Поверхностно-активные свойства водных растворов лигносульфоната натрия

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Химия


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Химия растительного сырья. 2012. № 2. С. 41−45.
УДК 668. 473:678. 0:541. 183
ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ СВОЙСТВА ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ЛИГНОСУЛЬФОНАТА НАТРИЯ
© Д-П. Савицкий, К. В. Макарова, А.С. Макаров
Институт коллоидной химии и химии воды им. А. В. Думанского, бульв.
Академика Вернадского, 42, Киев-142, 3 680 (Украина), e-mail: den. 83@mail. ru
Определено поверхностное натяжение водных растворов натриевых лигносульфонатов в зависимости от водородного показателя. Установлено, что лигносульфонат натрия является слабым поверхностно-активным веществом, при этом поверхностное натяжение в области критической концентрации мицеллообразования составляет 57−58 мДж/м2,
Ключевые слова: лигносульфонат натрия, поверхностное натяжение, вязкость.
Введение
Широкое применение в промышленности водорастворимых производных лигнина — лигносульфонатов (ЛСТ), связано с ценными коллоидно-химическими свойствами этих полиэлектролитов, в частности наличием поверхностной активности [1−5], Макромолекула ЛСТ образует нелинейную структуру, приближающуюся к глобулярным полимерам. Особенность подобных структур — компактность и гибкость даже при большой молекулярной массе. Поэтому вязкость растворов таких полимеров при высокой степе -ни концентрирования остается значительно меньше вязкости растворов природных линейных полимеров, например целлюлозы. Внутри макромолекулы находятся ионизированные сульфогруппы, придающие ей отрицательный заряд, уравновешенный при рН=7 окружающим облаком положительно заряженных катионов,
Главным поставщиком ЛСТ являются заводы, вырабатывающие целлюлозу методом сульфитной варки древесины. На всех этих заводах проводится биохимическая переработка сульфитного щелока и для получения лигносульфонатов используется сульфитно-дрожжевая бражка. На предприятиях, работающих по бисульфитному или нейтрально-сульфитному вариантам, биохимическая переработка практически не встречается, и товарный продукт представляет собой щелока, содержащие наряду с лигносульфонатами соответствующие углеводы и минеральные соединения диоксида серы [2],
Хотя факт наличия поверхностно-активных свойств у лигносульфонатов широко известен, исследования коллоидно-химических свойств этих веществ, практически отсутствуют [6], Даже по техническим указаниям ЛСТ характеризуются без установления величин поверхностной активности. Связано это с различием в способах получения ЛСТ, составом, катионной формой, молекулярно-массовым распределением. Естественно, что такое разнообразие состава ЛСТ будет определять различие в поверхностно-активных свойствах реагента.
----------------------------------------------- Таким образом, цель данной работы — изуче-
Савицкий Денис Павлович — младшии научный ние поверхностно-активных свойств водных раство-
сотрудник, кадидатхимических наук,, ч
e-mail den 83@mail ru Ров технического лигносульфоната натрия (ЛСТт),
Макарова Катерина Викторовна — ведущий инженер, а также установление влияния pH среды на поверх-
МакаровАнатолий Семенович — старший научный ностную активность реагента.
сотрудник, доктор технических наук
* Автор, с коорым следует вести переписку,
Экспериментальная часть
В качестве образцов использовались технические порошкообразные натриевые лигносульфонаты марки «А», производства ОАО «Котласский ЦБК», ТУ-2455−002−281 039−00, Инфракрасные спектры (ИК-спектры) образцов в матрице из KBr записывали на ИК-спектрометре Vector 22 фирмы Bruker в области 400−4000 см-1 с разрешением 4 с-1. Среднюю молекулярную массу (Mr) ЛСТ№ определяли вискозимет-рическим методом с помощью стеклянного вискозиметра ВПЖ-2, диаметром капилляра 0,56 мм и постоянной вискозиметра K=0,0092, при температуре 21 °C [7, 8], Условную вязкость водных растворов ЛСТ№ определяли на вискозиметре ВЗ-1, эффективную вязкость — на ротационном вискозиметре «Rheotest-2», при скорости сдвига Dr=3 c-1 и измерительной системе цилиндров S/Si. Поверхностное натяжение растворов HCTNa измеряли методом отрыва кольца и с помощью сталагмометра [9],
Обсуждениерезультатов
Известно, что растворение коллоидных ПАВ происходит иначе, чем всех прочих веществ: после достижения предела растворимости они не выделяются в виде осадка или жидкости, а образуют в растворителе конгломераты, называемые мицеллами [10], Мицеллы, как и всякая частица, характеризуются несколькими параметрами: размером, формой, концентрацией раствора, при которой они образуются (ККМ), а также термодинамическими функциями, которые рассчитываются из значений ККМ. Естественно, что поверхностная активность вещества зависит от его строения и физико-химических свойств.
Полученные ИК-спектры лигносульфонатов натрия (рис. 1) характеризуются следующими полосами поглощения: 600−800 см-1 (-СН2- мостиковые связи, связывающие бензольные кольца) — 640, 1190−1210 см-1 (SO3-rpynnbi) — 1020 см-1 (OH-группы) — 3420 см-1 (ОН — фенольных групп), 1050−1100 см-1 (ОН — группы спиртов) — 1450, 1505 и 1595 см-1 (замещенное ароматическое кольцо лигнина) — 1750−1600 см-1, обусловлены колебаниями карбоксильной группы и колебаниями С=С связи в бензольном кольце- незначительные пики в области 1650−1780 см-1 характерны для C=O карбонильных групп- 1680−1700 см-1 принадлежат C=O группам ароматических кислот- 1690−1725 см-1 характеризуют СООН группы- 1380 см-1 относятся к СН3, 2920, 2860, 720 см-1 СН2 алифатическим связям. ИК-спектры с частотой 3040, 700−870 см-1 дают СН-ароматические связи, полоса 700−900 см-1 относится к колебаниям С-Н связей различно замещенных ароматических колец. Полосы поглощения 3380 см-1, по-видимому, указывают на наличие водородных связей ме^ду гидроксильными группами- 3400 см-1 водородные связи, обусловленные фенольными, спиртовыми и карбоксильными ОН группами.
Таким образом, из вышеизложенного следует, что ЛСТNa представляют собой анионактивный полимер, содержащий метоксильные, фенольные, гидроксильные, карбонильные, карбоксильные и сульфо-группы в натриевой форме. При этом лигносульфонат натрия является высокомолекулярным веществом с характерными кислотными свойствами (табл. 1), При повышении концентрации ЛСТ№ более 15 г/л наблюдается установление постоянных значений pH (табл. 2),
Поверхностное натяжение водных растворов ЛСТ№ снижается по мере увеличения концентрации реагента в растворе, а при концентрации 10 г/л наблюдаются резкий излом кривой и падение поверхностного натяжения вплоть до 15 г/л с дальнейшим выходом кривой на плато, что соответствует ККМ. В точке ККМ поверхностное натяжение при рН=10,2 составляет с=57мДж/м2 (по методу сталагмометра) и с=58 мДж/м2 (по методу отрыва кольца) (рис. 2), Хотя ход кривых на рисунке 2 имеет практически одинаковую зависимость, все же более точным считается метод сталагмометра, который использовался в дальнейшем.
4000
2800
1600
Рис. 1. ИК-спектры ЛСТ№
V. см
Таблица 1. Физико-химические характеристики ЛСТ№
Показатель Величина
Массовая доля сухих веществ, % 62,5
Массовая доля золы к массе сухих веществ, % 15
Массовая доля нерастворимых в воде веществ к массе сухих веществ, % 0,3
pH 20%-ного раствора 4,6
Вязкость условная на вискозиметре ВЗ-1, с 325
Вязкость эффективная на ротационном вискозиметре «КЬео1е8І--2» при Бг=3 с-1, Па-с 0,15
Количество Б03- групп, моль/г 0,456
Средняя молекулярная масса, а.е.м 95 000
Таблица 2. pH водных растворов ЛСШа различной концентрации
Значительное влияние на поверхностное натяжение и ККМ водных растворов ЛСТ№ оказывает присутствие №ОН в растворе. Уже при концентрации №ОН=0,1 г/л в водном растворе лигносульфоната натрия происходит резкое снижение поверхностного натяжения, при этом ККМ1 снижается до 2,5 г/л (рис. 3), что согласуется с данными характерными для такого типа веществ [11]. При повышении концентрации №ОН до 2,5 г/л в водном растворе ЛСТ№ наблюдается ККМ2 в точке, отвечающей концентрации ЛСТ№ 14,8 г/л. Дальнейшее добавление №ОН & gt- 3 г/л способствует снижению поверхностного натяжения водных растворов ЛСТ№ до 65,5 мДж/м2, а ККМ2 — до 10 г/л.
Поскольку теоретически рассчитанное количество №ОН, израсходованное на нейтрализацию всех потенциально возможных функциональных групп элементарного звена сульфированного лигнина, которые могли бы принимать участие в реакции, значительно меньше, чем установленное практически (табл. 3), можно предположить, что нейтрализация функциональных групп кислотного типа лигносульфонатов с помощью №ОН происходит, по-видимому, за счет ионного обмена, в частности на катион №+, не только в макромолекулах сульфированного лигнина, но и ме^ду моно- и полисахаридами, а также другими органическими соединениями, входящими в состав лигносульфонатов.
Концентрация ЛСШа, г/л рн
0,01 10,37
0,05 9,42
0,1 6,94
0,5 6,04
1,0 5,11
1,5 4,79
10,0 4,71
15,0 4,63
20,0 4,6
25,0 4,6
61
60
59
58


2
1 1 ---*1 і і і
10
20 25
С г/л (ЛСШа)
Рис. 2. Изотермы поверхностного натяжения водных растворов ЛСТ№ в зависимости от концентрации реагента, полученные:
1 — сталагмометрически- 2 — методом отрыва кольца
Рис. 3. Изотермы поверхностного натяжения водных растворов ЛСТ№ в присутствии №ОН: 1 — 0,1 г/л- 2 — 1,0 г/л- 3 — 2,5 г/л- 4 — 3,0 г/л
Таблица 3. Зависимость pH водных растворов ЛСТ№ от концентрации NaOH
Концентрация ЛСТ№, г/л Концентрация NaOH, г/л
0,5 1,0 3,0 5,0 10,0 20,0
рн
0,1 11,5 12,3 12,55 12,56 12,65 12,59
0,5 11,2 12,27 12,55 12,56 12,63 12,59
1,0 10,8 12,2 12,54 12,56 12,63 12,59
2,0 10,8 11,5 12,5 12,53 12,62 12,58
3,0 10,2 11,4 12,47 12,52 12,62 12,58
5,0 10,1 11,1 12,42 12,52 12,60 12,58
10,0 10,1 11,1 12,35 12,51 12,59 12,58
15,0 9,8 10,98 12,19 12,47 12,59 12,58
Выводы
Установлено, что поверхностное натяжение водных растворов технического лигносульфоната на -трия в области критической концентрации мицеллообразования (ККМ=15 г/л) при рН=10,2 составляет с=57мДж/м2 (по методу сталагмометра) и с=58 мДж/м2 (по методу отрыва кольца). Выяснено, что при концентрации №ОН=0,1 г/л в водном растворе лигносульфоната натрия происходит резкое снижение поверхностного натяжения, при этом ККМ1 снижается до 2,5 г/л.
Список литературы
1. Сапотницкий С. А. Использование сульфитных щелоков. М., 1981. 224 с.
2. Богомолов Б. Д., Сапотницкий С. А., Соколов О. М. и др. Переработка сульфатного и сульфитного щелоков. М., 1989. 360 с.
3. Афанасьева Н. И., Тельтевская С. Е., Макаревич Н. А., Парфенова Л. Н. Структура и физико-химические свойства лигносульфонатов. Екатеринбург, 2005. 162 с.
4. Сарканен К. Х., Людвиг Г. В. Лигнины (структура, свойства и реакции). М., 1975. 632 с.
5. Брауне Ф. Э, Брауне Д. А. Химия лигнина. М., 1964. 855 с.
6. Полищук С. А., Попов Е. В., Горелик М. В. Влияние состава и степени сульфирования лигносульфоната натрия на его коллоидно-химические свойства // Журнал прикладной химии. 1983. Т. 56, № 6. С. 2285−2289.
7. Лавров И. С., Баранова В. И., Бибик Е. Е. и др. Практикум по коллоидной химии. М., 1983. 215 с.
8. Малкин А. Я., Чалых А. Е. Диффузия и вязкость полимеров. Методы измерения. М., 1979. 304 с.
9. Фролов Ю. Г., Гродский А. С. Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии. М., 1986. 216 с.
10. Абрамзон А. А. Поверхностно-активные вещества. Свойства и применение. Л., 1981. 304 с.
11. Абрамзон А. А., Бочаров В. В, ГаевойГ.М. и др. Поверхностно-активные вещества: справочник. Л., 1979. 376 с.
Поступило в редакцию 14 февраля 2011 г.
Savitskiy D.P. *, Makarova K.V., Makarov A.S. SURFACE-ACTIVE PROPERTIES OF AQUEOUS SOLUTIONS OF SODIUM LIGNOSULFONATE
Dumanskii Institute of Colloid and Water Chemistry, National Academy of Sciences of Ukraine, pr. Vernadskogo, 42, Kiev-142, 3 680 (Ukraine)
The surface tension of aqueous solution of sodium lignosulfonate and their dependence on pH has been determined. It was established that sodium lignosulfonate is weak surface active agent. The critical micelle concentration of sodium lignosulfonate observed at concentration 15 g/L and surface tension is a=57−58 mJ/m2.
Keywords: sodium lignosulfonate, surface tension, viscosity.
* Corresponding author,
References
1. Sapotnitskii S.A. Ispol’zovanie sul'-fitnykh shchelokov. [The use of sulfite liquor]. Moscow, 1981, 224 p. (in Russ.).
2. Bogomolov B.D., Sapotnitskii S.A., Sokolov O.M. etc. Pererabotka sul'-fatnogo i sul'-fitnogo shchelokov. [Recycling sulphate and sulphite liquor]. Moscow, 1989, 360 p. (in Russ.).
3. Afanas'-eva N.I., Tel'-tevskaia S.E., Makarevich N.A., Parfenova L.N. Struktura i fizikokhimicheskie svoistva ligno-sul'-fonatov. [The structure and physicochemical properties of lignosulfonates]. Ekaterinburg, 2005, 162 p. (in Russ.).
4. Sarkanen K. Kh., Liudvig G.V. Ligniny (struktura, svoistva i reaktsii). [Lignins (structure, properties and reactions)]. Moscow, 1975, 632 p. (in Russ.).
5. Brauns F.E., Brauns D.A. Khimiia lignina. [Lignin chemistry]. Moscow, 1964, 855 p. (in Russ.).
6. Polishchuk S.A., Popov E.V., Gorelik M.V. Zhurnal prikladnoi khimii, 1983, vol. 56, no. 6, pp. 2285−2289. (in Russ.).
7. Lavrov I.S., Baranova V.I., Bibik E.E. etc. Praktikum po kolloidnoi khimii. [Practical work on Colloid Chemistry]. Moscow, 1983, 215 p. (in Russ.).
8. Malkin A. Ia., Chalykh A.E. Diffuziia i viazkost'-polimerov. Metody izmereniia. [Diffusion and viscosity polymers. Methods of measurement]. Moscow, 1979, 304 p. (in Russ.).
9. Frolov Iu.G., Grodskii A.S. Laboratornye raboty i zadachipo kolloidnoi khimii. [Laboratory work and tasks of colloid chemistry]. Moscow, 1986, 216 p. (in Russ.).
10. Abramzon A.A. Poverkhnostno-aktivnye veshchestva. Svoistva i primenenie. [Surface-active substances. Properties and application]. Leningrad, 1981, 304 p. (in Russ.).
11. Abramzon A.A., Bocharov V.V., Gaevoi G.M. etc. Poverkhnostno-aktivnye veshchestva: Spravochnik. [Surface active agents: Directory]. Leningrad, 1979, 376 p. (in Russ.).
Received February 14, 2011

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой