Пенообразующие свойства водных растворов алкилсульфатов натрия

СРЕДСТВА ТУШЕНИЯ

С. А. Евтюхов

канд. техн. наук, доцент Уральского института ГПС МЧС РФ, г. Екатеринбург, Россия

А. А. Урицкая

канд. хим. наук, доцент Уральского института ГПС МЧС РФ, г. Екатеринбург, Россия

С. Н.Пазникова

канд. техн. наук, начальник кафедры Уральского института ГПС МЧС РФ, г. Екатеринбург, Россия

УДК 614.84.664

ПЕН00БРАЗУЮЩИЕ СВОЙСТВА ВОДНЫХ РАСТВОРОВ АЛКИЛСУЛЬФАТОВ НАТРИЯ

Приведены экспериментальные данные по определению пенообразующей способности препаратов на основе представителей гомологического ряда алкилсульфатов натрия. Получены эмпирические уравнения, показывающие влияние концентрации поверхностно-активных веществ, длины углеводородной цепочки, природы и валентности электролитов на эффективность пенообразования препаратов указанного состава. Ключевые слова: алкилсульфаты натрия, устойчивость пен, пенообразующие свойства, концентрация ПАВ, электролиты.

В практике пожаротушения успешно применяются синтетические поверхностно-активные вещества (ПАВ). Исследование их пенообразующих характеристик было и остается важной практической и теоретической задачей [1-6]. В настоящее время проводятся исследования влияния условий, таких как концентрация ПАВ, температура и др., на свойства пенообразователей для тушения пожаров [7-9]. Однако спектр применяемых ПАВ достаточно широк, а данных о механизме и результатах совместного действия на пенообразующую способность различных факторов в литературе недостаточно.

В настоящее время в качестве пенообразователей широко применяются соединения на основе алкилсульфатов натрия. В данном исследовании были выбраны гомологи алкилсульфатов состава С10-С18. Индивидуальные алкилсульфаты натрия получают в лабораторных условиях методом суль-фатирования органических соединений. Нами проводилось сульфатирование индивидуальных первичных спиртов нормального строения с длиной углеводородного радикала от 10 до 18 атомов углерода. Использовали спирты марки "ч". Наилучшие результаты по массовому выходу продукта и его цветности были получены при использовании в качестве сульфатирующего агента комплекса хлорсуль-фоновой кислоты с серным эфиром. Синтезирован© Евтюхов С. А., Урицкая А. А., Пазникова С. Н., 2010

ные алкилсерные кислоты нейтрализовали этаноль-ным раствором КаОИ до рН 6-7. После очистки и сушки при комнатной температуре образцы анализировали. Проведенный по стандартной методике [10] анализ показал содержание основного вещества (90 ± 5) %, примеси неорганической соли 1 % и следы масел.

Пенообразующую способность растворов алкилсульфатов натрия определяли по методике Росс-Майлса [11]. За основные характеристики принимали две величины: высоту столба пены в первоначальный момент времени Н и устойчивость пены а — долю оставшейся части высоты столба пены через 5 мин.

Влияние концентрации

алкилсульфатов натрия

Зависимость между концентрацией алкилсуль-фатов натрия и их пенообразующей способностью представлена на рис. 1. Характерно, что для каждого образца существует определенный минимум концентраций, обеспечивающий вспенивание раствора. С увеличением молекулярной массы соединений возрастает их поверхностная активность, усиливаются коллоидные свойства, поэтому для высших гомологов алкилсульфатов их концентрация в растворе, необходимая для вспенивания, меньше,

Н, мм 80 70 -60 50 40 30 20 10

0 1 2 3 lgC

Рис. 1. Влияние концентрации ПАВ С (мг/л) на высоту столба пены Н: 1—С18; 2—С16; 3—С14; 4—С12; 5—С10

чем для низших гомологов. Эта минимальная концентрация С (мг/л) связана с длиной углеводородной цепочки N эмпирическим соотношением

lg C = 5,32 - 0,25N.

Исследования влияния концентрации ПАВ на пе-нообразующую способность растворов алкилсуль-фатов показали наличие двух участков гиперболического вида на кривой высота столба пены - концентрация ПАВ (см. рис. 1). Протяженность первого участка наблюдается до концентрации ПАВ, равной примерно половине критической концентрации мицеллообразования (ККМ). Дальнейшее увеличение концентрации ПАВ приводит к резкому возрастанию пенообразования, и хотя кривая на этом участке имеет также гиперболический вид, параметры гиперболы другие. Здесь, по-видимому, при концентрациях ПАВ, соответствующих перегибу на кривой, происходит изменение структуры и состояния ПАВ в поверхностных слоях тонких пленок, а именно образование коллоидной структуры. Это подтверждается и тем фактом, что у образца С18,об-ладающего наиболее выраженными коллоидными свойствами, перегиба не наблюдается, а у образца С14 он выражен наиболее ярко.

Н, мм -80

60

40

20

О

8 10 12 14 16 18 N

Рис. 2. Влияние длины углеводородной цепочки ПАВ на пенообразующие свойства растворов при концентрации ПАВ, равной ККМ

С увеличением длины углеводородного радикала ПАВ усиливается их способность стабилизировать пены. При определенной длине углеродной цепочки стабилизирующее действие ПАВ достигает максимума и затем снижается. Аналогичная зависимость наблюдается и на рис. 2, на котором представлены данные по пенообразующей способности растворов алкилсульфатов натрия при ККМ. Это подтверждает вывод о наличии пропорциональной связи между высотой столба пены и ее устойчивостью.

Влияние добавок электролитов

Полученные данные о влиянии электролита КаС1 на пенообразующую способность (или устойчивость пен), приведенные на рис. 3, по-видимому, можно объяснить возрастанием степени заполнения адсорбционного слоя пленок. Интересно отметить, что для образцов С12 и С14 высота столба пены увеличивается пропорционально с ростом концентрации электролита (1§ Сэ) и резко падает при образовании мицелл в растворе. Для образца С16 на рис. 3 приведена только ниспадающая часть кривой. На устойчивость пен, стабилизированных соединениями С10 и С18, электролиты в исследованном диапазоне концентраций не оказывают заметного влияния. Не вдаваясь в подробности механизма влияния электролита на устойчивость пен растворов С10 и С18, следует отметить это как факт, свидетельствующий о том, что даже длина углеводородного радикала (не говоря о его природе) определяет влияние электролитов на устойчивость пен, стабилизированных различными соединениями гомологов.

Кроме концентрации электролитов, на устойчивость пен, стабилизированных алкилсульфатами натрия, влияет природа и валентность добавленных

Рис. 3. Влияние концентрации хлорида натрия С

Значения констант а и Ь при использовании в качестве ПАВ додецилсульфата натрия

Константа Электролит

LiCl NaCl KCl RbCl SrCl2 CeCl3

a -8,5 -2,5 16,3 28,1 38,4 109,5

b 35,2 36,8 36,2 33,5 43,4 55,5

катионов солей. Восходящий участок кривой (H-lgC3) можно с достаточной степенью точности описать эмпирическим уравнением вида

H = a + b lg Сэ,

где a и b — константы, характеризующие влияние электролита на устойчивость пен. В таблице приведены значения констант a и b из уравнения (2), характеризующие влияние различных солей на устойчивость пен, стабилизированных додецилсульфатом натрия. Как видно из данных таблицы, на значение константы a оказывает влияние как природа, так и валентность катиона, в то время как константа b зависит только от валентности катиона.

Добавление катионов щелочных металлов к растворам анионных ПАВ вызывает эффект понижения поверхностного натяжения растворов обратно пропорционально размерам гидратированных радиусов катионов [12, 13]. В нашем случае значения константы a из уравнения (2) для одновалентных катионов также обратно пропорциональны размерам гидратированных радиусов. Исходя из этого можно сделать вывод, что явление повышения устойчивости пен, стабилизированных средними гомологами алкилсульфатов натрия, при добавлении электролитов объясняется повышением адсорбции ПАВ на границе раздела фаз, что приводит к созданию более "прочного" адсорбционного слоя пленок пены.

Влияние температуры

По данным авторов [11] устойчивость пен с повышением температуры раствора падает. В то же время в работах Б. В. Дерягина [12, 14, 15] было показано, что устойчивость пен мало меняется при изменении температуры. Этот факт позволил ему сделать вывод о том, что силы, обуславливающие устойчивость пен, мало зависят от температуры в присутствии электролитов.

В нашем случае высота столба пены, стабилизированной тетрадецилсульфатом натрия, уменьшается с ростом температуры до определенного пре-

Рис. 4. Влияние температуры на пенообразующие свойства растворов тетрадецилсульфата натрия (400 мг/л): а — на высоту столба пены, б — на устойчивость пены

дела (~ 55 °С), а затем резко возрастает, устойчивость же пен остается постоянной приблизительно до 55 °С и затем резко падает (рис. 4) вследствие гидролиза ПАВ. Подобное изменение в составе раствора подтверждает и тот факт, что если раствор нагреть до температуры выше 60 °С и охладить, то пенообразующие параметры раствора (Ни а) будут значительно отличаться от параметров, полученных перед нагреванием.

Следует отметить несоответствие в изменении высоты столба пены Н и ее устойчивости а при повышении температуры. Подобное несоответствие позволяет говорить о том, что не всегда наблюдается симбатное изменение высоты столба пены и ее устойчивости.

Выводы

Методом Росс-Майлса изучены пенообразующие свойства гомологов алкилсульфатов натрия состава С10-С18. Показано, что наиболее значительной пе-нообразующей способностью обладают растворы додецил-, тетрадецил- и гексадецилсульфата натрия в присутствии неорганических солей при концентрации ПАВ, меньшей ККМ. Усиление пенообразу-ющих свойств растворов алкилсульфатов с ростом концентрации электролита в растворе можно объяснить возрастанием степени адсорбции ПАВ на границе раздела фаз раствор - воздух.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Тихомиров В. К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. — М. : Химия, 1975. — 264 с.

2. Урьев Н. Б. Высококонцентрированные дисперсные системы. — М. :Химия, 1980. — 319 с.

3. Кругляков П. М., Ексерова Д. Р. Пена и пенные пленки. — М. : Химия, 1990. — 432 с.

4. Русанов А. И. Мицеллообразование в растворах мицеллообразующих ПАВ. — СПб : Химия, 1992. — 280 с.

5. Русанов А. И., Куни Ф. М., Щекин А. К. Термодинамические и кинетические основы теории мицеллообразования // Коллоид. журн. — 2000. — Т. 62, № 2. — С. 199-203.

6. Гончарик И. К., Можейко Ф. Ф., Войтенко А. И., Куликова Т. П. Изучение пенообразу-ющей и стабилизирующей способности бинарных растворов натриевых солей карбоновых кислот различной длины цепи // Журн. прикл. химии. — 2006. — Т. 79, № 3. — С. 477-482.

7. Шароварников А. Ф., Шароварников С. А. Пенообразователи и пены для тушения пожаров. Состав. Свойства. Применение. — М. : Пожнаука, 2005. — 335 с.

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

9. Воевода С. С., Макаров С. А., Шароварников А. Ф. Влияние температуры на поверхностное натяжение водных растворов синтетических пленкообразующих пенообразователей для тушения пожаров // Пожаровзрывобезопасность. — 2005. — Т. 14, № 2. — С. 80-82.

10. ГОСТ Р 50002-92. Вещества поверхностно-активные. Алкилсульфаты натрия первичные технические. Методы анализа. — Введ. 1993-07-01. — М.: Изд-во стандартов, 1992. — 16 с.

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

12. Воюцкий С. С. Курс коллоидной химии. — М. : Химия, 1975. — 512 с.

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

14. Дерягин Б. В., Чураев Н. В., Муллер В. М. Поверхностные силы. — М.: Наука, 1987. — 399 с.

15. Дерягин Б. В. Теория устойчивости коллоидов и тонких пленок. — М.: Наука, 1986. — 208 с.

Материал поступил в редакцию 28 января 2010 г.

Электронный адрес авторов:paznikova2007@mail.ru.

Издательство «ПОЖНАУКА»

Представляет новую книгу

А. А. Антоненко, Т. А. Буцынская, А. Н. Членов. ОСНОВЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ СИСТЕМ КОМПЛЕКСНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ОБЪЕКТОВ : учебно-справочное пособие / Под общ. ред. д-ра техн. наук А. Н. Членова. -

М.: 000 "Издательство "Пожнаука", 2010. - 250 с.

В учебно-справочном пособии изложены основы современного подхода к проблеме комплексного обеспечения безопасности объектов хозяйствования с помощью технических средств и систем, приведены сведения о технической эксплуатации комплексных систем безопасности, а также справочно-методическая информация для решения практических задач эксплуатации. Дано основное содержание эксклюзивной разработки — ГОСТ Р 53704-2009 "Системы безопасности комплексные и интегрированные", входящего в отраслевой комплект нормативно-технической документации поданной проблеме.

Книга предназначена для практических работников в области систем безопасности и может быть использована как учебное пособие для подготовки и повышения квалификации специалистов соответствующего профиля.

121352, г. Москва, ул. Давыдковская, д. 12, стр. 7; тел./факс: (495) 228-09-03; e-mail: mail@firepress.ru