Физико-химические основы моющего действия

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ВВЕДЕНИЕ

Моющее действие – это процесс удаления загрязнения с различных поверхностей и перевод этих загрязнений в состояние раствора или устойчивой дисперсии [1]. Процесс очистки загрязнений от различных поверхностей весьма сложен и окончательно не выяснен, т.к. это комплекс параллельно-последовательных физико-химических и физико-механических стадий, обусловленных множеством протекающих одновременно процессов, конкурирующих между собой.

Моющее действие зависит  от природы очищаемой поверхности и загрязнения (жидкость, твердое тело). Также оно определяется средой, в которой проводится очистка (воздух, вода, неполярная жидкость, эмульсия), способом и интенсивностью механического воздействия (перемешивание, пульсация, вибрация, ультразвук).

 Огромную роль в  процессе очистки играют синтетические  моющие средства, которые являются сложными смесями поверхностно-активных веществ, неорганических солей и органических компонентов, повышающих их эффективность. Важнейшим моющим агентом остается поверхностно - активное вещество, принимающие активное участие на всех стадиях удаления загрязнения. Основное применение ПАВ в СМС связано с их физическо - химическими свойствами, которые обуславливают их адсорбционную способность. Выбор ПАВ, кроме их свойств, обусловлен стоимостью и экологической безвредностью, т. е. временем снижения концентрации ПАВ во времени.

Моющее действие является адсорбционно-десорбционным процессом, в котором участвуют поверхность,  загрязнение и раствор моющего вещества. Все стадии моющего процесса протекают во времени и носят динамический характер, следовательно, исследование кинетики адсорбции ПАВ на различных поверхностях, позволит углубить понимание сложного механизма моющего действия.

Следует отметить, что  до настоящего времени ни в отечественной, ни в зарубежной литературе исследование кинетики адсорбции ПАВ на различных  поверхностях не рассматривалось.

Целью данной работы является исследование кинетических закономерностей адсорбции неионных ПАВ на различных границах раздела фаз и кинетики диспергирования загрязнений в моющем процессе.  

 

2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

2.1 Физико-химические основы моющего действия

Водные растворы коллоидных ПАВ обладают моющим действием. В  соответствии с рекомендациями Международного комитета по ПАВ (СИД) и Международной  организации по стандартизации (ИСО) [1] понятию "моющее действие" дается следующее определение: моющее действие - процесс удаления загрязнения с поверхности твердых тел, в частности ткани, с переводом его в состояние раствора или устойчивой дисперсии.

Можно различить четыре основные стадии в механизме моющего  действия, которым предшествует растворение водорастворимых загрязнителей [2]:

а) смачивание раствором  моющего вещества с образованием адсорбционных слоев на поверхности  ткани загрязнителей и перевод  последних в активированное состояние, в результате чего происходит растекание слоя ПАВ по микротрещинам и измельчение частичек;

б) удаление загрязнителей  с поверхности при механическом воздействии диспергированием;

в) удерживание загрязнителей в объеме раствора вследствие эмульгирования, солюбилизации и частично пенообразования и суспендирования;

г) вывод загрязнений из области стирки.

Эти физико-химические процессы протекают  параллельно-последовательно. В общем  случае можем записать

D = f(s, W_m, W_s, W_d, ∑Г_i, ∑Sz_k, ΔE_m, F…)           (1)

где D - моющее действие (доля удаленных загрязнений), s - растворение, W_m - механическая работа отрыва загрязнений от ткани, W_s - работа смачивания поверхности субстрата, W_d - работа диспергирования (в том числе суспендирования и эмульгирования) загрязнений, Г_i- адсорбция i-го компонента системы на поверхности раздела фаз, Sz_k - солюбилизация k-го компонента загрязнений, ΔЕ_m - стабилизация дисперсий, F- пенообразование.

Следует заметить, что  попытки объяснить моющее действие каким-либо одним элементом этой совокупности не могут привести к  решению проблемы. Также, очевидно, что механизм удаления загрязнений зависит от конкретных условий проведения процесса.

2.1.1 Ткани и загрязнители

Загрязнения представляют собой в наиболее общем случае маслянистые продукты (животные жиры, жирные кислоты, нефтепродукты) в смеси с другими твердыми веществами минерального и органического происхождения. Многие загрязнения, осаждающиеся на одежде и изделиях в процессе их эксплуатации в виде частиц из уличной пыли и пыли домашних помещений, содержат от половины до двух третей твердых неорганических веществ, а также сажи, образующейся при сгорании топлива в двигателях автомобилей и сжигании ископаемых твердых топлив [3].

В зависимости от возможного способа удаления загрязнители разделяют  на водорастворимые и водонерастворимые. Водорастворимые соединения бывают органическими и неорганическими. К ним относятся: сахар, крахмал, мочевина, мука, органические кислоты, белки, поваренная соль и др. К водонерастворимы органическим соединениям относятся углеводороды, различные смолы, асфальты, лаки, краски, жиры и др. Водонерастворимые неорганические соединения включают глины, силикаты, цемент, сажу и др.

Условно все типы бытовых загрязнений  можно разделить на три группы [4]:

1. Продукты жизнедеятельности человека - это в первую очередь потовые  выделения, остатки отшелушенной кожи и ряд бактерий. Все они образуют на тканях нерастворимую в воде масляную пленку, которая со временем может желтеть и превращаться в твердую пленку. При этом все эти продукты адсорбируют на своей поверхности различные окрашенные частички пыли и сажи, т. е. становятся пигментно-масляным загрязнением.

2. Пищевые загрязнения - это пятна,  получаемые нами в процессе  приема и приготовления пищи. Это масляно-жировые пятна, пятна  от крахмала и клетчатки, белковые (молоко, кровь, животный белок от мяса и соусов) пятна, пятна, окрашенные от чая, кофе, какао, овощей и фруктов и т. д. И, как и первая группа, пищевые загрязнения со временем желтеют (изначально неокрашенные загрязнения) и, адсорбируя на себе пигментные загрязнения пыли и сажи, резко проявляются на поверхности ткани.

3. Загрязнения, получаемые из  окружающей среды: сажа и продукты  неполного сгорания от автомобилей,  зола ТЭЦ; пыль (остатки почвы,  песка и глины, строительная  пыль, окислы и т. д.). Так же  к этому типу загрязнений мы можем отнести различные минеральные и синтетические масла, зелень, цветы, пыльца растений, а также соль от обработки дорог и кислотных дождей.

Удаление загрязнителей является широким понятием, охватывающим различные  процессы, и подразумевает отделение всех посторонних веществ. Природа и характер очищаемой поверхности оказывают большое влияние на скорость и полноту удаления с нее загрязнений. Волокна отличаются по своим химическим свойствам [5].

Химические волокна подразделяются на натуральные и химические.

 Натуральные  волокна - это  волокна  растительного  (состоящие  из целлюлозы) и животного (шерсть, шелк) происхождения.

Химические волокна - получают промышленно и подразделяют на искусственные и синтетические. Искусственные волокна - это волокна, полученные на основе целлюлозы, выделяемой из древесины. К ним относятся вискозное, медно-аммиачное, ацетатное и триацетатное волокно. Синтетические волокна вырабатывают из карбо- и гетероцепных полимеров. К ним относятся поливинилхлоридное, полиакрилонитрильное, полипропиленовое, поливинилспиртовое, лавсан, капрон, нейлон, анид.

Ниже приведено химическое строение основных волокон (табл. 1).

Таблица 1. Химическое строение основных волокон

Волокна	Элементарное звено
Натуральные
Хлопок	(-С6H7O2(OH)3-)n
Шерсть	(-NH-CHR-CO-)n
Искусственные
Вискозное	(-C6H9O4OH)n
Синтетические
Капрон	H(-NH-CH2-CO-)nOH

                                                                                                                                                                                                                                                                               

 Некоторые волокна инертны, некоторые же, как шерсть и хлопок, содержат реакционно-способные группы. В зависимости от природы волокна ПАВ по-разному адсорбируются на поверхности, и следовательно, по-разному удаляет загрязнения.

Также различна и структура волокна, например шерсть, имеет зазубрины, хлопок имеет тонкую волокнистую структуру [6]. Неоднородность поверхности тканей приводит к тому, что некоторые участки поверхности, в частности узлы переплетения, будут интенсивнее реагировать с загрязнением, тем самым затруднять его удаление.

Волокнистые материалы в водных средах способны к ограниченному набуханию. Это вызывает ослабление связи между загрязнением и растягивающей поверхностью волокна, между которыми проникают молекулы ПАВ, способствующие полному отделению загрязнения от поверхности волокна.

В результате контакта текстильных изделий с окружающей средой и человеком на них осаждаются загрязнения. Эти загрязнения удерживаются на ткани за счет механических, физических и химических сил.

Механически удерживаются пигментные загрязнения, которые проникают между нитями и прилипают к масляному загрязнению.

Физически удерживаются мелкие пигментные и масляные загрязнения.

Химические силы значительно прочнее и удалять загрязнения, удерживаемые химически, моющим раствором невозможно, для этого необходимо применять специальные реагенты.

Процесс загрязнения можно разделить на следующие стадии:

1) диффузия загрязнения к поверхности волокон; 

2) адсорбция загрязнений поверхностью волокнистых материалов;

3) диффузия загрязнений внутрь волокон;

4) закрепление волокнами частиц загрязнений [5].

Адсорбция вызвана некомпенсированным силовым полем молекул, расположенных на поверхности. Чем больше поверхность волокна, тем выше их загрязняемость.

Диффузии загрязнений внутрь волокон способствуют капиллярные силы. Чем меньше диаметр канала, тем больше сила всасывания жидких загрязнений. Гидрофобные волокна значительно меньше подвергаются загрязнению и легче очищаются.

Состав и количество загрязнителей  зависят от характера окружающей среды, условий быта и работы.

2.1.2 Основные стадии моющего действия

Смачивание поверхности  и вытеснение загрязнений. Смачивание — это поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с твердым или другим жидким телом при наличии одновременного контакта трех несмешивающихся фаз, одна из которых обычно является газом (воздухом). Степень смачивания количественно характеризуется углом смачивания [7].

В одной из первых работ, посвященных выявлению механизма моющего действия, Адам [8] очень наглядно показал, что отмывание волокон от масляных загрязнений в водных растворах ПАВ проходит через обязательную стадию смачивания, сопровождающегося увеличением угла смачивания на границе волокно – масло - водный раствор вплоть до образования капель, переходящих в водную фазу.

Образование мономолекулярных слоев  при адсорбции поверхностно-активных веществ из водного раствора на поверхностях волокон и масла приводит к изменению поверхностного натяжения на межфазных границах и, как следствие, к улучшению смачивания.

На первой стадии моющего процесса происходит замена границы раздела  загрязнение - воздух и твердая поверхность - воздух на границу масло - вода (М - В) и твердая поверхность - вода (Т - В). На второй стадии происходит отрыв частиц загрязнения.

Смачивание имеет большое значение в моющем процессе. В отсутствии ПАВ масло растекается по поверхности  волокна и не отмывается. Таким  образом, ПАВ в этом процессе играет основную роль, уменьшая межфазные натяжения и углы смачивания тканей водными растворами. Именно в результате такого действия ПАВ пленка загрязнения сворачивается в капли, отрывающиеся потом от волокна. При смачивании жидкость также проникает в капилляры, вытесняет из них воздух, на образующейся поверхности возникает мономолекулярный слой ПАВ [6].

Удаление загрязнителей  с поверхности диспергированием (в результате эмульгирования, суспендирования, пенообразования и солюбилизации). Удержание частиц загрязнений в растворе определяется целым комплексом коллоидных свойств ПАВ.

Прежде всего, происходит диспергирование частиц на более  мелкие. Комки твердых загрязнений  в результате пептизации переходят  во взвешенное состояние с одновременным дроблением крупных частиц на более мелкие или разрушением агрегатов.

Затем на поверхности  частиц образуются адсорбционно-сольватные слои, которые препятствуют агрегации  частиц и удерживают их во взвешенном состоянии, т. е. происходит образование  стабилизированной суспензии. Пептизация с одновременным суспендирующим действием коллоидных ПАВ способствует удержанию твердых загрязнений [9].

В случае жирных масленых загрязнений возможно самопроизвольное диспергирование до мелких капель, когда дисперсная система является лиофильной. Капли масляных загрязнений образуют прямую эмульсию масло в воде, а адсорбционные слои ПАВ способствуют удержанию их в водной среде. Кроме того, особенно для лиофобных систем, масляные загрязнения удерживаются в объеме водной среды за счет солюбилизации.

Солюбилизирующая способность  связана с мицеллообразованием  и растворением в системе веществ, нерастворимых без добавления ПАВ. Образование такой системы сопровождается уменьшением свободной энергии, что обуславливает ее термодинамическую устойчивость.