Строение ПАВ

– органические соединения, молекулы которых имеют в строении полярную гидрофильную часть (функциональные группы –OH, -COOH, -O и др.) и углеводородную гидрофобную. Таким образом, они растворимы в органических растворителях и воде.

Мицелла

Основная количественная характеристика ПАВ - — способность вещества снижать поверхностное натяжение на границе раздела фаз. Но ПАВ имеет предел растворимости ("критическую концентрацию мицеллообразования" или ККМ), с достижением которого при добавлении ПАВ в раствор, концентрация на границе раздела фаз остается постоянной, но в то же время происходит самоорганизация молекул ПАВ в объемном растворе ( или агрегация). В результате такой агрегации образуются мицеллы. Отличительным признаком мицеллообразования служит помутнение раствора ПАВ. Водные растворы ПАВ, при мицеллообразовании также приобретают голубоватый оттенок (студенистый оттенок) за счет преломления света мицеллами.

Типы ПАВ

Источники поступления ПАВ в водную среду

В водные объекты ПАВ поступают в значительных количествах с хозяйственно-бытовыми (использование синтетических моющих средств в быту) и промышленными сточными водами (текстильная, нефтяная, химическая промышленность, производство синтетических каучуков), а также со стоком с сельскохозяйственных угодий (входят в состав инсектицидов, фунгицидов, гербицидов и дефолиантов в качестве эмульгаторов).

Влияние ПАВ на окружающую среду

Водные растворы ПАВ поступают в стоки промышленных вод и в конечном счете в водоемы. Из-за низкой скорости разложения ПАВ вредные результаты их воздействия на природу и живые организмы непредсказуемы. Сточные воды, содержащие продукты гидролиза полифосфатных ПАВ, могут вызвать интенсивный рост растений, что приводит к загрязнению ранее чистых водоемов: по мере отмирания растений начинается их гниение, а вода обедняется кислородом, что в свою очередь ухудшает условия существования др. форм жизни в воде.

Способы очистки сточных вод в отстойниках - перевод ПАВ в пену, адсорбция активным углем, использование ионообменных смол, нейтрализация катионактивными веществами и др. Эти методы дороги и недостаточно эффективны, поэтому предпочтительна очистка сточных вод от ПАВ в отстойниках (аэротенках) и в естественных условиях (в водоемах) путем биологического окисления под действием гетеротрофных бактерий (преобладающий род - Pseudomonas), входящих в состав активного ила. По отношению к этому процессу ПАВ принято делить на "мягкие" и "жесткие". К жестким ПАВ относятся некоторые алкилбензолсульфонаты (напр., тетрапропилбензолсульфонат) и оксиэтилированные изооктилфенолы; в настоящее время они практически не производятся. Степень биоокисления мягких ПАВ зависит от структуры гидрофобной части молекулы ПАВ: при ее разветвленности биоокисление резко ухудшается. Теоретически биоокисление идет до превращения органических веществ в воду и углекислый газ, практически проблема сводится лишь к времени окисления, т. е. к кинетике процесса. Если окончательное окисление происходит медленно, ПАВ успевает произвести вредное влияние на живые организмы и природную среду.

К числу наиболее легко окисляющихся ПАВ относятся первичные и вторичные нормального строения. С увеличением разветвления цепи скорость окисления понижается, и наиболее трудно разрушаются алкилбензолсульфонаты, приготовленные на основе тетрамеров пропилена.

При биохимической очистке отработанных растворов ПАВ окисление ведется в присутствии ферментов. С увеличением температуры скорость окисления увеличивается, но выше 350°C ферменты разрушаются. Анионактивные ПАВ адсорбируются на межфазных поверзностях раздела, вследствие чего снижается ферментативный гидролиз жиров, белков и углеводов, приводящий к угнетению жизнедеятельности бактерий.

Механизм биоокисления ПАВ устанавливается путем изучения промежуточных продуктов распада. Так, в промежуточных продуктах распада алкилбензолсульфонатов обнаружены: алкилбензолсульфонаты с короткой алкильной цепью; сульфофенилкарбоновые кислоты в среднем с 4 атомами С в цепи; сульфокарбоновые кислоты с 5-6 атомами С; сульфодикарбоновые кислоты и сульфокислоты. Это позволяет предположить, что биоразложение начинается с концевой метильной группы. Чем ближе остаток продвигается к бензольному кольцу, тем окисление происходит медленнее. Конечной стадией является распад бензольного кольца на ненасыщенные соединения, которые окисляются достаточно быстро и полно.

Алифатические ПАВ окисляются быстрее, чем циклические, причем сульфонаты окисляются труднее, чем сульфаты. Это связано с тем, что сульфаты в воде гидролизуются. Прямоцепочечные первичные и вторичные алкилсульфаты за 1 ч полностью разрушаются в сточных водах. Алкилсульфаты с разветвленной цепью окисляются медленнее, а прямоцепочечные алкилбензолсульфонаты полностью распадаются лишь за 3 сут.

Биоразложение катионактивных ПАВ мало изучено, некоторые исследователи не рекомендуют сбрасывать их в сточные воды.

Рост производства ПАВ привел к появлению крупных предприятий, являющихся локальными источниками загрязнения воды. Высококонцентрированные сточные воды этих предприятий м. б. очищены микробиологическим методом, основанным на использовании высокоактивных культур микроорганизмов. Получены штаммы бактерий, разрушающих , алкилсульфонаты, алкилбензолсульфонаты, сульфоэтоксилаты и др. Идентифицированы промежуточные продукты распада, которые являются аналогами природных веществ, нетоксичны и не оказывают неблагоприятного воздействия на окружающую среду. Один из важных результатов бактериального расщепления - отсутствие среди промежуточных продуктов распада веществ с явно выраженной дифильностью молекул. Метод дал положительные результаты для сточных вод, содержащих 500 мг/л ПАВ. Эффективность очистки составила 95-97% за время не более 12 ч. Среди грамотрицательных бактерий обнаружены микроорганизмы (деструкторы), которые усваивают ПАВ как питательный субстрат.

При понижении температуры скорость окисления ПАВ уменьшается и при 0-5°C протекает весьма медленно. Наиболее благоприятные для процесса самоочищения от ПАВ нейтральная или слабощелочная среда (рН=7-9).

С повышением содержания взвешенных веществ и значительным контактом водной массы с донными отложениями скорость снижения концентрации ПАВ в воде обычно повышается за счет сорбции и соосаждения. При значительном накоплении ПАВ в донных отложениях в аэробных условиях происходит окисление микрофлорой донного ила. В случае анаэробных условий ПАВ могут накапливаться в донных отложениях и становиться источником вторичного загрязнения водоема.

Максимальные количества кислорода (БПК), потребляемые 1мг/дм³различных ПАВ колеблется от 0 до 1.6 мг/дм³. При биохимическом окислении образуются различные промежуточные продукты их распада: спирты, альдегиды, органические кислоты и др. В результате распада ПАВ, содержащих бензольное кольцо, образуются фенолы.

В поверхностных водах ПАВ находятся в растворенном и сорбированном состоянии и в поверхностной пленке воды водного объекта.

В слабозагрязненных поверхностных водах концентрация ПАВ колеблется обычно в пределах тысячных и сотых долей миллиграмма в 1 дм³. В зонах загрязнения водных объектов она повышается до десятых долей миллиграмма, вблизи источников загрязнения может достигать нескольких миллиграммов в 1 дм³.

Попадая в водоемы и водотоки, ПАВ оказывают значительное влияние на их физико-биологическое состояние, ухудшая кислородный режим и органолептические свойства, и сохраняются там долгое время, так как разлагаются очень медленно. Отрицательным, с гигиенической точки зрения, свойством ПАВ является их высокая пенообразующая способность. Имеются сведения о косвенном воздействии ПАВ на гидробионты. При концентрациях 5-15 мг/дм³рыбы теряют слизистый покров, при более высоких концентрациях может наблюдаться кровотечение жабр [3], [4], [5].

Среди анионактивных ПАВ наиболее распространены и алкиларилсульфонаты. Оптимальными поверхностно-активными свойствами обладают первичный додецилсульфат и прямоцепочечный додецилбензолсульфонат. Эти вещества термически стабильны, малотоксичны (ЛД₅₀1,5-2 г/кг, белые мыши), не раздражают кожу человека и удовлетворительно подвергаются биологическому распаду в водоемах, за исключением алкиларилсульфонатов с разветвленной алкильной цепью. Они хорошо совмещаются с др. ПАВ, проявляя при этом синергизм, порошки их негигроскопичны. Вторичные алкилсульфаты обладают хорошей пенообразующей способностью, но термически неустойчивы и применяются в жидком виде. Вторичные алкилсульфонаты обладают высокой поверхностной активностью, но весьма гигроскопичны. Перспективными являются ПАВ, у которых гидрофильная часть состоит из нескольких функциональных групп. Напр., динатриевые соли сульфоянтарной кислоты обладают хорошими санитарно-гигиеническими свойствами наряду с высокими коллоидно-химическими и технологически показателями при растворении в жесткой воде. ПАВ, содержащие сульфониламидную группу, обладают биологической активностью. Хорошими свойствами обладает также додецил-фосфат.

Токсическое действие неионогенных поверхностно-активных веществ определяется главным образом неполярной частью молекулы, при этом оно более выражено при наличии в последней ароматического кольца.