Issuu on Google+

CARACTERIAZAREA SUBSTANTEI TENSIOACTIVE ROMOPAL Belcin Gabriela, Bîrla Diana, Conachi Bogdan Stiinta si Ingineria Materialelor Ingineria si Protectia Mediului Industrial

Abstract Lucrarea isi propune determinarea concentratie critice micelare in urma caracterizarii substantei tensioactive Romopal. Pentru determinarea concentratiei critice micelare a Romopalului s-a studiat variatia tensiunii superficiale, a vascozitatii, a densitatii si a conductivitatii. In urma acestor studii experimentale s-a determinat atat concentatia critica micelara cat si cea mai buna metoda pentru determinarea acesteia . Cuvinte cheie: Romopal, concentratia critica micelara, tensiune superficiala, conductivitate, densitate, viscozitate.

1.Introducere Substantele tensioactive (agenti activi de suprafata, sulfactanti) sunt substante larg folosite in tehinica si gospodarie, ca detergenti, emulgatori ( dispersanti , spumati), agenti de umectare sau de solubilizare. Ele sunt de obicei substante organice sintetice , capabile sa micsoreze tensiunea superficiala a lichidelor, de obicei a apei.[1] Substantele tensioactive( STA) se mai definesc ca si molecule organice formate dintr-o parte hidrofoba ce contine 8-24 atomi de carbon sub forma unei catene liniare sau ramificata, legata de una sau mai multe grupari cu electronegativitate marita (polara sau ionogena), ce constituie partea hidrofila. “c “co ap adă grupare”liofila ” grupare liofoba La dizolvarea unui agent tensioactiv in mediul continuu prezenta gruparii liofobe ( respectiv hidrofobe) determina modificarea structurii fazei lichide si o crestere a energiei libere a sistemului. Capacitatea de micelizare cat si cea de adsorbtie preferentiala deriva in tendinta partilor hidrofobe( catene hidrocarbonate) de a-si micsora suprafata de contact cu mediul apos inconjurator prin unirea lor cu formarea unor micromedii nepolare, pe suprafata carora se gasesc grupe ionice sau polare. Substantele tensioactive se pot clasifica in substante ionice: substante cu capat anionic ( sarurile acizilor grasi ex: dodecilsulfatul de sodiu ), substante cu capat cationic ( saruri


cuaternare de amoniu ); substante neionice (alcooli, polietilen oxizi, compusi clorurati ex: Romopal, Abex); surfactanti amfoteri. Substanta tensioactiva luata in lucru este Romopalulu care are urmatoarea formula chimica: CH3-(CH2)14-CH2-O-( CH2-CH2-O)24-H Alcool cetilic polietoxilat cu 24 grupari etilenoxid

In continuare se urmareste determinarea concentratiei critice micelare a substantei tensioactive Romopal si caracterizarea acesteia. 2. Partea experimentala Prepararea solutiilor de STA de concentatie C0 = 1% ( % de volum). Din aceasta, se prepara prin dilutie solutii cu urmatoarele concentratii: 0.25%, 0.5%, 0.75% si respectiv 1% STA. Pentru un volum de 1000ml solutie de concentratie 1% avem nevoie de un balon cotat de 1000 ml, in care se adauga 5 ml sulfactant Romopal peste care se adauga apa distilata pana la semn, si se omogenizeaza bine. Din solutia de 1% ( solutia mama) se prepara si celelalte solutii de concentratii diferite. Compozitia % a solutiilor de Romopal 0 0,25 0,5 0,75 1

Volumul solutiei de Romopal 1% 0 50 100 150 200

Tabel 1.Reactivi Volumul de apa distilata 200 150 100 50 0

a) Variatia tensiunii superficiale cu concentratia solutiilor de STA Tensiunea superficiala se defineste ca rezultanta fortelor interne ce actioneaza la interfata si apare de fapt ca rezultat al coeziunii necompensate. De multe ori ea este definita si ca energia necesara formarii unei interfete unitare sau ca forta necesara crearii unei suprafete cu perimetrul egal cu unitatea, ca urmare tensiunea se masoara in: mN / m sau dyne / cm. Relatia de calcul este: σ = ∆F/s unde: ∆F – variatia energiei libere la suprafata; s – aria suprafetei;

(1)


[σ]=J/m2, erg/cm2( 1 erg ·cm2 =10-3 J·m-2 ) O definitie echivalenta priveste tensiunea superficiala ca o forta ce actioneaza pe unitatea de lungime a parametrului stratului superficial, orientata in sensul micsorarii suprafetei. σ = f/2l

(2)

unde f – forta; l – perimetrul stratului superficial; [σ] =N/m, dyn/cm (1dyn ·cm-1 = 10-3N ·m-1) Metoda folosita pentru a determina tensiunea superficiala este metoda stalagmometrica. Aparatul folosit pentru aceasta determinare se numeste stalagmometru. Acesta este format dintr-un tub cu peretii grosi si cu un rezervor de tip bula la mijloc. Deasupra si dedesuptul rezervorului se afla 2 repere care delimiteaza un anumit volum. Rezervorul se continua cu un tub capilar a carui raza regleaza marimea picaturilor.

Fig 1. Reprezentarea schematica a stalagmometrului. Mod de lucru Pentru determinari se fixeaza stalagmometrul intr-un stativ, in pozitie verticala si se aspira lichid pe la partea superioara astfel incat coloana de lichid sa fie deasupra reperului superior. Se lasa lichidul sa curga din stalagmometru. Cand nivelul lichidului atinge reperul superior se incepe numararea picaturilor care cad. Numararea se continua pana cand lichidul din stalagmometru ajunge la reperul inferior. Calcule Determinările experimentale s-au realizat la temperatura camerei. Fiind metodă relativă de determinare, s-a ales ca etalon apa (notata cu indicele0). Relatia de calcul apentru tensiunile superficiale ale solutiilor este: (σ0·N0)/ ρ0 = (σ1·N1)/ ρ1 unde: σ0 , σ1 – tensiunile superficiale ale apei si ale lichidului de analizat; N0 , N1 – numarul de picaturi de apa si lichid de analizat dintr-un volum V; ρ0 , ρ1 – densitatile apei si ale lichidului de analizat.

(3)


b)Variatia densitatii cu concentratia solutiilor de STA Densitatea unei substanţe este dată de masa unităţii de volum a acelei substanţe. Dacă se consideră masa unui mol de substanţă M, volumul ocupat de aceasta este numit volum molar, VM, iar raportul lor este, evident, tot egal cu densitatea: ρ=

m V

(4)

Densitatea se exprima in g/mL, g/cm3, kg/m3. Densitatea se poate determina experimental cu: densimetre sau mai precis prin metoda picnometrica Mod de lucru Se determina prin cantarire la balanta analitica masa picnometrului (vas de sticla cu volum calibrat, inscriptionat pe sticla) gol (mp). Se umple picnometrul cu solutia 1 de analizat si se determina masa picnometrului cu solutie (mp+s). Se calculează masa de solutie aflata in picnometru: Δm = mp+s - mp Se calculeaza apoi densitatea conform relatiei (4). c)Variatia viscozitatii cu concentratia solutiilor de STA Intr-un fluid se manifesta forte de atractie intre planuri vecine. Cand aceste planuri se deplaseaza reciproc apare intre ele o forta de frecare Ff proportionala cu gradientul de viteza aplicat (dv/dx) iar coeficientul de proportionalitate se defineste ca vascozitatea dinamica, η: Ff = η(dv/dx)A

(5)

unde A - reprezinta aria planului de alunecare. Vascozitatea dinamica a apei este la 40C de 1cP (centi Poise). Raportul dintre vascozitatea dinamica si densitate se numeste vascozitate cinematica,ν. ν=η/ρ

[ν] = St (Stokes)

(6)

Vascozimetrele capilare reprezinta instrumentele cele mai exacte de determinare a coeficientilor de vascozitate.


Fig2. Reprezentarea schematica a unor vascozimetre capilare Mod de lucru: Determinarile experimentale constau in masurarea cu exactitate (cu cronometrul) a timpului de scurgere al lichidului aflat intr-un volum dat. Acest volum este delimitat de doua repere pe vascozimetre si se incadreaza de obicei la bula de deasupra capilarei. Se aspira pe partea superioara mai sus de semn, cand lichidul ajunge la nivelul semnului superior pornim cronometrul si il oprim in momentul in care lichidul ajunge la nivelul semnului inferior. Calcule Viscozitatea unei solutii de concentartie cunoscuta se calculeaza dupa formula: η ⋅ ρ ⋅t η= 0 = A⋅ ρ ⋅t ρ 0 ⋅ t0

(7)

unde: η0 – vascozitatea apei distilate; ρ – densitatea solutiei cercetate; t – timpul de curgere al solutei cercetate; ρ0 – densitatea apei distilate; t0 – timpul de curgere al apei distilate; A – costanta de calibrare.

d)Variatia conductivitatii cu concentratia solutiilor de STA Conductivitatea unei solutii in general este legata de proprietatea acesteia de a transporta o cantitate de electricitate prin intermediul purtatorilor incarcati electric.Unitatea de masura a conductivitatii este [Ω -1 m-1] sau [Ω -1cm-1]. In cazul lucrarii de fata s-au efectuat masuratori in termeni de invers al rezistentei solutiei: [λ ]= [R-1] =Ω -1 =S unde: S reprezintă Siemens.


S-a lucrat mereu cu aceeasi celula conductometrica, cu constanta C. De aceea valorile R-1 sunt direct proportionale cu conductivitatea, conform relatiei (8): (8)

λ =C.κ

in care: C- este o constanta; κ -reprezinta conductivitatea. Determinarile s-au facut utilizand conductometrul HANNA HI9033 care permite determinarea conductibilitatilor intr-un interval foarte larg de valori: 0- 199,9 mS/cm cu precizie 0,1 µ S/cm – 0,1 mS/cm functie de domeniu de masurare. Modul de lucru: Se etaloneaza conductometrul. Determinarea constantei celulei conductometrice: Valoarea corespunzatoare constantei conductometrice se calculeaza pe baza masurarii conductantei unor solutii a caror conductivitate este cunoscuta la temperatura de lucru. Pentru determinari se utilizeaza solutii de KCl 0.01 si 0.02 N ale caror conductivitati sunt prezentate pentru diferite temperaturi in tabelul urmator: 0

T [ C] 18 19 20 21 22 23 24 25

Tabel 2. Conductivitatile solutiilor de KCl in functie de temperatura λ·103 [S/cm] KCl 0.02 N KCl 0.01 N 2.397 1.225 2.449 1.251 2.501 1.278 2.553 1.305 2.606 1.332 2.659 1.359 2.712 1.386 2.765 1.413

Se masoara temperatura la care se face determinarea, dupa care se introduce celula conductometrului in vasul in care se afla solutia de KCl 0.01 N. Se citeste conductanta solutiei dupa care se calculeaza constanta celulei conductometrice, C1 , cu relatia (8) si datele din Tabelul 1. Se repeta aceste operatii pentru solutia de KCl 0.02 N pentru a se obtine C2 , iar apoi se calculeaza constanta celulei conductometrice ca media aritmetica a valorilor C1 si C2. Efectuarea masuratorilor Se masoara conductibilitatile solutiilor de surfactant si se calculeaza de fiecare data conductivitatea pe baza relatiei (8). Constanta conductometrului este cea determinate cu solutii de clorura de potasiu.


3.Rezultate Tabel 3. Variatia tensiunii superficiale functie de concentratie Conc. Proprietate σ [mN/m]

C0=1%

C1=0.25%

C2=0.5%

C3=0.75%

0

62.92

60.02

61.96

62.97

72.75

Tensiune superficiala[dyne/cm]

80 70 60 50 40 30 20 10 0 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

Concentratie [%]

Fig 3. Variatia tensiunii superficiale in functie de concentratie Substantele tensioactive au proprietatea de a scadea tensiunea superficiala la introducerea lor in mediu continuu. Odata introduse in mediu (apa), ele manifesta 2 tendinte: de grupare la suprafata de separatie, cand scad tensiunea superficiala, si de grupare în interiorul fazei. Pana la C≈0,3% are loc mecanismul de inlocuire a moleculelor de apa din interfata cu moleculele de Romopal, cand scade tensiunea superficiala. Dupa C≈0,3% moleculele de Romopal incep sa se grupeze in interiorul fazei si formeaza micele. Aceasta concentratie, la care incep sa se formeze micele se numeste concentratie critica micelara. Dupa depasirea CCM, tensiunea superficiala ramane relativ constanta, deoarece Romopal-ul nu isi mai exercita proprietatea de a scadea tensiunea superficiala.


Tabel 4. Variatia densitatii in functie de concentratie Conc. Proprietate Ď [g/cm3]

C0=1%

C1=0.25%

C2=0.5%

C3=0.75%

0

1.0248

1.0232

1.024

1.0244

1.0252

1,0255

Densitate [g/cm]

1,025 1,0245 1,024 1,0235 1,023 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

Concentratie [%]

Fig.4. Variatia denistatii in functie de concentratie Densitatea solutie de Romopal creste mult pe un domeniu restrans de concentratie, pana la atingerea CCM, dupa care ramane aproximativ constanta.

Tabel 5. Variatia vascozitatii in functie de concentratie Conc. Proprietate Ρ [cP]

C0=1%

C1=0.25%

C2=0.5%

C3=0.75%

0

0.942

0.932

0.934

0.937

1


1,01

Vascozitate [cP]

1 0,99 0,98 0,97 0,96 0,95 0,94 0,93 0,92 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

Concentratie[%]

Fig 5. Variatia vascozitatii in functie de concentratie Manifestand doua tendinte (grupare la suprafata de separatie si grupare in interiorul fazei), dupa CCM, Romopal-ul formeaza micele in apa. Micelele avand volum mare, determina cresterea vascozitatii solutiei. Cu cat creste concentratia solutiei, cu atat aceasta va fi mai vascoasa. Tabel 6. Variatia conductivitatii in functie de concentratie Conc. Proprietate 位 [碌S/cm]

C0=1%

C1=0.25%

C2=0.5%

C3=0.75%

0

15.3

24.5

33.5

37.5

3.9

40 Conductivitate [S]

35 30 25 20 15 10 5 0 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

Concentratie [%]

Fig.6. Variatia conductivitatii in functie de concentratie


Romopalul fiind o substanta tensioactiva neionica are conductivitatea mai mica decat substantele tensioactive ionice. Dupa depasirea CCM conductivitatea Romopalului este mai mica decat pana la atingerea acestei valor. CCMRomopal rezultat in urma determinarilor experimentale este aproximativ 0.3%(% volum).

Tabel 6. Valori experimentale si de calcul CCMRomopal ρ Romopal [% de [g/cm3] volum]

VRomopal 0,3 %[ml]

mRomopal [g]

0.3

0.3

0.30699

1,0233

0,3%

MRomopal [moli/g]

ƲRomopal [moli]

CM [moli/L]

962

0,31911·10-3

1.0637

MRomopal = 25· AO + 82· AH + 40· AC = 962 moli/g 2

CM =

ν=

2

ν Vs ( L )

m M

m = ρ ⋅V

m = 1.0233 · 0.3 = 0.30699g m = 0.30699 g ν=

0,30699 = 0.31911·10-3 moli 962

CM =

0.31911 ⋅ 10 −3 = 1.0637 moli/L 0.3 ⋅ 10 −3


4. Caracterizarea substantei tensioactive: Romopal Romopal-ul este o substanta tensioactiva neionica. a) Eficacitatea Romopal-ului ln CCMneionic = A’ + n·B’ Tabel 7. Constante Constante A’ B’ n

Etilenoxid 3.63 0.050 24

ln CCMRomopal = 3.63 + 24·0.050 = 4.83 CCMRomopal = e4.83 = 125.2109 moli/L


Caracteriazarea-Substantei-Tensioactive-Romopa1