Исследование поверхностной активности разных форм средств для стирки

IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Исследование поверхностной активности разных форм средств для стирки

Рачинский Н.В. 1
1МАОУ "Гимназия №16" г.Уфы, РБ
Евсеева Э.А. 1Рачинская М.В. 1
1МАОУ "Гиманзия №16" г.Уфы, РБ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

А ктуальность: Опрос взрослого населения (115 человек) показал, что подавляющее большинство стирают часто.

В состав средств для стирки (СС) входят довольно вредные компоненты. Соблюдение некоторых правил поможет снизить их негативное влияние на организм человека и окружающую среду. Для осознанного выбора необходимо знать физико-химические свойства растворов.

Цель работы: изучение поверхностных свойств растворов разных форм СС для составления рекомендаций по применению.

Гипотеза: поверхностные свойства растворов СС различаются.

Объект исследования: растворы разных форм СС: порошков, жидких, капсул.

Глава 1. Средства для стирки - история, суть, опасности и перспективы (Литературный обзор)

Раньше основным СС были порошки. Сейчас развивается рынок альтернативных средств - гели, концентраты, экологичная продукция [1-3]. ТОП-5 СС представлены Procter & Gamble и Henkel. СС российских производителей - в аутсайдерах [4, 5].

1.1 История стирки

Перечень моющих средств с древних времен и до Викторианской эпохи как список колдовских зелий: бычья желчь, кости, разложившаяся моча, помет, желтки, кипящее молоко, ключевая вода, теплые отруби, глина, селитра, гуммиарабик, мед, опилки, зола, бобовая мука, пивные дрожжи и прочее [6, 7].

Стирка всегда была тяжелым трудом.  Человек постоянно   искал способы его облегчения.

Раньше стирали натуральным мылом из жира животных и золы, затем появились синтетические моющие средства [8-10].

1.2 Поверхностно-активные вещества в СС

Эффективность моющего средства зависит от нескольких факторов:

1) способность переносить частицы грязи; определяется поверхностными явлениями и электростатическими взаимодействиями.

2) эмульгирующая способность, способность дробить загрязнения на частицы; обусловлена поверхностными явлениями.

3) способность к смачиванию ткани - жидкость должна проникать в мельчайшие зазоры.

Важнейшей и легче всего определяемой характеристикой жидкости, связанной с эффективностью средства, является величина поверхностного натяжения (ПН).

Главные действующие компоненты СС - это поверхностно-активные вещества (ПАВ). Они собираются на поверхности жидкости и уменьшают ее ПН, разделяют грязь и жир на фрагменты, переносят их в воду и не дают загрязнениям повторно осесть на ткани [11-13].

1.3 Поверхностное натяжение и механизм действия ПАВ

М олекулы жидкости вблизи поверхности имеют одинаковых с ними соседей только с одной стороны поверхности. У них потенциальная энергия выше, чем у молекул внутри жидкости. Избыток потенциальной энергии молекул, находящихся на поверхности, по сравнению с потенциальной энергией этих же молекул в толще жидкости, называется коэффициентом поверхностного натяжения  и является численной характеристикой этой работы (рис.1.1).

Чем сильнее взаимодействие молекул в теле, тем больше его ПН. Таким образом, ПН является мерой стремления поверхности раздела к сокращению. ПН измеряется в Н/м (1Дж/м2 ­­=1 Н/м) [14 - 18].

К огда в воду добавляют ПАВ, свойства меняются.

Особенностью молекул ПАВ является способность образовывать на поверхности жидкости адсорбционные пленки. Молекулы ПАВ содержат две группы радикалов, обладающих противоположными свойствами, полярными и неполярными. Молекулы ПАВ адсорбируются на границе воды с воздухом и ориентируются определенным образом. Гидрофильная часть взаимодействует с водой, а неполярная, гидрофобная часть ориентируется в неполярную среду (рис.1.2).

П о мере роста концентрации ПАВ ПН снижается до тех пор, пока не сформируется адсорбционный монослой молекул ПАВ. После насыщения увеличение концентрации способствует образованию агрегатов молекул - мицелл в толще воды (рис. 1.3).

Моющим действием обладают растворы коллоидных ПАВ.

Стадии моющего действия (рис.1.4):

1 стадия. Адсорбция ПАВ приводит к снижению ПН и улучшению смачивания.

2 стадия. Дробление загрязнений и переход их в раствор.

3 стадия. Удержание частиц загрязнений в жидкой среде и предотвращение их оседания.

Между молекулами ПАВ в растворе, мицеллах и поверхностном слое - динамическое равновесие. Мицеллы - поставщики ПАВ в раствор при их расходовании [21-23].

1.4 Влияние ПАВ на природу и организм человека

При попадании в организм ПАВ покрывают клеточную поверхность мембран, изменяют интенсивность процессов, активность ферментов, нарушают обмен веществ (таб.1.1). Особенно агрессивны А-ПАВ: могут вызывать грубые нарушения иммунитета, аллергию, поражение мозга, печени, почек, легких. Насколько ПАВ может биоразлагаться, настолько он может быть экологичным [24-27].

Таблица 1.1.

Типы ПАВ, используемые в производстве СС.

Тип ПАВ

Характеристика

Влияние на природу и человека

Ионогенные анионные, А-ПАВ

Они стоят недорого, но при этом прекрасно пенятся, поэтому чаще всех встречаются в составе порошков (около 70%). В странах Западной Европы запрет на использование А-ПАВ в составах стиральных порошков. Допустимая норма анионных ПАВ - от 2-5%. Лучше, если их совсем не будет в составе.

Самый страшный враг нашему организму: поражают внутренние органы, провоцируют аллергию, раздражение на коже.

Ионогенные катионные ПАВ,

К-ПАВ

Плохо пенятся, моющие свойства слабые, применяются только как сильные обеззараживающие добавки в композиции с А-ПАВ и Н-ПАВ.

Для организма особого вреда не представляют.

Ионогенные амфотерные ПАВ

Вместе с А-ПАВ увеличивают способность пениться и делают состав менее вредным; стоят дорого и многими производителями не применяются.

Эти ПАВ из природного сырья, они более экологичны.

Неионогенные ПАВ, Н-ПАВ

Отличные моющие свойства, могут удерживать различные загрязнения в воде даже без добавок, не оказывают негативного воздействия на кожу, на внутренние органы; хорошая совместимость со вспомогательными компонентами; их недостаток - слабое пенообразование в воде, поэтому производители добавляют вместе с ними А-ПАВ.

Самые нетоксичные и менее вредные ПАВ, биоразлагаемы - быстро разлагаются на безвредные компоненты в сточных водах.

Обзор литературы показывает, что изучение физико-химических свойств растворов ПАВ имеет большое значение не только с практической точки зрения, но важно и с экологической точки зрения: избыточное использование СС загрязняет воду и почву.

В практической части нашего исследования мы изучили поверхностные свойства растворов разных форм СС для того, чтобы установить, различаются ли они по моющей способности и можно ли их применять меньше, чем рекомендовано.

Глава 2. Практическая часть

Использованные реактивы и оборудование

Реактивы: вода дистиллированная, вода из системы водоснабжения, сода, спирт медицинский (95 %), средства для стирки: порошки: "Каждый день ("КД" "Ашан")", "Миф", "Ariel", "Persil", "BiMax", "Пемос"; жидкие средства: универсальное "КД" для цветного белья, "Ariel", "Persil", «Ласка Бальзам» для шерсти и деликатных тканей, "Ласка" Защита от катышков, универсальное "Жидкое хозяйственное мыло"; капсулы: "Каждый день" для цветного белья, "Ariel" 3in1 Pods, "Persil", "Ашан".

Оборудование и материалы: мерная посуда, банки, стаканы, фильтровальная бумага, сталагмометрическая установка: штатив с креплениями, пипетка на 5 мл с зажимом, весы электронные Digital Scale Professional-mini (200 г, точность 0,01 г).

Методики, использованные при выполнении работы

2.1 Приготовление растворов

Растворы СС готовили, растворяя средство в водопроводной воде (жесткость 20-25 dGH) (жесткость воды определяли по стандартной методике [28]).

Максимальная концентрация - двойной избыток по отношению к рекомендации: 16 г или 16 мл на 1 л воды. Далее растворы готовили последовательным разведением. Отклонения при приготовлении растворов не превышали 5-10 %.

2.2 Качественная оценка влияния добавки средства для стирки на поверхностное натяжение воды ("Бездонный бокал")

В зяли два бокала, до краев налили в первый воду, в другой - воду с добавленнным СС. По одному опускали в бокал шурупы. Считали количество шурупов, которое уместилось в бокал до того момента, как вода начинала выливаться за край [29]. Сравнили их количество и массу.

2.3 Влияние раствора СС на смачиваемость ткани

На чистую шерсть из шприца на 10 мл без иглы наносили по 1 капле воды и раствора СС. Отмечали, смачивается или нет шерстяной образец, наблюдали за формой и поведением капли (рис.2.1).

2.4 Оценка поверхностного натяжения растворов сталагмометрическим способом

ПН растворов оценивали сталагмометрическим способом (прибор на рис. 2.2).

Д ля расчетов коэффициента ПН необходимо знать массу капли и радиус отверстия, из которого она вытекает. Измерив вес Р оторвавшейся капли и радиус шейки в момент отрыва, можно вычислить коэффициент ПН [32].

Массу капли находили с помощью электронных весов Digital. Отсчитывали 100 капель и находили массу одной капли. Измерения проводили не менее 3-5 раз. Ошибка измерений не превышала 10 %.

Рассчитывали коэффициент поверхностного натяжения по формуле:

, где m - масса капли раствора,

g - ускорение свободного падения,

r - радиус отверстия.

Результаты измерений представляли в виде графиков.

Примечание. На графиках (раздел 3.2) не указаны пределы погрешностей измерений, так как они перекрываются размерами маркеров.

Растворы и воду перед измерениями выдерживали в одинаковых условиях, т.е. их температура при измерениях была одинакова. Цель была сравнить свойства растворов в одних условиях между собой. Температура в помещении была 21-22 0С.

Г лава 3. Результаты исследования и их обсуждение.

Согласно результатам соцопроса, чаще потребители выбирают порошки (рис.3.1). Оптимален ли этот выбор?

С помощью экспериментов и анализа мы попытались разобраться, как влияют СС на свойства воды, и какая форма СС обладает лучшей моющей способностью.

3.1 Опыты, качественно демонстрирующие поверхностные свойства жидкостей

3.1.1 Как действуют добавки СС на воду

Мы выполнили эксперимент на основе опыта "Бездонный бокал" [29]; оценивали максимальное количество шурупов, которое можно положить в бокала до разрыва пленки на поверхности воды и раствора.

Всего несколько капель СС значительно повлияли на результат: в бокале с водой уместилось шурупов массой около 160 г, а во втором - с моющим средством - массой 70 г (рис. 3.2).

ПН воды при добавлении СС становится ниже. Капли раствора с моющим средством мельче, чем капли чистой воды.

3.1.2 Смачивание поверхностей водой и растворами СС

Капля воды на поверхности материала либо растекается, либо нет [33]. Если в воде растворено вещество, капли ведут себя не так, как чистая вода.

Опыт показывает, что растворы, содержащие СС, лучше и быстрее смачивают материалы (рис. 3.3). Так, на поверхности шерсти вода сохраняет форму капли, а раствор СС растекается и впитывается.

При смачивании капля воды растягивается в пленку [34], а со смачиваемостью напрямую связан капиллярный эффект. Ткань - это переплетение волокон, внутри которых огромное количество капилляров. Как связаны ПАВ в растворах СС с капиллярностью волокон в ткани и стиркой?

Возможны два варианта капиллярных явлений (рис.3.4а).

Если набрать раствор СС в стеклянный капилляр с небольшим диаметром, видно, что поверхность воды в капилляре выше поверхности в цилиндре, в который вставлен капилляр, и образует вогнутый мениск (рис.3.4б).

Значит, раствор СС - это жидкость с отрицательной кривизной поверхности (рис.3.4в). Это создает дополнительное давление, которое стремится растянуть жидкость и поднимает ее в капилляре [16]. Получается, что растворы СС лучше, чем вода, смачивают ткани.

3.2 Поверхностная активность разных форм средств для стирки

Чем активнее СС снижает ПН воды, тем лучше удаляет большую часть загрязнений, тем меньше СС можно использовать [21, 22, 35].

Загрязнения одежды - это смесь пыли и жира [36, 37]. Жиры не растворяются в воде [38]. Благодаря ПАВ загрязнения смачиваются и удаляются [39].

Механизм действия ПАВ понятен. Но СС на их основе огромное количество. Различается ли механизм моющего действия разных форм СС?

Мы выбрали несколько средств и оценили их поверхностную активность (ПА).

ПА связана с ПН жидкости: чем ниже ПН, тем выше ПА.

Простейшим прибором для определения ПН является специальная капельница (сталагмометр). Он состоит из пипетки, из которой капает жидкость. Чем больше капля, чем больше ПН [40].

3.2.1 Поверхностная активность растворов стиральных порошков

Зависимость ПН растворов от содержания порошка была сходна: при увеличении концентрации ПН раствора снижалось и при некотором значении выходило на плато (рис.3.5). Чем ниже концентрация при выходе на плато, тем эффективнее средство.

Лучшие результаты у порошков - "Ariel" и "Миф", худшие - ­­"КД" и "BiMax". Они имели меньшую ПА по сравнению с другими средствами.

При двойном избытке относительно рекомендации ПА худших порошков на таком же уровне, как и у лучших.

Также на рисунке 3.5 указаны точки ПА растворов соды. Сода была основным компонентом первых порошков [41] и сейчас используется для стирки, но не относится к ПАВ. Ее использование строится на других механизмах (очевидно, химических [42]).

3.2.2 Поверхностная активность растворов жидких СС

Зависимость ПА растворов жидких СС была аналогична зависимости ПА растворов порошков (рис.3.6). Расхождения начались при концентрации ~0,4-0,5 вес.%. Это меньше, чем у растворов порошков.

Лидер - "Ariel". Его ПА начала снижаться лишь при концентрации 0,2 %, моющая способность сохраняется при больших разведениях.

Анти-лидер - "КД", но и его характеристики вполне удовлетворительны, ПА начинает снижаться при концентрации 0,4-0,5 %.

3.2.3 Поверхностная активность растворов содержимого капсул для стирки

Объем капсулы меньше, чем объем жидкого средства, рекомендуемый для такого же объема воды. Соотношение "объем геля : объем капсулы" ≈ 75:25 ≈ 3:1. Это учитывали при приготовлении растворов. Максимальная концентрация растворов содержимого капсул была 0,5 % (порошков и жидких - 1,6 %).

Капсулы имеют 2 или 3 отделения-камеры со средствами разного цвета. Различается ли их содержимое? Растворы готовили, взяв одинаковое количество содержимого из каждого отделения. Результаты оценки ПА растворов содержимого капсул для стирки на рис.3.7.

Судя по полученным данным, ПА и моющая способность всех капсул примерно на одном уровне.

На рисунке 3.8 сравнение данных для капсул "Ariel" и "Каждый день". Они почти аналогичны.

При сравнении поверхностных свойств растворов всех трех форм обнаружили следующее: моющая способность средств "Ariel" во всех трех формах была высокой (рис.3.9), а средств "КД" - отличалась (рис.3.10).

Мы оценивали лишь моющую способность СС, которую характеризует их ПА. Предельно низкие значения ПН при концентрациях 0,3–0,5 % свидетельствует о высокой эффективности средства.

Кроме ПАВ, большую опасность представляют содержащиеся в СС смягчители воды: фосфаты в порошках и ЭДТА в жидких средствах. Фосфаты способствуют эвтрофикации и гибели водоемов, а ЭДТА способствует извлечению ионов металлов из почвы, чем ухудшает качество питьевой воды. Зная моющие свойства СС, можно снизить поступление в экосистемы этих веществ-загрязнителей. Для стирки слабозагрязненных вещей лучше использовать жидкие средства, для борьбы с пятнами - порошки.

Выводы

Добавление моющих средств изменяет свойства воды.

ПА разных форм СС различается, но незначительно.

У всех изученных средств ПА в области концентраций, соответствующей рекомендованной, была примерна одинакова.

Лучшие результаты показала марка "Ariel". Моющая способность высокая даже при сильном разбавлении. Таких средств можно использовать даже чуть меньше, чем рекомендует производитель. Наихудшая ПА у порошка "КД".

Результаты исследования имеют несомненное практическое значение. Зная необходимое количество СС и применяя их правильно, можно значительно снизить количество избыточных бытовых стоков с остатками СС и поступление в природные водоемы и почву веществ-загрязнителей.

Как видим, даже такое обыденное дело как процесс стирки требует знаний по физике растворов. Каждый раз, когда вы правильно выполняете стирку, вы делаете пусть небольшой, но в перспективе очень важный, шаг - вносите посильный вклад в защиту окружающей среды от излишних стоков бытовой химии в природные водоемы и почвы.

Берегите природу - стирайте свои вещи правильно с точки зрения физики!

Список литературы

Россияне потребляют 4 кг стирального порошка в год, ИА "Альянс Медиа // http://www.giac.ru/w-News.asp?ID=328252

Кто и как делит российский рынок стирального порошка // http://www.ruhim.ru/article/rinok_stiralnogo_poroshka.htm

Рынок синтетических моющих средств стремительно развивается // http://www.rcc.ru/Rus/Conferences/?ID=466627

Рынок моющих средств захватил Procter&Gamble // http://www.omar.ru/cgi-bin/baza/news/newsprint.cgi?id=6371&main

http://news-fort.com/30063-kak-stirali-bele-v-drevnosti-full.html

http://ozmablog.ru/kak-stirali-bele-v-drevnosti

Ленн А.С. Колдовство стирки // Химия и жизнь, 1980, №11, с.62.

Шпаусцус З. Путешествие в мир органической химии. - М.: Мир, 1967, с. 151-164.

Харлампович Г.Д., Семенов А.С., Попов В.А. Многоликая химия. - М.: Просвещение, 1992, с. 52-64.

Раубах Х. Загадки молекул. - Л.: Химия, 1979, с.28-37.

Гроссе Э., Вайсмантель Х. Химия для любознательных. Основы химии и занимательные опыты. - Л.: Химия, 1985, с.251-254.

Ванклив Дж. Занимательные опыты по физике. - М.: АСТ: Астрель, 2008, с. 36-41.

http://www.hintfox.com/article/sravnitelnaja-harakteristika-stiralnih-poroshkov.html

Асламазов А.Г., Варламов А.А. Удивительная физика. - М.: Добросвет, 2002, с. 72-84.

Яворский Б.М., Пинский А.А. Основы физики. Т.2. - М.: Физматлит, 2017, с. 419-423.

Яковлева А.А. Коллоидная химия: учеб. пособие для СПО. - М.: Издательство Юрайт, 2019. - с.35-45.

Рабиза Ф. Опыты без приборов. - М.: Детская литература, 1988, с.11-15.

Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Физика для средних специальных учебных заведений: Учебник. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984, с.90-95.

Артеменко А.И. Удивительный мир органической химии, ....2005, с.224-231.

Tro N.J., Neu D. Chemistry in Focus/ A molecular view of our world. Third edition. - BROOKS/COLE, CENGAGE Learning, Belmont, p. 402-410.

Зимон А.Д. Занимательная коллоидная химия. - М.: Агар, 2002, с.52-66.

Блумфилд Л.А. Как все работает. Законы физики в нашей жизни. Пер. с англ. - м.: Изд-во АСТ: CORPUS, 2016, с.634-638.

Энциклопедический словарь юного химика, Педагогика, 1990, с.188-189, 190.

https://narmed.ru/articles/zdorove/pifpav_ojojoj_izuchaem_stiralnyj_poroshok_s_lupoj

Ермолаева В.А. Химическая структура основных компонентов синтетических моющих средств // Современные наукоемкое технологии. - 2007. - №10. - С.34-38.

https://ecotechnica.com.ua/stati/681-gryaznoe-bele-i-chistaya-okruzhayushchaya-sreda-kakie-sredstva-dlya-stirki-naibolee-ekologichny.html

http://zdravotvet.ru/kak-vliyaet-bytovaya-ximiya-na-zdorove-kak-vybrat-bezopasnye-sredstva-ili-sdelat-samim/

http://h2o.105mb.ru/opredelenie_obshei_zhestkosti_.html

Перельман Я.И. Занимательная физика.- М.: АСТ, 2019, с. 114.

http://fzprofil.ru/load/dz/10a_f/16_02_2017/7-1-0-258

Белоногова Г.У., Белоногов В.А. Проведение практических работ исследовательского характера. Элективный курс «Поверхностные явления» // http://him.1september.ru/view_article.php?ID=200901102

Поляков Н.Н., Мицук С.В. Лабораторный практикум по молекулярной физике. Учебное пособие для студентов высших учебных заведений. – Липецк: ЛГПУ, 2008. – с.63-71.

Ола Ф., Дюпре Ж.-П. и др. Занимательные эксперименты и опыты / Пер. с фр. Д. А. Овчинниковой. - М.: Айрис-пресс, 2013, с.17.

Шартогашева А. Как на самом деле ведет себя капля воды? // Популярная механика, сентябрь, 2016 // https://www.popmech.ru/science/271272-kak-na-samom-dele-vedet-sebya-kaplya-vody/

Кукушкин Ю.Н. Химия вокруг нас. - М.: Высш. школа, 1992, с.93-102.

Юдин А.М.. Сучков В.Н.. Коростелин. Химия для вас. - М.: "Химия", 1985, с.81.

Юдин А.М., Сучков В.Н. Химия в быту. - М.: "Химия", 1981, с.11.

Стрельникова Л. Из чего все сделано? Рассказы о веществе. - М.: Яуза-пресс, 2011, с.169.

Кольцов Л.В., Лосева М.А. Мицеллообразование в растворах ПАВ. - Самара, 2017, с.6.

Оствальд В. Краткое практическое руководство по коллоидной химии. - М.: Книжный дом "ЛИБРОКОМ", 2010, с. 37.

http://istoriz.ru/stiralnyj-poroshok-istoriya-izobreteniya.html

Котомин И.А. Процесс омыления и примеры расчетов // http://www.magicaltouch.ru/page/stati/mylo-i-kremovaram/protsess-omyleniya-i-primery-raschetov/

 

18

Просмотров работы: 14