.

8. Jahn W., Strey R. Microstructure of microemulsions by freeze fracture electron microscopy. J.Phys. Chem. 1988. v. 92. № 8. p.2294-2301.

9. Рохленко А.А., Трукшина T.C., Абрамзон А.А., Сироткин A.K. Электронно-микроскопическое исследование мицеллярных растворов ПАВ в воде и октане. Коллоид, журн. 1987. №1. с.192-196.

10. Рохленко А.А. Измерение размеров мицелл. В сб.: Успехи коллоидной химии. Химия. Л. 1991. с.107-119.

11. Эскин В.Е. Рассеяние света растворами полимеров и свойства макромолекул. Наука. Л. 1986. гл.8. 286с.

12. Вукс М.Ф. Рассеяние света в газах, жидкостях и растворах. Ленингр. ун-т. Л. 1977. 320 с.

13. Фабелинский И.Л. Молекулярное рассеяние света. М. Наука.1965. 511 с.

14. Хюлст Г. Ван де. Рассеяние света малыми частицами М. 1961. 536 с.

15. Debay P. Light scattering in soap solutions. Ann.N.Y. Acad. Sci. 1949. v. 51. № 2. p. 575-592.16