Pindaktiivsed ained

Pindaktiivne aine (ka pindis; lühendatult PAA) on aine, millel on võime koguneda faaside piirpinnale ja vähendada selle pinnaenergiat. Pindaktiivsed ained on levinud sünteetilistes pesemisvahendites, taimekaitsevahendeis ja mujal.

Struktuur

Pindaktiivsete ainete puhul on tegemist amfifiilsete molekulidega. Nende molekulidel on olemas nii hüdrofoobne kui ka hüdrofiilne osa. Polaarne ehk hüdrofiilne osa, mille kohta kasutatakse ka nimetust "pea", võib olla negatiivse või positiivse laenguga, dipolaarne või ilma laenguta. Mittepolaarne ehk hüdrofoobne osa ("saba") on tavaliselt pikk süsivesinike ahel. Harvem on tegemist halogeenitud või oksüdeeritud süsivesinikahela või siloksaanahelaga. Molekuli omadusi saab mõjutada, kui muuta selle hüdrofiilse või hüdrofoobse ahela pikkust. Kogu molekuli saab muuta hüdrofoobsemaks, kui pikendada mittepolaarset ahelat, ning hüdrofiilsemaks, kui suurendada polaarse ahela pikkust.

Pindpinevuse vähendamine

Pindaktiivsed ained adsorbeeruvad tahkete ainete pindadele ja faaside eralduspindadele nagu näiteks õhk-vesi ning õli-vesi. Kui PAA-d vees lahustuvad, hakkavad nad kogunema piirpinnale, vahetades nii välja mõningaid seal olevaid vee molekule. Kuna kohesioonijõud pindaktiivse monomeeri ja vee molekuli vahel on väiksemad kui kahe vee molekuli vahel, siis selle tulemusena vedeliku pindpinevus väheneb.

Mitsellide moodustumine

Mitsellid on pindaktiivsete monomeeride agregaadid, mis hakkavad moodustuma siis, kui vees lahustunud PAA kontsentratsioon ületab mitsellide moodustumise kriitilise kontsentratsiooni. Eesti keeles kasutatakse selle kohta väljendeid mitsellide moodustumise kriitiline kontsentratsioon (MMKK) või kriitiline mitselleerumise kontsentratsioon (KMK). Mitselli moodustumise kriitiline kontsentratsioon on pindaktiivsete molekulide kontsentratsioon lahuses, millest kõrgematel väärtustel hakkavad moodustuma mitsellid (antud kindlal temperatuuril). Vee keskkonnas molekuli "saba" ehk hüdrofoobne osa paigutub mitselli moodustumisel sissepoole, et kokkupuude veega oleks minimaalne. "Pea" ehk hüdrofiilne osa jääb väljapoole, et kokkupuude veega oleks maksimaalne. Lahuses on mitsellid pidevas moodustumise ja lagunemise protsessis.
Mitsellid võivad olla sfäärilise, silindrilise või planaarse kujuga. Mitsellide diameeter on tavaliselt 2–3 nm. Mitselli kuju ja suurust on võimalik muuta, kui mõjutada pindaktiivse aine keemilist struktuuri, lahuse temperatuuri, PAA kontsentratsiooni lahuses, lahuse ioontugevust, pH-d või PAA kompositsiooni.
Mitsellide teke on spontaanne. Selle põhjuseks on süsteemi (lahuse) soov saavutada minimaalne vabaenergia olek. See on ka mitsellide tekke peamine põhjus. Kui mitsellid moodustuvad vees, siis korrapäratu vee struktuur mitselli ümber suurendab süsteemi entroopiat. Termodünaamika teise seaduse järgi (ΔG=ΔH-TΔS) saab öelda, et kuna mitsellide moodustumisel entroopia muutus kasvab, siis vabaenergia väheneb. Entalpia muutust võib mitte arvestada, sest see on mitsellide tekkel väga väike. Iga süsteem, kus vabaenergia väheneb, on spontaanne, sest see viib stabiilsema süsteemi tekkimiseni.
Olenevalt lahuse tüübist (polaarne ja mittepolaarne) saab mitselle jagada kolmeks: monomeerseteks, polümeerseteks ja pöördmitsellideks. Polaarsetes lahustes moodustuvad mitsellid, kus hüdrofiilsed "pead" jäävad lahusega kontakti ning hüdrofoobsed "sabad" on suunatud mitselli sisemusse. Selliseid mitselle nimetatakse monomeerseteks. Mittepolaarsetes lahustes moodustuvad pöördmitsellid. Sel juhul hüdrofoobsed "sabad" jäävad moodustumisel väljapoole ja hüdrofiilsed "sabad" sissepoole. Polümeersete mitsellide puhul koosneb nende ehitus plokk- või pookkopolümeeridest.

Solubilisatsioon

Solubilisatsioon on protsess, kus kas vees või lahuses mittelahustuv aine lahustub mitselli sees. Mitselli sisemus on hüdrofoobne, mistõttu mittepolaarsed molekulid saavad lahustuda mitselli tuumas ja vahepealse polaarsusega ained paigutuvad mitselli sisse vahepealsetesse asenditesse.

Emulgeerimisomadused

Emulsioonid on termodünaamiliselt ebastabiilsed disperssed süsteemid, mis koosnevad vähemalt kahest teineteises mittelahustuvast vedelikust. Üks vedelikkest moodustab üldise keskkonna, kuhu teine vedelik on väikeste tilgakestena hajutatud. PAA-d kasutatakse püsivate emulsioonide moodustamiseks, sest nad takistavad tilkade kokkuvoolamist ehk emulsiooni lagunemist.

Pindaktiivsete ainete kasutamine biotervenduses

PAA-d suurendavad biotervenduse protsessi kiirust eralduspinna pindpinevuse vähendamise ja solubilisatsiooni kaudu, suurendades selliselt mikroorganismide juurdepääsu reoainele. Näiteks suudavad PAA-d suurendada süsivesinike lahustatavust, mille tulemusena suureneb bakterite arv ja alkaanide tarbimine. Samuti kasutatakse ära pindaktiivsete ainete elmulsioonide moodustamise omadust, mille abil saab suurendada vee ja reoaine vahelist piirpinda.

Pindaktiivsed ained keskkonnas

PAA-sid kasutatakse laialdaselt puhastusvahendites. Pindaktiivseid jääkaineid võib leida veest, setetest ja pinnasest. Enamasti on PAA-te kontsentratsioon keskkonnas alla toksilisuse taseme. Valdav osa PAA-dest on biodegradeeruvad efektiivse reoveepuhastuse puhul. Molekuli lagunemise kiirus sõltub teatud määral hüdrofoobse ahela keemilisest struktuurist. Kui molekuli hüdrofoobne ahel on lineaarne, siis toimub lagunemine kiiremini võrreldes hargnenud ahelaga. Probleemseks on heitvesi, mis ei ole läbinud puhastust või mis on reoveepuhastusjaamas läbinud ainult primaarse töötluse, kuna pindaktiivse aine kontsentratsiooni oluline langus toimub sekundaarses veepuhastuse etapis. On teada, et PAA-d avaldavad mõju mitmetele hüdrobionoididele. Suuri üldistusi ei ole võimalik toksilisuse mõju kohta teha, kuna pindaktiivse aine toksilisus on väga spetsiifiline nii pindaktiivse aine klassi ja tüübi kui ka testitud organismi suhtes.