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.

Klassifikatsioon 
Kõige elementaarsemalt jaotatakse PAA-d nelja klassi molekuli hüdrofiilse rühma laengu alusel:
 anioonsed – hüdrofiil kannab negatiivset laengut, näiteks karboksüülrühm, fosfaatrühm või sulfaatrühm. Anioonsetel pindaktiivsetel ainetel on head puhastamisomadused ja eriti hästi eemaldavad need õli. Neid kasutatakse laialdaselt šampoonides. Vees võivad need reageerida katioonidega nagu magneesium ja kaltsium, mille tulemusena võib aine aktiivsus langeda;
 katioonsed – hüdrofiilirühm on positiivse laenguga. Positiivse laengu annavad kvaternaarsed ammooniumühendid. Katioonsetel pindaktiivsetel ainetel on head desinfitseerivad ja säilitavad omadused. Neid kasutatakse näiteks haavade või põletuste puhastamiseks;
 mitteioonsed – hüdrofiilirühmal laeng puudub. Need on head emulgaatorid, samuti eemaldavad osavalt ka rasva ja õli. Kuna mitteioonsetel pindaktiivsetel ainetel laeng puudub, siis nende aktiivsust ei saa mõjutada vee kareduse ioonid;
 amfoteersed – hüdrofiil saab olla või on nii positiivse kui ka negatiivse laenguga, näiteks sulfobetaan. Vee vesinikeksponent määrab ära, kas molekul on lahuses positiivse laenguga, negatiivse laenguga või ilma laenguta. Kahe erilaenguga rühma puhul on positiivse laengu kandja tihti ammoonium. Negatiivse laengu andja võib erineda. Amfoteersetel pindaktiivsetel ainetel on head dermatoloogilised omadused, neid kasutatakse šampoonides ja kosmeetikatoodetes. Nõudepesuvahenditesse lisatakse neid vahu tekitamiseks.

Üldised omadused

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.

Viited 

Kolloidkeemia
Biotehnoloogia