Введение к работе
Диссертация посвящена изучению физико-химических явлений, сопровождающих процесс моющего действия, с целью создания ресурсо- и энергосберегающих технологий и эффективного физико-химического воздействия на обрабатываемые текстильные изделия.
Актуальность работы. Моющее действие, как совокупность физико-химических процессов удаления загрязнений с поверхности твердых тел, широко используется в большинстве современных индустриальных технологий и в бытовой деятельности человека.
Количественное описание эволюции моющей системы затруднено в виду ее многокомпонентности и многофазности, отягощенной высокодисперсным состоянием вещества. Оптимизация технологий моющего действия, проводимая только на основании эмпирических данных, чревата попаданием в лучшем случае в локальный экстремум.
Для решения проблем энерго - и ресурсосбережения в технологии моющего действия, обеспечивающих минимизацию отходов, газовых выбросов и сточных вод, необходимо построение адекватной концептуальной модели этого процесса. В работе в качестве модели предложена система активированного массообмена в аппарате с внешним подводом энергии. Наиболее перспективным путем интенсификации массообменных процессов может служить использование явлений самоорганизации на межфазной поверхности. Поскольку для растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ) и полимеров характерно проявление самопроизвольного структурирования, постольку адекватность модели должна отражать изменение свойств системы в соответствии с изменением структуры растворов.
Степень проработанности темы. Общепринято связывать процесс моющего действия с проявлениями специфических свойств растворов (ПАВ). Отсюда термин “моющая способность” как оценка эффективности данного ПАВ в качестве компонента моющей системы. Количественной теории, связывающей моющую способность с составом раствора ПАВ нет даже для простейшего случая бинарного раствора. Качественно моющая способность соотносится со способностью ПАВ снижать межфазное натяжение и растворять в процессе солюбилизации загрязнения. Однако подобный подход не может объяснить проявление моющей способности для немицеллообразующих ПАВ и в случае неводных растворителей с низким значением поверхностного натяжения. Со времен Гиббса известно, что величина межфазного натяжения в растворах определяется величиной адсорбции ПАВ. Однако адсорбция ПАВ на текстильных волокнах (важнейшая стадия моющего действия) изучена несравненно меньше, чем на других объектах. Имеются обоснованные предложения по механизму процесса моющего действия как совокупности последовательно-параллельных стадий, однако сопоставление вкладов отдельных стадий в результирующий эффект отсутствует.
Объекты исследования. Главный объект исследования-растворы ПАВ. В качестве растворителей выбраны вода и перхлорэтилен (ПХЭ). Последний – как основной растворитель, применяющийся в технологии химической чистки. Изучены свойства растворов ПАВ всех типов электролитической диссоциации: анионактивные (лаурилсульфат натрия, оксифос Б, неофлон-301), катионактивные (катамин АБ), неионогенные (неонол АФ9-10, пероктофтордиэтилкетон (ДЭФК), перфтордодекан-сульфонилфторид (ПДСФ)). Исследованы две группы различных по химической природе соединений: углеводородные и фторуглеродные ПАВ. В работе изучены структурно-механические свойства водных растворов альгинатов натрия – природных полимерных соединений, получаемых из бурых морских водорослей. Привлекает биологическая и экологическая безвредность этих соединений.
Предмет исследования. 1) физико-химический анализ состояния ПАВ и полимеров в растворе; формы и характер структурирования растворов ПАВ и полимеров; 2) фазовый анализ моющей системы; 3) формирование и строение адсорбционных слоев ПАВ на межфазных границах; 4) термодинамика и макрокинетика процессов массопереноса веществ в моющей системе; 5) технологическое применение результатов исследования.
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка теоретических основ модели моющего процесса как процесса активированного межфазного массопереноса вещества. Достижение искомой цели осуществлялось последовательным решением ряда следующих задач:1) представление термодинамической и макрокинетической модели моющей системы; 2) изучение состояния ПАВ и полимеров в растворе и адсорбционных слоях; 3) нахождение уравнения связи между параметрами массопереноса и измеряемым свойством системы как отображение полноты протекания процесса моющего действия; 4) проверка адекватности принятой модели выявлением корреляции между состоянием системы и ее моющей способности; 5) разработка новых энерго- и ресурсосберегающих технологий на базе предложенных теоретических модельных представлений и результатах экспериментального исследования свойств систем, образованных объектов изучения.
Теоретическая и методологическая основа исследования. Теоретической основой рассмотрения процессов моющего действия служит гиббсовская теория фазового равновесия в гетерогенной системе. Моющая способность рассматривается как аналог степени полноты протекания химической реакции (число пробегов реакции по Де Донде).
Фазовое состояние ПАВ в растворе и в адсорбционных слоях трактуется согласно подходу Гуггенгейма: приповерхностные слои и мицеллы рассматриваются как фазовые образования. Это служит методологической основой для изучения состояния вещества, поскольку изменение фазового состава системы отображается сингулярной точкой на диаграммах “свойство-состав”.
Информационная база исследований включает открытые научные публикации в России и за рубежом по следующим направлениям: технология химической чистки и стирки, физическая химия растворов ПАВ и полимеров, теоретические основы моющего действия, адсорбционная модификация поверхностных свойств текстильных материалов, адсорбция из растворов, физико-химические методы изучения химических процессов, физико-химическое воздействие на текстильные материалы.
Научная новизна работы: 1) впервые моющее действие охарактеризовано как активированный процесс массопереноса; в качестве постановки задачи для описания макрокинетики моющего действия предложено уравнение нестационарной диффузии, учитывающее адсорбцию и агрегацию ПАВ в растворе и рассматривающую поверхностную реакцию как вытеснительную адсорбцию загрязнений ПАВами; 2)рассмотрение предложенной модели позволило сформулировать две гипотезы: а) определяющей (лимитирующей) стадией моющего действия является процесс адсорбции ПАВ на поверхностях раздела фаз в моющей системе; б) роль мицеллообразования в моющем действии в лучшем случае сводится к процессу образования индифферентной фазы; 3)на основе анализа диаграмм состояния растворов ПАВ с точки зрения теории соприкасающих пространств предположено, что процесс мицеллообразования можно рассматривать как процесс образования новой высокодисперсной фазы с фазовыми переходами, близкими по своей природе к фазовым переходам II рода; учитывая кривизну поверхности новой фазы и разность давлений по сторонам раздела фаз, обоснована целесообразность применения модифицированного уравнения Правила фаз Гиббса; 4) выведено уравнение связи между долей чистой поверхности на очищенной поверхности и светимостью чистой, загрязненной и очищенной поверхностями. Тем самым обосновано применение оптического метода для количественной оценки эффективности моющего действия;5) показано, что оптимизация количества ПАВ в моющей системе должна производиться по равновесному составу, соответствующему максимальной адсорбции в первом слое; 6)изучены свойства растворов трех, ранее не описанных фторуглеродных ПАВ; изучена адсорбция этих фторуглеродных ПАВ и нескольких углеродных ПАВ на ряде текстильных волокон из воды и ПХЭ; обнаружены явления самопроизвольного структурирования в объемных и поверхностных фазах; описано строение выявленных структур ПАВ; 7) изучены реологические свойства водных растворов альгинатов; обнаружено явление самопроизвольного структурирования в растворах; изучена адсорбция альгинатов на текстильных волокнах.
Практическая значимость исследования. Придерживаясь методологии рассмотрения адсорбции как критерия оптимизации состава моющей ванны, при котором достигается наибольшая величина моющей способности, показано, что наиболее эффективными компонентами моющей системы для ПХЭ являются фторсодержащие ПАВ. Разработана рецептура, технология изготовления и применения моющих средств для неводной среды на основе ДЭФК. Показано, что характер структурирования ПАВ в поверхностных фазах дает технологическую возможность модифицирования поверхностных свойств текстильных материалов в заданном направлении. Опираясь на эту методологию разработан эффективный препарат для придания текстильным изделиям масло-, водо-, грязеотталкивающих свойств.
На защиту выносится: 1) макрокинетическая модель моющего действия как массообменного процесса; 2) коллоидно-химические свойства растворов изученных ПАВ в воде и перхлорэтилене; 3) структурно-механические свойства водных растворов альгинатов натрия; 4) закономерности адсорбции изученных ПАВ и альгинатов на текстильных волокнах; 5) строение и структура наноразмерных адсорбционных слоев ПАВ и альгинатов; 6) особенности фазового анализа моющих систем; 7) технология масло-, водо-, грязеотталкивающего модифицирования поверхностных свойств текстильных материалов; 8) композиции усилителя химической чистки, средства для предварительной зачистки и технология их применения.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих семинарах и конференциях: XI-ой Международной научно-практической конференции «Наука - сервису» (г. Москва, ГОУВПО «МГУС», 2006 г.); Всероссийской научной конференции аспирантов и молодых ученых «Современные проблемы сервиса и туризма» (г. Москва, ГОУВПО «МГУС, 2007 г.); XII-ой международной научно-практической конференции «Наука - сервису» (г. Москва, ФГОУВПО «РГУТиС», 2007 г.); XIII-ой международной научно-практической конференции «Наука - сервису» (г. Москва, ФГОУВПО «РГУТиС», 2008 г.); в всероссийской научно-технической конференции «Проблемы экономики, прогрессивные технологии в текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности» «Дни науки 2008» (Санкт Петербург СпбГУТиД, 2008); IV в всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах» «Фагран-2008» (Воронеж, ВГУ,2008), На научных сессиях научного совета РАН по физической химии растворов ПАВ: Мурманск, МГТУ, 2008 г. и Белгород, БГУ, 2009 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе, три статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, обсуждения полученных результатов, технологической части, выводов и списка литературы. Материалы диссертации изложены на 163 стр. машинописного текста, включая таблиц 49, рисунков 81. Список литературы содержит 171 наименований.
