Поверхностно-активные вещества

Термин введен в науку П.А.Ребиндером (1925). Типичными ПАВ являются соединения, молекулы которых состоят из двух противоположных по свойствам частей: полярной (гидрофильной по отношению к воде) и неполярной (гидрофобной). Каждая из них хорошо растворяется в одной из контактирующих фаз и не растворяется в другой.

Гидрофильная группа (гидроксильная, карбоксильная, амино- и др.) обеспечивает растворимость ПАВ в воде, удерживая его молекулу в полярной среде, гидрофобная (обычно углеводородные цепи) – в неполярной фазе, определяя тенденцию к переходу молекул из полярной (водной) среды в неполярную. ПАВ, адсорбируясь на межфазных поверхностях раздела, образуют мономолекулярные слои ориентированных молекул, изменяя молекулярную природу поверхности тел, условия их взаимодействия с другими телами.

По химической природе гидрофильных групп ПАВ делят на анионные, катионные, амфолитные и неионные. Ведущее место в общем объеме промышленного производства ПАВ составляют анионные вещества – соли карбоновых кислот (мыла), алкилсульфаты, алкилсульфонаты, фторуглеродные сульфонаты и др. Широкое применение находят неионные ПАВ – полиоксиэтиленовые эфиры алифатических спиртов и кислот, алкилфенолов. В меньшей степени используются катионные (производные алкиламинов, алкилпиридиния, четвертичные аммониевые соединения и др.) и амфолитные (алкиламинокарбоновые кислоты, алкилбетаины, производные алкилимидазолинов и др.) ПАВ, но сфера их применения расширяется.

Выделяют высокомолекулярные (белки, производные целлюлозы, лигносульфоновые кислоты и их соли, синтетические полиэлектролиты и др.), кремнийорганические, перфторированные, водо- и маслорастворимые ПАВ. По типу систем, образующихся при растворении ПАВ в данной среде, их делят на истинно растворимые и коллоидные.

Коллоидные ПАВ при повышении концентрации в растворах (выше критической концентрации мицеллообразования) образуют агрегаты – мицеллы из длинноцепочечных молекул или ионов ПАВ. Важным свойством мицеллярных систем является способность «растворять» нерастворимые или плохо растворимые в воде органические соединения. В более концентрированных растворах ПАВ формируются структуры с высоким уровнем агрегации (везикулы, ламеллы) с последующим переходом в жидкие кристаллы.

ПАВ применяют в качестве эмульгаторов, диспергаторов, стабилизаторов, пенообразователей, структурообразователей, пластификаторов, флотореагентов, косметических средств, в производстве моющих и чистящих средств, текстиля, волокон, кожи, косметических и гигиенических средств, фармпрепаратов, средств пожаротушения, лаков, красок, латексов, строительных материалов, бумаги; в добыче, при транспортировке и переработке нефти, газа, угля; в производстве технических средств, средств защиты растений. Перспективные области применения ПАВ: биотехнология, микроэлектроника, производство магнитных лент и сверхчувствительных материалов, новых форм удобрений. ПАВ играют важную роль в биологических системах.

Основоположник учения о ПАВ (1917) – американский ученый И.Ленгмюр. Классические исследования мицеллообразования выполнены английским ученым Г.Хартли (1936). Значительный вклад в развитие учения о ПАВ внесли отечественные ученые – Л.Г.Гурвич, А.Н.Фрумкин, П.А.Ребиндер, А.И.Русанов и др.

В Татарстане исследования в области ПАВ начались в конце XIX – начале ХХ вв. и были связаны со становлением и технологическом совершенствованием мыловаренно-свечного производства (М.Я.Киттары, А.М.Зайцев, М.М.Зайцев, С.А.Фокин, А.Е.Арбузов, В.В.Евлампиев).

В 1930-х гг. осуществлен комплекс работ по стабилизации коллоидов металлов белками (А.Ф.Герасимов).

В 1950–1970-е гг. развиты теоретические положения о совместной и индивидуальной адсорбции органических соединений на электродах, разработаны молекулярные подходы к моделированию структуры мономолекулярных адсорбционных слоев (Г.А.Добреньков).

До середины 1960-х гг. получение ПАВ осуществлялось переработкой органического сырья животного или растительного происхождения. В 1970-е гг. интенсивное развитие работ по синтезу новых ПАВ из нефтяного сырья и отходов крупнотоннажных химических производств способствовало формированию научного направления по синтезу и промышленному освоению новых видов ПАВ, созданию научных основ и разработке высокоэффективных технологий на основе ПАВ в химии, нефтехимии, нефтедобыче и переработке нефти.

Разработаны и синтезированы новые неионные ПАВ – блоксополимеры оксиэтилена и пропилена на основе гликолей, многоатомных спиртов, аминов и диаминов, окиси этилена; высокомолекулярные азотсодержащие неионные ПАВ с различной степенью оксиэтилирования; неионные ПАВ, модифицированные путем введения в их молекулы фосфор-, азот-, серо- и карбоксилсодержащих функциональных групп; амфолитные ПАВ на основе оксиэтилированных эфиров фосфорной кислоты; катионные ПАВ (Л.М.Козлов, К.И.Кузьмин, И.Н.Дияров, Н.А.Лебедев, А.А.Гречухина, С.А.Варнавская).

Способы получения катионных ПАВ – функционально замещенных аммониевых соединений – гидрофилизаторов полимерных покрытий, высокоэффективных реагентов комплексного действия (Г.В.Романов, П.С.Фахретдинов) – отмечены Государственной премией РТ (1997). На основе смесей ПАВ созданы эффективные реагенты для снижения вязкости нефтей, ограничения водопритока в добывающие скважины и перераспределения фильтрационных потоков в нагнетательных скважинах, для разрушения водонефтяных эмульсий, защиты от коррозии, парафино- и солеотложений; получены бактерициды, эмульгаторы для водобитумных эмульсий, адгезивы для битума и др. Разработаны технологии повышения нефтеотдачи, обработки призабойной зоны пласта, подготовки нефти (И.Н.Дияров, В.Г.Козин, Н.А.Лебедев, Г.В.Романов). Развиты физико-химическе основы смачивающе-моющего действия ПАВ при разрушении нефтяных эмульсий (И.Н.Дияров, Р.Ф.Хамидуллин), адсорбции и структурообразования полимерных электролитов в условиях пластовых вод (С.В.Крупин). Предложены ПАВ и композиции на их основе для процессов синтеза, модификации и переработки эластомеров (И.Ю.Аверко-Антонович).

Работы по созданию магнитных жидких кристаллов (смектики и нематики), содержащих ионы редкоземельных элементов (Ю.Г.Галяметдинов, И.В.Овчинников, И.Г.Бикчантаев, Г.И.Иванова), удостоены Государственной премии РТ (2001).

Проводятся фундаментальные исследования процессов самоорганизации и катализа в мицеллярных растворах ПАВ, направленные на создание высокоэффективных биомиметических каталитических систем с регулируемой активностью (А.И.Коновалов, Л.А.Кудрявцева, Р.Ф.Бакеева) и моделирование биохимических реакций (В.Д.Федотов, Ю.Ф.Зуев, Е.А.Ступишина, Н.Н.Вылегжанина), на разработку физико-химических основ ассоциации полимерных электролитов с ПАВ (В.П.Барабанов, А.Я.Третьякова), термодинамических аспектов реакций комплексообразования в мицеллярных системах (А.А.Амиров, А.Р.Мустафина, З.А.Сапрыкова).

Исследования по синтезу и применению ПАВ проводятся в Казанском национальном исследовательском технологическом университете, Казанском федеральном университете, в институтах Казанского научного центра Российской академии наук – институте органической и физической химии, Физико-техническом институте, институте биохимии и биофизики, в Акционерном обществе «НИИнефтепромхим» и других отраслевых институтах, лабораториях Публичном акционерном обществе «Нижнекамскнефтехим», «Оргсинтез» и т. д.

Научные разработки внедрены на предприятиях крупно- и малотоннажной химии, используются на нефтепромыслах Татарстана, Башкортостана и других регионов России и СНГ.

Мицеллообразование, солюбилизация и микроэмульсии. Москва, 1980.

Абрамзон А.А. Поверхностно-активные вещества: Свойства и применение. Ленинград, 1981.

Русанов А.И. Мицеллообразование в растворах поверхностно-активных веществ. Санкт-Петербург, 1992.

Химическая энциклопедия. Москва, 1992. Том 3.

Автор – А.Я.Третьякова