Коллоидно-химические и функциональные свойства n-(2-гидроксиэтил)алкиламинов и их смесей Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2011

УДК 541.18

Химия Вып. 3(3)

КОЛЛОИДНО-ХИМИЧЕСКИЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ]Ч-(2-ЩДРОКСИЭТИЛ)АЛКИЛАМИНОВ И ИХ СМЕСЕЙ М.Г. Щербаньа, Л.Г. Чекановаь, Д.В. Колташевь, А.В. Радушевь, М.Д. Плотникова3, Т.Ю. Насртдиноваь

аПермский государственный национальный исследовательский университет. 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15

ьУчреждение Российской Академии наук Институт технической химии Уральского отделения РАН. 614013, г. Пермь, ул. Академика Королева, 3 Е-mail: [email protected]

Изучено влиянии рН среды на коллоидно-химические характеристики (поверхностное натяжение, поверхностная активность, критические концентрации мицелло-образования) реагентов ряда Ы-(2-гидроксиэтил)алкиламинов RNHCH2CH2OH, где R=Csff17-C16H33 и смесей на их основе. Исследовано влияние реагентов и их смесей на коррозионное поведение стали 0,5 КП в 0,1 моль/дм3 HCl.

Ключевые слова: адсорбция; поверхностное натяжение; краевой угол смачивания; ингибирующая способность

Введение

^(2-гидроксиэтил)алкиламины (ГЭА) применяются как промежуточные продукты в синтезе полиоксиэтиленалкиламинов

Ш(СН2СН20Н)т(СН2СН20Н)п - сильных ПАВ [1]. Низшие представители ряда ГЭА нашли применение в микроэлектронике и фармацевтике [2],

предложены для очистки сточных вод от ионов Си (II) [3].

Сочетание в исследуемых реагентах амин-ной и гидроксиэтильной групп открывает перспективы использования их в качестве ПАВ с комплексообразующими свойствами в процессах концентрирования цветных металлов (ионной флотации, флотации минералов).

Настоящая работа посвящена исследованию поверхностно-активных свойств N-(2-гидроксиэтил)алкиламинов общей формулы И^С^С^ОН, где Я=С8Н17-С1бНзз, и их смесей.

Экспериментальная часть

^(2-Гидроксиэтил)алкиламины получали по методу, описанному в работе [4]. Содержание основного вещества в образцах составляло не менее 98 %. Поверхностное натяжение на границе раздела водный раствор ГЭА -

воздух, раствор ГЭА в 0,1 моль/дм НС1 -воздух измеряли сталагмометрическим методом [5], краевой угол смачивания - по методике [6].

Коррозионные испытания выполнены на образцах, изготовленных из стали 0,5 КП размером 30х20х2мм. Подготовка образцов для исследования включала зачистку на тонких шкурках, обезжиривание спиртом, ополаскивание дистиллированной водой [7].

Скорость коррозии стали (р) рассчитывали по формуле:

Ат

р = л’ (1)

где А т - убыль массы образца за время испытаний, г; - площадь поверхности образца,

м2; т - время опыта, ч.

Защитное действие (2) и ингибиторный эффект (у) определяли по формулам (2-3):

Z =

Ро

Ро

•100%, (2)

р

где р0, р - скорости коррозии стали соответственно в чистой кислоте и с добавкой ингибиторов, г-м"2/ ч; ¡0, 7 - плотности коррозионного тока в неингибированной и ингибированной кислоте, А/м2.

© Шульгина Н.П., Мочалова Н.К., Котомцева М.Г., 2011

Применение ГЭА в процессах флотации металлов предпочтительно в виде растворов солянокислых солей [4], поэтому исследование поверхностно-активных свойств индивидуальных членов гомологического ряда и их смесей проводили в двух средах: дистиллированной воде и растворах 0,1 моль/дм3 HCl.

Обсуждение результатов

По данным табл. 1 можно сделать вывод, что индивидуальные реагенты, также как и их смеси, можно отнести к ПАВ средней силы, снижающим поверхностное натяжение в 1,5 раза по сравнению с чистым растворителем.

Традиционно присутствие сильного электролита в водных растворах ПАВ приводит к росту поверхностной активности [8, 9]. В случае ГЭА снижение минимальных значений поверхностного натяжения было незначительно, либо не наблюдалось (табл. 1). Этот факт связан с протонизацией аминов и переходом их в класс катионоактивных ПАВ, зна-

чения ККМ которых несколько выше, чем у неионных [9].

Этим же объясняется меньшая гидрофили-зация поверхности стекла индивидуальными ГЭА в солянокислой среде (результаты измерения краевых углов смачивания приведены в табл. 2). Снижение эффективности действия ГЭА может быть объяснено также более широкой областью существования сферических мицелл, которая может быть определена как разность величин ККМ1 и ККМ2 (табл. 1).

Из многочисленных литературных источников известно, что применение ПАВ в качестве смесей значительно улучшает их поверхностно-активные и функциональные свойства [4, 9, 10]. Изотермы поверхностного натяжения для модельных смесей ГЭА, составленных из гомологов с Я1= С8Н17 и Я2 = С12Н25 в соотношении Я1: Я2 = 10:1 и 10:2 представлены на рис. 1, 2. Как и следовало ожидать, поверхностная активность смесей была выше, чем для индивидуальных соединений, в то же время её значения в солянокислой среде были ниже, чем в дистиллированной воде (табл. 3).

Таблица 1

Влияние среды на поверхностно-активные характеристики реагентов ряда RNHСН2CН2ОН

R Омин, мДж/м2 М2, моль/дм3

H2O 0,1 моль/дм3 HCl H2O 0,1 моль/дм HCl

C8H17 40 35 0,30/1,00 1,15/4,20

С10Н21 24 28 0,15/1,07 0,30/5,50

C12H25 46 32 0,08/0,32 0,20/1,60

C14H29 63 36 0,03/0,15 0,03/0,41

C16H33 63 70 0,01/0,02 0,01/-

C8H17 : С12H25 10 : 1 36 45 0,08/0,29 0,01/0,31

C8H17 : С12H25 10 : 2 42 40 -/0,18 0,08/0,12

Таблица 2

Влияние среды на краевые углы смачивания реагентов ряда RNHСН2CН2ОН____

R С, г/дм3 0, град

H20 0,1 моль/дм3 H20 0,1 моль/дм3 HCl

HCl 00=52 00=57

С8Н17 - 2,89 - 29±1

1,15 1,16 24±2 37±3

0,58 0,58 28±3 40±2

0,29 0,29 31±2 43±2

0,12 0,12 34±2 44±3

0,06 0,06 38±2 55±1

С10Н21 - 1,08 - 26±1

0,54 0,54 26±1 31±1

0,27 0,27 30±2 35±2

0,11 0,11 36±2 45±3

0,05 0,05 41±2 51±1

0,03 - 48±1

С12Н25 - 0,87 - 23±1

- 0,44 - 29±2

0,22 0,21 24±1 39±2

0,09 0,09 30±2 44±2

0,04 0.04 42±2 49±1

0,02 - 48±2 -

С14Н29 0,19 - 23±2 -

0,08 0,08 26±1 29±2

0,04 0,04 35±2 38±1

0,019 - 32±2 -

С16Н33 0,18 - 22±2 -

0,07 - 25±1 -

0,035 0,04 29±1 23±1

0,018 - 33±2 -

1,00 58±3

0,60 61±4

С8Н17 : С12Н25 10 : 1 0,40 0,30 59±4 57±4

0,20 0,06 0,03 62±3 61±3 53±2

1,00 61±4

0,60 59±2

С8Н17 : С12Н25 10 : 2 О о 34 о о - 65±2 64±3 -

0,20 0,06 0,03 56±4 55±4 53±2

Таблица 3

Поверхностная активность реагентов ряда RNHСН2CН2ОН и их смесей в водной и солянокислой средах

Я О, мДж-м/моль

Н20 0,1 моль/дм3 НС1

С8Н17 40,0 16,9

С8Н17 : С12Н25 10:1 70,8 15,9

С8Н17 : С12Н25 10:2 108,8 17,3

С12Н25 121,9 14,3

На изотермах поверхностного натяжения смесей, занимающих «промежуточное» положение относительно изотерм индивидуальных ГЭА (рис.1), наблюдаются «площадки», свидетельствующие об образовании мицелл различных типов (рис. 2).

Присутствие ГЭА в виде смеси резко снижает значения ККМ в обеих средах (табл. 1) по сравнению с индивидуальными соединениями. Присутствие N-(2-

(а)

гидроксиэтил)додециламина в количестве ~10 масс. % от общего состава смеси увеличивает поверхностную активность водного раствора практически в два раза (табл. 3).

Также была исследована ингибирующая способность индивидуальных ГЭА и модельных смесей по отношению к коррозии Ст 0,5 КП в 0,1 моль/дм3 HCl. Сравнительные результаты коррозионных испытаний приведены в табл. 4.

(б)

Рис. 1. Изотермы поверхностного натяжения смесей ГЭА с R1=CgH17 и R2=C12H25 относительно изотерм индивидуальных соединений в воде (а) и 0,1 моль/дм3 HCl (б)

с, г-Л'1

(а)

(б)

с, г л

Рис. 2. Изотермы поверхностного натяжения смесей ГЭА с R1=C8H17 и R2=C12H25 составов 10:1 (а) и 10:2 (б) в

воде и 0,1 моль/дм3 HCl

Таблица 4

Основные показатели коррозии стали 0,5 КП в 0,1 моль/дм3 HCl в присутствии смесей ^(2-гидроксиэтил)алкиламинов

Cвещества, г/ л Показатель коррозии

(N U Z, % Y

- 0,35±0,01

0,02 0,18±0,01 49 1,9

0,05 0,11±0,01 69 3,2

C8H17NHCH2CH2OH 0,10 0,09±0,02 74 3,9

0,20 0,08±0,02 77 4,4

0,50 0,07±0,02 80 5,0

0,02 0,09±0,01 74 3,8

C8H17NHCH2CH2OH 0,05 0,11±0,01 68 3,1

0,10 0,08±0,02 76 4,2

C12H25NHCH2CH2OH 0,20 0,12±0,01 65 2,9

0,50 0,09±0,02 75 4,0

10:1

0,02 0,11±0,02 68 3,1

C8H17NHCH2CH2OH 0,05 0,11±0,01 69 3,2

0,10 0,11±0,02 68 3,1

C12H25NHCH2CH2OH 0,20 0,09±0,01 74 3,8

0,50 0,08±0,01 77 4,3

10:2

0,02 0,13±0,01 63 2,7

0,05 0,09±0,01 74 3,9

C12H25NHCH2CH2OH 0,10 0,11±0,01 69 3,2

0,20 0,10±0,02 71 3,5

0,50 0,11±0,02 69 3,2

Как показали проведенные измерения, значения ингибиторных эффектов стабильны в области существования сферических мицелл индивидуальных компонентов. В случае смесей ГЭА основная роль в ингибировании коррозионного процесса принадлежит компоненту с большей длиной углеводородного радикала, по всей видимости, за счёт его преиму-

щественной адсорбции на поверхности образца [4].

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант 10-03-00271-а) и программы 09-Т-3-1014.

Список литературы

1. Ланге К.Р. Поверхностно-активные вещества: синтез, свойства, анализ, применение. СПб: Профессия, 2004. 240 с.

2. Пат. № 4223138 USA «Process for the selective preparation of monohydroxyalkylated amines» S. Rudiger. 1978.

3. Шабанов А.Л., Азизова Н.А., Султанадзе С. С., Азизов А. М. Способ очистки сточных вод от меди: а.с. 1583358, СССР, МКИ5 С 02 F 1/24 // Б.И. 1990. № 29.

4. Радушев А.В., Колташев Д.В., Насртдинова Т.Ю. и др. // Журн. прикл. химии. 2010. Т. 83, вып.8. С. 1369-1373.

5. Щукин Е.Д., Амелина Е.А., Перцов А.В. Коллоидная химия. М.: МГУ, 1982. 348 с.

6. Айвазов Б.В. Практикум по химии поверхностных явлений и адсорбции. М.: Высшая школа, 1973. 208 с.

7. Щербань М.Г., Радушев А.В., Батуева Т.Д. // Журн. прикл. химии. 2009. Т. 82, вып.1. C.58-62.

8. Григоров О.Н., Карпова И.Ф., Козьмина З.П., Тихомолова К.П., Фридрихсберг Д.А., Чернобережский Ю.М. Руководство к практическим работам по коллоидной химии. 2-е изд. М.: Химия. 1964. 332 с.

9. Холмберг К., Йёнссон Б., Кронберг Б., Линдман Б. Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2007. 528 с.

10. Абрамзон А.А., Зайченко Л.П., Файн-гольд С.И. Поверхностно-активные вещества: синтез, анализ, свойства, применение. Л.: Химия, 1988. 200 с.

COLLOID-CHEMICAL AND FUNCTIONAL PROPERTIES OF N-(2-HYDROXYETHYL)ALKYLAMINES AND MIXTURES THEREOF

M.G. Scherbana, L.G. Chekanovab, D.V. Koltashevb, A.V. Radushevb, M.D. Plotnikova“, T.Yu. Nasrtdinovab

a Perm State University. 15, Bukirev st., Perm, 614600

b Institute of Technical Chemistry, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 3, Academician Korolev st., Perm, 614013 E-mail: [email protected]

The influence of pH of a medium on colloid-chemical characteristics (surface tension, surface activity, critical concentration values of micelle formation) of N-(2-hydroxyethyl)alkylamines as per general formula RNHCH2CH2OH, where R=C8H17-C16H33, and of mixtures thereupon has been studied. The influence of reagents and of their mixtures on corrosion behavior of steel 0,5 KP in 0,1 mol/l HCl has been investigated.

Keywords: adsorption; surface tension; interfacial wetting angle, inhibitive ability