隨著表面活性劑應用范圍的不斷擴大,它對環(huán)境的危害也日益暴露出來。廢棄的表面活性劑生物降解性差,使水質嚴重污染,于是人們將注意力轉移到那些具有低毒性及生物降解性好的新型表面活性劑上,其中可降解型表面活性劑的開發(fā)和研究已成為目前的一個熱點。合成的系列可降解磺酸鹽陰離子表面活性劑[3(2烷基1,3二氧雜環(huán)戊烷基4甲氧基)丙磺酸鈉],其結構式為:
以表面張力確定表面活性劑的表面活性,并計算表面活性劑在溶液表面的吸附量,從而能夠了解表面活性劑在界面過程中起作用的機理。對合成的陰離子表面活性劑Na+R-,當溶液很稀時,根據(jù)Gibbs吸附定理,可以得到:
dγ/2RT=Γ(1)R-dlnmNa+R-=Γ(1)R-dlncNa+R-(1)
利用Gibbs公式,可由表面張力的測定結果,計算溶液的表面吸附量,從而對吸附分子在不同濃度的溶液表面上的狀態(tài)進行分析。由式(1)可得:
ΓNa+R-(1)=(1/2RT)(эγ/эlncNa+R-)T(2)
式中R=8.315×10-7J/(mol·℃)。
由表面吸附量可計算出表面上每個吸附分子所占的平均面積:
A=1014/NAΓNa+R-(1)(3)
式中:NA為阿伏加德羅常數(shù),6.02×1023mol-1。將計算出的分子吸附面積與自分子結構計算出來的分子大小相比,即可了解表面吸附物質在吸附層中的排列情況、緊密程度和定向情形。本實驗是將合成的表面活性劑在二次蒸餾水中不同濃度下測得其表面張力,以及由此作γlgc圖得到臨界膠束濃度和表面吸附量,計算出表面上每個分子所占的平均面積。
1實驗方法
a)表面張力用Bzhy180界面張力儀測定。
b)乳化力的測定。將20mL水,20mL化學純級液體石臘,0.200g樣品置于100mL具塞量筒中混合,每15min上下振動10次,共5次,恒溫24h,觀察分出水量,溫度偏差±0.5℃。
2結果與討論
2.1 表面活性
圖1是上述三種表面活性劑在二次蒸餾水中20℃下的表面張力濃度對數(shù)(γlgc)曲線。
表面張力降低的量度可分為兩種:一是表面活性劑表(界)面張力降低的效率,即降低溶劑表面張力至一定值時所需表面活性劑的濃度。一般用降低20mN/m表(界)面張力所需表面活性劑溶液內的濃度作為其量度,常用cπ=20或pc20表示。二是表面活性劑的表(界)面張力降低的能力(或稱為效能),即表面張力降低所能達到的最低程度,一般以臨界膠束濃度(cmc)時表面張力降低值(最大表面壓值)πcmc作為其量度。
所合成的表面活性劑在水溶液中的pc20和πcmc見表1。表明此類表面活性劑具有較好的表面活性。(1)所合成的表面活性劑在水溶液中的降低表面張力的效率pc20隨烴基碳鏈的增加而增加,即降低表面張力的效率是:HDMPS>NDMPS>UDMPS。(2)對合成的三種表面活性劑,其πcmc值變化不大,即降低表面張力的能力變化不大,這是由于三種表面活性劑是同系物,它們的差別在于親油基的碳鏈長度相差—CH2CH2—。
表1 表面活性劑在水溶液中的pc20和cmc
2.2 臨界膠束濃度(cmc)
表3是由γ—lgc曲線得到的cmc。
表3 20℃時所合成的表面活性劑
由表3可見,合成表面活性劑的cmc不完全符合特勞貝(Traube)規(guī)則:在水溶液中單鏈型疏水基的離子型表面活性劑的cmc隨碳原子數(shù)變化呈一定規(guī)律,即在同系物中,每增加一個—CH2—時,cmc約下降一半,這種差別在UDMPS上表現(xiàn)得猶為明顯。這可能是合成的陰離子表面活性劑的疏水基并非純單一直鏈結構,其中含有1,3－二氧雜環(huán)戊烷基團。這一基團在表面活性劑分子中是親水性的,在疏水基中引入親水性基團將使cmc增大。
2.3 表面吸附和分子截面積
圖2是根據(jù)公式(1)和(2)從各個表面張力濃度對數(shù)曲線圖上計算出來的HDMPS、NDMPS和UDMPS在水溶液中的表面吸咐等溫線,再根據(jù)公式(3)計算出分子截面積。表4是各個表面活性劑在水溶液中的飽和吸附超量Γ∞和飽和吸附時的分子截面積A(20℃)。
表4 合成的表面活性劑T∞和A
對合成的三種表面活性劑而言,其飽和吸附時分子截面積相差不大,均在4～5nm2。這說明合成系列表面活性劑具有相同的親水基,而一般的烷基磺酸鹽(RSO-3)的飽和吸附時的分子截面積為0.2～0.3nm2,這表明合成的表面活性劑因含有1,3二氧雜環(huán)戊烷基團,使其在緊密排列時其分子截面積遠遠大于一般的表面活性劑,同時也證明了其所含有的1,3二氧雜環(huán)戊烷基團也有一定的親水性,它們在水溶液表面的飽和吸附見圖3。
圖3 合成的表面活性劑在水溶液表面飽和吸附模型
2.4 乳化力的測定與分析
乳化力的測定可選用一種工廠常用的方便而實用的方法。由于合成的表面活性劑在酸性條件下可降解,所以用液體石臘代替該方法中的油酸。
合成的三個表面活性劑的乳化能力見表5。
表5 合成的表面活性劑的乳化力 mL
由表5可見,三種表面活性劑中只有UDMPS有較好的乳化力,其它兩種由于疏水基比
較短,難于形成油水界面膜,乳化能力較弱。
3結論
a.用環(huán)法系統(tǒng)地測定了三種表面活性劑HDMPS、NDMPS和UDMPS在二次蒸餾水溶液中的表面張力,得到了γ-lgc曲線,計算了在二次蒸餾水溶液中的各個表面活性劑的cmc,臨界膠束
濃度時的表面張力γ-cmc,結果表明合成的三種表面活性劑均具有良好的表面活性。
b.由γ-lgc曲線得到了三種表面活性劑的吸附等溫線,進而獲得其飽和吸附超量Γ∞和飽和吸附時分子截面積。表明它們具有相同的親水基,并且1,3二氧雜環(huán)戊烷基團也有一定的親水性。
c.通過乳化力的測定與分析說明,三種表面活性劑中UDMPS具有良好的乳化力,而H
DMPS和NDMPS的乳化力較差。
參考文獻
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