Химия вокруг нас Поверхностно-активные вещества (ПАВ). Обеззараживание питьевой воды Кафедра медицинской химии НГМУ д. б. н. Гимаутдинова О. И.
ПАВ l Химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела фаз, вызывают снижение поверхностного натяжения.
Строение ПАВ l l ПАВ — органические соединения, имеющие амфифильное строение, то есть их молекулы в своём составе содержат полярную часть, гидрофильный компонент (функциональные группы -ОН, -СООН, -SO 3 H, -O- и т. д. , или их соли -ОNa, СООNa, -SO 3 Na) и гидрофобный компонент, т. е. неполярную (углеводородную) часть. Примером ПАВ могут служить обычное мыло (смесь натриевых солей жирных карбоновых кислот — олеата, стеарата натрия) и синтетические моющие средства (СМС ), а также спирты, карбоновые кислоты, амины с длинной углеводородной цепочкой.
Классификация ПАВ Ионогенные ПАВ Катионные Анионные Амфотерные l Неионогенные ПАВ Алкилполиглюкозиды Алкилполиэтоксилаты l
Анионные ПАВ Это органические кислоты и их соли. Анионоактивные вещества составляют большую часть мирового производства ПАВ. Анионные соединения (ацетилпептиды, лаурил– и лауретсульфаты натрия, калия, магния или аммония) лучше всех других групп ПАВ удаляют грязь с контактных поверхностей, поэтому без них не обходится ни одно действенное очищающее средство. Эти ПАВ люди научились производить раньше других (пепел, которым посыпали себе голову древние мудрецы). Далее анионные ПАВ стали варить из белков и жиров, ощелоченных (KOH) при помощи золы (самое популярное щелочное природное сырье — зола дерева Salasola soda) и других щелочных соединений. В качестве сырья для анионных ПАВ используется кокосовое, пальмовое, рапсовое, соевое масло, свиной жир, спермацет, масло из коровьего и козьего молока.
Анионные ПАВ Выдающиеся очищающие качества ионных ПАВ объясняются строением их молекул, которые состоят из двух частей — гидрофильной и гидрофобной. Первые позволяют им растворяться в воде или полярных растворителях и полностью смываться ею с поверхности кожи, а вторые — контактировать с неполярными веществами (углеводородами, смолами, мочевиной, пылью, жирами, маслами). Во время мытья с шампунем или мылом гидрофобные «челюсти» связывают захваченные частички грязи, помещая их в центр мицеллы.
Мицеллообразование Мицелла (новолат. micella, уменьшительное от лат. mica) — крошка, крупинка. Мицелла - полый шар, образованный сотнями молекул ПАВ, гидрофобные части которых направлены внутрь, а гидрофильные части — наружу в воду, образуя поверхностный слой мицеллы. грязь
Катионные ПАВ l l l Катионоактивные ПАВ - соединения, которые растворяясь диссоциируют в водном растворе с образованием катионов. В силу своего положительного заряда они притягиваются к отрицательно заряженным волосам и роговым чешуйкам эпидермиса, ускоряя их смачивание, фиксируют на поверхности ценные лечебные компоненты косметического препарата, а также оказывают брадикиназное действие (устраняют раздражение, зуд, жжение, отечность). Они убивают грамотрицательные бактерии. Катионные ПАВ — ценные компоненты шампуней, бальзамов, кондиционеров. Они активизируют пенообразование, повышают продуктивность кислородообмена кожи и волос, эмульгируют ароматические масла в водном растворе, оказывают бактерицидное действие, устраняют остаточный электрический заряд на волосах после мытья, обеспечивают легкое расчесывание, укладку и усиливают действие лечебных компонентов на кожу и волосы.
Катионные ПАВ l l l Группы катионных ПАВ: амины различной степени замещения и четвертичные аммониевые основания, др. азотсодержащие основания (гуанидины, гидразины, гетероциклические соединения), четвертичные фосфониевые и третичные сульфониевые основания. Четвертичные аммониевые основания представляют собой полисахариды, получаемые из молочных продуктов, ланолина, картофеля, кукурузы, сахарного тростника, свеклы, подсолнечника. Катионоактивные ПАВ и неионогенные ПАВ синтезируют из моно-, ди- и полиаминов и их производных.
Амфотерные ПАВ Производители качественной косметики для того, чтобы смягчить действие лучших, т. е. анионных ПАВ (в частности, для того чтобы анионные ПАВ не повредили жировой комплекс гидролипидной мантии) и при этом не снизить очищающей активности препарата, обязательно вводят в мылящуюся формулу амфотерные и неионные ПАВ. Они нейтрализуют кислотную реакцию анионов, способствуют их быстрому расщеплению, при этом увеличивая плотность и уменьшая избыточную «воздушность» (диаметр) пузырьков пены. Амфотерные ПАВ являются одним из самых дорогих ингредиентов мылящейся основы. Их получают выжимкой, экстракцией, ректификацией и окислением природного сырья (как растительного, так и животного). Источники амфотерных ПАВ, а именно кокоамфоацетата, лактата, альфа-аминокислот, пектинов, восков, — это мыльнянка, водоросли, мякоть яблок, корнеплоды (свекла, морковь, топинамбур), пальмовое масло, молочные продукты, ланолин.
Амфотерные ПАВ l Нельзя просто совместить катионные и анионные ПАВ в одной мылящейся форме, т. к. они выпадут в осадок. Благодаря амфотерным ПАВ эта проблема была разрешена. Они легко отдают и присоединяют электронную пару, т. е. проявляют как кислотные, так и основные свойства в зависимости от р. Н среды: в щелочной среде амфотерные ПАВ становятся анионами, а в кислотной — катионами.
Свойства и получение амфотерных ПАВ l l l Защищают кожу и волосы от сухости и раздражения, реставрируют роговой слой эпидермиса и кератин волос, смягчают и повышают эластичность соединительной ткани, придают волосам шелковистость, а пене мылящегося вещества — кремообразную текстуру. Получены из анионных ПАВ введением в них аминогрупп или из катионных введением кислотных групп. Такие соединения, например, RNHCH 2 COONa получают взаимодействием первичного амина и метилакрилата с последующим омылением сложноэфирной группы щелочью.
Получение амфотерных ПАВ RNH 2 + CH 2=CHCOOCH 3 RNHCH 2 COOCH 3 метилакрилат RNHCH 2 COOCH 3 + Na. OH RNHCH 2 COONa + CH 3 OH l Амфотерные ПАВ выпускаются в небольшом количестве, их потребление расширяется медленно.
Неионогенные ПАВ IV – V - алкилполиэтоксилаты
Применение ПАВ Моющие средства. Основное применение ПАВ — в качестве активного компонента моющих и чистящих средств для ухода за помещениями, посудой, одеждой, вещами, автомобилями и пр. В 2007 году в России было произведено более 1 млн тонн синтетических моющих средств, главным образом, стиральных порошков. Медицина. Катионные и анионные ПАВ применяют в хирургии в качестве антисептиков. Например, четвертичные аммониевые соединения приблизительно в 300 раз эффективнее фенола по губительному действию в отношении микроорганизмов. Антимикробное действие ПАВ связывают с их влиянием на проницаемость клеточных мембран, а также ингибирующим действием на ферментативные системы микроорганизмов. Неионогенные ПАВ практически не обладают противомикробным действием.
Применение ПАВ Пищевая промышленность. ПАВ применяется в мороженом, шоколаде, взбитых сливках и соусах. Косметика. Основное использование ПАВ в косметике — шампуни, где содержание ПАВ может достигать десятков процентов от общего объёма. Также ПАВ используются в в зубной пасте, лосьонах, тониках и др. Текстильная промышленность. ПАВ используются для снятия статического электричества на волокнах синтетических тканей. Защита растений. ПАВ широко используются в сельском хозяйстве для образования эмульсий, которые повышают эффективность транспортировки питательных компонентов к растениям через мембранные стенки.
Состав стиральных порошков Современные стиральные порошки содержат ПАВ, другие активные компоненты (например, оптические отбеливатели), отдушки, вещества для связывания ионов жесткости: кальция и магния (трифосфат натрия - Na 5 Р 3 О 10), ферменты, а также балласт из солей (сульфат натрия, хлорид натрия). В стиральном порошке, предназначенном для автоматической стирки, присутствуют вещества, подавляющие пенообразование. В некоторых стиральных порошках фосфаты заменяются другими веществами для связывания ионов жесткости: цеолитами, цитратами.
Химические отбеливатели Являясь окислителями, отбеливатели химически разлагают и обесцвечивают загрязнения, обладающие интенсивным цветом (например, пятна от вина или травы), а также способствуют дезинфекции. Отбеливатели делятся на хлорсодержащие и пероксидные. Пигменты применяются для улучшения цвета белых текстильных изделий. Синька применяется для коррекции жёлтого оттенка застиранного белья, а оптический отбеливатель ( «оптическая синька» ) является флуоресцентным веществом, преобразующим ультрафиолетовое излучение в синий свет, что устраняет желтизну и повышает альбедо (характеристика отражательной - рассеивающей свет способности поверхности).
Экологические проблемы За последние 30 лет созданы новые более безопасные рецептуры стиральных порошков, но проблема полной их безопасности еще не решена. Наиболее массовыми стиральными порошками до 80 -х годов были порошки на базе соединений фосфора. Учеными многих стран было установлено, что они кроме экологического вреда, наносят еще и вред здоровью людей. Контакт кожи с растворами и остатками порошков из выстиранной одежды приводит к обезжириванию и уничтожению защитных функций кожи, которая перестает задерживать и начинает свободно пропускать в лимфатическую и кровеносную системы человека опасные компоненты - фосфаты, ПАВ, микробы, вирусы, и т. д. Особенно агрессивны анионные ПАВ. Они способны вызывать грубые нарушения иммунитета, развитие аллергии, поражения мозга, печенки, почек, легких.
Основные направления для снижения токсичности стиральных порошков 1. Вместо фосфатов для смягчения воды фирма Henkel (Германия) и Procter&Gamble (США) разработали рецептуру на основе цеолита в 1973 г. И только в 1982 году было начато их массовое производство. На данное время порошки на базе цеолита занимают от 50% до 100% рынка в 40 развитых странах мира. Однако эти порошки имеют существенные гигиенические проблемы: - низкая выполаскаемость остатков порошка из тканей; - высокое содержание алюмосиликатов (цеолита), которые вызывают обезжиривание кожи и вызывают загрязнение водоемов алюминием; - содержат более 7% анионных ПАВ, вместо гигиенической нормы 2%; - в некоторых случаях могут повреждать ткани и их цвет.
Основные направления для снижения токсичности стиральных порошков 2. Вместо порошков в отдельных странах широко пропагандируются жидкие моющие средства (США, Канада). При высшей экологической безопасности жидкие моющие средства имеют сниженную моющую способность и в 5 -6 раз выше гигиенической нормы концентрацию ПАВ. Кроме того жидкие моющие средства можно использовать лишь в мягкой воде. 3. Мировая химическая наука пытается создать идеальное по безопасности моющее средство без ПАВ. С этой целью проводятся исследования по разработке доступной технологии по расщеплению кластеров молекул воды больших размеров на более мелкие части для получения, так называемой, активированной воды (обработка ультразвуком и т. д. ).
Хлорирование воды Это обработка воды хлором и его соединениями. Наиболее распространённый способ обеззараживания питьевой воды; основан на способности свободного хлора и его соединений угнетать ферментные системы микробов, катализирующие окислительно-восстановительные процессы. История. По мнению многих экспертов, хлорирование воды - это самое крупное изобретение в медицине XX века, принесшее огромную пользу человеку. Именно хлорирование воды, а не открытие антибиотиков, инсулина или пересадка сердца спасло больше всего жизней. Оно остановило распространение кишечных инфекций в городах. Хлорировать воду стали в начале XX века. А впервые хлор для обеззараживания воды использовали в Лондоне после эпидемии холеры 1870 г. В России хлорирование воды было осуществлено в 1908 году, также в связи с эпидемией холеры. В последующие годы хлорирование воды как эффективное средство борьбы с инфекционными заболеваниями распространилось во всем мире быстрыми темпами и в настоящее время такой водой пользуются многие сотни миллионов людей.
Хлорирование воды Известно, что хлор – это яд. Яд настолько сильный, что именно хлор был одним из первых газов, использовавшихся в первой мировой войне в качестве химического оружия. Токсичность хлора связана с его высокой окислительной способностью. Это означает, что хлор способен взаимодействовать с любой органикой, т. е. образовывать хлорорганические соединения. В последнее время появляются новые методы обеззараживания воды. Но они пока еще дороже хлорирования и не гарантируют от заражения уже обработанной воды после того, как она пошла по трубам. А потому отказываться от хлора еще рано. Когда от хлора отказались в Перу для сокращения числа раковых заболеваний, то это привело к обширной вспышке холеры.
Хлорирование воды Для хлорирования воды на водопроводных очистных станциях используется сжиженный хлор и хлорная известь (для станций малой производительности). При введении хлора в воду: Cl 2 + H 2 O = HOCl + HCl Диссоциация образовавшихся кислот: HOCl = H+ + OCl- HCl = H+ + Cl- Получающиеся в результате диссоциации хлорноватистой кислоты гипохлоритные ионы OCl- обладают наряду с недиссоциированными молекулами хлорноватистой кислоты бактерицидным свойством. Сумму частиц (Cl 2 + HOCl + OCl- ) называют «свободным активным хлором» .
В чем польза хлорирования воды? Широкому распространению хлора в технологиях водоподготовки способствовала его эффективность при обеззараживании природных вод и способность консервировать уже очищенную воду длительное время. Кроме того, предварительное хлорирование воды позволяет снизить цветность воды, устранить запахи и привкус, уменьшить расход коагулянтов, а также поддерживать удовлетворительное санитарное состояние очистных сооружений станций водоподготовки. Эффективность, доступность и умеренная стоимость, а так же большой опыт работы с этим реагентом обеспечили хлору исключительную роль - более 90% водопроводных станций в мире обеззараживают и обесцвечивают воду хлором, расходуя до 2 млн тонн этого жидкого реагента в год.
Недостатки хлорирования Хлор как реагент водоподготовки имеет существенные недостатки. Хлор и хлорсодержащие соединения обладают высокой токсичностью, что требует строгого соблюдения требований техники безопасности. Хлор воздействует, в основном, на вегетативные формы микроорганизмов, при этом грамм-положительные штаммы бактерий более устойчивы к воздействию хлора, чем грамм-отрицательные штаммы. Высокой резистентностью к действию хлора обладают также вирусы, споры и цисты простейших а также яйца гельминтов. Необходимость транспортировки, хранения и применения на водопроводных станциях значительного количества жидкого хлора, а также сбросы этого вещества и его соединений в окружающую среду обусловили высокую экологическую опасность. Хлор обладает высокой коррозионной активностью.
В чем проблема? Хлор вступает в химические реакции со всеми органическими и неорганическими веществами в воде. В поверхностных источниках воды находится огромное количество сложных органических веществ природного происхождения, а в большинстве крупных промышленных городов в воду попадают с промышленными стоками красители, ПАВ, нефтепродукты, фенолы и пр. При хлорировании воды, содержащей вышеприведенные вещества, образуются хлорсодержащие токсины, мутагенные и канцерогенные вещества и яды. - Хлороформ обладает канцерогенной активностью. - Дихлорбромметан, трибромметан и т. п. - мутагенные и канцерогенные свойства. - 2, 4, 6 -трихлорфенол, 2 -хлорфенол, дихлорацетонитрил, полихлорированные бифенилы являются иммунотоксичными и канцерогенными веществами.
Связь хлорирования воды с онкологией Данные вещества оказывают замедленное убийственное воздействие на организм человека. Очистка питьевой воды от хлора не решает проблемы, т. к. многие из опасных соединений, образующиеся в воде в процессе ее хлорирования, попадают в организм человека через кожу во время мытья, приема ванн или посещения бассейна. По некоторым данным часовое принятие ванны из хлорированной воды соответствует 10 л выпитой хлорированной воды. Первые попытки связать онкологическую заболеваемость населения с качеством питьевой воды были предприняты еще в 1947 году. Но вплоть до 1974 года хлорирование воды никак не связывали с онкологией. Считалось, что хлорированная вода не оказывает на здоровье человека неблагоприятного действия.
Связь хлорирования воды с онкологией К сожалению данные по связи потребления хлорированной воды поверхностных водоисточников с частотой злокачественных новообразований у населения стали накапливаться только с 70 -х годов. По мнению некоторых исследователей с употреблением такой воды может быть связано от 30 до 50% случаев злокачественных опухолей. Другие приводят расчеты, в соответствии с которыми потребление речной воды (по сравнению с водой подземных источников) приводит к увеличению онкологической заболеваемости на 15%.
Чем опасен хлор, попадающий в организм человека? Побочный эффект от вредного воздействия хлора может быть вызван двумя способами: когда хлор проникает в организм через дыхательные пути, и когда хлор проникает через кожу. Ученые связывают многие опасные заболевания с попаданием в человеческий организм хлора или вредных побочных продуктов хлорирования воды. К этим заболеваниям относят: рак мочевого пузыря, рак желудка, рак печени, рак прямой и ободочной кишки. Но страдают не только органы пищеварения.
Чем опасен хлор, попадающий в организм человека? Хлор может стать причиной болезни сердца, атеросклероза, анемии, повышенного давления. Помимо этого хлор сушит кожу (вспомните ощущение стянутости кожи после бассейна), разрушает структуру волос (они начинают больше выпадать, становятся ломкими, тусклыми, безжизненными), раздражает слизистую оболочку глаз. Эпидемиологи США сравнили карту хлорирования воды с картой распределения заболеваний раком мочевого пузыря и органов пищеварения и выявили прямую зависимость: чем больше содержание хлора в воде, тем чаще встречаются эти заболевания.
Что делать? Пока хлорирование является наиболее проверенным и дешевым методом обеззараживания воды. В ближайшие 20 лет хлорирование воды будет применяться на большинстве станций водоподготовки всех российских водоканалов, постепенно вытесняясь альтернативными методами – озонированием и облучением ультрафиолетом. После процесса хлорирования, свободный хлор из воды улетучивается, однако в водопроводной воде всегда присутствует остаточный хлор. Поэтому воду рекомендуют перед употреблением отстоять в течение суток. Для гарантированного удаления хлора из воды используют фильтры, которые удалят большинство вредных примесей и сделают ее приятной на вкус. Но впрок запасаться такой водой не следует, потому что она лишена "консерванта" - хлора, и бактерии начинают размножаться особенно быстро. Хранить очищенную воду можно в холодильнике в сосуде из нейтрального материала - стекла или пищевой пластмассы.
Скачать презентацию Химия вокруг нас Поверхностно-активные вещества ПАВ Обеззараживание питьевой
ПАВ.ppt