Пенообразующие свойства водных растворов додецилбензолсульфоната натрия

ТУШЕНИЕ ПОЖАРОВ

Канд. техн. наук, доцент, начальник кафедры "Химии и процессов горения" УрИ ГПС МЧС РФ

С. Н.Пазникова

УДК 614.84.664

ПЕН00БРАЗУЮЩИЕ СВОЙСТВА ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ДОДЕЦИЛБЕНЗОЛСУЛЬФОНАТА НАТРИЯ

Приведены экспериментальные данные по определению пенообразующей способности препарата на основе до-децилбензолсульфоната натрия. Изучено влияние на эффективность пенообразования концентрации поверхностно-активного вещества, наличия в растворе электролитов, температуры, величины рН раствора. Определена критическая концентрация мицеллообразования для препарата указанного состава.

В практике пожаротушения успешно применяются синтетические поверхностно-активные вещества (ПАВ). В последнее время активно ведутся исследования состава и свойств различных ПАВ, используемых для получения высокократной пены [1, 2]. Основными практическими показателями эффективности ПАВ как пенообразователей являются высота столба и время жизни пены [3].

Необходимо учитывать, что пенообразующая способность анионоактивных ПАВ определяется, помимо их природы и концентрации, совместным действием большого числа факторов (температура, присутствие в жидкой фазе электролитов, рН жидкой фазы и др.). Точных данных, позволяющих сделать общие выводы о влиянии указанных факторов на пенообразующую способность ПАВ, в литературе недостаточно.

В качестве пенообразователя широкое распространение получили соединения на основе додецил-бензолсульфоната натрия (ДБСКа) С12Н25С6Н48О3Ка. В данной работе объектом исследования выбран ДБСКа следующего состава, %: основное вещество

— 66,6-70,2; хлорид натрия — 3,4; сульфат натрия

— 6,4, при влажности 20,2-23,6. Целью данной работы является:

• изучение пенообразующей способности ДБСКа в зависимости от концентрации его раствора и температуры;

• установление характера воздействия добавок электролитов на пенообразование при малых и больших концентрациях препарата;

• исследование влияния рН среды на процесс пено-образования;

• оценка устойчивости пены, получаемой с применением данного препарата.

Пенообразующую способность определяли по стандартной методике Росс-Майлса [3]. За характеристики пенообразующих свойств растворов ДБСКапринимали следующие величины: Н0 — высота столба пены в первоначальный момент времени; У — доля оставшейся части высоты столба пены через 5 мин. Одновременно проводили измерение поверхностного натяжения а методом продавлива-ния пузырька воздуха через раствор [4], что позволило полнее объяснить полученные закономерности.

Влияние концентрации ДБС№

Повышение концентрации ДБСКа приводит к увеличению пенообразующей способности и понижению поверхностного натяжения растворов (рис. 1). Причем изменение величины Н0 практически не зависит от температуры в интервале от 20 до 40°С (рис. 1, а). Интересно, что как в этих опытах, так и во всех последующих параметр устойчивости У всегда был практически равен единице даже при выдерживании столба пены в течение 15 мин.

Зависимость Н0 от концентрации ДБСКа С в интервале 10-1000 мг/л подчиняется уравнению

Н0 = 6,4 + 24,3 ^С.

Увеличение пенообразующей способности растворов ДБСКа наблюдается вплоть до достижения критической концентрации мицеллообразования (ККМ), после чего пенообразующая способность начинает уменьшаться. В данном случае экспериментально е значение ККМ составляет около 1,2 г/л.

74

ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2006 ТОМ 15

Рис. 1. Зависимость высоты столба пены Н0 (а) и поверхностного натяжения а (б) от концентрации ДБСЫа, мг/л, при температуре, °С: • — 20; О — 40

При одинаковых концентрациях ДБСКа поверхностное натяжение а при температуре 40°С имеет меньшее значение, чем при 20°С (рис. 1, б). Следовательно, сорбция данного ПАВ на границе раздела фаз "раствор - воздух" несколько увеличивается при повышении температуры.

Влияние добавок нейтральных электролитов

Характер влияния нейтральных электролитов, а именно природы и валентности катионов, на пено-образующую способность растворов ДБСКа был изучен на примере солей №С1 и СаС12. Способность сохранять пенообразующие свойства в присутствии неорганических солей, входящих в состав природной воды, является важной характеристикой пенообразователей. Результаты экспериментов приведены в табл. 1 и 2. При повышении в растворе содержания соли пенообразование вначале усиливается, а после достижения ККМ начинает падать.

В кислой и щелочной областях (см. табл. 1) влияние добавок электролита на величину Н0 нивелировано и выраженного максимума не наблюдается.

Увеличение концентрации соли в растворе способствует возрастанию плотности заряда в поверхностном слое и сжатию диффузной части двойного электрического слоя на границе раздела фаз "раствор - воздух", что приводит к изменению расклинивающего давления в тонких пленках пены и

Таблица 1. Влияние добавок СаС12 на пенообразующие свойства ДБСЫа

рН Концентрация ДБСЫа, мг/л Концентрация СаС12, мг/л Н0, мм

0,00002 18

0,0002 20

30 0,001 22

0,002 0,01 24 31

6,0-6,5 0,02 27

0,00002 0,0002 33 39

100 0,001 0,01 0,02 45 51 46

0,00002 23

0,0002 25

30 0,001 0,01 28 31

3,0-3,2 0,02 31

0,00002 0,0002 42 45

100 0,002 0,01 0,02 47 51 50

0,00002 21

0,0002 22

30 0,002 0,01 24 27

10,3-10,7 0,02 27

0,00002 0,0002 40 41

100 0,002 0,01 0,02 45 48 47

Таблица 2. Изменение а раствора ДБСЫа в зависимости от концентрации СаС12

рН Концентрация соли, мг/л а, эрг/см2

0,0005 74

0,001 66

6,0-6,5 0,005 63

0,01 63

0,05 67

0,0005 64

0,001 64

3,0-3,2 0,005 63

0,01 63

0,05 63

0,0005 66

0,001 66

10,3-10,7 0,005 66

0,01 67

0,05 67

уменьшению их толщины. Получаемые в результате более тонкие и устойчивые пленки образуют более устойчивый столб пены, содержащий в пре-

ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2006 ТОМ 15

75

дельном случае почти на два порядка меньше воды в пересчете на один моль ПАВ, чем в отсутствие электролита.

Дальнейшее повышение концентрации соли приводит к образованию мицелл и уменьшению пенообразующей способности раствора. Значение ККМ достигается при концентрации КаС1 и СаС12, равной 0,01 моль/л.

Поверхностное натяжение растворов ПАВ при повышении концентрации соли в нейтральной среде обратно пропорционально Н0 (см. табл. 2), т.е. при увеличении высоты столба пены а снижается. После достижения ККМ, когда сорбция ДБСКа на границе раздела фаз начинает падать, а снова увеличивается. В кислой и щелочной областях изменение а не наблюдается.

Все вышеописанные экспериментальные данные относятся к растворам ДБСКа, концентрация которых не превышает 100 мг/л. Иная картина наблюдается при содержании ПАВ, равном 500 мг/л (рис. 2). ПАВ в данном случае находится в заведомо коллоидном состоянии. Величина Н0 несколько падает при увеличении в растворе концентрации соли, что можно объяснить разрушением столба пены под действием его тяжести. Значение же поверхностного натяжения непрерывно понижается. Данный факт говорит о все возрастающей сорбции мицелл ДБСКа на границе раздела "раствор - воздух". Изменение а под влиянием концентрации в растворе СаС12 в данном случае подчиняется зависимости

а = 28,8 - 3,11§Ссоли.

Из всего вышесказанного можно сделать следующий вывод. Какая-то часть ДБСКа уже в исход-

- а, эрг/см2

1ЪС -4 -3

-38

-33

-28

-2

-1

Н0, мм 57

Ь 53

49

б

1ЪС -4 -3

45

-2

-1

0

Рис. 2. Зависимость поверхностного натяжения а (а) и высоты столба пены Н0 (б) ДБСЫа от концентрации в растворе СаС12; рН = 6,0-6,1; t = 20°С; концентрация ДБСЫа — 500 мг/л

ном препарате находится в мицеллярном состоянии вследствие присутствия в нем около 10% солевых добавок. При растворении данного ПАВ в воде коллоиды остаются стабилизированными (визуально наблюдается опалесценция раствора) и не успевают перейти в молекулярно растворенную форму, так как раствор сразу же поступает в работу. Кроме того, подобное равновесие может наступать через довольно длительное время [4]. Поэтому отчетливое изменение величин Н0 и а в случае малых концентраций ДБСКа наблюдается только в нейтральной среде, где наличие в растворе электролитов, способствующих дальнейшему укрупнению мицелл ПАВ, обусловлено только количеством примесей солей, присутствующих в самом препарате. В кислой и щелочной средах изменение концентрации соли на фоне ионов, присутствующих в кислоте или щелочи, уже не столь заметно влияет на пенообра-зующую способность.

При содержании в водной фазе ДБСКа в значительных концентрациях (см. рис. 2) возможное увеличение Н0 компенсируется повышенной скоростью разрушения пены. Но при таких высоких количествах мицеллярных агрегатов ПАВ, сорбирующихся на границе раздела фаз, прослеживается закономерное снижение значения поверхностного натяжения раствора.

Становится понятно, почему для данного препарата ДБСКа невозможно отчетливо проследить влияние природы и валентности изученных катионов на его пенообразующую способность. В случае нахождения в растворе ДБСКа в истинно растворенном состоянии подобное влияние было бы заметно. Можно предположить, что силам когезии, возникающим между адсорбированными молекулами ПАВ, противостоят силы отталкивания между заряженными гидрофильными концами ПАВ, и их взаимодействие нейтрализуется ионами солей, входящими в диффузную часть адсорбированного слоя. Вероятно, в данном случае силы когезии достаточно велики и на их фоне силы отталкивания мало заметны.

Влияние величины рН раствора

Все вышеприведенные рассуждения подтверждаются экспериментальными данными по влиянию рН на пенообразующую способность и а растворов ДБСКа (рис. 3, 4). Если концентрация ДБСКа (30 мг/л) значительно ниже величин ККМ, то добавление электролита (в данном случае Н2Б04 или КаОН) повышает пенообразующую способность растворов, но столь малые количества ПАВ практически не сказываются на изменении величины поверхностного натяжения растворов. При концентрации ДБСКа 500 мг/л значение поверхностного

а

0

76

ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНаСТЬ 2006 ТОМ 15 №5

Hq, MM 53 43 332313

0

8

10

12

PH

Рис. 3. Зависимость высоты столба пены Н0 ДБСЫа от рН раствора при t = 20°С и концентрации ДБСЫа, мг/л: • —30; О — 100;  —500

а, эрг/см2

7368635853484338 33

28 — 0

~о—а

• • •

10

PH

Рис. 4. Зависимость поверхностного натяжения а раствора ДБСЫа от величины pH при t = 20°C: • —концентрация ДБСЫа 30 мг/л, добавки электролита отсутствуют; О — концентрация ДБСЫа 30 мг/л, CNaCl =10 г/л;  — концентрация ДБCNa 500 мг/л

натяжения понижается при увеличении концентрации кислоты или щелочи (см. рис. 4), а величина Н0 практически остается постоянной (см. рис. 3) по причинам, упоминавшимся ранее.

Выводы

1. Методом Росс-Майлса изучены пенообразу-ющие свойства ДБСКа. С ростом концентрации ДБСКа пенообразующая способность его растворов повышается и достигает максимума при приближении к ККМ. Одновременно происходит закономерное понижение поверхностного натяжения растворов.

2. При небольших концентрациях ПАВ (~30 мг/л) добавление электролитов (соли, кислоты, щелочи) повышает пенообразующую способность в растворах ДБСКа, практически не оказывая влияния на а. При значительных концентрациях ДБСКа в растворе (~500 мг/л) добавление электролитов существенно сказывается на изменении величины поверхностного натяжения растворов и почти не влияет на пенообразование.

3. Природа и валентность ионов электролитов практически не влияют на характер пенообразую-щей способности растворов ДБСКа, так как в самом препарате часть данного ПАВ уже находится в мицеллярном состоянии.

4. Повышение температуры от 20 до 40°С не сказывается на пенообразующей способности растворов данного ПАВ.

5. Во всех исследованных случаях пена ДБСКа получается достаточно устойчивой.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шароварников А. Ф. Противопожарные пены. Состав, свойства, применение. — М.: Знак, 2000.

2. Воевода С. С. Определение пенообразующей способности пенообразователей для тушения пожаров // Пожаровзрывобезопасность. — 2004. — Т. 13, № 6. — С. 75-77.

3. Поверхностно-активные вещества и моющие средства: Справочник / Под. ред. А. А. Абрам-зона. — М.: ТОО НТР "Гиперокс", 1993. — 270 с.

4. Фридрихсберг Д. А. Курс коллоидной химии. — Л.: Химия, 1984. — 368 с.

Поступила в редакцию 01.09.06.

ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2006 ТОМ 15 №5

77