“JOSÉ ANTONIO ANZOÁTEGUI
EL TIGRE – EDO. ANZOÁTEGUI
SURFACTANTES
Profesor(a):
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Autores
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Lcda. Leidys Salazar
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TSU. Cabrera, Marcos
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TSU. Cairo, Mariángel
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Materia:
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TSU. Campos, Nora
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Formulaciones
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TSU. Centeno, Milagros
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TSU. Guevara, Daysvelis
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TSU. Marcano, Diomedes
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TSU. Pino, Chemir
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TSU. Ramos, Yesenia
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El Tigre, Julio 2012
ÍNDICE GENERAL
SURFACTANTES
Surfactantes o Emulsionantes
Los surfactantes son sustancias complejas que se emplean para disminuir la tensión interfacial entre la fase dispersa y la continua ya que cuanto menor es la tensión interfacial entre las dos fases de una emulsión, tanto más fácil es la emulsificación.
Los surfactantes se dividen en iónicos y no iónicos. El surfactante iónico consta de un grupo lipófilo orgánico y un grupo hidrófilo. Los surfactantes iónicos se subdividen en aniónicos y catiónicos, según sea la naturaleza del grupo activo. Ordinariamente se considera que la porción lipófila de la molécula es la porción de actividad interfacial.
Como es de suponer, no son mutuamente compatibles los agentes aniónicos y catiónicos de actividad interfacial, pues en virtud de las cargas iónicas tienden a neutralizarse entre sí y se incapacita su actividad interfacial.
Los emulsivos no iónicos son totalmente covalentes y no tienen ninguna tendencia a la ionización. Por consiguiente, puede asociarse con otros agentes no iónicos de actividad interfacial y con agentes aniónicos o catiónicos. Los emulsivos no iónicos son mas inmunes contra la acción de electrolitos que los agentes aniónicos de actividad interfacial.
La función del surfactante puede ser ilustrada de la siguiente manera:
Para lograr la formación de gotas y su dispersión en agua, es necesario comunicarle al sistema cierta cantidad de energía, dada según la siguiente expresión:
Donde:
§ D G(fe) Energía de formación de la emulsión, J
§ s Tensión interfacial, N/m
§ D A Variación del área interfacial, m2
§ D S(conf) Incremento de entropía debido al cambio de configuración, J/K
§ T Temperatura, K
El término
Para reducir la energía de emulsificación es necesario disminuir la tensión interfacial, al menos en un orden de magnitud, lo cual sólo se consigue añadiendo al sistema una sustancia con actividad interfacial, cuyas moléculas se adsorban en la interfase bitumen – agua. El término por lo tanto D G(fe) es siempre positivo implicando esto que el proceso de formulación de emulsiones no es un proceso espontáneo (necesita energía). Como el proceso de emulsificación no es espontáneo, las emulsiones son sistemas termodinámicamente inestables, por lo que debe existir una barrera de energía que se oponga al rompimiento (separación de fases); esto implica que las emulsiones son estables sólo desde el punto de vista cinético.
Agentes de actividad superficial
Los agentes activos superficiales o surfactantes (derivado del ingles surface active agents) son moléculas que contiene un segmento liposoluble (soluble en aceite) y otro hidrosoluble (soluble en agua). La solubilidad parcial tanto en agua como en aceite permite al surfactante ocupar la interfase.
Los agentes de actividad superficial son sustancias químicas que reducen la tensión superficial de los líquidos.
Los surfactantes pueden ser clasificados por la carga iónica de la parte superficialmente activa de la molécula. En los surfactantes aniónicos, la carga molecular es negativa ; en los catiónicos, positiva ; en los no iónicos, no hay carga y en los anfóteros existen cargas tanto positivas como negativas en la molécula.
Clasificación de los Surfactantes
Agentes anionicos
Los surfactantes aniónicos contienen generalmente uno de cuatro grupos polares solubles - carboxilato, sulfonato, sulfato o fosfato - combinado con una cadena hidrocarbonada hidrófoba. Si esa cadena es corta son muy hidrosolubles, y en caso contrario tendrán baja hidrosolubilidad y actuaran en sistemas no acuosos como aceites lubricantes.
Dentro de esta clasificación se encuentran compuestos como el alquil bencen sulfonato lineal (LABS) objeto de este documento, los alquil sulfatos (AS) derivados principalmente del petróleo, y de alta utilización en la industria de jabones y detergentes.
Agentes catiónicos
Los surfactantes catiónicos comúnmente utilizados en detergentes, agentes limpiadores, líquidos lavaplatos y cosméticos están compuestos por una molécula lipofílica y otra hidrofílica, consistente de uno o varios grupos amonio terciarios o cuaternarios. Las sales de cadenas larga de amonio terciarias, obtenidas por neutralización de las aminas con ácidos orgánicos o inorgánicos, son raramente usadas en detergentes y preparaciones para limpieza. Su principal aplicación está en el tratamiento de textiles y ocasionalmente como suavizantes tipo rinse. En aplicaciones cosméticas, su aplicación está restringida a especialidades.
Las sales de amonio cuaternarias con un solo grupo alquilo (C12-C18), o dos grupos mas cortos (C8-C10) son usados como sustancias activas antimicrobiános. Debido a su capacidad para adsorber sobre fibras o cabello, los inicialmente mencionados sirven como acondicionadores para el cabello.
Agentes no ionicos
En contraste a sus contrapartes iónicas, los surfactantes no iónicos no se disocian en iones hidratados en medios acuosos. Las propiedades hidrofílicas son provistas por hidratación de grupos amido, amino, eter o hidroxilo. Cuando existe un número suficiente de estos grupos la solubilidad acuosa es comparable con la de los surfactantes iónicos. Las aplicaciones son extensas y dependen de la cantidad de grupos polares presentes, que determinaran la solubilidad tanto en agua como en aceite (cuantificada en la práctica mediante el índice HLB, o balance hidrofílico - lipofílico).
Características de los Surfactantes
Los tensoactivos se caracterizan por las siguientes propiedades:
§ Su tendencia a adsorberse en interfaces de un modo orientado, lo cual depende de la superficie activa, de la estructura del surfactante, de la temperatura del disolvente y de otras condiciones de uso.
§ Los factores estructurales promueven la adsorción en la interface líquido/aire, lo cual favorece a la micelización en la solución acuosa, unos de los fenómenos que se ven afectados por la absorción en la interface líquido/aire es la disminución de la tensión superficial.
§ En la interface líquido/sólido, se puede medir directamente la cantidad del surfactante adsorbido en la interface, como una función de la concentración en la fase líquida, cuando el equilibrio tiende a ser alcanzado a una temperatura dada.
§ En las interfaces líquido/aire y líquido/líquido no es posible medir la concentración del surfactante adsorbido y por lo tanto la adsorción en estas interfaces generalmente se estudia midiendo la tensión superficial, respectivamente como un equilibrio de la concentración del surfactante en la fase líquida.
§ A muy bajas concentraciones los monómeros del surfactante adsorbido comienza aglomerarse y formar tipos de micelas llamadas ad-micelas y hemi-micelas, dependiendo si los agregados tienen una o dos capas de surfactante. Una vez que estas estructuras se forman sobre la superficie del sólido, la adsorción de un surfactante adicional puede rápidamente incrementar la bicaba del surfactante hasta cubrir la superficie sólida.
La adsorción del surfactante se determina al estudiar:
1. La concentración del surfactante en la interface, nos indica cuanto de la interfase se cubre con el surfactante. El comportamiento del surfactante en muchos procesos interfaciales (emulsificación, espumante, detergencía) depende de la concentración en la interfase.
2. La orientación del surfactante en la interfase determina como podría afectarse por la adsorción del surfactante. Indica también cuando podría comportarse como más hidrofílico o más hidrofóbico.
3. El cambio de energía en el sistema, ∆G, ∆H y ∆S, es el resultado de la adsorción, lo cual nos da información sobre el tipo de mecanismo de algunas interacciones que envuelven al surfactante en la interfase y la eficiencia de esta operación como material de superficie activa.
Los parámetros termodinámicos estándares convencionales de adsorción en una dilución infinita, ∆G°, ∆H° y ∆S°, son valores que se utilizan para propósitos teóricos, pero a menudo son valores limitados para sistemas reales.
Las propiedades termodinámicas de los surfactantes nos sirven para observar las interacciones de Van Der Waals entre el grupo alquilo, la interacción hidrofóbica, las repulsiones del hidrófilo y la configuración del grupo espaciador, las cuales ocurren en solución. Estas propiedades tienen varias contribuciones.
a. La transferencia de los grupos alquilo del surfactante de un ambiente acuoso a uno hidrocarbonado.
b. El cambio en la configuración de la cadena alquílica
c. Las interacciones electrostáticas y estéricas en el grupo hidrófilo.
Los cambios en la solvatación del grupo espaciador porque puede cambiar la configuración siempre que el espaciador sea lo suficientemente lineal, ya que éste podría doblarse dentro del núcleo de la micela.
La energía libre de micelización (∆G°m ) es la energía de aglomeración por mol del monómero referido a un estado estándar de mezclado, el estado estándar de mezclado corresponde a una mezcla de especies micelar en su respectivo estado.
La formación de micela se puede describir por el modelo de separación de fase, donde él número de aglomeración de micelas se considera suficientemente grande y por lo tanto las micelas pueden ser tratadas como una fase.
El valor de la concentración micelar critica (CMC) de un surfactante en solución acuosa, nos proporciona una medida de la energía libre de transferencia de un surfactante desde la fase acuosa a un estado micelizado, lo cual es usado ampliamente para determinar la energía libre de micelización (∆G°m ).
∆G°m=RTlnCMC
En donde:
R= 0.008314 J/mol°K
T= Temperatura °K
Donde CMC esta expresada en mol/dm3 o en fracción mol, esta se describe usualmente como el modelo de separación de fase de formación micelar.
La ∆Gm es también es considerada como la energía de transferencia de un surfactante desde la fase acuosa a la pseudofase micelar.
La entalpía y entropía puede llevarnos a entender detalles moleculares y el manejo de las fuerzas presentes en el proceso de aglomeración de los surfactantes.
Las dos propiedades importantes de los surfactantes que deben ser medidas son:
Tensión superficial y la Concentración micelar critica (CMC).
Tensión Superficial
Una molécula en el interior de un líquido está sometida a la acción de fuerzas atractivas de cohesión en todas las direcciones, siendo la resultante de todas ellas una fuerza nula (Resultante = 0). Pero si la molécula está situada en la superficie del líquido, está sometida a la acción de fuerzas de cohesión que No están balanceadas, cuya resultante es una fuerza perpendicular a la superficie dirigida hacia el interior del líquido (Resultante ≠ 0), porque son moléculas que están sujetas sólo a la atracción de las moléculas de líquido del interior. Es por ello que las moléculas de la superficie tienen más energía que las moléculas interiores y tienden a irse al seno del líquido; por tal razón, la superficie tiende a contraerse o reducirse formando una tensión en la superficie u ocupar el área más pequeña posible, como si fuera una cama elástica, haciéndose más difícil penetrar en ella. De aquí sea necesario consumir cierto trabajo para mover las moléculas hacia la superficie venciendo la resistencia de estas fuerzas.
Se define entonces cuantitativamente la tensión superficial como el trabajo que debe realizarse para lleva moléculas en un número suficiente desde el interior del líquido hasta la superficie para crear una nueva unidad de superficie.
Propiedades
La tensión superficial suele representarse mediante la letra griega
Algunas propiedades de
§
o la cantidad de trabajo necesario para llevar una molécula a la superficie.
§
§
§ El valor de
§ Para un líquido dado, el valor de
En la siguiente tabla se recogen los valores de la tensión superficial del agua a distintas temperaturas y la tensión superficial de otros líquidos, incluida una solución jabonosa. Como se puede observar, la tensión superficial disminuye con la temperatura.
Tensión Superficial de diversos líquidos
Sustancia
|
Temperatura (ºC)
|
Tensión Superficial
|
Agua
|
0
|
75,6
|
Agua
|
20
|
72,8
|
Agua
|
60
|
66,2
|
Agua
|
100
|
58,9
|
Aceite de oliva
|
20
|
32,0
|
Alcohol etílico
|
20
|
22,0
|
Solución jabonosa
|
20
|
25,0
|
Tensioactivos y la Tensión Superficial
Debido a su capacidad para disminuir la tensión superficial, las sustancias tensioactivas tienen importantes aplicaciones técnicas y se utilizan como detergentes, su aplicación más importante y conocida, pero también como agentes espumantes, emulgentes, dispersantes o con poder mojante.
Estas sustancias no sólo son sintéticas, sino que también se encuentran en la naturaleza. Un ejemplo son los ácidos biliares, usados para emulsionar grasas en el intestino y así favorecer la absorción de grasas y la acción de las lipasas.
A través de los tensioactivos es posible romper la tensión superficial del agua. Los tensioactivos son sustancias que permiten poner en contacto dos fases, en este caso poner en contacto el aire con el agua. La estructura de los tensioactivos consta de una parte hidrófila (atrayente al agua) grupos polares y una parte hidrófoba (repelente al agua) son cadenas de carbonos de 12-14-18 unidades. Se dice que los tensioactivos son moléculas ambifilicas es decir, que existe una dualidad desde el punto de vista de la polaridad.
Al añadir tensioactivos al agua estos se reparten por la superficie del líquido dejando la parte hidrófoba (apolar) al exterior, en contacto con el aire, y la parte hidrófila (polar) en contacto con el agua. Esto implica que las moléculas de agua de la superficie ya no están en contacto con el aire, han sido sustituidas por moléculas de tensioactivo, que también ejercen fuerzas atractivas sobre las moléculas de agua, disminuyendo así la tensión superficial.
Los tensioactivos forman parte de los jabones, detergentes, ya sean para el lavado de ropa, platos, etc, permitiendo poner en contacto dos fases. La suciedad presente en los platos o la ropa son de origen orgánico y, las fases acuosas y orgánicas son inmiscibles (no se unen). Gracias a los tensioactivos es posible poner en contacto estas dos fases, disolviendo la materia orgánica en el agua.
Cuando se disuelve jabón o cualquier otro tensioactivo en agua, a concentraciones bajas, sus moléculas se disponen en la superficie formando una monocapa, lo que origina espuma. Si se aumenta la concentración del tensiaoctivo, al saturarse la monocapa, el exceso de moléculas de tensioactivo pasa a la disolución formando micelas; las micelas pueden definirse como agregados macromoleculares de 25-200 moléculas de tensioactivo, que se originan a partir de una concentración conocida como concentracion micelar critica (c.m.c.). Una vez superada la c.m.c., la tensión superficial se mantiene constante, aunque se añada más cantidad de tensioactivo. Las micelas originadas en un medio acuoso orientan la parte apolar hacia dentro, y la parte polar hacia fuera, en contacto con el agua.
Cuando se lava una superficie sucia, la parte hidrofóbica del tensioactivo se une a la materia orgánica de la superficie, deja las cabezas hidrofílicas hacia afuera en contacto con el agua y arrastra la suciedad de la superficie a limpiar.
Acción de los surfactantes
Los surfactantes como tal poseen una acción antibacteriana, muchos de los agentes superficialmente activos actúan en la superficie de las células y bacterias, reduciendo la tensión superficial e interfacial como consecuencia de su absorción y extensión.
La acción antibacteriana de los agentes surfactantes, en particular la de los compuestos cuaternarios, que es bien conocida, depende no sólo de los fenómenos interfaciales, sino también de otros importantes factores. Estos agentes son adsorbidos sobre la superficie celular.
Los surfactantes no iónicos crean una acción antibacterianos menos eficaces, ya que, en realidad, éstos favorecen, en lugar de inhibir, el crecimiento de las bacterias, posiblemente por proporcionar los ácidos grasos de cadena larga en una forma tal que son metabolizados con facilidad por el microorganismo.
Los surfactantes crean una acción limpiadora que actúan como puentes de unión entre el agua y las partículas de suciedad presentes en las superficies a limpiar. En el caso de los detergentes.
Además, un surfactante no tiene necesariamente un buen poder humectante; puede ser más efectivo como agente dispersante y/o emulsionante.
El grado de acción y actividad superficial de los mismos depende primordialmente de la relación entre constituyentes hidrofílicos e hidrofóbicos.
Otra acción de los surfactantes es la producción de espumas. En el seno de un líquido puro no se puede formar una espuma ya que la misma tensión superficial que mantiene unidas las moléculas y es responsable del propio estado líquido es demasiado elevada y tiende a expulsar las burbujas gaseosas que se formen.
El papel de surfactante, de un modo o de otro suele corresponder a las proteínas que, bien por su estructura original o bien tras ser desnaturalizadas, presentan zonas polares e hidrófilas y otras apolares e hidrófobas. Esto comprende una gama amplísima de proteínas, desde las gelatinas obtenidas al desnaturalizar colágeno hasta las ovoglobulinas y ovotransferrinas de la clara de huevo, pasando por las proteínas del suero de leche o las que aparecen en la cerveza o los cavas.
Aunque prácticamente siempre las proteínas hacen el papel de surfactante inicial, en muchos casos no tienen capacidad de mantener la espuma estable durante mucho tiempo por si solas y otra sustancia se adsorbe a las burbujas reforzando su pared; es el caso de los glóbulos de grasa que forman redes por coalescencia en la nata montada o de el almidón gelificado que refuerza e impermeabiliza las burbujas de la masa de pan. En este último caso la retención inicial de burbujas se debe más a la alta viscosidad de la matriz que a la presencia de un surfactante propiamente dicho.
Espumas
Las espumas son sistemas en los que un gas constituye la fase dispersa y un líquido o sólido la fase continua; la fase gaseosa se esparce a lo largo de toda la fase líquida, de manera que las cavidades o burbujas de gas quedan separadas por finas películas de líquido. La estabilidad de estas delgadas películas de líquido son las que determinan la estabilidad global de la espuma. Las dos fases que conforman la espuma están íntimamente ligadas y forman una estructura que se torna más ordenada a medida que la cantidad de gas aumenta. Para que este tipo de sistemas reciba el nombre de espuma, la concentración de la fase dispersa debe ser elevada.
Formación de las espumas:
Para que una espuma pueda formarse, se requiere:
Trabajo mecánico (energía): Es decir, agitación o burbujeo de gas; el cual se hace para incrementar el área interfacial entre el gas y el líquido y al mismo tiempo para que las moléculas del agente espumante ocupen dicha área formada.
La presencia de agente espuma: El agente espumante es un compuesto que se ubicará en la interface gas-líquido, provocando una disminución en la tensión superficial del líquido a espumar. Las burbujas que se forman representan un aumento del aire superficial gas-líquido. La nueva superficie que se crea por agitación está por tanto disponible para que se produzca la adsorción de un surfactante presente en el líquido.
Un surfactante es una sustancia cuya molécula posee un grupo hidrófilo y un grupo hidrófobo o lipofílico (el dodecilbenceno sulfonato de sodio usado en los polvos para lavar la ropa o el oleato de potasio en los jabones o más aún el lauril sulfato de sodio de los champú es).
Una de las propiedades fundamentales de los surfactantes es la fuerte tendencia de adsorberse en las superficies o en las interfaces.
Separación del gas por gravedad: La formación de un sistema disperso no es la única razón para estar bajo la presencia de tensoactivos. Luego que las burbujas se forman ellas se separan debido a la diferencia de densidad con la fase líquida. Estas burbujas se amontonan unas sobre otras y en este proceso se forman películas entre las burbujas. Estas películas son sometidas a esfuerzos de estiramiento y es indispensable que ellas no se rompan, ya que la espuma se forma a partir de la acumulación de burbujas.
Antiespumantes
Son productos con baja viscosidad y facilidad para propagarse rápidamente en las superficies con efervescencia donde desestabiliza las láminas de espuma lo que provoca la ruptura de las burbujas de aire y el desglose de la espuma de la superficie. Los antiespumantes se utilizan para contener, reducir, evitar o eliminar la formación excesiva de espuma, fuente de suciedad y derroche.
Tipos de Antiespumantes:
Existen antiespumantes de diferentes composiciones químicas que permiten la adaptación a la diversidad de sistemas que existen en el mercado y atacar los tipos de espuma que puedan generarse, dentro de estos tipos de antiespumantes encontramos.
(a) Antiespumantes a base de agua: Los aceites y ceras se distribuyen a través de la acción por la base de agua y son más útiles para liberar el aire atrapado de los líquidos. La espuma se forma al quedar atrapadas burbujas de aire producidas durante las diversas fases de la depuración y la agitación. La interfac aire-líquido de estas burbujas está rodeada por los agentes tensoactivos presentes en el agua que debido a su baja densidad emigran a la superficie. Durante este proceso, las burbujas pequeñas se pueden combinar para formar otras más grandes que suben más rápidamente.
(b) Antiespumantes a base de silicón: La gama silicónica se compone de grados de producto de alta pureza pero baja viscosidad lo que mejora sensiblemente su dosificación reduciendo el tiempo de mezcla. Los antiespumantes silicónicos Sifloc están especialmente indicados en procesos industriales y control de espumas en depuración, tanto en sistemas físico – químicos como en deshidratación en centrífuga.
(c) Antiespumantes orgánicos a base de aceite minerales: Es un antiespumantes orgánicos que se basan en combinaciones de aceites vegetales y/o minerales como partículas hidrofóbicas. Se utilizan con frecuencia para romper la espuma de las superficies. Estos tipos de productos son menos eficientes que los de silicón aunque son más económicos.
La actividad de los antiespumantes base aceite Sifloc garantizan un resultado muy eficaz especialmente en balsas de homogenización y reactores biológicos. Son extensamente utilizados en depuradoras urbanas y industriales para controlar en una única dosificación “de choque”, la formación de espumas durante horas. La fase altamente hidrófoga mantiene el antiespumante en suspensión durante largo tiempo inhibiendo su disolución y la formación de espumas incluso en sistemas de alto aporte de oxígeno sin mermar la capacidad biológica del reactor.
El ángulo de humectancia se refiere al ángulo que forma la superficie de un líquido al entrar en contacto con un sólido. El valor del ángulo de contacto depende principalmente de la relación que existe entre las fuerzas adhesivas entre el líquido y el sólido y las fuerzas cohesivas del líquido. Cuando las fuerzas adhesivas con la superficie del sólido son muy grandes en relación a las fuerzas cohesivas, el ángulo de humectancia es menor de 90 grados sexagesimales, teniendo como resultado que el líquido moja la superficie.
La gota A estaría sobre una superficie hidrófoba mientras que la gota C estaría sobre una superficie hidrófila.
Ángulos de humectancia habituales
Consideremos un líquido ha caído sobre una superficie sólida. Si el líquido es atraído fuertemente por la superficie sólida (por ejemplo agua sobre un sólido hidrófilo) la gota se extenderá completamente por el sólido y el ángulo de contacta será aproximadamente 0º. Para los sólidos que sean menos hidrófilos el ángulo de contacto puede variar entre 0º y 30º. Si la superficie del sólido es hidrófoba el ángulo de contacto será mayor que 90º. En superficies muy hidrófobas el ángulo puede ser mayor a 150º e incluso cercano a 180º. En estos casos el agua reposa sobre la superficie pero no la moja ni tampoco se extiende sobre ellas. A algunas de estas superficies se les llama superhidrófobas y pueden ser obtenidas a partir de superficies fluoradas como el Teflon que tiene una microtextura apropiada para ello. Este efecto es denominado el efecto Lotus debido a la planta "Lotus" con hojas especiales que desarrollan esta habilidad mediante pequeñas protuberancias y que pueden ser superhidrófobas incluso con miel.
Descripción teórica
La descripción teórica del contacto apareció como la consideración del equilibrio termodinámico de tres fases: la fase líquida de la gota (L), la fase sólida de la superficie (S) y la fase gas del aire del ambiente (V) (la cual es una mezcla de la atmósfera ambiente y una concentración equilibrada de vapor del líquido). La fase V puede ser incluso otro líquido inmiscible. En equilibrio el potencial químico en las tres fases deberá ser igual. Sin embargo es conveniente enmarcar la discusión en términos de energías intersuperficiales. Si definimos la energía intersuperficial sólido-vapor como
Si bien la ley de Laplace permite ver fácilmente el comportamiento entre dos fases fluidas, cuando se analiza el problema del menisco se complica la resolución por la presencia de múltiples interacciones. En la región donde se produce el menisco hay fuerzas atractivas entre las partículas fluidas del líquido, entre estas y las del aire y entre ellas y el sólido que forma el recipiente. Para simplificar el cálculo, se tienen tabulados los llamados ángulos de contacto que indican la inclinación que forma el menisco. El más habitual, el del agua con el vidrio es 0º, mientras que la contraposición habitual en los manuales de texto, el mercurio, tiene 140º. Coloquialmente se ha hablado en mecánica de fluidos de fluidos que "mojan" (como el agua) y los que "no mojan" (como el mercurio).
Aplicaciones
Capilaridad
Si se combina el salto de presiones que generan las fuerzas de la tensión superficial con el gradiente de presión de una columna fluida en reposo (donde la presión varía con la altura en función de
θ = ángulo de contacto
r = radio del tubo (m)
h = altura que alcanza la línea de contacto del fluido con el tubo (m)
Efectos de la capilaridad.
En la imagen se pueden ver las consecuencias de esta ley. La superficie externa del fluido se encuentra a la presión atmosférica. El salto de presiones en el menisco lleva a un cambio de altura para que el fluido se mantenga en equilibrio. Los efectos del ángulo de contacto llegan a cambiar el sentido de la columna cuando el coseno cambia de signo. Los dos conductos en el agua muestran el efecto del radio del conducto: a mayor radio, menor curvatura y menos presión empuja el líquido por Laplace, generando una columna de líquido menor por Jurin.
Este fenómeno se encuentra presente en el transporte de líquidos en plantas, el efecto del agua en suelos y aplicaciones tecnológicas
Análisis teórico de una gota
Ahora, supongamos una gota de la fase α dentro de otra fase β. Podemos pensar, por ejemplo, en una gota de líquido cayendo libremente en el aire. Si su tamaño y densidad no son grandes, los efectos gravitatorios son pequeños y pueden no tenerse en cuenta. El mismo análisis puede realizarse a la inversa, para una gota de aire en un líquido o para una gota de un líquido en otro.
La gota tenderá a disminuir su superficie adoptando la forma esférica pues como se ha mencionado la tensión puede verse como la energía necesaria para crear una unidad de superficie y la esfera tiene la menor superficie por unidad de volumen.
El caso de una burbuja de agua en el aire es ligeramente distinto. Se dan dos superficies de contacto entre el agua y el aire, una en el interior de la burbuja y otra en el exterior. Haciendo el equilibrio de fuerzas3 llegamos a:
Viscosidad de los Surfactantes
La viscosidad es la propiedad de un fluido que tiende a oponerse a su flujo cuando se le aplica una fuerza. Los fluidos de alta viscosidad presentan una cierta resistencia a fluir; los fluidos de baja viscosidad fluyen con facilidad. La fuerza con la que una capa de fluido en movimiento arrastra consigo a las capas adyacentes de fluido determina su viscosidad
Los Surfactantes Viscoelácticos
El nivel molecular. Los surfactantes viscoelácticos exhiben una estructura de cabeza hidrofilicas bien definida (derecha) adosada a una sección de cola articulada con un extremo hidrofóbico (izquierda). Cuando se dispersa en soluciones de salmuera especifica, por ejemplo, las secciones de cola se asocian formando finalmente una estructura micela vermicula o vermiforme
En Soluciones Surfactantes
La viscosidad de la fase interna de soluciones surfactantes juega un papel si existe un movimiento de convección dentro de las gotas. Tal fenómeno fue estudiado inicialmente como una modificación de la ley de Stokes de caída libre de una gota. Hadamard mostró que la velocidad de caída puede disminuir notablemente en presencia de convección interna. Sin embargo, este efecto es despreciable si la viscosidad de la fase interna es mucho mayor que la viscosidad de la fase externa, como en muchos casos prácticos.
Para emulsiones de aceites muy viscosos en agua, se halló que la viscosidad de la fase interna no tiene prácticamente ninguna influencia. Sin embargo debe puntualizarse que a menor viscosidad de la fase interna, en general menor el diámetro de las gotas (para una agitación dada); por lo tanto puede producirse un efecto de aumento aparente de la viscosidad de la emulsión cuando disminuye la viscosidad de la fase interna, no por la baja viscosidad de la fase interna sino por el menor tamaño de la gota de la emulsión.
Efectos Electroviscosos en Soluciones Surfactantes
Este efecto ha sido estudiado más que todo sobre sistemas de coloides liofóbicos. Al presentarse una doble capa eléctrica en el exterior de las gotas, el movimiento de la fase externa situada entre dos gotas puede estar retrasado por fenómenos electroviscosos.
Específicamente el drenaje de una película de fase externa entre dos gotas vecinas arrastra cargas eléctricas de la doble capa y produce un efecto llamado potencial de flujo, cuyo resultado es un flujo inverso (electro-osmosis).
Se puede tener en cuenta este efecto de manera indirecta, suponiendo que el fluido de la doble capa está ligado con la gota, es decir suponiendo un aumento aparente del volumen de fase interna con el volumen de fase externa que solvata la capa de surfactante.
Estos efectos aumentan la viscosidad de la emulsión, de una forma a veces notable, comparable a un 50% de aumento de 0.
Efecto de la formulación
La literatura clásica no indica claramente cuál es el efecto de la formulación, sino que al aumentar la concentración de emulsionante, disminuye el tamaño de gota con el resultante aumento de viscosidad.
Sin embargo estudios recientes han mostrado que la viscosidad puede estar considerablemente afectada por la formulación.
En realidad parece que la viscosidad de la emulsión es extremadamente baja para los sistemas de tensión interfacial ultra-baja; el tamaño de gota de tales sistemas debería ser muy pequeño, pero no es así porque la velocidad de coalescencia es también muy rápida.
Se conjetura que con una muy baja tensión interfacial, las gotas pueden alargarse paralelamente a las líneas de flujo y así reducir considerablemente sus interacciones. Es lo que se observa en la movilización de aceite en un medio poroso por el proceso de drenaje micelar.
Emulsiones poco viscosas - aspectos prácticos
El transporte y almacenamiento de crudos, residuos o asfaltos, requiere la formación de emulsiones estables y poco viscosas. Por otra parte se requiere en general un contenido de agua relativamente bajo.
Otras aplicaciones alimenticias, farmacéuticas, en tintas y pinturas pueden requerir una viscosidad relativamente baja. A continuación se examinaran los elementos del problema y las posibles soluciones prácticas para obtener una emulsión de alto contenido de fase interna pero poco viscosa.
Debido a la proporcionalidad entre la viscosidad de la emulsión y aquellas de la fase externa, la emulsión tiene que ser del tipo O/W.
Para ser estable, la emulsión tiene que poseer un tamaño de gota relativamente pequeño, pero no demasiado pequeño, ya que eso aumenta la viscosidad.
Ya que las emulsiones polidispersas son menos viscosas que las emulsiones monodispersas, una polidispersidad es deseable. La polidispersidad se obtiene mediante una agitación desigual de diferentes porciones del volumen total, sea desplazando el agitador, sea cambiando el tiempo de emulsionación. También se puede lograr una reducción notable de viscosidad al mezclar dos emulsiones con tamaños de gotas muy diferentes, tal que la emulsión mezcla tenga una distribución bimodal.
Se debe recordar además que al envejecer las emulsiones, la distribución de tamaño tiende a ampliarse y el tamaño promedio a aumentar. Esto se debe a que las pequeñas gotas se vacían en las más grandes. Puede ser por lo tanto conveniente dejar envejecer las emulsiones para reducir su viscosidad. Sin embargo, el envejecimiento puede producir floculación (en grapas) o películas interfaciales rígidas que pueden resultar en aumentos indeseables de viscosidad y de estabilidad, al menos que se controle la adsorción interfacial con surfactantes adecuados.
Los sistemas de baja tensión interfacial (formulación óptima) permiten producir emulsiones poco viscosas con pequeño tamaño de gota, pero muy inestables. Tal formulación es adecuada para emulsionar, ya que la energía requerida es muy pequeña; sin embargo tiene que ser cambiada inmediatamente después de la emulsionación, mediante la adición de un surfactante hidrofílico para aumentar la estabilidad. Tal tipo de proceso permite obtener con poco gasto energético emulsiones O/W estables, relativamente polidispersas y poco vicosas. Con crudos extrapesados se han obtenido emulsiones estables con 70% de crudo y viscosidad del orden de 100 cP.
Método para intensificar la viscosidad
Un método para intensificar la viscosidad y/o viscoelasticidad de solución surfactante es usando nanopartículas. La partícula permite a un formulador hacer a medida una solución de reología definida (viscosidad y/o viscoelasticidad) usando nanopartículas para controlar estas propiedades. Adema, las partículas permiten el control independiente de cada una de las variables y permiten adicionalmente que la variable sea controlada sin el uso de surfactantes adicionales, polímeros y otros componentes tradicionalmente usados para este fin.
Prueba
ResponderEliminarSURFACTANTES
ResponderEliminarLos surfactantes son sustancias cuyas moléculas poseen a la vez un grupo polar y un grupo apolar. El grupo polar es en general un grupo funcional que contiene heteroátomos como O, S, N o P. Sí en el surfactante el grupo polar es el surfactante iónico con carga negativa (anión) y un catión metálico, se llaman surfactantes aniónicos. A esta categoría pertenecen los jabones o carboxilatos, los alquil-bencenos sulfanatos (detergentes en polvo), el dodecil (éster) y sulfato (agentes colectores de flotación de minerales). Los surfactantes aniónicos son los surfactantes más importantes desde el punto de vista de la producción ya que representan más del 50% del consumo total.
El surfactante, tiene la función de envolver las moléculas de aceite con su parte hidrofóbica y con su parte hidrofílica expuesta interactúa con el agua dando lugar a la mezcla.
Los surfactantes son comúnmente empleados en las formulaciones de herbicidas para impartir o aún aumentar las propiedades deseables de las formulaciones y más aún, la de la mezcla del pulverizado final. Se emplean en las formulaciones líquidas (solubles, emulsificables) y secas (PM) que se aplican usando agua como vehículo.
Los surfactantes facilitan o aumentan la emulsividad, dispersión, mojado, distribución, adherencia, penetración y otras propiedades de modificación de las superficies de los líquidos.
Ellos son compuestos que producen cambios físicos en la superficie de los líquidos, ocurriendo dichos cambios en la interfase entre dos líquidos, o entre un líquido y un gas o sólido. Debido a los cambios que ellos producen en las superficies, los surfactantes se conocen como agentes con actividad superficial. Las aplicaciones prácticas de los surfactantes son debidas a su tendencia a ser absorbidos en la interfase entre la solución y la fase líquida, sólida o gaseosa adyacentes.
En conclusión los surfactantes se utilizan en innumerables aplicaciones, no sólo en productos de limpieza, sino en las industrias agro-alimenticias, farmacéuticas, cosméticas, metalúrgicas, pinturas, polímeros, textiles, petroleras, etc.
Realizado por:
Becerra, Mariel
Domínguez , Angélica
Domínguez, Luisa
García, Julio
Patete, Elimar
Rivero, Yerika
Spósito, Odette
Grupo Nº 2
Licenciatura Química
Q01
10° trimestre