Введение к работе
Актуальность проблемы. Изучение свойств прямых мицелл и микроэмульсий является одним из важнейших современных направлений фундаментальных исследований в коллоидной химии. Структурно-организованные среды (мицеллярные и микроэмульсионные) находят широкое применение в фармацевтической, косметической, пищевой, текстильной и нефтедобывающей промышленности. В последние годы еще одной областью применения ультрамикрогетерогенных дисперсий на основе ПАВ стала экология. Восстановление свойств почв и грунтов, загрязненных нефтепродуктами, регенерация угольных сорбентов, очистка воды и водоносных горизонтов, удаление нефти с поверхности моря и т.д., как правило, основано на солюбилизации олеофильных токсичных веществ в мицеллах или каплях микроэмульсий.
В связи с этим большой интерес представляют экологически безопасные, биоразлагаемые неионогенные поверхностно-активные вещества (НПАВ), которые вследствие сравнительно низких значений критических концентраций мицелообразования (ККМ) являются более эффективными солюбилизаторами, чем ионогенные поверхностно-активные вещества (ИПАВ). Проблема удаления токсичных примесей жидких ароматических соединений имеет особое значение, поскольку их истинная растворимость в воде (Sw) превышает предельно допустимую концентрацию (ПДК) на несколько порядков.
Поэтому исследование трехкомпонентных систем вода -ароматический углеводород - НПАВ, в которых могут образовываться не только мицеллярные растворы, но и микроэмульсии (МЭ), обладающие высокой солюбилизационной емкостью по отношению к токсичным загрязнителям окружающей среды, приобретает несомненную актуальность. Наиболее привлекательными с этой точки зрения являются МЭ биконтинуальной структуры, характеризующиеся максимальной солюбилизационной емкостью, однако их практически невозможно получить в реальных геохимических условиях, поскольку они существуют при сравнительно высоких концентрациях НПАВ и в достаточно узком температурном интервале. Поэтому наиболее перспективными с точки зрения экологии являются прямые МЭ, сохраняющие свою стабильность при достаточно малых концентрациях НПАВ в широком интервале температур.
До недавнего времени основное внимание исследователей было
сосредоточено на получении фазовых диаграмм трехкомпонентных систем
вода - масло - НПАВ с целью выяснения концентрационных и
температурных областей существования различных типов МЭ (прямых,
обратных и биконтинуальных). Микроструктура микроэмульсионных
систем, содержащих высокие концентрации НПАВ, изучена достаточно
подробно. Особенно много информации об обратных МЭ. Сведения же о
ffTAE
микроструктуре прямых МЭ с низкими ишцептрациямн ППАВ практически
СОтуФрг
о» mj
отсутствуют. Кроме того, отсутствует сопоставление свойств прямых мицелл и микроэмульсий, а также анализ влияния на эти свойства различных концентраций олеофильного компонента.
Поэтому цель данной работы состояла в проведении комплексного коллоидно-химического исследования свойств прямых мицелл и микроэмульсий в трехкомпонентной системе вода - толуол - НПАВ с помощью различных методов (рефрактометрия, прецизионная тензиометрия, УФ- и ЯМР-спектроскопия, динамическое и статическое светорассеяние). При этом в качестве НПАВ был выбран биоразлагаемый, экологически безопасный оксиэтилированный моноолеат сорбитана, со средней степенью оксиэтилирования n = 20 (Твин-80). Основные задачи работы:
выяснение условий образования прямых МЭ в системе вода - толуол -Твин-80.
исследование влияния концентрации толуола в данной трехкомпонентной системе на параметры прямых мицелл и частиц дисперсной фазы МЭ: состав, средний гидродинамический радиус (Rh), число агрегации (N), степень гидратации (nw/0F), а также полярность микроокружения солюбилизированного толуола.
экспериментальное исследование температурной зависимости солюбилизационной емкости МЭ и анализ термодинамических параметров микроэмульгирования толуола.
Научная новизна. 1) Для трехкомпонентной системы вода - толуол -Твин-80 впервые выявлены условия образования прямых МЭ I типа по классификации Винзора в области достаточно низких концентраций НПАВ. 2) Для трехкомпонентной системы вода - ароматический углеводород -НПАВ впервые проведено комплексное коллоидно-химическое исследование свойств водной фазы при различном содержании олеофильного компонента, что позволило провести детальное сопоставление свойств мицеллярных и микроэмульсионных систем. 3) Впервые изучено распределение ароматического солюбилизата между углеводородным ядром и оксиэтильным слоем частиц дисперсной фазы прямых МЭ. 4) В рамках «квазихимического» подхода предложен новый способ расчета изменения стандартной свободной энергии образования частиц дисперсной фазы (AGMic) в прямых МЭ, стабилизированных НПАВ, не требующий знания чисел агрегации. 5) Для мицеллярных систем, трансформирующихся при высоких концентрациях солюбилизата в прямые МЭ, предложена методика определения их солюбилизационной емкости, основанная на спектрофотометрии предельно разбавленных МЭ (SM). 6) Впервые показано, что солюбилизация толуола мицеллами Твин-80 приводит к увеличению значений nw/oE-
Практическая значимость работы. Исследованная система вода -толуол - Твин-80 может быть использована в качестве модельной при разработке коллоидно-химических основ применения экологически безопасных ультр'амикрогетерогенных' дисперсий ПАВ для очистки
природных объектов (водоносных горизонтов, почв, грунтов) от токсичных олеофильных загрязнений. Предложенные в работе методика SM и способ расчета AGMic могут быть использованы при исследовании мицеллярных и микроэмульсионных систем на основе НПАВ. Результаты, полученные в работе, также могут быть использованы специалистами в области фармакологии и биотехнологии для решения задач иммобилизации лекарственных препаратов в мицеллах и МЭ на основе оксиэтилированных НПАВ.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на Международной конференции по коллоидной химии и физико-химической механике, посвященной 100-летию со дня рождения академика П.А. Ребиндера (Москва, 1998); 9-th International Conference on Surface and Colloid Science (Sofia, Bulgaria, 1997); Международном Симпозиуме «Lipid and Surfactant Dispersed systems» (Москва, 1999); X конференции «Поверхностно-активные вещества и препараты на их основе» (Белгород, 2000); Научной сессии секции Физико-химии поверхностно-активных веществ Научного Совета РАН по коллоидной химии и физико-химической механике (Тверь, 2002); 8-th Conference on Colloid Chemistry (Keszthely, Hungary, 2002); 11-th International Conference on Surface and Colloid Science (Parana, Brazil, 2003); II Международной конференции по коллоидной химии и физико-химической механике "Colloid-2003" (Минск, Беларусь, 2003); 16-ой Европейской конференции по химии межфазных поверхностей (Владимир, 2003).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 статей и 7 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 126 страницах, включает 15 таблиц и 40 рисунков. Список литературы содержит 179 наименований. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 01-03-32408).
