Д.х.н., профессор Надиров К.С., д.т.н., профессор Голубев В.Г.,
к.т.н.,
доцент Бондаренко В.П., к.т.н., доцент Жантасов М.К.,
Шермаханов
А., магистрант Калменов М.У.
Южно-Казахстанский
государственный университет им.М.Ауэзова, Республика Казахстан
Применение реагентов
комплексного действия (РКД) направлено на комплексное улучшение параметров
гидрофобно-эмульсионных растворов (ГЭР), что в общем виде предполагает
сочетание следующих компонентов:
- первичный эмульгатор,
эффективно снижающий поверхностное натяжение и облегчающие диспергирование
внутренней фазы эмульсии;
- стабилизатор,
образующий структурно-механический барьер, препятствующий коалесценции глобул
эмульсии;
- структурообразователь
и понизитель фильтратоотдачи инициирующий флокуляционное и мицеллярное
агрегирование ПАВ в объеме дисперсионной среды;
- гидрофобизатор, подавляющий активность выбуренной
породы и позволяющий активировать твердые вещества для использования в качестве
поляризующих соединений (ПС), промежуточных поляризующих соединений (ППС)
[1,2].
Общим принципом
повышения активности всех названных компонентов является введение в их молекулу
активных функциональных групп или их композиции. Функциональные группы за
исключением алифатической, фенильной, йодной, бромной, хлорной и эфирной имеют
энергию взаимодействия с водой, большую, чем с углеводородом, что
предопределяет необходимость экранирования ими прочих групп при использовании
последних в составе РКД для ГЭР. В противном случае реагенты просто будут
переходить в объем глобул и терять свое функциональное назначение. Таким
образом, все компоненты РКД будут иметь дифильную структуру, т.е. побочную
способность выполнять не только свои специфические функции, но и функции других
компонентов.
Основной проблемой при
этом является недопущение того, чтобы гидрофобизатор-стабилизатор при
определенных условиях стал первичным эмульгатором ГЭР, который, в отличие от
первого, обладает возможностями вторичной адсорбции стабилизатора. Такая замена
негативно отразится на термостойкости ГЭР, которая снизится ввиду потери
большей части когезионных взаимодействий ПАВ. Очевидно, что условием,
определяющим порядок адсорбции ПАВ, является работа его адсорбции. Первым будет
адсорбироваться тот компонент, который имеет наибольшую в данных условиях
работу адсорбции.
Для связи эмульгатора и
стабилизатора они должны быть способны к взаимной или промежуточной
поляризации. Для промежуточной поляризации наиболее эффективно использование
твердых поляризующих соединений (ТПС), которые должны иметь собственную или
приобретенную олеофильность.
Для олеофилизации ТПС
необходим компонент-гидрофобизатор, качество которого зависит от устойчивости
(в том числе термической), прочности и активности взаимодействия со средой и
ПАВ, а также его удельного расхода для образования покрытия. Поэтому,
качественный гидрофобизатор должен закрепляться на поверхности частицы по
хемосорбционному механизму или с образованием электронно – донорно-акцепторных
(ЭДА) комплексов. В этом случае сложнее всего избежать антагонизма компонентов,
так как требование, накладываемое на механизм адсорбции, определяет
использование функциональных групп со значительным силовым полем, что вызывает
конфликты с эмульгатором.
Соли жирных кислот госсиполовой
смолы (натриевые и калиевые), которые относятся к анионным ПАВ обладают
гидрофильно-липофильным балансом (ГЛБ), числа, которое характеризует
соотношение между гидрофильными и гидрофобными свойствами. Чем выше число ГЛБ,
тем больше баланс сдвинуть в сторону
полярных (гидрофильных) свойств ПАВ. Например, ГЛБ для солей жирных
кислот (их гидрофильных групп) составляет: - СООК – 21,1; - СООNа – 19.1. для сравнения: ГЛБ
гидрофильных групп исходных жирных кислот составляет всего – СООН – 2,4. В
зависимости от ГЛБ паверхностно-активные вещества используют с той или иной
целью
В принципе, практическим
решением данной ситуации, является объединение этих функций в одном компоненте,
но такое решение неизбежно влечет за собой его дополнительный расход вследствие
невыгодного расположения его молекул, адсорбирующихся нормально к поверхности.
Наиболее эффективные гидрофобизаторы должны содержать несколько активных групп
в цепи, например оксиэтиленовые алкилы(ены) или многоатомные оксикислоты, что
определяет их адсорбцию параллельно поверхности с большой площадью адсорбции,
то есть небольшой удельный расход компонента. Однако, добиться приемлемого
значения гидрофильно-липофильного баланса (ГЛБ),
исключающего конфликты гидрофобизатора с эмульгатором, крайне проблематично,
что заставляет искать компромиссный вариант решения: совмещение функций,
связанное с повышенным расходом основного эмульгатора (стабилизатора) или
введение гидрофобизатора в предварительно стабилизированный ГЭР, что лишает систему
достоинств РКД.
Поэтому
структурообразователь и понизитель фильтратоотдачи ГЭР не должен включать
полярные группы с большим силовым полем, чем основной эмульгатор системы, либо
иметь углеводородный радикал со значительным перевесом ГЛБ в сторону липофильности.
Помимо этого, структурообразователь должен быть способен к организации как
медленных, так и быстрых связей, т.е. сочетать в своей молекуле донорные и
акцепторные группы, а также ионофоры со значительными потенциалом ионизации и
дипольным моментом.
Все перечисленное
позволяет предположить возможность упрощения состава РКД за счет совмещения
нескольких функций в одном компоненте. Прежде всего, это касается функций
эмульгатора и стабилизатора, которые, по-видимому, способен выполнять один
реагент. Для этого необходимо выполнение трех условий:
1 Наличие полярной
группы или их комбинации, обладающей суммарным силовым полем значительной
величины;
2 Сочетание этих
полярных групп с алифатическим радикалом при оптимальном энергетическом балансе
частей молекулы;
3 Присутствие в неполярной части молекулы групп с
более слабым силовым полем, чем группы полярной части, способных к образованию
Н-связей и ЭДА взаимодействиям [3].
Для получения РКД в
составе композиции ПАВ совмещаются неионогенный эмульгатор-стабилизатор с
высокой работой адсорбции и ионогенное ПАВ с достаточно длинной углеводородной
цепью, обладающей способностью к образованию быстрого типа связей, выполняющее
функции структурообразователя и понизителя фильтратоотдачи. Применение РКД
получаемых на основе данного принципа ограничено областью температур до 800С,
за пределами которой относительно слабые электростатические и индукционные
ион-дипольные связи разрушаются. Поэтому при высоких температурах следует либо
использовать композиции ПАВ предрасположенные к химической сшивке или ЭДА
связыванию, либо повышать энергию и количество «быстрых» контактов введением
твердым ПС, ППС. То же самое относится и к гидрофобизаторам с тем отличием, что
химическая сшивка в их случае предпочтительна также между ПАВ и твердой фазой.
Тем самым теоретически
обоснованы предпосылки изменения молекулярной структуры ПАВ и подбора их
композиций для РКД, применительно к управлению свойствами ГЭР. Однако
невозможность точного расчета межмолекулярных взаимодействий и их проявлений на
макроуровне делает сформулированные положения достаточно тенденциозными и
требует их экспериментального подтверждения [4].
Данные исследования проводились благодаря финансированию Комитета науки Министерства образования и науки РК.
Литература
1 Маркман А.Л., Ржехин В.П. Госсипол
и его производные.- М.: Пищ. Промышленность. - 1965. - 242с.
2 Айдар У.Т., Олжатаев Б.А.,
Ескендиров Ш.З. Технология получения жидких моющих средств из соапстока АО
«Шымкентмай» //Наука и образование Южного Казахстана. Серия «Химия, химическая
технология, Процессы аппараты». – 2003. - №35. - С. 64-66.
3 Надиров К.С., Бимбетова Г.Ж.,
Сакибаева С.А. Исследование влияния госсиполовой смолы на свойства эластомерной
композиции. // Проблемы химической технологии неорганических, органических,
силикатных и строительных материалов и подготовки инженерных кадров: Труды
международной научно-практической конференции, Шымкент. – 2002. - Т.3. - С.
76-80.
4 Бекжанова К., Бишимбаев В., Сатаев
К. Разработка технологии получения порошкообразных водорастворимых полимеров
серии ГСФСП на основе отходов госсиполовой смолы и ортоаминофенола. // Поиск.
Серия естественные и технические науки. – 2004. - №3. - С. 5-7.