Биоразложение пав и расчет удельной адсорбции

Вид материала

Документы

Содержание 1 Салициловая кислота Ацетилсалициловая кислота Себациновая кислота Гептановая кислота

Подобный материал:

• Лекция Динамический характер адсорбции, 1095.02kb.
• Тема: адсорбция из растворов. Цель, 55.48kb.
• Адсорбция газов и паров на поверхности твердых тел, 218.58kb.
• Лекция Экспериментальные методы измерения равновесной адсорбции, 296.24kb.
• Ответственные составители: д Х. н., проф. А. П. Карнаухов, к Х. н. В. Б. Фенелонов, 178.45kb.
• Исследование адсорбции пав на границах раздела жидкость-газ и жидкость-твердое тело, 40.56kb.
• 3. Адсорбция на границе твердое тело раствор Таблица №1. Зависимость удельной поверхностной, 59.06kb.
• Лекция Термодинамика поверхностных явлений на плоской границе раздела, 363.79kb.
• Отчет по лабораторной работе определение поверхностного натяжения. Расчет молекулярных, 80.21kb.
• Психотерапия в наркологии, 638.56kb.

Биоразложение ПАВ и расчет удельной адсорбции

Рогожева И. И., Шадрина Д. С., Боровская Л.В.


Кубанский государственный технологический университет


In chemical, petrochemical, the food-processing industry and by manufacture of cosmetic preparations, at many technological processes of PEAHENS apply to the most various purposes: as washing agents, for stabilization of disperse systems, foams, suspensions, for downturn of durability of processable materials, flotation, for a covering of surfaces with the purpose гидрофобизации at oil extracting, as components of waterproofing and anticorrosive coverings, etc.

Despite of positive properties and a wide spectrum of application including in ecology, FALLING render negative influence on ecology and an organism of the person. PEAHENS can quickly collapse in an environment or, on the contrary, to not collapse, and to collect in organisms in inadmissible concentration and to cause irreversible pathological changes. One of the basic negative effects of PEAHENS in an environment - downturn of a superficial tension.


Аннотация. В химической, нефтехимической, пищевой промышленности, при производстве косметических препаратов и других технологических процессах поверхностно-активные вещества (ПАВ) применяют для самых различных целей: в качестве моющих агентов, для стабилизации дисперсных систем — эмульсий, пен, суспензий, для понижения прочности поверхности обрабатываемых материалов, флотации, для покрытия поверхностей с целью гидрофобизации при нефтедобыче, как компоненты гидроизоляционных и антикоррозионных покрытий, и т. д.


Несмотря на широкий спектр применения, ПАВ оказывают негативное воздействие на экологию и организм человека. Значительную часть антропогенной нагрузки, приходящейся на поверхностные водные объекты, составляют сточные воды, содержащие синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), которые входят в состав всех хозяйственно-бытовых и большинства промышленных сточных вод. Попадая в водоёмы, ПАВ активно участвуют в процессах перераспределения и трансформации других загрязняющих веществ (таких как хлорофос, анилин, цинк, железо, бутилакрилат, канцерогенные вещества, пестициды, нефтепродукты, тяжёлые металлы и др.), активизируя их токсическое действие. С ПАВ связано 6-30 % меди, 3-12 % свинца и 4-50 % ртути в коллоидной и растворённой форме. Незначительной концентрации ПАВ (0,05-0,10 мг/дм³) в воде достаточно, чтобы активизировать токсичные вещества.

Большинство ПАВ и продукты их распада токсичны для различных групп гидробионтов: микроорганизмов (0,8-4,0 мг/дм³), водорослей (0,5-6,0 мг/дм³), беспозвоночных (0,01-0,9 мг/дм³) даже в малых концентрациях, особенно при хроническом воздействии. ПАВ способны накапливаться в организме и вызывать необратимые патологические изменения.

Многими исследователями отмечается зависимость степени и характера влияния ПАВ на водные организмы от химической структуры веществ. Наиболее сильное отрицательное влияние оказывают алкиларилсульфонаты, т.е. вещества, имеющие в своей молекуле бензольное кольцо, и некоторые неионогенные вещества. Менее всего токсичны ПАВ на основе полимеров, несколько токсичнее алкилсульфаты и алкилсульфонаты. Соединения, имеющие прямую боковую цепь, более токсичны, чем вещества с сильно разветвлённой углеродной цепью.

Одним из основных физико-химических свойств ПАВ является высокая пенообразующая способность, причём в сравнительно низких концентрациях (порядка 0,1 - 0,5 мг/дм³). Возникновение на поверхности воды слоя пены затрудняет тепломассообмен водоёма с атмосферой, снижает поступление кислорода из воздуха в воду (на 15-20 %), замедляя осаждение и разложение взвесей, процессы минерализации органических веществ, и тем самым ухудшает процессы самоочищения. Предельно допустимая концентрация (ПДК) ПАВ в воде водоёмов составляет 0,5 мг/дм³, неионогенных - 0,1 мг/дм³.

Некоторые нерастворимые ПАВ при попадании на поверхность воды образуют нерастворимые пленки, распространяющиеся при достаточной площади растекания в монослои.

Токсичность ПАВ в водной среде в значительной степени уменьшается за счёт их способности к биодеградации. ПАВ, в той или иной степени, поглощаются всей флорой и фауной водных объектов.

В настоящее время наиболее применимыми методами для очистки сточных вод являются химические, физические методы, физико-химические (сорбция, пенное фракционирование, коагуляция, ультрафильтрация) биологическое окисление, выпаривание, озонирование. Выбор метода очистки от того или иного вида ПАВ зависит от концентрации ПАВ в сточных водах, химической природы ПАВ, от наличия в водных стоках органических и неорганических примесей, стоимости и необходимой степени очистки. Практика очистки сточных вод от ПАВ и сопутствующих примесей показывает, что наиболее рациональным является комбинирование физико-химических методов для обеспечения требуемой глубины очистки и её эффективности.

Целью нашей работы являлось определение адсорбционных и функциональных свойств некоторых ПАВ и расчета чисел гидрофильно-липофильного баланса (ГЛБ). Объектом исследования являлись 10 ПАВ с числом углеродных атомов С₅-С₁₀ . Для них решались следующие задачи:

1. 
   определение толщины адсорбционного слоя, соответствующей в предельном случае длине молекулы ПАВ, по методу определения поверхностного натяжения Ребиндера и расчет поверхностной активности ПАВ;
   
2. Расчет и построение изотерм адсорбции Гиббса и расчет предела насыщения поверхностного монослоя;
   
3. расчет чисел ГЛБ ПАВ по методу, основанному на исследованиях Гриффина и формуле Дэвиса;
   
4. определение функциональных свойств ПАВ.
   

Расчёт удельной адсорбции


Для того чтобы рассчитать удельную адсорбцию в растворах ПАВ по экспериментальным данным, строят на миллиметровой бумаге плавную изотерму поверхностного натяжения для растворов разной концентрации σ = f (с).

К кривой σ = f (с) в 5-7 точках строят касательные и продолжают их до пересечения с осью ординат.



Рисунок 5 – Зависимость поверхностного натяжения от концентрации ПАВ в растворе

Через точку, к которой проведена касательная, проводят прямую, параллельную оси абсцисс, и получают отрезок А.

Длина отрезка, Дж/м²,

, (1)

так как по построению

, (2)

Преобразовав уравнение Гиббса:

,

получают расчетную формулу для удельной адсорбции Г:

. (3)

По сравнению с (3) влияют величины удельной адсорбции для 5-7 растворов разных концентраций, беря соответствующие значения А из графика в масштабе поверхностного натяжения (Дж/м²); R = 8,315·10³ Дж/кмоль·град; Т – абсолютная температура.

Результаты расчётов вносят в таблицу и строят изотерму адсорбции Г =f (с).


Таблица 3 –Значения Г, найденные по изотерме поверхностного натяжения

Концентрация раствора с, кмоль/м2
А·103, Дж/м2 (из графика)
Г·109, кмоль/м2
(с/Г)·10-6

Для определения предельного значения удельной адсорбции и размеров молекулы ПАВ следует воспользоваться уравнением Лэнгмюра:

,

где Г_∞ – предельная величина удельной адсорбции при полном насыщении монослоя; k – постоянная, характеризующая сродство адсорбируемого вещества к поверхности адсорбента.

Величины Г_∞ и k определяются графическим путём, основанным на следующих преобразованиях уравнения Лэнгмюра:

,

,

. (4)

Построив прямолинейную зависимость с/Г = f (с), находят Г_∞ как котангенс угла φ (так как 1/Г_∞ = tgφ – угловой коэффициент прямой линии) – отношение прилежащего катета к противолежащему в любом прямоугольном треугольнике. Необходимо при этом брать величины катетов в масштабах соответствующих осей.

Величина представляет собой начальную ординату В и также определяется из графика.

Константа k уравнения Лэнгмюра может быть вычислена из выражения:

. (5)

Так как в предельно насыщенном адсорбционном слое на 1 м² поверхности адсорбируется Г_∞N_A молекул (N_A = 6,02 · 10²⁶ кмоль^-1), то площадь, приходящаяся на 1 молекулу в ангстремах (Ų), будет равна:

. (6)

Толщина адсорбционного слоя (Å), соответствующая в предельном случае длине молекулы ПАВ, может быть вычислена из выражения:

, (7)

где М и d – соответственно молекулярная масса и плотность ПАВ.

В качестве объектов исследования для расчета толщины адсорбционного слоя, площади, приходящейся на 1 молекулу ПАВ, чисел ГЛБ были выбраны 10 веществ: гексанол, себациновая кислота, гептановая кислота, гептанол, этандиол, 1,4-бутандиол, салициловая кислота, ацетилсалициловая кислота, нонанол, 1,3-пропандиол.

Для измерения поверхностного натяжения на границе раздела фаз ПАВ – воздух применялся известный метод измерения величины поверхностного натяжения Ребиндера.

По результатам эксперимента для исследуемых ПАВ получены изотермы адсорбции, рассчитана толщина адсорбционного слоя ПАВ, поверхностная активность ПАВ и числа ГЛБ. В таблице приведены полученные характеристики наиболее ярких представителей из исследуемых ПАВ.

Таблица 1 – Адсорбционные и функциональные свойства некоторых ПАВ

Название ПАВ	Площадь, занимаемая одной молекулой ПАВ, м2	Величина предельн. адсорбции Моль/м2	Толщина адсорбционного слоя, м	Число ГЛБ NГЛБ	Функциональные свойства
Ацетилсалициловая кислота СН3СООС6Н4СООН	0,332·10-20	0,9 ·10-6	0,111·10-6	11,45	эмульгатор в/м
Гептановая кислота С6Н13СООН	0,102·10-20	3,25 ·10-6	0,248·10-6	15,6	солюбилизатор
Салициловая кислота НОС6Н4СООН	0,094·10-20	2,5 ·10-6	0,28·10-6	13,2	солюбилизатор
Себациновая кислота СООН(СН2)8СООН	0,0258·10-20	3,75 ·10-6	1,405·10-6	15,6	солюбилизатор

Из исследованных веществ наиболее ярко проявляет поверхностно-активные свойства себациновая кислота.

Ниже приведены изотермы поверхностного натяжения и изотермы адсорбции перечисленных ПАВ.


1 Салициловая кислота

σ·10³, Н/м


С, моль/м³


Рис . 1 – Изотерма поверхностного натяжения салициловой кислоты


Г·10⁹, кмоль/м²


С·10³, кмоль/м²


Рис . 2 - Изотерма адсорбции салициловой кислоты


Ацетилсалициловая кислота

σ·10³, Н/м


С, моль/м³


Рис . 3 – Изотерма поверхностного натяжения ацетилсалициловой кислоты


Г·10⁹, кмоль/м²


С·10³, кмоль/м²


Рис . 4 - Изотерма адсорбции ацетилсалициловой кислоты


Гексанол

σ·10³, Н/м


С, моль/м³


Рис . 5 - Изотерма поверхностного натяжения гексанола



Г·10⁹, кмоль/м²


С·10³, кмоль/м²


Рис . 6 - Изотерма адсорбции гексанола


Себациновая кислота

σ·10³, Н/м


С, моль/м³


Г·10⁹, кмоль/м²


С·10³, кмоль/м²

Рис . 8 - Изотерма адсорбции себациновой кислоты


Гептановая кислота

σ·10³, Н/м


С, моль/м³


Рис . 9 - Изотерма поверхностного натяжения гептановой кислоты


Г·10⁹, кмоль/м²


С·10³, кмоль/м²


Рис . 10 - Изотерма адсорбции гептановой кислоты


Гептанол


σ·10³, Н/м


С, моль/м³


Рис . 11– Изотерма поверхностного натяжения гептанола




Г·10⁹, кмоль/м²


С·10³, кмоль/м²


Рис . 12 – Изотерма адсорбции гептанола


Этандиол

σ·10³, Н/м


С, моль/м³

Рис . 13 – Изотерма поверхностного натяжения этандиола



Г·10⁹, кмоль/м²


С·10³, кмоль/м²


Рис . 14 – Изотерма адсорбции этандиола


1,4-бутандиол

σ·10³, Н/м


С, моль/м³


Рис . 15 – Изотерма поверхностного натяжения 1,4-бутандиола





Г·10⁹, кмоль/м²


С·10³, кмоль/м²


График 14 – Изотерма адсорбции 1,4-бутандиола


Нонанол


σ·10³, Н/м


С, моль/м³


Рис . 16 – Изотерма поверхностного натяжения нонанола




Г·10⁹, кмоль/м²


С·10³, кмоль/м²


Рис.17 - Изотерма адсорбции нонанола

Список использованных литературных источников

1. 
   Ахмедова К. С., Петрянова-Соколова И. В. Успехи коллоидной химии.-Ташкент, 1987.- 156 с.
   
2. Берч Дж., Перри Дж., Шварц. А. Поверхностно-активные вещества и моющие средства, пер. с англ.- М., 1960.-223с.
   
3. Боровская Л. В., Данилин В. Н. Физико-химические основы стабилизации гетерогенных дисперсных систем: Методические указания для самостоятельной работы студентов заочной формы обучения по специальности 06.16-Товароведение и экспертиза потребительских товаров,-Краснодар, Издательство КубГТУ, 2001.-20с.
   
4. Маркиной З. H., Таубмана А. Б. Коллоидные поверхностно-активные вещества, пер. с англ.-M., 1966.-321с.
   
5. Фролов Ю. Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления дисперсной системы.-М.: Химия, 1989.-464 с.