Синтетические поверхностно-активные вещества — Зилов Е.А. Гидробиология и водная экология

Е.А. Зилов
Гидробиология и водная экология
Учебное пособие. – Иркутск: Иркут. ун-т, 2007.

Предыдущая

Оглавление

Следующая

Содержание статьи:

• 1 Раздел 4. Загрязнение водных экосистем
  • 1.1 20. Консервативные токсиканты в водных экосистемах
    • 1.1.1 20.4. Синтетические поверхностно-активные вещества

20.4. Синтетические поверхностно-активные вещества

Обычные мыла изготавливаются нагреванием сала с каустической содой. Основной активный компонент такого мыла – стеарат натрия:

(СH₃–(CH₂)₁₆–СO–O)– Na⁺, легко разлагается в водной среде и представляет опасность для окружающей среды не большую, чем другие легкоокисляемые органические вещества, входящие в состав бытовых сточных вод.

Но с 1950-х г. начали применяться более эффективные синтетические моющие средства (СМС). В таких моющих средствах содержатся активные соединения – сурфактанты (детергенты), обладающие более сильными поверхностно-активными свойствами, чем «натуральное» мыло. Кроме того, СМС или синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ) лучше стирают в жесткой воде, в которой применение обычного мыла, как известно, затруднено.

Обычно такое поверхностно-активное вещество растворено в триполифосфате натрия или в четырехзамещенном трифосфате натрия. Если мыло в воде подвергается полному гидролизу и разлагается до легко усвояемых водной микрофлорой соединений, то СМС обладают многими нежелательными свойствами (вспенивание воды, возникновение кислородного дефицита, токсичность для гидробионтов). Кроме того, входящие в состав СМС фосфатные наполнители вызывают эвтрофирование водоемов. В связи с последней опасностью в настоящее время фосфорсодержащие детергенты в развитых странах заменены сульфатсодержащими веществами, например, такими как

— алкилбензолсульфонат натрия (Эткинс, 1991):

— лорилсульфат натрия:

(СH₃–(CH₂)₁₁–O–SO₂–O)– Na⁺.

Кроме того, они содержат добавочные ингредиенты: ароматизирующие вещества, отбеливающие реагенты (персульфаты, пербораты), токсичные для водных организмов.

В настоящее время, СПАВ – одни из самых распространенных химических загрязнителей водоемов. Они поступают в водные объекты в результате их широкомасштабного применения с бытовыми, промышленными и сельскохозяйственными стоками. В сельском хозяйстве поверхностно-активные вещества используются для эмульгирования пестицидов. В подземные воды поверхностно-активные вещества попадают в результате применения почвенных методов очистки сточных вод, при пополнении запасов подземных вод из открытых водоемов и при загрязнении почвы этими веществами.

Среднее потребление детергентов на одного жителя планеты составляет 2,5 г сут^-1. При нормах водоотведения в пределах 125–350 л на человека в сутки среднее расчетное содержание поверхностно-активных веществ в бытовых сточных водах колеблется в пределах 7,1-20 мг л^-1.

Кроме описанных выше ионных детергентов, производятся и неионные детергенты. Примером их может служить полиоксиэтилен (Эткинс, 1991):

СH₃–(CH₂)₁₁–O–CH₂–CH₂–OH

Их используют, как правило, для эмульгации нефтяных загрязнений больших масштабов.

Поверхностно-активные вещества – «экологически жесткие» вещества. На их окисление расходуется много растворенного кислорода, который, таким образом, отвлекается от процессов биологического окисления. Кроме этого косвенного вреда, детергенты оказывают и прямое токсическое действие на водных животных. Они нарушают функции биологических мембран. Это вызывает жаберные кровотечения и удушье у рыб и беспозвоночных животных. Для теплокровных они усиливают токсическое и канцерогенное влияние других загрязняющих веществ. Как было сказано выше поверхностно-активные вещества бытового назначения – анионные детергенты. Обычно они менее токсичны, чем неионные (см. табл. 40). Последние особенно трудно ассимилируются природной средой и крайне отрицательно влияют на состояние водных экосистем.

Таблица 41

Содержание в воде детергентов, приводящее к 50 %-ной смертности через 48 ч среди типичных морских беспозвоночных, мг л^-1 (Сытник, 1989)

Вид	Анионные	Неионные
Полихета Capitella capitata	1,0-10	1,0-5,0
Полихета Scolepsis fuliginosa	10-25	0,5-5,0
Креветка Crangon crangon	100	33-100
Изопода Sphaeroma serratum	800	10-100
Мидия Mutilus galloprovincialis	800	1,0-25
Моллюск Cardium edule	10-33	10-100

***

Рассмотренные материалы свидетельствуют об опасности внесения в гидросферу, несвойственных для нее веществ. Для любого органического вещества, производимого биосферой (даже для Бензапирена и нефтепродуктов) в природе существуют ферменты, способные это вещество разложить до минеральных компонентов. Синтетические же вещества, попав в биосферу, практически не разлагаются ею, и, накапливаясь в пищевых цепях, как и тяжелые металлы, способны представить опасность для здоровья и жизни человека.

Предыдущая

Оглавление

Следующая

Поверхностно-активные вещества — Что такое Поверхностно-активные вещества?

Поверхностно-активные вещества — химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела фаз, вызывают снижение поверхности

Поверхностно-активные вещества — химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела фаз, вызывают снижение поверхностного натяжения.

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.

Однако, ПАВ имеет предел растворимости (так называемую критическую концентрацию мицеллообразования 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.

Теоретически любое химическое соединение, имеющее в молекуле гидрофильные и гидрофобные участки, будет поверхностно активным.

Однако в действительности только некоторые из них являются эффективными моющими средствами, стабилизаторамиэмульсий и пен, пленкообразователями и т. д.

По своему применению ПАВ данного класса делятся на смачиватели, солюбилизаторы, эмульгаторы, моющие агенты, пенообразователи.

По химическим свойствам они разделяются на:

-анионные ПАВ — в водном растворе распадаются с образованием отрицательно заряженных ионов; 

— катионные ПАВ — в водном растворе распадаются с образованием положительно заряженных ионов; 

— амфотерные ПАВ — в водном растворе, в зависимости от рН среды, могут проявлять катионные (в кислой среде рН<7) или анионные (в щелочной среде рН>7) свойства;

— неионогенные ПАВ — в водном растворе не образуют ионов.

Упрощенно действие поверхностно активных веществ можно описать следующим образом.

Благодаря тому, что ПАВ обладают поверхностной активностью, они снижают поверхностное натяжение воды, поэтому загрязнение лучше отстает от поверхности (кожи, волос).

Что и обеспечивает перевод загрязнений в раствор, т. е. отмывку загрязнений.

Происходит это благодаря тому, что молекула ПАВ имеете двойственную структуру один ее конец гидрофильный (т.е. любит воду) другой липофильный (т.е. любит жир).

Анионные ПАВ, отвечают за моющую способность любого щелочного мыла (детского, ручной работы, банного, туалетного и т.п.), а также большинства шампуней и жидких мыл.

В моющих средствах жирорастворимая часть молекулы анионного ПАВ связывает и обволакивает частицы грязи в секрете сальных желез, которые затем вымываются водой.

Одновременно водорастворимая часть молекулы ориентирует эти частицы в сторону от кожи, несущей отрицательный заряд.

При этом жирные загрязнения попадают внутрь молекулы ПАВ, благодаря чему не оседают на поверхности снова.

А уходят вместе с водой, удерживаясь в ней благодаря гидрофильной части.

Первое ПАВ — мыло — «живет» уже почти 4000 лет, однако с 1950^х гг. его несколько потеснили моющие и чистящим средства на основе алкилбензолсульфоната.

Тем не менее, в мире потребляется ежегодно 9 млн. т мыла.

Таким образом, мыло остается наиболее распространенным в мире ПАВ.

Синтетические ПАВ: где мы? Доказательства рандомизированных контролируемых клинических испытаний

Ainsworth SB, Milligan DW. Сурфактантная терапия респираторного дистресс-синдрома у недоношенных новорожденных: сравнительный обзор. Am J Respir Med 2002; 1 : 417–433.

Артикул
КАС
пабмед

Google Scholar

Солл РФ, Бланко Ф . Экстракт природного сурфактанта по сравнению с синтетическим сурфактантом при респираторном дистресс-синдроме новорожденных. Cochrane Database Syst Rev 2001; (2) Ст. №: CD000144.

Курстедт Т., Йорнвалль Х., Робертсон Б., Бергман Т. , Берггрен П. . Две гидрофобные низкомолекулярные белковые фракции легочного сурфактанта: характеристика и биофизическая активность. Eur J Biochem 1987; 168 : 255–262.

Артикул
КАС
пабмед

Google Scholar

Ноттер Р.Х., Ван З., Иган Э.А., Холм Б.А. Компонент-специфическая поверхность и физиологическая активность в поверхностно-активных веществах легких бычьего происхождения. Chem Phys Lipids 2002; 114 : 21–34.

Артикул
КАС
пабмед

Google Scholar

Clark JC, Wert SE, Bachurski CJ, Stahlman MT, Stripp BR, Weaver TE и др. . Целенаправленное нарушение гена протеина В сурфактанта нарушает гомеостаз сурфактанта, вызывая дыхательную недостаточность у новорожденных мышей. Proc Natl Acad Sci USA 1995; 92 : 7794–7798.

Артикул
КАС
пабмед
ПабМед Центральный

Google Scholar

Nogee LM, Garnier G, Dietz HC, Singer L, Murphy AM, deMello DE и др. . Мутация в гене сурфактантного белка B, ответственная за фатальные неонатальные респираторные заболевания у многих родов. J Clin Invest 1994; 93 : 1860–1863.

Артикул
КАС
пабмед
ПабМед Центральный

Google Scholar

Ноги Л.М., Данбар III А.Е., Верт С.Е., Аскин Ф., Хамвас А., Уитсетт Дж.А. Краткий отчет: мутация в гене сурфактантного протеина С, ассоциированная с семейным интерстициальным заболеванием легких. N Engl J Med 2001; 344 : 573–579.

Артикул
КАС
пабмед

Google Scholar

Cochrane CG, Revak SD . Белок легочного сурфактанта B (SP-B): взаимосвязь структура-функция. Наука 1991; 254 : 566–568.

Артикул
КАС
пабмед

Google Scholar

Моя Ф., Матурана А. Поверхностно-активные вещества животного происхождения по сравнению с прошлыми и настоящими синтетическими поверхностно-активными веществами: текущий статус. Клин Перинатол 2007; 34 : 145–177.

Артикул
пабмед

Google Scholar

Horbar JD, Wright LL, Soll RF, Wright EC, Fanaroff AA, Korones SB et al . Многоцентровое рандомизированное исследование, в котором сравнивали два сурфактанта для лечения респираторного дистресс-синдрома новорожденных. J Pediatr 1993; 123 : 757–766.

Артикул
КАС
пабмед

Google Scholar

Сегал С.С., Юинг С.К., Ричардс Т., Тэуш Х.В. Модифицированный бычий сурфактант (Survanta) по сравнению с безбелковым сурфактантом (Exosurf) при лечении респираторного дистресс-синдрома у недоношенных детей: экспериментальное исследование. J Natl Med Assoc 1994; 86 : 46–52.

КАС
пабмед
ПабМед Центральный

Google Scholar

Неонатальная сеть штата Вермонт-Оксфорд. Многоцентровое рандомизированное исследование, сравнивающее синтетический сурфактант с экстрактом модифицированного бычьего сурфактанта при лечении респираторного дистресс-синдрома новорожденных. Педиатрия 1996; 97 : 1–6.

Google Scholar

Modanlou HD, Beharry K, Padilla G, Norris K, Safvati S, Aranda JV. Сравнительная эффективность Exosurf и Survanta на раннем клиническом течении респираторного дистресс-синдрома и осложнений недоношенности. Дж Перинатол 1997; 17 : 455–460.

КАС
пабмед

Google Scholar

da Costa DE, Pai MGK, Al Kusaiby SM . Сравнительное исследование искусственных и натуральных сурфактантов при лечении респираторного дистресс-синдрома недоношенных: опыт развивающейся страны. Pediatr Pulmonol 1999; 27 : 312–317.

Артикул
КАС
пабмед

Google Scholar

Moya FR, Gadzinowski J, Bancalari E, Salinas V, Kopelman B, Bancalari A et al . , для Международной совместной исследовательской группы сурфаксина. Многоцентровое рандомизированное замаскированное сравнительное исследование луцинактанта, колфосцерилпальмитата и берактанта для профилактики респираторного дистресс-синдрома у глубоконедоношенных детей. Педиатрия 2005; 115 : 1018–1029.

Артикул
пабмед

Google Scholar

Худак М.Л., Мартин Д.Дж., Иган Э.А., Маттесон Э.Дж., Каммингс Дж., Юнг А.Л. и др. . Многоцентровое рандомизированное замаскированное сравнительное исследование синтетического сурфактанта и экстракта сурфактанта легких теленка в профилактике респираторного дистресс-синдрома новорожденных. Педиатрия 1997; 100 : 39–50.

Артикул
КАС
пабмед

Google Scholar

Худак М.Л., Фаррелл Э.Е., Розенберг А.А., Юнг А.Л., Аутен Р.Л., Дюран Д.Дж. и др. . Многоцентровое рандомизированное замаскированное сравнительное исследование природного и синтетического сурфактанта для лечения респираторного дистресс-синдрома. J Pediatr 1996; 128 : 396–406.

Артикул
КАС
пабмед

Google Scholar

Кукконен А.К., Виртанен М., Ярвенпяя А.Л., Покела М.Л., Иконен С., Феллман В. Рандомизированное исследование, сравнивающее натуральный и синтетический сурфактант: повышение частоты инфицирования после применения натурального сурфактанта? Acta Paediatr 2000; 89 : 556–561.

Артикул
КАС
пабмед

Google Scholar

Ainsworth SB, Beresford MW, Milligan DWA, Shaw N, Matthews J, Fenton A et al . Пумактант и порактант альфа для лечения респираторного дистресс-синдрома у новорожденных, родившихся на сроке беременности от 25 до 29 недель: рандомизированное исследование. Ланцет 2000; 355 : 1387–1392.

Артикул
КАС
пабмед

Google Scholar

Андерссон С., Хайтер А., Мерритт Т.А. Окислительная инактивация поверхностно-активных веществ. Легкое 1999; 177 : 179–189.

Артикул
КАС
пабмед

Google Scholar

Revak SD, Merritt TA, Cochrane CG, Heldt GP, Alberts MS, Anderson DW и др. . Эффективность синтетического пептидсодержащего сурфактанта при лечении респираторного дистресс-синдрома у недоношенных новорожденных макак-резусов. Pediatr Res 1996; 39 : 715–724.

Артикул
КАС
пабмед

Google Scholar

Cochrane CG, Revak SD, Merritt TA, Heldt GP, Hallman M, Cunningham MD и др. . Эффективность и безопасность KL4-сурфактанта у недоношенных детей с респираторным дистресс-синдромом. Am J Respir Crit Care Med 1996; 153 : 404–410.

Артикул
КАС
пабмед

Google Scholar

Sinha SK, Lacaze-Masmonteil T, Valls i Soler A, Wiswell TE, Gadzinowski J, Hajdu J et al ., для совместной группы по терапии сурфаксином против респираторного дистресс-синдрома. Многоцентровое рандомизированное контролируемое исследование люцинактанта по сравнению с порактантом альфа у глубоконедоношенных новорожденных с высоким риском респираторного дистресс-синдрома. Педиатрия 2005; 115 : 1030–1038.

Артикул
пабмед

Google Scholar

Моя Ф., Синха С., Гадзиновски Дж., Д’Агостино Р., Сегал Р., Гуардиа С и др. . SELECT и STAR Исследователи исследования. Годичное наблюдение глубоконедоношенных детей, получавших луцинактант для профилактики респираторного дистресс-синдрома: результаты двух многоцентровых рандомизированных контролируемых исследований. Педиатрия 2007; 119 : e1361–e1370.

Артикул
пабмед

Google Scholar

Каттвинкель Дж . Синтетические поверхностно-активные вещества: поиски продолжаются. Педиатрия 2005; 115 : 1075–1076.

Артикул
пабмед

Google Scholar

Холлидей Х.Х. Поверхностно-активные вещества: прошлое, настоящее и будущее. Дж Перинатол 2008; 28 : S47–S56.

Артикул
КАС
пабмед
ПабМед Центральный

Google Scholar

Engle WA, Комитет по плодам и новорожденным. Заместительная сурфактантная терапия при дыхательной недостаточности у недоношенных и доношенных новорожденных. Педиатрия 2008; 121 : 419–432.

Артикул
пабмед

Google Scholar

Поверхностно-активные вещества

Поверхностно-активные вещества являются одним из многих различных соединений, входящих в состав моющих средств. Их добавляют для удаления грязи с кожи, одежды и предметов домашнего обихода, особенно на кухнях и в ванных комнатах. Они также широко используются в промышленности. Термин поверхностно-активное вещество происходит от слова поверхностно-активный агент.

 

Рис. 1. Поверхностно-активные вещества способствуют эффективной стирке грязной формы для регби с использованием циклов стирки при низкой температуре
, что положительно влияет на окружающую среду.
С любезного разрешения Stephen Garnett/Wharfedale RUFC.

Поверхностно-активные вещества разрушают поверхность раздела между водой и маслами и/или грязью. Они также удерживают эти масла и грязь во взвешенном состоянии и, таким образом, позволяют их удалять. Они способны действовать таким образом, поскольку содержат как гидрофильную (водолюбивую) группу, такую ​​как кислотный анион (-CO ₂ ^— или SO ₃ ^— ) и гидрофобной (водоненавистной) группы, такой как алкильная цепь. Молекулы воды имеют тенденцию скапливаться вблизи первых, а молекулы нерастворимого в воде материала – вблизи вторых (рис. 2).

Мыла были самыми ранними поверхностно-активными веществами и были получены из жиров, которые известны как глицериды, поскольку они представляют собой сложные эфиры, образованные трехатомным спиртом, пропан-1,2,3-триолом (глицерином), с длинноцепочечными карбоновыми кислотами (жирными кислотами). Глицериды гидролизуются при нагревании с раствором гидроксида натрия с образованием мыл, натриевых солей кислот и пропан-1,2,3-триола. Процесс известен как омыление.

Рис. 2 Действие ПАВ.

Производство

Глицериды, используемые для производства поверхностно-активных веществ, содержат насыщенные и ненасыщенные карбоновые кислоты с четным числом атомов углерода, обычно в диапазоне 12-20, например, октадекановая кислота (стеариновая кислота), CH ₃ (CH ₂ ) ₁₆ CO ₂ H.
Синтетические поверхностно-активные вещества имеют одно очень важное преимущество перед мылами. Поскольку мыла образуют нерастворимые соли кальция и магния с ионами кальция и магния в жесткой воде и в глинах, которые присутствуют в грязи, большая часть мыла теряется, образуя нерастворимую пену. Однако этого можно избежать при использовании синтетического поверхностно-активного вещества. Например, в анионных поверхностно-активных веществах карбоксилатная группа в мыле заменена сульфонатной или сульфатной группой в качестве гидрофильного компонента. Соответствующие соли кальция и магния более растворимы в воде, чем соли кальция и магния карбоновых кислот.

Поверхностно-активные вещества классифицируются на основе природы гидрофильных «головных групп» как:

• анионоактивы катионоактивы
• неионогенные
• амфотерные

Анионные поверхностно-активные вещества

В этих поверхностно-активных веществах гидрофильная группа заряжена отрицательно. Они являются наиболее широко используемым типом поверхностно-активных веществ для стирки, жидкостей для мытья посуды и шампуней. Они особенно хорошо удерживают грязь после удаления с тканей.

Используются четыре анионных поверхностно-активных вещества:

a) алкилбензолсульфонаты
b) алкилсульфаты

c) алкилэфирсульфаты

d) мыла

(a) алкилбензолсульфонаты на алкилбензолсульфонатах с прямой цепью. Бензол в небольшом избытке смешивают с алкеном или хлоралканом в присутствии кислотного катализатора, обычно твердого цеолита (ионный обмен), хлорида алюминия (AlCl

₃ ) или плавиковой кислоты (HF) для получения алкилбензола (иногда называемого детергентным алкилатом).

Например:

Средняя молекулярная масса алкилбензола различается в зависимости от исходных материалов и используемого катализатора, и часто это смесь, в которой длина боковой алкильной цепи варьируется от 10 до 14 атомов углерода. Исторически они включали ответвления в боковые цепи, в результате чего они очень медленно разлагались биологически и приводили к пенообразованию в реках и очистных сооружениях. По закону в большинстве стран сегодня поверхностно-активное вещество должно иметь неразветвленные боковые цепи, чтобы они быстрее разлагались.

Алкилат сульфируют с использованием смеси воздуха и триоксида серы, а затем полученную сульфоновую кислоту нейтрализуют водным раствором гидроксида натрия (часто in situ), например: получают из этилена с использованием катализатора Циглера (триэтилалюминий). Триэтилалюминий реагирует с этиленом при ca 400 K и 100 атм с образованием алкилов алюминия, например: алкен), производится:

Затем смесь разделяют на фракции перегонкой, причем фракция алкенов, содержащая от 10 до 14 атомов углерода, используется для получения поверхностно-активных веществ.

Они используются вместе с другими поверхностно-активными веществами в порошковых и жидких стиральных порошках, таких как Ariel, Daz, Persil и Surf.

(b) Алкилсульфаты

Многие моющие средства, особенно жидкости, содержат другие синтетические анионные поверхностно-активные вещества, такие как алкилсульфаты, сложные эфиры линейных спиртов (C ₁₀ -C ₁₈ ) и серная кислота. Алкилсульфаты также используются в продуктах личной гигиены, таких как зубная паста, и производятся путем обработки спирта триоксидом серы. Затем продукт нейтрализуют водным раствором гидроксида натрия с образованием алкилсульфата натрия:

Спирты получают либо из карбоновых кислот, полученных из масел, полученных естественным путем, например, из пальмоядрового масла или кокосового масла, либо из -цепные алкены, полученные из этена.

Существует два способа получения спиртов из этилена. Как описано выше, триэтилалюминий реагирует с этеном с образованием таких соединений, как:

, где a,b,c — четные числа от 2 до 12. Вместо нагревания с избытком этилена для получения а-алкенов алкилалюминий обрабатывается кислородом, а затем водой для получения длинноцепочечных спиртов:

В качестве альтернативы используется другой процесс получения спиртов из этена, известный как SHOP (процесс Shell Higher Olefins Process). На первой стадии этен пропускают под давлением около 100 атм в растворитель (обычно диол, такой как бутан-1,4-диол), содержащий соль никеля при 400 К. Получается смесь а-алкенов которые разделяют фракционной перегонкой. Около 30% находятся в диапазоне C ₁₀ -С ₁₄ .
Они реагируют с монооксидом углерода и водородом (гидроформилирование) с получением альдегидов с прямой цепью, которые при восстановлении образуют спирты. Например:

 

Другие фракции -алкенов (C ₄ -C ₁₀ и C ₁₄ -C _{40 3 -C 903 90 ) можно преобразовать в более желательные С 14 фракция.}

(c) Сульфаты алкиловых эфиров

Более широко, чем простые алкилсульфаты, используются различные типы сульфатов алкиловых эфиров натрия (SLES).
При производстве SLES первичный алкиловый спирт (из синтетического или природного источника и, как правило, смесь на основе додеканола) сначала этоксилируют 1-3 молярными эквивалентами эпоксиэтана (как описано ниже для производства неионогенных поверхностно-активных веществ). Затем продукт сульфатируют с помощью триоксида серы и нейтрализуют щелочью с образованием сульфата алкилового эфира:

Разработчики рецептур предпочитают эти материалы для многих применений (жидкости для мытья посуды, гели для душа, шампуни и т. д.), поскольку они более мягкие для кожу, чем алкилсульфаты. Они также производят меньше пены, что является преимуществом при разработке продуктов для стиральных машин.

(d) Мыла

Мыла — анионные моющие средства:

Катионные поверхностно-активные вещества

У этих поверхностно-активных веществ гидрофильная головка заряжена положительно.

Хотя они производятся в гораздо меньших количествах, чем аниониты, существует несколько типов, каждый из которых используется для определенной цели.

(a) Моноалкильные четвертичные системы

Простейшей четвертичной системой является ион аммония:

Алкильная четвертичная азотная система имеет алкильные группы, присоединенные к атому азота. Пример:

Они используются в качестве смягчителей ткани с анионными поверхностно-активными веществами, помогая им разрушать поверхность раздела между грязью/пятном и водой.

(b) Эстеркваты

ПАВ с прямой кватернизацией жирных кислот, описанные выше, были заменены для применения в стирке более сложными структурами, в которых существует сложноэфирная связь между алкильными цепями и четвертичной головной группой, поскольку они более биоразлагаемы и менее токсичный. Они известны как эстеркваты.

Пример:

Эстеркваты придают моющим средствам свойства смягчать ткань.

Неионогенные поверхностно-активные вещества

Эти поверхностно-активные вещества не несут электрического заряда и часто используются вместе с анионогенными поверхностно-активными веществами. Преимуществом является то, что они не взаимодействуют с ионами кальция и магния в жесткой воде.

На их долю приходится почти 50% производства поверхностно-активных веществ (за исключением мыла). Основная группа неионогенных соединений — этоксилаты, полученные путем конденсации длинноцепочечных спиртов с эпоксиэтаном (этиленоксидом) с образованием простых эфиров, например:

Спирт с длинной цепью может быть синтетического или природного происхождения.

Хотя они не содержат ионную группу в качестве гидрофильного компонента, гидрофильные свойства им придает наличие в одной части молекулы ряда атомов кислорода, которые способны образовывать водородные связи с молекулами воды.

По мере повышения температуры раствора ПАВ водородные связи постепенно разрываются, в результате чего ПАВ выходит из раствора. Это обычно называют точкой помутнения и характерно для каждого неионогенного поверхностно-активного вещества. Неионогены являются более поверхностно-активными и лучшими эмульгаторами, чем аниониты при аналогичных концентрациях. Они хуже растворяются в горячей воде, чем аниониты, и дают меньше пены. Они также более эффективно удаляют масляные и органические загрязнения, чем аниониты. В зависимости от типа волокна они могут быть активны в холодном растворе и поэтому полезны в странах, где нет горячего водоснабжения, и в развитых странах, где желательно снизить температуру стирки либо для экономии энергии, либо из-за типа ткани. моется. Неионогены используются в моющих средствах для стирки тканей (как в порошках, так и в жидкостях), в чистящих средствах для твердых поверхностей и во многих промышленных процессах, таких как эмульсионная полимеризация и агрохимические составы.

Амфотерные поверхностно-активные вещества

Амфотерные (или цвиттерионные) поверхностно-активные вещества называются так потому, что головная группа несет как отрицательный, так и положительный заряд. Для производства таких материалов используется ряд методов, почти все из которых содержат ион четвертичного аммония (катион). Отрицательно заряженная группа может быть карбоксилатной, -CO ₂ ^— , сульфатной, -OSO ₃ ^— или сульфонатной, -SO ₃ ^— . Одним из таких хорошо используемых классов являются алкилбетаины, которые имеют карбоксильную группу. Карбоновая кислота с длинной цепью реагирует с диамином с образованием третичного амина. При дальнейшей реакции с хлорэтаноатом натрия образуется четвертичная соль:

 

Бетаины представляют собой нейтральные соединения с катионной и анионной группами, не расположенными рядом друг с другом.

Амфотерные поверхностно-активные вещества очень мягкие и используются в шампунях и других косметических средствах. Говорят, что они сбалансированы по pH.

Применение

Моющие средства для стирки

Моющее средство состоит из многих ингредиентов, некоторые из которых являются поверхностно-активными веществами. Пример смеси соединений в моющем средстве показан в таблице 1.

В этот состав входят семь поверхностно-активных веществ, два анионных, три неионогенных и два мыла.
Однако существуют и другие ингредиенты, каждый из которых выполняет определенные функции:

Наполнители , такие как сульфат натрия и вода.

Для некоторых моющих средств требуются добавки, препятствующие слеживанию, например силикат алюминия, которые сохраняют порошок сухим и сыпучим.

Модификаторы , обычно алюмосиликаты натрия, разновидность цеолита, удаляют ионы кальция и магния и предотвращают потерю поверхностно-активного вещества из-за образования накипи.

Пятна можно отбеливать с помощью окислителей, таких как перборат натрия (NaBO ₃ . 4H ₂ O) и перкарбонат натрия (2Na ₂ CO ₃ .3H ₂ O), которые реагируют с 2 90 _{O 2 горячей водой с образованием перекиси водорода, которая, в свою очередь, вступает в реакцию с пятном:}

Однако для низкотемпературной стирки необходимы активаторы отбеливателя . Перборат натрия и перкарбонат натрия не выделяют перекись водорода в холодной воде. Соединение добавляется для взаимодействия с ними с выделением пероксикарбоновой кислоты RCO 9.0303 3 H, который легко окисляет пятна. Наиболее часто используемый активатор:

Он известен под тривиальным названием ТАЭД и реагирует с окислителем с образованием пероксиэтановой кислоты:

Состав	Функция
Силикоалюминат натрия	Строитель
Карбонат натрия	Буферный агент
Сульфат натрия	Наполнитель
Перекись карбоната натрия (перкарбонат натрия)	Окислитель
Натрия додецилбензолсульфонат	ПАВ
Вода	Наполнитель
C12-15 парет-5	ПАВ
Тетраацетилэтилендиамин (ТАЭД)	Активатор отбеливателя
Цетеарет-25	ПАВ
Лимонная кислота	Строитель
Силикат натрия	Строитель
Сополимер акриловой кислоты натрия и МА	Структуратор
C12-15 парет-7	ПАВ
Стеарат натрия	ПАВ
Стеариновая кислота	ПАВ
Тетранатрия этидронат	Секвестрант
Этилендиаминтетраметиленфосфорная кислота Ca/Na соль	Секвестрант
Кукурузный крахмал	Наполнитель
Камедь целлюлозы	Средство против повторного осаждения
Духи	Аромат
Диморфолинопиридазинон	Оптический отбеливатель
Бентонит натрия	Удлинитель мягкости
Симетикон	Пеногаситель
Хлорид натрия	Наполнитель
Полиакрилат натрия	Структурант
Глицерилстеарат	Эмульгатор
Полиарилсульфонат натрия	ПАВ

Таблица 1 Состав моющего средства для стирки белья.

Другие ингредиенты, которые можно добавлять в моющие средства, включают:

Буферные агенты — для поддержания pH на соответствующем уровне

Структурирующие вещества — для придания формы стираемой ткани

Секвестранты — для реакции со свободными ионами металлов, которые в противном случае могут вызвать проблемы с внешним видом или образованием накипи

Оптические отбеливатели — чтобы ткани выглядели ярче и белее

Пеногасители

Ферменты — для удаления специфических пятен: протеазы (для удаления белков), амилазы (для удаления крахмалов), липазы (для удаления жиров)

Ароматизатор

Средства против повторного отложения — для предотвращения повторного отложения грязи на ткани

Кондиционер для кожи — для поддержания кожи в хорошем состоянии

Удлинитель мягкости — для сохранения мягкости одежды

Эмульгатор — для сохранения несмешивающихся жидкостей в виде эмульсии

Краситель

Жидкости для стирки бытовых автоматических машин изготавливаются с использованием смесей анионных, неионогенных и мыльных поверхностно-активных веществ и различных других функциональных веществ. Системы отбеливания несовместимы с более высокой температурой воды и не могут использоваться при температуре выше 315 К.

Для ручной стирки (используется для деликатных тканей, таких как шерсть или шелк) в состав входят стабилизаторы пены для поддержания пены. Клиент приравнивает количество образующейся пены к моющему действию моющего средства. Для количества производимой пены заказ:

анионоактивы > мыло > неиононоактивы > катионоактивы

Порошки и таблетки для машинного мытья посуды

Продукты, используемые в посудомоечных машинах, обычно представляют собой порошки и содержат модификаторы (90-95%), неионогенное поверхностно-активное вещество ( 1-5%), отбеливатели с активатором и ферментами. В их состав входят карбонат натрия и силикат натрия для создания очень щелочной среды, которая помогает денатурировать (расщеплять) жиры и белки, оставшиеся на использованной посуде и столовых приборах.

Жидкости для мытья посуды

Эти составы содержат от 13 до 40% поверхностно-активных веществ, которые преимущественно представляют собой сульфаты алкиловых эфиров, но также включают неионогенные и амфотерные вещества (бетаины).

Шампуни и гели для душа

Они, как правило, основаны на сульфатах алкиловых эфиров и обычно содержат небольшое количество других поверхностно-активных веществ (чаще всего амфотерных), которые помогают защитить кожу от раздражения, а также ухаживают за волосами.

Кондиционеры для волос и кондиционеры для белья

Эти продукты созданы с использованием катионных поверхностно-активных веществ (иногда в сочетании с небольшим количеством неионогенных поверхностно-активных веществ). Это не чистящие средства, и катионное поверхностно-активное вещество осаждается на слегка отрицательно заряженных волосах или поверхности хлопкового волокна, обеспечивая таким образом смазывающее действие.

Экологические соображения

В Западной Европе все поверхностно-активные компоненты бытовых моющих средств должны быть биоразлагаемыми. Это требование обусловлено тем, что исходные алкилбензолсульфонатные аниониты были основаны на разветвленных алкенах, которые оказались устойчивыми к разложению бактериями на очистных сооружениях, в результате чего многие реки страдают от пены.