ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების გამოყენება გზატკეცილების ინჟინერიაში

ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებები (ასევე ცნობილი როგორც ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებები) შეუცვლელი ქიმიური დამხმარე ნივთიერებებია მრეწველობისა და სოფლის მეურნეობის განვითარებაში, მათი უპირატესობა მცირე დოზით მნიშვნელოვანი შედეგების მიღწევაა. განსაკუთრებით მეორე მსოფლიო ომის შემდეგ, ნავთობქიმიური მრეწველობის განვითარებასთან ერთად, სწრაფად განვითარებადმა სინთეზურმა ზედაპირულად აქტიურმა ინდუსტრიამ კიდევ უფრო შეუწყო ხელი ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების გამოყენებას სხვადასხვა სფეროში, როგორიცაა ნავთობპროდუქტები, ტექსტილი, პესტიციდები, სამედიცინო მკურნალობა, მეტალურგია, სამთო მოპოვება, მანქანა-დანადგარები, მშენებლობა, გზები, ავიაცია, კვების პროდუქტები, გარემოს დაცვა, რეცხვა და შეღებვა და ა.შ. ეს სტატია ფოკუსირებული იქნება ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების, როგორც ასფალტის ემულგატორების, გამოყენების გაცნობაზე გზატკეცილების ინჟინერიაში.

1. განმარტებაზედაპირულად აქტიური ნივთიერებები

ხანგრძლივი წარმოების პრაქტიკაში ადამიანებმა აღმოაჩინეს, რომ ზოგიერთი ნივთიერების ხსნარებს შეუძლიათ მნიშვნელოვნად შეცვალონ გამხსნელების ზედაპირული თვისებები ძალიან დაბალი კონცენტრაციების დროსაც კი, რაც მათ შესაფერისს ხდის გარკვეული წარმოების მოთხოვნებისთვის, როგორიცაა გამხსნელის ზედაპირული ან ფაზათაშორისი დაჭიმულობის შემცირება, დასველების უნარის, სარეცხი უნარის, ემულგაციისა და ქაფირების თვისებების გაზრდა და ა.შ. საპონი, რომელიც ხშირად გამოიყენება ყოველდღიურ ცხოვრებაში, ერთ-ერთი ასეთი ნივთიერებაა. საპნის მსგავსი ნივთიერებების აღსანიშნავი მახასიათებელია ის, რომ წყალს მცირე რაოდენობით დამატებამ შეიძლება მნიშვნელოვნად შეამციროს წყლის ზედაპირული დაჭიმულობა.

მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების განვითარებასთან და წარმოების განვითარებასთან ერთად, ადამიანებმა ჩაატარეს სიღრმისეული კვლევა ასეთი ნივთიერებების თვისებებისა და ფუნქციების შესახებ და მოგვცეს ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების შედარებით ზუსტი განმარტება. ანუ, ზედაპირულად აქტიური ნივთიერება არის ქიმიური ნივთიერება, რომელსაც შეუძლია მნიშვნელოვნად შეამციროს გამხსნელის (ჩვეულებრივ, წყლის) ზედაპირული დაჭიმულობა (ან სითხე-თხევადი ზედაპირული დაჭიმულობა) ძალიან დაბალი კონცენტრაციით, შეცვალოს სისტემის ზედაპირული მდგომარეობა, რითაც იწვევს ისეთ ეფექტებს, როგორიცაა დასველება და ანტიდასველება, ემულსიფიკაცია და დემულსიფიკაცია, დისპერსია და კოაგულაცია, ქაფის წარმოქმნა და ქაფის საწინააღმდეგო და ხსნადობა.

2. ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების სტრუქტურული მახასიათებლები

ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების მოლეკულები შედგება ორი ნაწილისგან, რომლებსაც სრულიად განსხვავებული თვისებები აქვთ: ერთი ნაწილი ლიპოფილური ჯგუფია (ასევე ცნობილია, როგორც ჰიდროფობიური ჯგუფი), რომელსაც აქვს აფინურობა ზეთის მიმართ, ხოლო მეორე ნაწილი ჰიდროფილური ჯგუფია (ასევე ცნობილია, როგორც ოლეოფობიური ჯგუფი), რომელსაც აქვს აფინურობა წყლის მიმართ. ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების ეს სტრუქტურული მახასიათებელი იწვევს იმას, რომ წყალში გახსნისას ჰიდროფილური ჯგუფები წყლის მოლეკულებით იზიდავენ, ხოლო ლიპოფილურ ჯგუფებს წყლის მოლეკულებით იზიდავენ. ამ არასტაბილური მდგომარეობის დასაძლევად, მათ სითხის ზედაპირი უნდა დაიკავონ, ლიპოფილური ჯგუფები ატმოსფეროში გადადიან, ხოლო ჰიდროფილური ჯგუფები წყალში.

მიუხედავად იმისა, რომ ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების მოლეკულების სტრუქტურული მახასიათებელი ის არის, რომ ისინი ამფიფილური მოლეკულებია, ყველა ამფიფილური მოლეკულა არ არის ზედაპირულად აქტიური ნივთიერება. მხოლოდ საკმარისად გრძელი ლიპოფილური ნაწილის მქონე ამფიფილური ნივთიერებებია ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებები.

მაგალითად, ცხიმოვანი მჟავების ნატრიუმის მარილების სერიაში, ნახშირბადის ატომების მცირე რაოდენობის მქონე ნაერთებს (როგორიცაა ნატრიუმის ფორმატი, ნატრიუმის აცეტატი, ნატრიუმის პროპიონატი, ნატრიუმის ბუტირატი და ა.შ.) ყველას აქვს ლიპოფილური და ჰიდროფილური ჯგუფები და გააჩნია ზედაპირული აქტივობა, მაგრამ ისინი არ ფუნქციონირებენ როგორც საპონი და შესაბამისად, არ შეიძლება მათ ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებები ვუწოდოთ. მხოლოდ მაშინ, როდესაც ნახშირბადის ატომების რაოდენობა გარკვეულწილად იზრდება, ნატრიუმის ცხიმოვანი მჟავები ავლენენ აშკარა ზედაპირულ აქტივობას და ფლობენ საპნის ზოგად თვისებებს. ცხოველური და მცენარეული ზეთებისა და ცხიმების უმეტესობა არის ცხიმოვანი მჟავების ეთერები, რომლებიც შეიცავს 10-დან 18-მდე ნახშირბადის ატომს. თუ ეს მჟავები ჰიდროფილურ ჯგუფს შეერწყმება, ისინი გახდებიან ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებები გარკვეული ხარისხის ლიპოფილურობით და ჰიდროფილურობით და აქვთ კარგი ხსნადობა.

3. ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების გამოყენებაგზატკეცილების ინჟინერია

3.1.ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებები დაასფალტის ემულგატორები

ასფალტის ემულგატორი ზედაპირულად აქტიური ნივთიერების სახეობაა. ემულგატორებსა და სარეცხი საშუალებებს აქვთ საერთო თვისებები, როგორიცაა ადსორბციულობა, ორიენტაცია, კოლოიდური იონების წარმოქმნის უნარი და ზედაპირს შორის დაჭიმულობის შემცირების უნარი. თუმცა, როგორც ემულგატორს, მას ასევე უნდა ჰქონდეს აპკის წარმოქმნის თვისებები. განსაკუთრებით ასფალტის ემულგატორებისთვის, მათ უნდა ჰქონდეთ ალკანები შესაბამისი ნახშირბადის ჯაჭვით, რათა უკეთ მოხდეს ემულსიფიკაცია ასფალტთან.

3.2.ასფალტის ემულგატორების კლასიფიკაცია

ემულგატორები კლასიფიცირდება იონურ და არაიონურ ტიპებად იმის მიხედვით, ატარებენ თუ არა ემულგატორის მოლეკულების ჰიდროფილურ ჯგუფებს მუხტები წყალში გახსნისას. იონური ემულგატორები შემდგომში იყოფა კათიონურ, ანიონურ და ამფოტერულ იონურ ტიპებად, წყალში იონიზაციის შემდეგ მათი ჰიდროფილური ჯგუფების მიერ გადატანილი მუხტების სხვაობის გამო.

ანიონური ასფალტის ემულგატორის ნედლეული იაფი და ადვილად ხელმისაწვდომია, ხოლო წარმოების პროცესი მარტივია. ამიტომ, ყველაზე ადრე წარმოებული ემულგირებული ასფალტი იყო ანიონური ემულგირებული ასფალტი, რომელიც, როგორც წესი, საშუალოდ გამაგრების ტიპისაა და ასევე არსებობს ნელა გამაგრების რამდენიმე ტიპი. მისი გამოყენება შესაძლებელია სუსპენზიის დალუქვისთვის, შეღწევადობისთვის, ზედაპირის დასამუშავებლად და ა.შ. მიუხედავად იმისა, რომ ანიონურ ემულგატორებს აქვთ ფასის უპირატესობა, ისინი დიდ გავლენას ახდენენ ასფალტის საწყის თვისებებზე და მშენებლობის პროცესში მრავალი პრობლემა წარმოიქმნება. ამიტომ, მათი გამოყენებისას აუცილებელია გავითვალისწინოთ ღირებულების, მშენებლობის ეფექტისა და მშენებლობის ხარისხის ყოვლისმომცველი ეფექტები.

Cატიონური ემულგატორიaმიუხედავად იმისა, რომ შედარებით გვიან განვითარდა, პრაქტიკამ აჩვენა, რომ მას უკეთესი ადჰეზია აქვს სხვადასხვა მინერალურ მასალასთან, სწრაფი ფორმირების სიჩქარით, მაღალი ადრეული სიმტკიცით და დაბალი დოზირებით. ის არა მხოლოდ ანიონური ემულგატორების უპირატესობებს ხაზს უსვამს, არამედ ანაზღაურებს მათ ნაკლოვანებებს, რითაც მისი შემუშავების დღიდან დიდ ყურადღებას იპყრობს. კათიონური ასფალტის ემულგატორების ტიპების ფართო არჩევანი და კლასიფიკაციის სხვადასხვა მეთოდი არსებობს. ისინი, როგორც წესი, კლასიფიცირდება მათი ქიმიური სტრუქტურის მიხედვით და ყველაზე გავრცელებულია ალკილ ამინები, მეოთხეული რკინის მარილები, ლიგნინ ამინები, იმიდაზოლინები და ა.შ.

ცვიტერიონული ემულგატორის მოლეკულები შეიცავს როგორც მჟავე, ასევე ფუძე ჯგუფებს და ადვილად წარმოქმნიან „შიდა მარილებს“. ცვიტერიონული ემულგატორების წყალხსნარების დამახასიათებელი ნიშანია მათი ელექტრული მუხტი pH-ის ცვალებადობასთან ერთად. მათ აქვთ კალციუმის ძლიერი დისპერსიის უნარი მყარ წყალში და კარგი თავსებადობა სხვა ტიპის ემულგატორებთან, მაგრამ მათი ფასი შედარებით მაღალია.

არაიონური ემულგატორების უმეტესობა მიიღება ეთილენოქსიდის რეაქციით აქტიური წყალბადის შემცველ ნაერთებთან (როგორიცაა ფენოლები, სპირტები, კარბოქსილის მჟავები, ამინები და ა.შ.). მათი აქტივობა დაკავშირებულია არა მხოლოდ ჰიდროფობულ ალკილ ჯგუფებთან, არამედ პოლიოქსიეთილენის ჯაჭვების სიგრძესთანაც. მათ აქვთ მაღალი ზედაპირული აქტივობა, სტაბილურობა და კარგი ემულსიფიკაციის უნარი, ავლენენ კარგ თავსებადობას სხვა ემულგატორებთან და მათ დანამატებთან და აქვთ გარკვეული ხელატური ეფექტი ლითონის იონებზე. მათი აქტივობა დამოუკიდებელია ხსნარის pH მნიშვნელობისგან და ფაზური ინვერსიის ტემპერატურაზე (PIT) წარმოქმნილი ემულსია ყველაზე სტაბილურია.

3.3.ასფალტის ემულგატორების მუშაობის პრინციპი

როდესაც ემულგატორის კონცენტრაცია უკიდურესად დაბალია, ემულგატორის მოლეკულები ძალიან ცოტაა. ჰაერსა და წყალს შორის საზღვარზე ემულგატორის მოლეკულების დიდი რაოდენობით დაგროვება შეუძლებელია. ზედაპირზე ის თითქმის პირდაპირ კონტაქტშია ჰაერთან და წყალთან და ზედაპირული დაჭიმულობა თითქმის უცვლელი რჩება, კვლავ ახლოსაა სუფთა წყლის ზედაპირულ დაჭიმულობასთან.

როდესაც ემულგატორის კონცენტრაცია შესაბამისად იზრდება, ემულგატორის მოლეკულები სწრაფად გროვდება წყლის ზედაპირზე, ამცირებს ჰაერსა და წყალს შორის კონტაქტის არეს, რითაც იწვევს ზედაპირული დაჭიმულობის სწრაფ ვარდნას.

როდესაც ემულგატორის კონცენტრაცია კიდევ უფრო იზრდება და გარკვეულ მნიშვნელობას აღწევს, ემულგატორის მოლეკულების დიდი რაოდენობა გროვდება წყალხსნარის ზედაპირზე, რაც ქმნის მონომოლეკულურ აპკს, რომელიც ფარავს ხსნარის ზედაპირს, რომელიც მთლიანად იზოლირებს წყალხსნარს ჰაერისგან და სტაბილიზაციას უკეთებს ზედაპირულ დაჭიმულობას. თუ ემულგატორის კონცენტრაცია ოდნავ კიდევ გაიზრდება, ემულგატორის მოლეკულები ვეღარ დაგროვდებიან წყლის ზედაპირზე, არამედ თვითორგანიზდებიან მიცელებად ან მიცელურ აგრეგატებად, ლიპოფილური ჯგუფებით, ხოლო ჰიდროფილური ჯგუფებით - გარეთ. მინიმალურ კონცენტრაციას, რომლის დროსაც მიცელები ან მიცელარული აგრეგატები იწყებენ ფორმირებას, ჩვეულებრივ კრიტიკული მიცელების კონცენტრაცია (CMC) ეწოდება.

კრიტიკული მიცელების კონცენტრაციის მიღწევის შემდეგ, თუ ემულგატორის კონცენტრაცია გააგრძელებს ზრდას, ზედაპირული დაჭიმულობა აღარ შემცირდება. რადგან ზედაპირზე უკვე წარმოიქმნა მონომოლეკულური აპკი, ემულგატორის მოლეკულები მიდრეკილნი არიან შერწყმისა და ერთმანეთთან მიახლოებისკენ, აგრძელებენ მიცელებად აგრეგაციას, რითაც იწვევს ემულსიაში მიცელების რაოდენობის უწყვეტ ზრდას.

ასფალტის ემულგაცია ემულგაციის მოქმედების მნიშვნელოვანი ასპექტია. ემულგატორის ზეთი-წყლის ხსნარში დამატების შემდეგ, ემულგატორის ორი ჯგუფი მიმართულებითი წესით ნაწილდება, აკავშირებს ზეთისა და წყლის ორ საზღვარს, რითაც ხელს უშლის მათ ერთმანეთის მოგერიებას. მორევისა და გაფანტვის შემდეგ, ასფალტს შეუძლია სტაბილურად გაიფანტოს წყალში წვრილი ნაწილაკების სახით.

დასკვნა

ასფალტის ემულგატორების მაგალითის სახით, ეს სტატია წარმოადგენს ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების სტრუქტურული მახასიათებლების, მუშაობის პრინციპებისა და გამოყენების სტატუსის ყოვლისმომცველ შესავალსა და ანალიზს. ზედაპირულად აქტიურ ნივთიერებებს შეუძლიათ ეფექტურად შეამცირონ წყლის ზედაპირული დაჭიმულობა, ძლიერად ადსორბირება მოახდინონ ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების მოლეკულებზე სხვადასხვა ინტერფეისებზე და ხშირად ავლენენ მიმართულების ადსორბციის გარკვეულ ხარისხს. სწორედ ეს მიმართულების ადსორბცია საშუალებას აძლევს ზედაპირულად აქტიურ ნივთიერებებს, შეასრულონ მრავალი ფუნქცია, როგორიცაა ემულსიფიკაცია, დემულსიფიკაცია, ქაფის წარმოქმნა, დისპერსია, კოაგულაცია და დასველება. ასფალტის ემულგატორები მუშაობენ ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების ემულსიფიკაციური ეფექტის გამოყენებით. ეკონომიკური მაჩვენებლების თუ გარემოს დაცვის თვალსაზრისით, ცივი მშენებლობა აუცილებლად მნიშვნელოვანი ტენდენცია იქნება XXI საუკუნის გზატკეცილების ინჟინერიის განვითარებაში და ემულგატორები ამ ტექნოლოგიის ბირთვს წარმოადგენენ. ემულგატორის მუშაობის კვლევა და გაუმჯობესება, რა თქმა უნდა, დიდ გავლენას მოახდენს ცივ მშენებლობაზე.