CC BY
8
УДК 544.77
Стешенко А.А., Тюлягин П.Е., Мурашова Н.М.
ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ОБРАТНЫХ МИКРОЭМУЛЬСИЙ В СИСТЕМЕ ДОДЕЦИЛСУЛЬ ФАТ НАТРИЯ — БУТАНОЛ — КЕРОСИН — ВОДА НА СОЛЮБИЛИЗАЦИЮ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ
Стешенко Арсений Андреевич - магистрант 1-го года обучения кафедры наноматериалов и нанотехнологии; steshenko. arsenii@gmail. com.
Тюлягин Петр Егорович - аспирант 3-го года обучения кафедры наноматериалов и нанотехнологии. Мурашова Наталья Михайловна - доктор химических наук, доцент кафедры наноматериалов и нанотехнологии; ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
Изучено влияние массового содержания компонентов обратных микроэмульсий в системе додецилсульфат натрия (ДСН) - бутанол-1 - керосин - вода на солюбилизационную ёмкость по азотной кислоте и на размер капель обратной микроэмульсии. Получена линейная аппроксимация зависимости максимальной концентрации азотной кислоты в водной фазе микроэмульсии от мольного соотношения бутанола-1 к ДСН (S), массовой доли бутанола-1 и ДСН в микроэмульсии и массового соотношения воды и керосина в микроэмульсии. Ключевые слова: обратная микроэмульсия, додецилсульфат натрия, наноструктурированная среда, химическое полирование, солюбилизационная ёмкость.
EFFECT OF THE COMPOSITION OF INVERSE MICROEMULSIONS IN THE SYSTEM SODIUM DODECYL SULFATE - BUTANOL - KEROSENE - WATER ON NITRIC ACID SOLUBILIZATION
Steshenko A.A,1, Tyulagin P.E.1, Murashova N.M.1
1 Mendeleev University of Chemical Technology, Moscow, Russian Federation
The influence of the mass content of the components of inverse microemulsions in the system sodium dodecyl sulfate (SDS) - butanol-1 - kerosene - water on the solubilization capacity for nitric acid and the droplet size of the inverse microemulsion was studied. A linear approximation of the dependence of the maximum concentration of nitric acid in the aqueous phase of the microemulsion on the molar ratio ofbutanol-1 to SDS (S), the mass fraction of butanol-1 and SDS in the microemulsion, and the mass ratio of water and kerosene in the microemulsion is obtained.
Key words: reverse microemulsion, sodium dodecylsulfate, nanostructured media, chemical polishing, solubilization capacity.
Введение
Микроэмульсии - это термодинамически стабильные изотропные дисперсии двух несмешивающихся фаз (обычно неполярной органической жидкости и воды), стабилизированные поверхностно-активным веществом (веществами). Одним из возможных применений микроэиульсий является микроэмульсионное травление металлов, которое является разновидностью химического травления. Под травлением понимают изменение шероховатости поверхности путём управляемого растворения тонкого поверхностного слоя материала с заготовки [1]. Частным случаем травления является полирование, основной особенностью которого является уменьшение шероховатости поверхности по сравнению с изначальными значениями до обработки. Химическое полирование используется при подготовке металлических изделий для анализа их поверхности, для достижения определённых оптических свойств, для снятия напряжения в металле [2], для увеличения коррозионной стойкости [3].
Микроэмульсионное полирование обладает рядом преимуществ перед другими методами полирования. Обработка деталей не требует сложного оборудования и больших затрат энергии по сравнению с электрохимическим методом. Имеется возможность обработки деталей со сложным профилем поверхности, а сам процесс имеет небольшую
продолжительность по сравнению с механическим методом. В отличие от обычного химического метода полирование происходит равномерно по всех поверхности и уменьшается коррозионное воздействие на аппаратуру в процессе. На качество полирования положительно влияет образование вязкого диффузионного слоя рядом с поверхностью металла, который способствует растворению выступов на поверхности и затрудняет доступ реагента к углублениям [4]. Благодаря использованию обратных микроэмульсий возможно добиться образования диффузионного слоя, а также снизить суммарную концентрацию реагента в полирующей жидкости. Ранее на примере алюминия была показана возможность применения обратных микроэмульсий, содержащих минеральные кислоты, для химического полирования металлов [5].
Для полирования поверхности металлов предлагается микроэмульсия в системе додецилсульфат натрия (ДСН) - бутанол-1 - керосин - водный раствор азотной кислоты. Разработка состава микроэмульсии с высокой
солюбилизационной емкостью по азотной кислоте повышает гибкость её использования: уменьшается необходимая для полирования температура, увеличивается диапазон возможных концентраций кислоты в водной фазе микроэмульсии. Увеличение концентрации полирующей кислоты в водной фазе
микроэмульсии, в свою очередь, увеличивает площадь поверхности, которую можно потенциально отполировать до потери полирующих свойств и необходимости регенерации микроэмульсии.
Целью данной работы было исследование солюбилизационной ёмкости обратных
микроэмульсий по азотной кислоте в системе додецилсульфат натрия (ДСН) - бутанол-1 - керосин - вода в зависимости от ее состава.
Экспериментальная часть
В работе использовались додецилульфат натрия (ч.), бутанол-1 (ч.), керосин авиационный ТС-1 (ТУ 2319-004- 71371272-2006) и азотная кислота (65%, чда). Бидистиллированная вода была получена стандартным методом.
Область концентраций компонентов, выбранная для исследования обратной микроэмульсии, продемонстрирована на рисунке 1, молярное соотношение бутанола-1 к ДСН S было равно 4 и 10. Получение микроэмульсий проводилось при 40°С и перемешивании со скоростью 650 об/мин до полного растворения ДСН, в течение 15-30 минут.
Размер капель микроэмульсии определяли методом динамического рассеяния света с помощью анализатора размера частиц Zetasizer Nano ZS (Malvern, Великобритания). Для получения статистически достоверного результата каждое измерение проводили 3 раза.
Максимальную концентрацию азотной кислоты в водной фазе микроэмульсии определяли титрованием образцов, содержащих только воду в дисперсной фазе, 65% раствором азотной кислоты. В образец микроэмульсии массой 10 г добавляли раствор азотной кислоты порциями по 0,2 мл, после каждого добавления кислоты образец перемешивали и выдерживали 1 минуту для достижения равновесия. Титрование проводили до появления устойчивого
помутнения и последующего расслаивания
микроэмульсии.
SD5—н-бутаиол
Рис.1 Область исследования обратной микроэмульсии на диаграмме Гиббса. 1 — микроэмульсия с осаждённым избытком ДСН; 2 — микроэмульсии I, II и III типа по Винзору; 3 — исследуемая область. Области составов, за исключением областей 1 и 2, это микроэмульсия типа IV по Винзору
Анализ полученных данных проводился по методике многофакторного планирования
эксперимента с помощью R - языка программирования для статистической обработки данных и работы с графикой.
Результаты и их обсуждение Солюбилизационная ёмкость в водной фазе микроэмульсии азотной кислоты и средний размер капель микроэмульсии в составах с разным массовым соотношением компонентов представлены в таблице 1.
№ S Массовая доля ДСН и бутанола-1, масс.% Массовая доля воды, масс.% Максимальная концентрация HNO3 в водной фазе, моль/л Диаметр капель микроэмульсии, нм
1 4 37,5 20,0 1,54 3,5
2 4 37,5 12,0 2,39 2,7
3 4 47,5 20,0 2,08 2,0
4 4 47,5 13,9 2,95 1,9
5 10 37,5 20,0 0,55 4,3
6 10 37,5 12,0 0,68 3,1
7 10 47,5 20,0 0,55 3,0
8 10 47,5 13,9 0,96 1,4
Таблица 1. Солюбилизационная ёмкость и диаметр капель микроэмульсии в различных составах
Была получена линейная аппроксимация зависимости максимальной концентрации азотной кислоты в водной фазе микроэмульсии от состава
микроэмульсии (1). Стал = 1.46 - 0,7&4 + 0,17В + 0,28(7 -
- 0.1АВ-0.15АС+ О.ОАВС + 0.03АВС (1)
где, Стах - максимальная концентрация азотной кислоты в водной фазе микроэмульсии,
А - мольное отношение бутанола-1 к ДСН,
В - массовая доля бутанола-1 и ДСН во всей микроэмул ьсии,
С - массовая доля керосина в смеси керосин-вода при массовой доле воды в смеси бутанол-1-ДСН-вода не менее 20%.
Коэффициент линейной корреляции Пирсона для полученной модели г=0,99997.
Было подтверждено, что увеличение массовой доли ПАВ повышает солюбилизационную ёмкость микроэмульсии по азотной кислоте. Уменьшение
молярного соотношения бутанол-1 к ДСН сильнее влияет на солюбилизационную ёмкость, чем прямое увеличение массовой доли ПАВ и соПАВ в микроэмульсии. При уменьшении массовой доли воды уменьшается площадь границы раздела фаз и ДСН может стабилизировать капли микроэмульсии меньшего размера. Величина вклада каждого параметра и их взаимодействия приведены на рисунке 2.
I
I
Знак вклада
Отрицательный Н Положительный
0.0 0.2 0.4. 0.6 0.8
Вклад параметра
Рис.2 Величина вклада параметров микроэмульсии в значение максимальной солюбилизационной ёмкости по азотной кислоте
Была получена линейная аппроксимация зависимости размера капель микроэмульсии от состава микроэмульсии (2). А = 2,76 + 0,2Ь4 - 0,665 - 0,45С - 0.0043 -— 0,23ЛС+ 0.0БВС — 0,14АБС (2) где, (I - диаметр капель микроэмульсии, А - мольное отношение бутанола-1 к ДСН, В - массовая доля бутанола-1 и ДСН во всей микроэмульсии,
С - массовая доля керосина в смеси керосин-вода при массовой доле воды в смеси бутанол-1-ДСН-вода не менее 20%.
Коэффициент линейной корреляции Пирсона для полученной модели г=0,9998.
Размер капель микроэмульсии растёт при уменьшении количества ПАВ и увеличении массовой доли воды, однако влияние мольного соотношения бутанол-1 к ДСН на солюбилизационную ёмкость значительно больше, чем на диаметр капель микроэмульсии. Таким образом, для достижения максимкльной солюбилизационной ёмкости по азотной кислоте целесообразно уменьшать именно соотношение бутанол-1-ДСН. Величина вклада каждого параметра и их взаимодействия приведены на рисунке 3.
Также не было выявлено корреляционной зависимости между размером капель и солюбилизационной ёмкостью микроэмульсии по азотной кислоте.
Знак вклада
Отрицательный Н Положительный
0.0 02 0.4 06
Вклад параметра
Рис.3 Величина вклада параметров микроэмульсии в значение диаметра капель
Заключение
Было проанализировано влияние массового содержания компонентов обратной микроэмульсии на солюбилизационную ёмкость микроэмульсии. Показано, что для достижения максимальной концентрации азотной кислоты в водной фазе микроэмульсии необходимо уменьшать соотношение бутанола-1 к ДСН. Также на солюбилизационную ёмкость микроэмульсии по азотной кислоте положительно влияет увеличение массового содержания ДСН и бутанола-1 в микроэмульсии, однако в значительно меньшей степени и при значительном уменьшении диаметра капель микроэмульсии. Полученные результаты послужат основой для разработки составов обратных микроэмульсий для химического полирования металлов.
Список литературы
1. Беккерт М., Клемм Х. Способы металлографического травления: Справочник: Пер. с нем. - Металлургия, 1988.
2. Буркин С. П., Шимов Г. В., Андрюкова Е. А. Остаточные напряжения в металлопродукции, Екатеринбург: Изд. Урал. ун-та. - 2015.
3. Заболотный В.Т, Белоусов О.К., Палий Н.А., Гончаренко Б.А., Армадерова Е.А., Севостьянов М.А., Материаловедческие аспекты получения, обработки и свойства никелида титана для применения в эндоваскулярной хирургии // Металлы, 2011. №3. С. 47-59.
4. Грилихес С.Я. Электрохимическое и химическое полирование: теория и практика. Влияние на свойства металлов. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. 232 с.
5. Мурашова Н.М., Левчишин С.Ю., Субчева Е.Н., Краснова О.Г., Юртов Е.В. Химическое полирование алюминия с помощью обратных микроэмульсий, содержащих кислоту // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2020. Т.56. №3. с.309-316.
