-
1
UNIVERSIDAD DE CONCEPCION FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE
INGENIERIA QUIMICA
Dinmica de Adsorcin de
Surfactantes
Asignatura : Laboratorio de Procesos
Qumicos I Profesor : Pedro Toledo
Instructora : Elisa Giustinianovich Grupo : G
Integrantes : Roberto Hernndez (Lder) Andrea Miranda Paulina
Morales
Paula Muoz (Expositora) Fecha : 28 de Mayo del 2014
-
2
Sumario
Los surfactantes son sustancias qumicas que se activan en las
superficies favoreciendo las interacciones entre dos fases. Estn
constituidos por una cabeza polar (hidroflica) y una larga cadena
de hidrocarburos apolares (hidrofbicos). En soluciones acuosas
estas molculas anfiflicas forman micelas, en donde los grupos
polares estn en la superficie y los grupos apolares quedan
sumergidos en el interior sin contacto con el agua, la concentracin
a la cual ocurre esto se denomina concentracin micelar crtica CMC.
El objetivo principal de este informe es determinar la CMC de un
surfactante de estructura desconocida, al cual se denomin AMINA II.
Para esto se trabaj con el tensimetro KSV 700, el cual por medio de
un software y por el mtodo de la placa Wilhelmy, registr datos de
tensin superficial de la solucin acuosa respecto a la concentracin
de surfactante. A travs del anlisis grafico de estos datos, se
determin la CMC que resulto ser 0,955 g/L. Adems, se calcularon
propiedades dinmicas de adsorcin del surfactante como la eficiencia
( = 5,66 /), eficacia ( = 6,03 10
4 /1000 2) y rea de cubrimiento molecular
( = 275
2), adems mediante la tcnica de anlisis trmico, se obtuvo el
punto de nube o
cloud point (CP = 60C) y el punto de escurrimiento o pour point,
(PP = 40C) del surfactante. Para muchos de estos clculos fue
necesario estimar el peso molecular del surfactante en cuestin,
esto se hizo a partir de los datos entregados resultando un
estimado de 301 g/gmol.
Adems de esto se consider que el pH del agua utilizada para el
experimento era ligeramente acido (pH = 5,68), esto implica que el
surfactante al ser una amina ramificada al entrar en contacto con
esta solucin se ioniza en forma de catin.
-
3
Nomenclatura Smbolo Definicin Unidad de medida
CMC Concentracin Micelar Crtica g/L
CMP Concentracin Micelar Primaria g/L
CMS Concentracin Micelar Secundaria g/L
C Concentracin de soluto mol/m3
CP Cloud point o punto de nube K
E Fuerza de empuje N
e Ancho de la placa de Wilhelmy mm
F Fuerza ejercida por el tensimetro N
FTS Fuerza de la tensin superficial N
GM Energa libre de micelizacin J/mol G Aceleracin de gravedad
m/s2
HM Entalpa de micelizacin J/mol
KM Constante de equilibrio de micelizacin Adimensional
L Largo de la placa de Wilhelmy mm
P Fuerza peso N
PP Pour point o punto de escurrimiento K
R Constante universal de los gases J/mol K
SM Entropa de micelizacin J/mol K
T Temperatura K
Smbolo Definicin Unidad de medida
Potencial qumico J/mol
Variacin Adimensional Tensin superficial N/m Eficiencia mol/L
Eficacia Mol/1000m
2
-
4
ndice
Dinmica de Adsorcin de Surfactantes
.......................................................................................1
Sumario
........................................................................................................................................2
Nomenclatura
..............................................................................................................................3
1. Introduccin
.........................................................................................................................6
2. Objetivos
..............................................................................................................................7
2.1. Objetivos generales
......................................................................................................7
2.2. Objetivos especficos
....................................................................................................7
3. Principios Tericos
...............................................................................................................8
3.1. Qu es un surfactante?
...............................................................................................8
3.2. Eficiencia, efectividad y rea de cubrimiento molecular
..............................................9
3.3. Definicin termodinmica de tensin superficial
.......................................................10
3.4. Adsorcin
...................................................................................................................11
3.5. Qu es una
micela?...................................................................................................12
3.6. Concentracin micelar critica (CMC)
..........................................................................14
3.7. La CMC y estructura molecular
...................................................................................15
3.8. Termodinmica del proceso de micelizacin
..............................................................16
3.9. Influencia de los electrolitos en la CMC
......................................................................17
3.10. Influencia del alcohol en la CMC
.............................................................................18
3.11. Punto de nube
........................................................................................................18
3.12. Punto de escurrimiento
..........................................................................................18
3.13. Aplicaciones industriales
........................................................................................19
3.13.1. Agricultura e industria agroalimentaria
..............................................................19
3.13.2. Procesos industriales
..........................................................................................19
3.13.3. Lucha
anticontaminacin....................................................................................21
4. Metodologa y Planificacin del Experimento
....................................................................23
4.1. Equipos
.......................................................................................................................23
4.2. Materiales
..................................................................................................................24
4.3. Mtodo de la Placa de Wilhelmy
................................................................................24
4.4. Procedimiento experimental
......................................................................................26
5. Resultados
..........................................................................................................................28
5.1. Concentracin micelar crtica
.....................................................................................28
5.2. Cloud point y el pour point
.........................................................................................30
5.3. Entalpia de micelizacin
.............................................................................................30
5.4. Eficiencia, eficacia y rea de cubrimiento molecular
..................................................31
-
5
6. Discusin y anlisis de
resultados.......................................................................................32
7. Conclusin
..........................................................................................................................33
8. Bibliografa
.........................................................................................................................34
9. Anexos
................................................................................................................................35
9.1. Ejemplos de clculo
....................................................................................................35
9.1.1. Concentracin micelar critica
.............................................................................35
9.1.2. Pour point
...........................................................................................................36
9.1.3. Eficiencia y eficacia
.............................................................................................36
9.2. Tablas
.........................................................................................................................37
-
6
1. Introduccin
Debido a la necesidad de optimizacin de los procesos qumicos,
para competir dentro de un mercado en el que la calidad se ha
vuelto fundamental, las industrias, junto a instituciones
especialistas, han debido focalizar sus investigaciones. Una de las
focalizaciones se ha hecho en el campo de aplicacin de los
surfactantes, ya que este es probablemente el ms interdisciplinario
de la ciencia y de la tecnologa moderna, y un concepto de gran
valor en la ingeniera qumica.
Los surfactantes surgen debido al alza de precios del crudo como
consecuencia de la crisis de los aos 70. Las industrias petroleras
tuvieron que hacer innumerables investigaciones con el fin de
encontrar un mtodo para recuperar el aceite que quedaba abandonado
despus de la produccin primaria y la recuperacin secundaria. As se
encontr que los surfactantes eran una buena opcin.
La definicin de stos se encuentra en la palabra misma, que
resulta de la contraccin de tres palabras inglesas,
surface-active-agent, las cules significan: agente que acta en las
superficies. En otras palabras, los surfactantes modifican la
interaccin entre dos superficies, lo que lograba aumentar la
produccin de crudo.
Por lo tanto los surfactantes son compuestos que se concentran o
acumulan en la interfase entre dos medios, alterando la tensin
superficial. Sus propiedades provienen de su estructura debido a
que son molculas anfiflicas, es decir, que poseen un extremo
hidroflico que es soluble en agua y otro hidrfobo, que rechaza el
agua, lo cual los hace orientarse de forma especfica dependiendo
del medio en el que se encuentre.
Por ello, presentan propiedades tales como la formacin de
emulsiones, mojabilidad, dispersin, detergencia y/o solubilizacin.
Los surfactantes ya sean naturales o sintticos, cambian la
solubilidad y el estado de otros constituyentes presentes en el
medio, y lo organizan formando micelas y otras
microestructuras.
Los surfactantes son utilizados en diversas reas, pasando desde
el uso domstico como por ejemplo en detergentes y jabones, hasta en
las grandes industrias como la farmacutica, cosmtica, minera,
alimentaria, petrolera, entre otras.
Los surfactantes tienen un alto costo econmico, y son de
propiedades muy especficas. Es por este motivo que se hace
necesario saber cmo obtener estas caractersticas en laboratorio, ya
que al aplicar un producto fuera de especificacin para la industria
podra tener consecuencias econmicas importantes.
-
7
2. Objetivos
2.1. Objetivos generales
Determinar la concentracin micelar critica de un
surfactante.
2.2. Objetivos especficos
Calcular la entalpa de micelizacin.
Determinar el punto de nube y el punto de escurrimiento.
Determinar propiedades dinmicas de adsorcin del surfactante, es
decir, eficiencia, eficacia, y rea de cubrimiento molecular.
Deducir y predecir la forma en que el surfactante se adhiere a
superficies slidas.
Deducir la distribucin de molculas de surfactantes antes y
despus de la CMC.
Analizar el efecto de pH y presencia de electrlitos sobre la
CMC.
-
8
3. Principios Tericos
3.1. Qu es un surfactante?
Los surfactantes son sustancias qumicas que se activan en las
superficies, su nombre surfactant" proviene de surface, superficie;
active, activo, y agent, -agente.
Los surfactantes son, la mayor parte del tiempo, compuestos
orgnicos anfiflicos, es decir, que poseen un extremo hidroflico que
es soluble en agua y otro hidrfobo, que rechaza el agua.
Figura 1.Estructura de los surfactantes (Herrez, 2014)
En la imagen anterior se puede observar como es la estructura de
un surfactante. En la primera figura se ve una forma general, es
decir, una cabeza que es la parte hidrfila y define el tipo de
surfactante los que pueden ser:
Surfactantes Aninicos: Estos surfactantes se disocian en un anin
anffilo y un catin que es, en general, un metal alcalino o un
amonio cuaternario. A este tipo pertenecen los detergentes
sintticos, los jabones, los agentes espumantes, etc.
Surfactantes No-inicos: Estos son los que, sin ionizarse, se
solubilizan mediante un efecto combinado de un cierto nmero de
grupos solubilizantes dbiles (hidrfilos) tales como ter, alcohol,
fenol o amida. No producen iones en solucin acuosa y por lo tanto
son compatibles con los dems tipos de surfactantes. Son en general
buenos detergentes, humectantes y emulsionantes.
Surfactantes Catinicos: Estos surfactantes se disocian en
solucin acuosa en un catin orgnico anffilo y un anin generalmente
del tipo halogenuro. En general son compuestos nitrogenados del
tipo sal de amina grasa o de amonio cuaternario. Son excelentes
agentes antiestticos, hidrfobos, as como inhibidores de
corrosin.
Surfactantes anfteros: Estos surfactantes poseen en su cabeza la
combinacin de grupos catinicos y aninicos. En este caso, algunos
son insensibles al pH, otros son de tipo catinico a pH bajo y de
tipo aninico a pH alto.
Adems los surfactantes poseen una cola, que es la parte hidrfoba
y puede ser:
-
9
Una cadena hidrocarbonada (hidrocarburos aromticos, alcanos,
alquenos,
cicloalcanos). Una cadena alquil ter Una cadena fluorocarbonada.
Una cadena de siloxano.
Los surfactantes al poseer esta doble afinidad tienen una fuerte
tendencia a migrar a las interfases, de tal forma que su grupo
polar se encuentre en el agua y su grupo apolar se ubique orientado
hacia un solvente orgnico o en la superficie.
Figura 2. Ubicacin del surfactante (Gonzlez, 2014)
En la imagen 2 se puede observar la posicin que tiene el
surfactante en la interfase, mostrando que la cabeza, parte polar,
se ubica en el agua mientras que la parte apolar se orienta hacia
el aceite o aire.
3.2. Eficiencia, efectividad y rea de cubrimiento molecular
La eficiencia o desempeo de un surfactante, corresponde a la
capacidad que tiene ste para disminuir la tensin superficial de una
solucin. Se relaciona directamente con la estructura y tamao de las
partes hidroflicas e hidrofbicas de la molcula de surfactante.
Esta se calcula de la siguiente forma:
= 20 = log(20) (3.2.1)
En esta ecuacin, 20 es llamada concentracin 20 y es la
concentracin de surfactante necesaria para que la tensin
superficial del solvente puro disminuya en 20 mN/m.
La efectividad de la adsorcin puede determinarse a partir de la
CMC, se define como el punto en el que la tensin superficial no se
ve afectada por la adicin de surfactante, ya que la superficie se
encuentra saturada de molculas de surfactante. Se calcula como:
-
10
= 20
4,606 log (
20) (3.2.2)
Donde,
: Concentracin superficial mxima /10002
R: Constante de los gases /( )
T: Temperatura
: Presin superficial
= (3.2.3)
: Tensin superficial /
Considerando la adsorcin de molculas en una interfase, el mximo
nmero de molculas que pueden acomodarse en un rea determinada
depende del rea ocupada por cada molcula.
=
1023
(3.2.4)
Donde,
: rea molecular
2
: Numero de Avogadro 1
: Concentracin superficial mxima /10002
3.3. Definicin termodinmica de tensin superficial
La tensin superficial es un fenmeno que ocurre en la superficie
de los lquidos, que surge de la diferencia de las fuerzas
intermoleculares en la interfase lquido-gas. (Ver figura 3)
Por una parte, las molculas que se encuentran en el seno del
fluido, experimentan fuerzas de atraccin por igual en todas
direcciones por las molculas adyacentes, estas fuerzas se cancelan
entre s, por lo que la fuerza neta sobre las molculas es cero, es
decir, se encuentran en equilibrio.
Por otra parte, en la superficie del lquido ocurre una situacin
distinta, las molculas que se encuentran ah experimentan una fuerza
de atraccin mayor por parte de las molculas de lquido que por las
de gas, esto se debe a que las molculas de gas se encuentran ms
separadas entre ellas y por lo mismo ms distantes de la superficie
del lquido, por lo que la fuerza de atraccin intermolecular
liquido-gas es ms dbil, lo que origina una fuerza resultante hacia
el interior del fluido. Adems se crea un gradiente en la energa
libre de Gibbs en la superficie. (Gentry, 2013).
-
11
Figura 3. Molculas en el seno y superficie del lquido. (Gentry,
2013).
Las molculas situadas en la superficie tienen una energa
promedio mayor que las situadas en el interior, por lo tanto la
tendencia del sistema ser disminuir la energa total, ello se logra
disminuyendo el nmero de molculas situadas en la superficie. Es
decir, para una superficie mnima se cumple un estado de mnima
energa, por lo tanto la superficie de un lquido tiende a contraerse
y el efecto resultante de estas fuerzas de contraccin es lo que da
origen a la tensin superficial, permitiendo adems que la superficie
sea estable.
La tensin superficial es responsable de la forma de gotas de
lquido. Aunque se deforman con facilidad, las gotas de agua tienden
a ser empujadas a una forma esfrica por las fuerzas de cohesin de
la capa superficial. En ausencia de otras fuerzas, incluyendo la
gravedad, las gotas de todos los lquidos, en teora seran
perfectamente esfricas.
Tambin se define tensin superficial como el trabajo necesario
para generar un centmetro cuadrado de superficie o la energa libre
superficial por centmetro cuadrado de rea. Para un sistema
multicomponente, la variacin de energa del sistema estar dada
por:
= + + + =1 (3.3.1)
Donde es el trabajo a P y T constante asociado con la variacin
de rea.
3.4. Adsorcin
La adsorcin es el proceso por el cual un tomo o una molcula de
sustancia se adhieren en la superficie de un slido o en la
interfase entre dos fluidos.
Es un medio para neutralizar o satisfacer las fuerzas de
atraccin que existen en una superficie o una interfase, y que se
deben a la discontinuidad en la naturaleza de la estructura de la
superficie. En consecuencia la adsorcin produce una disminucin de
la energa libre interfasial o tensin si se trata de una interfase
fluido-fluido. El proceso de adsorcin procede hasta que la energa
haya alcanzado un mnimo.
Cuando todos los sitios del sustrato estn ocupados la adsorcin
alcanza el equilibrio. En realidad es un equilibrio dinmico entre
el proceso de adsorcin y el proceso opuesto llamado desorcin, en el
cual una molcula adsorbida regresa al seno del lquido.
-
12
La adsorcin en una interfase agua-gas o agua-aceite se debe a la
combinacin de varios efectos. Por eso esta es, en general, mucho ms
intensa que la adsorcin en un sustrato slido, aunque esto no se
cumple siempre. En una interfase de este tipo, la molcula se
orienta de manera que la parte polar queda en el agua, mientras que
el grupo apolar se ubica fuera del agua o de forma inversa para el
caso del aceite. Esto produce una reduccin de la tensin
superficial, lo que favorece la deformacin y la ruptura de una
interfase, as como tambin la formacin de sistemas dispersos como
emulsiones o espumas, la movilizacin de petrleo residual y la
limpieza industrial, entre otros.
3.5. Qu es una micela?
La micela es un polmero de asociacin en el cual el surfactante
alcanza una posicin favorable. En solucin acuosa la fuerza motriz
principal que favorece la formacin de micelas es el efecto
hidrfobo, es decir, la sustraccin de la parte apolar del
surfactante del contacto con las molculas del agua y la formacin un
contacto ms favorable desde el punto de vista energtico con las
partes apolares de otras molculas de surfactante.
Figura 4. Forma de una micela (Herrez, 2014)
En la imagen se puede ver como las molculas anfiflicas se
posicionan de tal manera que sus cabezas quedan en contacto con el
medio polar, y sus colas quedan en contacto con el apolar. En otro
tipo de medios, las molculas anfiflicas se pueden organizar como
micelas inversas, como se observa en la siguiente figura:
-
13
Figura 5. Forma de una micela inversa (Herrez, 2014)
La micelizacin es entonces un tipo de microprecipitacin en la
cual el surfactante se sustrae parcialmente de la fase acuosa. La
analoga con un fenmeno de precipitacin est reforzada por el hecho
de que la micelizacin se produce a una concentracin particular
conocida como concentracin micelar crtica o CMC.
ste fenmeno se debe a los efectos que tienden a favorecer la
formacin de una micela, particularmente el efecto hidrfobo, que
aumenta con el tamao de la cadena hidrocarbonada del surfactante y
a los efectos que tienden a oponerse a la formacin de una micela,
tal como la repulsin entre los grupos hidroflicos, particularmente
importante en el caso de surfactantes inicos. La presencia de un
alcohol que se intercala entre las molculas de surfactante en la
interfase, o la adicin de electrlitos que produce un efecto de
pantalla que reduce el campo elctrico intermolecular, reduce las
fuerzas repulsivas y por este efecto favorece la micelizacin. Los
efectos que favorecen la micelizacin disminuyen la CMC y
viceversa.
Las micelas son responsables de una propiedad fundamental de las
soluciones de surfactantes que es su poder solubilizante.
La imagen siguiente muestra la variacin de la concentracin de
hidrocarburo solubilizado en una solucin de surfactante en funcin
de la concentracin de este ltimo. A partir de la CMC, la
solubilizacin aumenta considerablemente, debido a que el
hidrocarburo penetra en el centro de las micelas.
Figura 6. Solubilizacin micelar (SALAGER, 1993)
-
14
A veces el tipo de surfactante favorece la formacin de una
estructura estratificada plana llamada cristal lquido, estas
estructuras y otras menos organizadas tienden a inmovilizar grandes
cantidades de solvente para formar geles. En la figura siguiente se
muestran distintas estructuras de las micelas.
Figura 7. Estructura de las micelas (SALAGER, 1993)
3.6. Concentracin micelar critica (CMC)
La concentracin micelar crtica se refiere a la concentracin
mnima de surfactante a partir de la cual se forman las primeras
micelas de manera espontnea en una disolucin. Este punto crtico,
que es nico para cada compuesto, puede ser detectado mediante
diversos mtodos, pero dentro de los ms empleados est el de hacer
variar la tensin superficial, el cual es utilizado para cualquier
tipo de surfactante.
Figura 8. Variacin de la tensin superficial respecto a la
concentracin de surfactante (SALAGER,
1993)
-
15
En la imagen anterior se puede observar como varia la tensin
superficial de un surfactante a medida que su concentracin aumenta,
presentando caractersticas generales.
En la zona I, que comienza con la tensin superficial del agua
pura, la mayora de las molculas de surfactante se adsorben en la
superficie, provocando una disminucin de la tensin.
Luego a partir de cierto punto la tensin comienza a disminuir
con el logaritmo de la concentracin del surfactante, en esta zona
(II) la superficie est saturada de molculas del tensoactivo y las
molculas de surfactante que se aaden deben solubilizarse en la fase
acuosa. En la zona III la tensin superficial permanece constante.
En esta regin, cualquier molcula suplementaria de surfactante se
encuentra encima de su lmite de "saturacin" en fase acuosa, y su
"solubilizacin" ocurre en agregados de tipo coloidal llamados
micelas. Grficamente se puede apreciar que la CMC es el punto donde
existe una interseccin entre la zona descendente de la curva y la
zona horizontal.
Figura 9. Propiedades de los surfactantes (Arenas, 2008)
En esta imagen se puede ver que en la situacin A las partculas
del surfactante comienzan a adsorberse en la superficie, luego en
la situacin B, al existir un aumento de la concentracin de
surfactante el rea interfasial es saturada, hasta cierta
concentracin donde comienza la CMC y se forman las micelas.
3.7. La CMC y estructura molecular
Las contribuciones del tamao de la parte hidrofbica e hidroflica
del surfactante influyen en la CMC. Ambas contribuciones se
contrarrestan una con la otra, es decir, se tiene una CMC baja
cuando la contribucin de la parte hidrofbica es alta. En cambio se
presenta una CMC alta cuando esta situacin se presenta en la parte
hidroflica.
Dependiendo de la caracterstica de cada grupo la CMC va
cambiando, por lo tanto para el grupo hidrofbico:
La CMC disminuye a medida que el nmero de carbonos aumenta en la
cadena hidrfoba.
-
16
La CMC aumenta si tomos polares como el nitrgeno u oxgeno, estn
incluidos en el grupo hidrofbico.
La CMC disminuye cuando los tomos de flor reemplazan los de
carbono. Mientras que para el grupo hidroflico,
En una sal aninica la CMC disminuye en el siguiente orden:
+>+>+>2+ = 2+.
La CMC aumenta si una cabeza hidroflica extra de introduce.
La adicin de una unidad de xido de etileno a un ter sulfato
produce una disminucin en la CMC.
La adicin de una unidad de xido de etileno a un surfactante no
inico produce un aumento de la CMC.
3.8. Termodinmica del proceso de micelizacin
Como la micelizacin es una reaccin qumica, entonces posee una
entalpia, entropa y energa libre de Gibbs que la caracteriza. Para
que la reaccin sea espontanea la energa libre debe ser
negativa.
El proceso de micelizacin se representa por:
= (3.8.1)
Donde X representa los monmeros de surfactante, Xm la micela y n
es el nmero de agregacin, o sea, el nmero de monmeros que forman la
micela. La expresin de la constante de equilibrio est dada por:
=
= exp(
) (3.8.2)
Esta ecuacin se puede reescribir como:
= ln = ln () (3.8.3)
Al dividir por n se obtiene:
=
ln
=
ln( )
ln() (3.8.4)
Ya que n es grande, para valores de n > 50, el trminoln(
)
es despreciable.
Como X corresponde al punto de la CMC, se tiene:
ln = ln =
(3.8.5)
-
17
Es decir,
= ln (3.8.6)
Usando la ecuacin de Gibbs Helmholtz, se puede determinar el
cambio de entropa:
=
= +
()
(3.8.7)
Adems se sabe que la ecuacin de energa libre de Gibbs
= (3.8.8) Por medio de la ecuacin anterior se puede determinar
la entalpia de micelizacin reemplazando la ecuacin 3.5.6 y 3.5.7 en
la 3.5.8, y despus despejando se obtiene:
= + 2 ()
(3.8.9)
3.9. Influencia de los electrolitos en la CMC
La adicin de electrlitos tiende a disminuir la solubilidad de
muchas sustancias en agua, e incluso puede llegar a producir la
precipitacin en forma de fase slida. En este sentido la adicin de
electrlito disminuye la solvatacin de la parte hidroflica del
surfactante. Adems la adicin de electrlito produce una mayor
concentracin de iones en la vecindad de la superficie de las
micelas y por lo tanto resulta en un efecto de pantalla que reduce
las repulsiones electrostticas entre las partes hidroflicas
cargadas. Ambos tipos de efectos favorecen la formacin de micelas,
y de manera general se puede decir que la presencia de electrlitos
tiende a disminuir la CMC. Este efecto es ms importante para los
iones bivalentes que para los monovalente. Para el caso de
surfactantes aninicos se puede representar el efecto de las sales
monovalentes, por la relacin siguiente:
ln = (3.9.1)
Donde S es la concentracin de la sal expresada en % m/v, b es la
pendiente de la recta y a es el intercepto de la recta con el eje
de la ordenada, estos dos ltimos trminos dependen de la naturaleza
del electrolito. La CMC se ve disminuida debido a la reduccin del
espesor de la doble capa elctrica que rodea las micelas,
produciendo una disminucin en las fuerzas de repulsin entre los
grupos hidroflicos vecinos, y como consecuencia de esto se permite
la asociacin de surfactantes a concentraciones ms bajas. Para
surfactantes no inicos el efecto de los electrolitos es semejante,
pero con una magnitud menor, la ecuacin que los representa es la
siguiente:
ln = (3.9.2)
-
18
La CMC se ve afectada por la reduccin de solubilidad del grupo
hidroflico por desolvatacin, adems de un aumento en las
interacciones del grupo lipiflico y la solucin acuosa. Para el caso
de surfactantes catinicos, la presencia de un electrolito tambin
influye en la CMC produciendo una disminucin de sta. En resumen se
puede decir que la CMC disminuye cuando un electrolito es agregado
a surfactantes inicos, en cambio en surfactantes no inicos la CMC
no se ve muy afectada.
3.10. Influencia del alcohol en la CMC
Los alcoholes son utilizados ampliamente junto a los
surfactantes debido a que ejercen una fuerza importante como
co-surfactantes. Todos los alcoholes tienden a reducir la CMC, y su
influencia depende del tipo de alcohol, masa molecular, ramificacin
y de su concentracin. Cuanto ms lipiflico es el alcohol ms notable
es el descenso de la CMC, debido a la formacin de micelas mixtas de
surfactante-alcohol, donde ocurren inserciones de las molculas de
alcohol que reducen las fuerzas repulsivas entre los grupos
hidroflicos cargados de las molculas vecinas de surfactante, estas
inserciones originan un descenso en la energa de formacin de las
micelas y por lo tanto una reduccin de la CMC.
3.11. Punto de nube
El punto de nube, tambin conocido como punto de turbidez o cloud
point, es la temperatura caracterstica de los surfactantes no
inicos en la que los slidos disueltos del surfactante dejan de ser
completamente solubles en la solucin acuosa, precipitando en forma
de cristales y dando un aspecto de turbidez al fluido, siendo punto
de nube el momento en el que se forman los primeros cristales.
Conocer el CP sirve para determinar la estabilidad de
almacenamiento, pues a temperaturas muy alejadas de ste se ven
alteradas ciertas propiedades como las de limpieza, secado y
espuma. La efectividad mxima de los surfactantes no inicos ocurre
cerca o bajo su punto de nube. Este punto es generalmente medido
usando una solucin acuosa al 1% de surfactante, y est limitado por
los puntos de ebullicin y fusin del agua. Para surfactantes inicos,
el punto de nube no se puede determinar, porque sobrepasa los
100C.
3.12. Punto de escurrimiento
El punto de escurrimiento (o pour point) es la temperatura a la
cual un fluido deja de escurrir. Este punto acta en reemplazo del
punto de congelamiento, pues, en muchas sustancias cada componente
individual solidifica a diferentes temperaturas.
-
19
3.13. Aplicaciones industriales
3.13.1. Agricultura e industria agroalimentaria Las actividades
agrcolas y la industria agro-alimentaria utilizan ampliamente los
surfactantes. Los productos fitosanitarios se pulverizan bajo forma
de aerosol (tensoactivo) el cual, a veces contiene una fase orgnica
dispersa (emulsionante) para disolver los herbicidas y los
insecticidas. La aplicacin fitosanitaria tiene como meta recubrir
la superficie tratada de una capa de producto (humectante). La
utilizacin de surfactantes en los productos alimenticios permite un
acondicionamiento variado y agradable: cremas, suspensiones,
emulsiones, polvos solubles, etc. Limpieza y esterilizacin: Las
condiciones de manipulacin de los alimentos y de los productos
acondicionados terminados deben asegurar la ausencia de
microorganismos. La nica manera de mantener la presencia de
microorganismos a un nivel suficientemente bajo es realizando una
desinfeccin peridica. Este problema es particularmente severo en
las industrias donde los productos contienen protenas en medio
acuoso. En el caso de la industria lechera el problema es mucho ms
complejo ya que la presencia de calcio inhibe la accin de los
detergentes corrientes. Por tanto se debern utilizar detergentes
insensibles a los cationes (no-inicos), mezclados a surfactantes
bactericidas de tipo catinico.
Bebidas aromatizadas: Las bebidas aromatizadas, gaseosas o no,
contienen productos perfumados naturales o sintticos. Estos
saborizantes son en general esencias orgnicas insolubles en el
agua. Su solubilizacin se asegura por la presencia de micelas de
surfactantes biocompatibles. En las bebidas alcoholizadas de tipo
anisado se forma una microemulsin que se destruye cuando se
adiciona agua, lo cual produce un coloide blanquecino de microgotas
de esencia de ans. Ciertos alimentos y bebidas aromatizadas
particularmente aquellas que derivan de los productos lcteos,
poseen una estructura compleja: Son a la vez emulsiones o
dispersiones y a veces espumas (chantilly, cremas, helados).
3.13.2. Procesos industriales Un cierto nmero de procesos
industriales utilizan los surfactantes. Ciertos dependen de una
manera determinante de este, otros lo utilizan como un aditivo que
facilita las operaciones. Algunos casos tpicos son:
Flotacin de minerales: El enriquecimiento de minerales consiste
en separarlos de la ganga terrosa que les acompaa. Se utiliza el
proceso de flotacin, probablemente una de las ms viejas
utilizaciones de los surfactantes en la industria. Se introduce el
mineral finamente molido en suspensin acuosa en la celda de
flotacin. La suspensin contiene uno o varios surfactantes llamados
colectores, en general xantatos o catinicos. Estos surfactantes se
adsorben sobre las partculas de mineral pero no sobre las de ganga.
Como consecuencia las partculas de mineral presentan una superficie
hidrofbica sobre la cual pueden pegarse burbujas de aire o gotas de
hidrocarburos.
-
20
Figura 10: Lixiviacin de un material de xido de uranio (SALAGER,
1993)
Lixiviacin del mineral de uranio: El mineral de uranio contiene
el xido U3O8 e impurezas de tipo arcilloso principalmente kaolin.
La lixiviacin del mineral se hace por percolacin de una solucin de
cido sulfrico que se alimenta por aspersin. El xido es mojable al
cido pero no el kaolin. En consecuencia la percolacin no es
uniforme y ciertas zonas no son alcanzadas por el cido que tiene
tendencia a circular por caminos preferenciales. Se elimina el
problema adicionando un surfactante humectante a la solucin cida.
En el caso del mineral de uranio se utiliza alquilsulfonatos de
cidos grasos o lignosulfonatos, sustancias que pueden soportar el
medio sulfrico.
Separacin por destilacin o evaporacin: En muchos de los procesos
industriales, la separacin del soluto y del diluyente se utiliza
por evaporacin o por destilacin. En estos casos se observa, a
menudo, la formacin de espumas persistentes que tienden a reducir
la capacidad de produccin del evaporador o de la columna de
destilacin. Se debe utilizar un agente inhibidor de espuma.
Reciclaje de papel usado: La industria papelera utiliza diversos
tipos de surfactantes y tambin se obtienen algunos como
subproductos. Desde hace algunos aos y por motivos de conservacin
del ambiente tanto como econmicos, una parte de la pulpa de papel
producida proviene del papel reciclado. El proceso de reciclaje
comprende una serie de operaciones en las cuales intervienen
surfactantes de manera determinante. La Figura 11 ilustra el
esquema de estas operaciones. Es necesario, primeramente, desfibrar
el papel en un recipiente donde el papel usado se mezcla con una
solucin custica. La pasta recuperada es, entonces, tratada con un
detergente complejo donde se persigue despegar las partculas de
tinta de la superficie de las fibras de celulosa. Esta detergencia
es un poco particular, pero el proceso es esencialmente igual al
del lavado de la ropa. Una vez que las partculas de tinta se
separan de las fibras, hay que extraerlas de la pasta. Se diluye
esta y se adicionan los ingredientes necesarios al proceso de
separacin. Este puede llevarse a cabo de dos maneras. La primera es
por lavado-enjuagado, y requiere la adicin de agentes antideposicin
y una gran cantidad de agua. La segunda, la cual se ilustra en la
figura 11, consiste en separar las partculas de tinta por flotacin.
Se necesitar entonces un agente espumante y un colector de flotacin
que asegure una buena hidrofobacin de las partculas de tinta,
manteniendo las fibras celulsica hidroflicas.
-
21
Figura 11: Proceso de reciclaje de papel usado (SALAGER,
1993)
Industria textil: La industria textil utiliza una gran variedad
de surfactantes, ya sea para mejorar el rendimiento de las
diferentes operaciones o para proporcionarle ciertas propiedades a
los productos terminados. Durante el lavado de la fibra natural
bruta se utilizan detergentes no-inicos y aninicos en medio
alcalino. Durante la fabricacin de hilos se utilizan emulsionantes
de aceites lubricantes, en general steres de polialcohol. Antes del
proceso de tintado, se pasan los materiales textiles por un bao de
surfactante aninico que tiene una finalidad mltiple. Por un lado la
adsorcin de surfactante reduce la velocidad de las reacciones de
tintado lo que produce una coloracin final ms uniforme. Y por otro
lado el surfactante dispersa las partculas de colorante. Los
surfactantes pueden tambin producir un estado de superficie
apropiado a las condiciones requeridas para la utilizacin de la
tela: efecto acondicionador, efecto hidrofobante, efecto
bactericida, etc.
3.13.3. Lucha anticontaminacin Nuestra civilizacin industrial
tiende a verter cantidades de desechos que contaminan nuestro
planeta. Sea por orden gubernamental o de iniciativa propia, la
lucha contra la contaminacin del aire, de las aguas y de las
tierras se ha convertido en un tema de actualidad y de
importancia.
Tratamiento de aguas aceitosas usadas: El tratamiento de aguas
usadas antes de ser vertidas al caudal hidrulico local se realiza
ahora sistemticamente. Estas aguas usadas pueden contener agentes
contaminantes diversos: aceite, protenas, microorganismos, etc. En
la mayora de los casos se procede, entre otros tratamientos, a la
floculacin de los materiales coloidales con ayuda de
polielectrlitos, o a veces con surfactantes polimricos como los
lignosulfonatos que facilitan la coagulacin de las protenas.
-
22
Extraccin por micelas: Estudios recientes han mostrado que se
puede utilizar el poder solubilizante de las micelas para extraer
ciertas sustancias contaminantes aun cuando su concentracin sea
extremadamente baja. Las micelas pueden solubilizar aceite en su
zona central hidrofbica, y sustancias anfiflicas (alcohol, fenol)
en su superficie por comicelizacin. Tata colores. Ellas pueden
tambin atraer iones hidrosolubles y mantenerlos en su vecindad.
Este es el caso del ion nitrato con las micelas catinicas. La
figura 15 muestra algunos casos de asociacin entre una micela y un
contaminante.
-
23
4. Metodologa y Planificacin del Experimento
4.1. Equipos Los equipos que se ocuparon en el laboratorio son
utilizados en la industria qumica con el fin de evaluar con mayor
precisin la tensin superficial, estos fueron:
Tensimetro KSV 700
Termostato JULABO
Dispensador de surfactante TITRONIC Universal
Computador con software tensimetro
Horno elctrico
Hervidor
Figura 12. Termostato JULABO Figura 13. Computador con
Sofware
Figura 14. Tensimetro KSV 700 Figura 15. Dispensador de
surfactante
-
24
Figura 16. Horno elctrico Figura 17. Hervidor
4.2. Materiales Los materiales utilizados durante la
experimentacin, con el fin de tener un procedimiento adecuado y
seguro, fueron los siguientes:
Surfactante
Pisetas
Placa de Wilhelmy (Platino)
Agitador magntico
Propipeta
Pipeta de doble aforado de 20 ml
Vasos de precipitado
Termmetro
Pinzas
Agua Bidestilada
Alcohol
Esptula
Tubo de ensayo
Guantes
4.3. Mtodo de la Placa de Wilhelmy Para determinar la tensin
superficial de la solucin lquida en funcin de la concentracin de
surfactante se trabaj con el mtodo de Wilhelmy, el cual consiste en
suspender sobre el lquido una placa de platino muy delgada, de
geometra rectangular perfectamente conocida. Esta placa se cuelgo
verticalmente de un sujetador parte del tensimetro, que midi con
precisin su masa en cada instante.
Figura 18. Mtodo de la placa de Wilhelmy (Salager & Anton,
2005)
-
25
El lado inferior de la placa se pone en contacto,
perpendicularmente, con la superficie del lquido para que se moje
(2). Luego se ejerce una fuerza vertical sobre la placa para
retirarla lentamente de la solucin liquida. La placa se levanta
poco a poco, y de cada lado se forma una interfase curva (3); se
levanta la placa hasta que se produzca el arranque, correspondiente
al instante en que la placa se separa de la interfaz lquido-gas
(4). (Salager & Anton, 2005)
Figura 19. Mtodo de la placa - Balance de fuerzas (Salager &
Anton, 2005) Para el momento justo antes del arranque se puede
suponer el equilibrio de fuerzas, y realizando un balance entre la
fuerza aplicada por el tensimetro hacia arriba , la fuerza deempuje
, la fuerza peso ejercida sobre la placa y la fuerza de tensin
superficial , se tiene que:
= 0 (4.3.1)
+ = 0 (4.3.2) , donde la fuerza de tensin superficial
corresponde a
= (4.3.3) A partir de esto y reemplazando todas las fuerzas, se
puede despejar la tensin superficial :
=+
2(+) (4.3.4)
Para el desarrollo de esta expresin, se debe considerar que el
espesor de la placa en comparacin con el largo y el ancho de la
misma son despreciables, por lo tanto, el permetro mojado es
aproximadamente 2 y el volumen de agua desplazado por la placa es
insignificante, 0. Adems el ngulo que forma la placa con la solucin
acuosa , en el momento de la separacin se puede suponer 0.
-
26
Luego de hacer todas estas suposiciones se tiene que la tensin
superficial es:
=
2 (4.3.5)
De esta forma, es posible determinar la tensin superficial de la
solucin lquida con surfactante, operacin que es realizada por el
tensimetro.
4.4. Procedimiento experimental
Al ingresar al laboratorio lo primero fue verificar que todos
los integrantes del grupo ese encontraran en las condiciones
adecuadas tanto por un tema de seguridad como por higiene.
El segundo paso fue encender el equipo, dndole prioridad al
calentador el cual tena que alcanzar una temperatura de 23C para
comenzar el experimento.
El tercer paso fue lavar 3 vasos precipitados con la tcnica de
agua, alcohol y agua con el fin de eliminar sus desechos y as no
sean afectados los resultados. Los vasos fueron lavados con agua,
para eliminar impurezas, despus con alcohol para descartar grasas
que se podan encontrar en el vaso y posteriormente con agua para
descartar la presencia de alcohol residual y luego fueron secados
en el horno elctrico durante 10 minutos a una temperatura de
120C.
En paralelo al secado de los vasos, se inici sesin en el
computador y se abri el software para programar las condiciones de
operacin del experimento. Mientras tanto otra parte del grupo
procedi con la limpieza del inyector del surfactante y de la
termocupla utilizando la misma tcnica ocupada en los vasos.
Una vez que los vasos estaban secos y a temperatura ambiente se
pipeteo agua dos veces para obtener el volumen de muestreo, que es
de 40 mL. El vaso se ubic en su posicin dentro del tensimetro y se
continu lavando el agitador magntico para luego depositarlo en el
vaso precipitado al mismo tiempo que fue activada la agitacin. Se
sigui trabajando con la placa de Wilhelmy realizando de igual
manera que con los materiales anteriores la tcnica de lavado
anteriormente mencionada para despus seguir con el flameado de la
placa con el fin de eliminar todo tipo de impurezas que pudiera
estar presente. sta se ubic en un gancho que se encontraba ubicado
en la parte superior del tensimetro.
Una vez montado todo el equipo el vaso precipitado fue elevado,
a una altura cercana a la placa, pero sin existir contacto entre el
agua y la placa. Esto se realiz para minimizar el movimiento del
vaso durante el experimento.
Finalmente se presion el botn Start en el programa del
computador para que se comenzaran a registrar los datos de tensin
superficial, se esper la confirmacin del primer resultado el cual
deba estar en el rango de 70-75 mN/m para verificar que este
resultado coincidiera con la tensin superficial del agua pura. De
no ser as, se tena que repetir el experimento completo, ya que
posiblemente este resultado pudo ser alterado por impurezas durante
el procedimiento.
Durante el experimento tambin se trabaj para calcular el punto
de nube y punto de escurrimiento del surfactante. Para obtener
estas temperaturas el surfactante fue depositado
-
27
con la esptula en un tubo de ensayo llenando dos tercios de ste,
luego el tubo fue calentado a bao mara hasta que se fundi el
surfactante.
Se agito con un termmetro el fundido hasta que se observ
nubosidad, obteniendo as el punto de nube. Se continu con la
agitacin hasta que se observ que la temperatura no variaba, punto
conocido como punto de escurrimiento.
Todas las temperaturas fueron registradas y el proceso fue
cronometrado para de esta forma, lograr un mejor anlisis de datos.
Todo lo anterior se realizado dos veces para obtener una comparacin
y mayor exactitud.
-
28
5. Resultados
5.1. Concentracin micelar crtica
Una vez realizado el experimento se obtuvieron datos de tensin
superficial y concentracin de surfactante, con ellos fue posible
elaborar el grafico presentado a continuacin.
Grfico 1. Tensin superficial vs concentracin de surfactante.
Datos correspondientes a tabla 1 (Vase en Anexos).
El grfico obtenido muestra un comportamiento anormal de la
tensin superficial en funcin de la concentracin de surfactante, se
observan dos zonas claramente diferenciadas, una de ellas es la
parte inicial del grafico que consta de mximos y mnimos relativos
para posteriormente entrar en la segunda zona que es horizontal y
estable.
Para realizar un mejor anlisis de estas zonas, el grafico
anterior fue separado en dos.
Grfico 2. Zona I: bajas concentraciones. (Naranjo: lnea
tendencia curva de descenso; Verde: recta de tensin superficial
constante; Punteada: CMP)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0,00E+00 5,00E-01 1,00E+00 1,50E+00 2,00E+00 2,50E+00
TS(m
N/m
)
C(g/L)
(II)(I)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0,00E+00 5,00E-03 1,00E-02 1,50E-02 2,00E-02 2,50E-02
3,00E-02
TS(m
N/m
)
C(g/L)
-
29
En este grafico se observa el comportamiento de la tensin
superficial a bajas concentraciones de surfactante, adems se
agregaron las lneas de tendencia de la zona horizontal,
correspondiente al valor de la tensin superficial en su rgimen
constante, y de la primera zona de descenso, encontrndose un valor
de concentracin para el cual comienza la formacin de micelas, sin
embargo al aumentar la concentracin de surfactante aumenta tambin
la tensin superficial, siendo incierto si las micelas se
descomponen o si ocurre alguna reaccin qumica que intervenga en el
comportamiento de la tensin, se podra realizar un anlisis ms
detallado si se conociera la estructura qumica del surfactante.
El valor de concentracin encontrado se defini como concentracin
micelar primaria (CMP).
CMP = 0,001932 g/L
Grfico 3. Zona II: altas concentraciones, zona micelar
definitiva. (Naranjo: lnea de tendencia curva de descenso; Verde:
recta tensin superficial constante; Punteada: CMS).
El grfico anterior es la continuacin de la zona anmala descrita
en el grafico 2. En l se observa el descenso definitivo de la
tensin superficial hasta el valor lmite, 30,105 mN/m. Adems se
agregaron las lneas de tendencia de la zona horizontal y la zona
del ltimo descenso, encontrndose una concentracin a la cual la
composicin de las micelas es estable y la adicin de surfactante no
afecta la tensin superficial.
Este valor de concentracin se defini como concentracin micelar
secundaria (CMS).
CMS = 0,955 g/L
20
25
30
35
40
45
50
55
60
0,00E+00 5,00E-01 1,00E+00 1,50E+00 2,00E+00 2,50E+00
TS(m
N/m
)
C(g/L)
-
30
5.2. Cloud point y el pour point
La determinacin del punto de nube (CP) se llev a cabo durante el
experimento al observar el enturbiamiento del surfactante lquido.
Esto ocurri a la temperatura de 60C.
CP = 60C
Adems se graficaron los datos de temperatura versus tiempo para
observar el comportamiento de la misma.
Grfico 4. Temperatura versus tiempo. (Azul: primer ensayo;
Naranjo: segundo ensayo). Datos correspondientes a la tabla 3 (Vase
Anexos)
En el grfico anterior se muestra el descenso de la temperatura
desde el momento de retirar el tubo de ensayo con la muestra de
surfactante del bao Mara. En l se observa que en ambos ensayos la
temperatura tiende a establecerse en 40C donde ocurre el cambio de
fase de liquido a solido, fenmeno que fue observado durante la
experimentacin, este corresponde al punto de escurrimiento.
PP = 40C
5.3. Entalpia de micelizacin
No fue posible obtener el valor de la entalpia de micelizacin,
ya que para esto son necesarios datos de CMC en funcin de la
temperatura y al no conocer a cabalidad el surfactante ni sus
propiedades, no se pudieron obtener desde la literatura los datos
necesarios para la aplicacin de la ecuacin (3.8.9).
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 100 200 300 400 500 600 700
T(C
)
t (s)
-
31
5.4. Eficiencia, eficacia y rea de cubrimiento molecular
Dado que las ecuaciones a utilizar estaban diseadas para
ingresar las concentraciones en unidades de (mol/L), inicialmente
fue necesario estimar un peso molecular para el surfactante en base
a las caractersticas que se conocan, ellas son:
- Cadena de 18 Carbonos aproximadamente. - Mezcla de aminas
primarias. - Posible alcohol de cadena.
Con estas caractersticas el peso molecular estimado resulto ser
301 (g/gmol).
El valor de la eficiencia fue obtenido por medio de la ecuacin
(3.2.1), con el dato de C20. Los detalles de este clculo se
encuentran en la seccin (9.1.3).
= 5,66 (/)
La eficacia fue obtenida por medio de la ecuacin (3.2.2) y su
valor corresponde a,
= 6,03 104 (/1000 2)
rea de cubrimiento
= 275
2
El valor alto del rea de cubrimiento molecular es debida a que
la molcula contiene varios grupos hidroflicos, es provoca que cada
molcula no tenga solo una regin de contacto entre las fases
aumentando el rea efectiva del surfactante. Esta cualidad es tambin
responsable del alto valor de la pendiente de descenso de la tensin
superficial en la zona I, dado que a bajas concentraciones la
superficie se ve saturada de surfactante.
-
32
6. Discusin y anlisis de resultados
A partir de los datos experimentales y el posterior anlisis
grafico de estos, se obtuvieron dos valores de concentracin a los
cuales hay presencia de micelas, estos valores (CMP y CMS)
describen los limites de las zonas de comportamiento normal de
tensin superficial, es por ello que se recomienda trabajar bajo la
CMP o sobre la CMS dependiendo del uso que se le dar al
surfactante. Para una accin nicamente a nivel superficial se
recomienda utilizar surfactante a concentraciones menores a la CMP,
dado que en ese rango el comportamiento de la tensin es normal
respecto de la concentracin de surfactante. Para asegurar la
presencia de micelas y su estabilidad, se recomienda trabajar con
concentraciones superiores a la CMS.
Debido al comportamiento irregular del surfactante en solucin
acuosa, se decidi definir la concentracin micelar crtica (CMC) como
el valor para el cual la tensin superficial se mantiene constante,
es decir:
CMC = CMS = 0,955 g/L
Adems mediante el anlisis trmico del surfactante, fue posible
determinar que el punto de nube se encontraba alrededor de los 60C
y el punto de escurrimiento en 40C.
La eficiencia calculada tiene un valor alto, lo que demuestra la
rapidez con que las molculas de surfactante llegan a la interfase.
Sin embargo, este valor es un estimado ya que para su clculo fue
necesario el peso molecular, dato que no se tena por lo cual se
estim.
La eficacia calculada, es un valor pequeo, lo que demuestra que
no es necesaria una gran cantidad de molculas para saturar la
superficie. Esto se debe principalmente a que el surfactante posee
ms de un grupo hidroflico, lo que conlleva a ms zonas de contacto
por molcula. Esto tambin es observable en el valor del rea
calculado, un valor alto en comparacin a otros surfactantes.
-
33
7. Conclusin
Una vez desarrollado el experimento fue posible determinar las
caractersticas del surfactante y despus de analizados los datos,
fue posible comprender el comportamiento del mismo en solucin
acuosa, la que tenia un pH ligeramente acido (5,68), esto fue
posible al analizar el comportamiento qumico de las aminas en esas
condiciones. Esto es, la formacin de iones con carga positiva de
surfactante.
Adems, a pesar de los pocos datos que se tenan, fue posible
caracterizar su eficiencia, eficacia, rea de cubrimiento y peso
molecular y al mismo tiempo, compararla con datos de surfactantes
de composicin similar encontrados en la literatura.
Con los datos mencionados anteriormente, se obtuvo una idea
clara de la capacidad del surfactante AMINA II en cuanto a las
capacidades ms comnmente usadas en la industria qumica.
La curva de tensin superficial versus concentracin de
surfactante permite darse cuenta que si bien el comportamiento es
anmalo, el surfactante en cuestin es de buena calidad dada su rpida
accin en las superficies. Por lo mismo fueron sugeridas dos
concentraciones micelares crticas, la decisin de cual de estas
utilizar se realiza en base al uso que se le dar al
surfactante.
El punto de fusin, punto de nube y de escurrimiento son
relativamente altos, este resultado no se pudo verificar en la
bibliografa dado que no se conoca el surfactante especifico pero se
considera que es aceptable al compararlo con otros
tensioactivos.
Se concluy que el laboratorio fue exitoso ya que permiti
adentrarse en el comportamiento y caracterizacin de los
surfactantes, adems los procedimientos adoptados permitieron
manejar los datos y realizar anlisis de manera rpida y eficiente
llegando a resultados concordantes con la literatura.
-
34
8. Bibliografa
Arenas, L. G. (2008). Influencia de las variables fisicoquimicas
en el proceso de micelizacion
de especies tensoactivas. Maracaibo.
Gonzlez, H. H. (11 de Mayo de 2014). Quimica viva. Obtenido
de
http://www.quimicaviva.qb.fcen.uba.ar/v9n3/riojas.html
Herrez, I. C. (11 de Mayo de 2014). El mundo de los lipidos.
Obtenido de
http://www2.uah.es/biomodel/model2/lip/surfactantes.htm
Rodrguez, R. J., Meza, F. E., & Azevedo, M. C. (2012).
PROPIEDADES INTERFACIALES DEL
SURFACTANTE PDMS-PEG-ANHDRIDO MALICO-CIDO FUMRICO
(PDMS-PEG-AM-AF) EN
SOLUCIN ACUOSA. Revista Colombiana de Qumica, 41,1.
SALAGER, J.-L. (1993). Surfactante en solucion acuosa.
Gentry, S. T. (2013). Surface Tension of Liquids .
Salager, J. L., & Anton, R. (2005). Metodos de medicion de
la tension superficiaL o interficial.
Mrida, Venezuela .
-
35
9. Anexos
9.1. Ejemplos de clculo
9.1.1. Concentracin micelar critica
Para calcular los puntos de micelizacin descritos se trazaron
las lneas de tendencia en las zonas de descenso previas a cada
punto, para la CMP se obtuvo, con un valor de 2 = 0,97
= 12151 + 53,55
Donde:
: Tension superficial.
: Concentracin de surfactante.
Y para el caso de la CMS, se obtuvo una recta tangente para la
zona de descenso descrita por:
= 5,107 + 34,98
Esta recta tiene un valor de 2 = 0,957.
Al interceptar cada una de estas ecuaciones con el valor de la
zona horizontal igual a 30,105 se obtienen los valores de CMP y
CMS.
=30,105 53,55
12151= 0,00193 /
=30,105 34,98
5,107= 0,955 /
-
36
9.1.2. Pour point
Para el clculo del punto de escurrimiento se trazo la lnea de
tendencia en la regin final de la curva, donde permaneca estable.
Esta lnea resulta ser la horizontal que corta al eje de la
temperatura en 40 C.
Grfico 5. Obtencin del punto de escurrimiento (PP).
9.1.3. Eficiencia y eficacia
Para el clculo de la eficiencia y eficacia es necesario primero
conocer el valor de la 20 que es determinado en la zona inicial del
grafico 2.
Grfico 6. Clculo grfico de la .
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 100 200 300 400 500 600 700
T (
C)
t (s)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0,00E+00 5,00E-04 1,00E-03 1,50E-03 2,00E-03 2,50E-03
TS(m
N/m
)
C (g/L)
-
37
Del grfico anterior se obtiene el valor de 20 = 6,5 104 /
Para la aplicacin de la ecuacin de eficiencia es necesaria la
concentracin molar (mol/L) por lo que se requiere el peso molecular
del surfactante. Para esto se estimo la siguiente cantidad de tomos
de cada tipo:
- 18 Carbonos. - 2 Nitrgenos. - 2 Hidrgenos por cada Carbono y 2
por cada Nitrgeno. - 1 grupo alcohol.
Esto es:
12 18 + 2 14 + 2 18 + 2 2 + 16 + 1 = 304 /
Luego,
20 =6,5 104
304= 2,16 106 /
Al aplicar la ecuacin (3.2.1) se obtiene el valor de la
eficiencia
= log 2,16 106 = 5,66
Para el clculo de la eficacia se utilizo la ecuacin integrada de
adsorcin de Gibbs
= 20
4,606 (
20)
=71,768 30,105 20
4,606 8,314 296 (0,955
6,5104)
= 6,03 104
1000 2
Finalmente, se calculo el rea efectiva de cada molcula mediante
la ecuacin (3.2.3)
=
1023
=
1023
6,022 1023 6,03 104= 275,4 2
9.2. Tablas
Tabla 1. Datos seleccionados de tensin y concentracin
Concentracin (g/L) ST (mN/m)
0,00E+00 71,768
5,00E-04 55,513
6,50E-04 51,101
9,00E-04 45,182
-
38
1,00E-03 40,608
1,25E-03 37,952
1,65E-03 34,443
2,00E-03 28,792
2,50E-03 28,562
3,24E-03 29,521
3,99E-03 36,039
4,99E-03 44,462
6,38E-03 45,867
7,97E-03 35,414
1,01E-02 32,555
1,26E-02 34,125
1,59E-02 35,336
1,99E-02 37,661
2,51E-02 43,714
3,16E-02 48,237
3,98E-02 45,976
5,01E-02 36,857
6,30E-02 34,464
7,92E-02 35,205
9,98E-02 36,614
1,26E-01 38,065
1,58E-01 38,625
1,99E-01 37,588
2,51E-01 36,385
3,15E-01 34,962
3,97E-01 33,617
5,00E-01 32,537
6,29E-01 31,594
7,92E-01 31,023
9,97E-01 30,318
1,26E+00 29,927
1,27E+00 30,071
2,00E+00 30,071
Tabla 2. Datos experimentales entregados por el tensimetro.
Time (s) concentracin ST (mN/m) ST eq (mN/m) Vol (mL) T (C)
133 0,00E+00 71,695
0 21,9
200 0,00E+00 71,709
0 22
269 0,00E+00 71,768 71,768 0 22,1
442 5,00E-04 71,663
0,01 22,2
510 5,00E-04 70,226
0,01 22,2
579 5,00E-04 66,388
0,01 22,3
647 5,00E-04 63,631
0,01 22,2
715 5,00E-04 60,73
0,01 22,3
-
39
784 5,00E-04 58,493
0,01 22,3
852 5,00E-04 57,693
0,01 22,3
919 5,00E-04 56,999
0,01 22,3
989 5,00E-04 55,513 55,513 0,01 22,2
1162 6,50E-04 54,851
0,013 22,2
1230 6,50E-04 54,008
0,013 22,3
1299 6,50E-04 52,983
0,013 22,2
1366 6,50E-04 52,618
0,013 22,2
1435 6,50E-04 52,068
0,013 22,2
1502 6,50E-04 52,148
0,013 22,2
1571 6,50E-04 51,62
0,013 22,3
1639 6,50E-04 51,397
0,013 22,3
1707 6,50E-04 51,101 51,101 0,013 22,3
1880 9,00E-04 50,845
0,018 22,2
1948 9,00E-04 49,117
0,018 22,3
2016 9,00E-04 48,122
0,018 22,3
2084 9,00E-04 47,926
0,018 22,3
2152 9,00E-04 47,514
0,018 22,3
2220 9,00E-04 46,738
0,018 22,3
2288 9,00E-04 46,158
0,018 22,3
2356 9,00E-04 45,108
0,018 22,3
2424 9,00E-04 45,182 45,182 0,018 22,3
2598 1,00E-03 45,019
0,02 22,3
2667 1,00E-03 42,546
0,02 22,3
2734 1,00E-03 42,289
0,02 22,3
2803 1,00E-03 42,688
0,02 22,3
2870 1,00E-03 42,571
0,02 22,3
2938 1,00E-03 42,325
0,02 22,3
3007 1,00E-03 41,719
0,02 22,3
3075 1,00E-03 40,767
0,02 22,3
3142 1,00E-03 40,608 40,608 0,02 22,3
3316 1,25E-03 40,756
0,025 22,3
3384 1,25E-03 39,828
0,025 22,3
3452 1,25E-03 40,191
0,025 22,3
3520 1,25E-03 38,908
0,025 22,3
3588 1,25E-03 39,37
0,025 22,3
3656 1,25E-03 38,878
0,025 22,3
3724 1,25E-03 38,409
0,025 22,3
3793 1,25E-03 38,302
0,025 22,3
3861 1,25E-03 37,952 37,952 0,025 22,3
4035 1,65E-03 36,359
0,033 22,3
4102 1,65E-03 37,005
0,033 22,2
4171 1,65E-03 34,538
0,033 22,3
4239 1,65E-03 34,629
0,033 22,2
4307 1,65E-03 34,443 34,443 0,033 22,2
4480 2,00E-03 31,292
0,04 22,3
4549 2,00E-03 31,121
0,04 22,3
4617 2,00E-03 30,544
0,04 22,3
4685 2,00E-03 30,335
0,04 22,3
-
40
4751 2,00E-03 29,229
0,04 22,3
4820 2,00E-03 29,576
0,04 22,3
4887 2,00E-03 29,432
0,04 22,3
4955 2,00E-03 29,092
0,04 22,2
5023 2,00E-03 28,792 28,792 0,04 22,2
5197 2,50E-03 28,314
0,05 22,2
5265 2,50E-03 28,528
0,05 22,2
5333 2,50E-03 28,444
0,05 22,2
5401 2,50E-03 28,713
0,05 22,2
5470 2,50E-03 28,588
0,05 22,2
5538 2,50E-03 28,562 28,562 0,05 22,2
5711 3,24E-03 28,768
0,065 22,2
5779 3,24E-03 29,239
0,065 22,2
5847 3,24E-03 29,373
0,065 22,2
5915 3,24E-03 29,521 29,521 0,065 22,2
6089 3,99E-03 31,238
0,08 22,2
6157 3,99E-03 31,898
0,08 22,2
6225 3,99E-03 32,377
0,08 22,2
6293 3,99E-03 33,023
0,08 22,2
6361 3,99E-03 33,603
0,08 22,2
6429 3,99E-03 34,085
0,08 22,2
6497 3,99E-03 34,666
0,08 22,2
6565 3,99E-03 35,412
0,08 22,2
6633 3,99E-03 36,039 36,039 0,08 22,2
6806 4,99E-03 40,556
0,1 22,2
6875 4,99E-03 41,187
0,1 22,2
6943 4,99E-03 41,745
0,1 22,2
7011 4,99E-03 42,484
0,1 22,2
7079 4,99E-03 42,803
0,1 22,2
7147 4,99E-03 43,108
0,1 22,2
7215 4,99E-03 43,566
0,1 22,2
7284 4,99E-03 44,045
0,1 22,2
7352 4,99E-03 44,462 44,462 0,1 22,2
7525 6,38E-03 45,8
0,128 22,2
7593 6,38E-03 45,697
0,128 22,2
7661 6,38E-03 45,867 45,867 0,128 22,2
7835 7,97E-03 45,107
0,16 22,2
7903 7,97E-03 44,304
0,16 22,2
7971 7,97E-03 43,194
0,16 22,2
8039 7,97E-03 41,725
0,16 22,2
8107 7,97E-03 40,186
0,16 22,2
8176 7,97E-03 38,635
0,16 22,2
8244 7,97E-03 37,454
0,16 22,2
8312 7,97E-03 36,502
0,16 22,2
8380 7,97E-03 35,414 35,414 0,16 22,2
8554 1,01E-02 33,327
0,203 22,2
8622 1,01E-02 33,23
0,203 22,2
8690 1,01E-02 32,967
0,203 22,2
8758 1,01E-02 32,762
0,203 22,2
-
41
8826 1,01E-02 32,539
0,203 22,2
8894 1,01E-02 32,494
0,203 22,2
8962 1,01E-02 32,555 32,555 0,203 22,2
9136 1,26E-02 32,844
0,253 22,1
9204 1,26E-02 33,099
0,253 22,2
9272 1,26E-02 33,468
0,253 22,2
9340 1,26E-02 33,563
0,253 22,2
9408 1,26E-02 34,151
0,253 22,1
9476 1,26E-02 34,042
0,253 22,1
9544 1,26E-02 34,125 34,125 0,253 22,1
9718 1,59E-02 34,551
0,32 22,1
9786 1,59E-02 34,856
0,32 22,2
9854 1,59E-02 35,01
0,32 22,2
9923 1,59E-02 34,747
0,32 22,1
9991 1,59E-02 35,27
0,32 22,1
10059 1,59E-02 35,286
0,32 22,1
10127 1,59E-02 35,336 35,336 0,32 22,1
10301 1,99E-02 36,131
0,403 22,2
10369 1,99E-02 36,568
0,403 22,2
10437 1,99E-02 36,568
0,403 22,2
10505 1,99E-02 37,114
0,403 22,2
10572 1,99E-02 37,383
0,403 22,2
10641 1,99E-02 37,41
0,403 22,1
10709 1,99E-02 38,123
0,403 22,2
10777 1,99E-02 38,297
0,403 22,2
10845 1,99E-02 37,661 37,661 0,403 22,1
11018 2,51E-02 40,348
0,508 22,2
11086 2,51E-02 41,263
0,508 22,1
11154 2,51E-02 41,127
0,508 22,2
11222 2,51E-02 41,727
0,508 22,2
11290 2,51E-02 42,1
0,508 22,2
11358 2,51E-02 42,59
0,508 22,1
11427 2,51E-02 43,227
0,508 22,2
11494 2,51E-02 42,913
0,508 22,2
11562 2,51E-02 43,714 43,714 0,508 22,2
11737 3,16E-02 45,309
0,642 22,1
11805 3,16E-02 45,513
0,642 22,2
11873 3,16E-02 46,472
0,642 22,2
11941 3,16E-02 46,368
0,642 22,2
12009 3,16E-02 46,912
0,642 22,2
12077 3,16E-02 47,353
0,642 22,2
12145 3,16E-02 47,667
0,642 22,1
12213 3,16E-02 47,446
0,642 22,2
12281 3,16E-02 48,237 48,237 0,642 22,2
12455 3,98E-02 47,385
0,812 22,2
12524 3,98E-02 47,026
0,812 22,2
12592 3,98E-02 47,296
0,812 22,2
12660 3,98E-02 46,49
0,812 22,2
12728 3,98E-02 46,723
0,812 22,2
-
42
12796 3,98E-02 46,926
0,812 22,2
12864 3,98E-02 46,567
0,812 22,2
12932 3,98E-02 46,14
0,812 22,2
13000 3,98E-02 45,976 45,976 0,812 22,2
13175 5,01E-02 41,786
1,028 22
13243 5,01E-02 39,197
1,028 22,2
13311 5,01E-02 37,418
1,028 22,2
13379 5,01E-02 40,069
1,028 22,1
13447 5,01E-02 39,556
1,028 22,2
13515 5,01E-02 38,129
1,028 22,2
13584 5,01E-02 37,515
1,028 22,2
13652 5,01E-02 38,483
1,028 22,2
13720 5,01E-02 36,857 36,857 1,028 22,1
13895 6,30E-02 36,604
1,3 21,9
13964 6,30E-02 35,475
1,3 21,9
14032 6,30E-02 34,876
1,3 22,1
14100 6,30E-02 34,672
1,3 21,9
14168 6,30E-02 34,286
1,3 22
14236 6,30E-02 34,444
1,3 22,1
14304 6,30E-02 34,716
1,3 21,9
14372 6,30E-02 34,515
1,3 22
14440 6,30E-02 34,464 34,464 1,3 21,9
14614 7,92E-02 34,227
1,65 22
14682 7,92E-02 33,851
1,65 22,2
14750 7,92E-02 35,161
1,65 21,9
14818 7,92E-02 34,409
1,65 22
14886 7,92E-02 35,504
1,65 22
14955 7,92E-02 34,736
1,65 22
15023 7,92E-02 35,329
1,65 22,1
15091 7,92E-02 34,461
1,65 21,9
15159 7,92E-02 35,205 35,205 1,65 22
15334 9,98E-02 36,477
2,1 22
15402 9,98E-02 37,224
2,1 22
15470 9,98E-02 36,807
2,1 21,9
15538 9,98E-02 36,677
2,1 21,9
15606 9,98E-02 36,614 36,614 2,1 21,9
15781 1,26E-01 38,176
2,68 21,9
15849 1,26E-01 38,209
2,68 22,1
15917 1,26E-01 38,065 38,065 2,68 22
16093 1,58E-01 36,908
3,435 21,9
16161 1,58E-01 37,335
3,435 22
16229 1,58E-01 37,444
3,435 21,9
16297 1,58E-01 37,797
3,435 21,9
16365 1,58E-01 37,896
3,435 22
16433 1,58E-01 38,339
3,435 22
16501 1,58E-01 38,592
3,435 22
16569 1,58E-01 38,719
3,435 22,1
16637 1,58E-01 38,625 38,625 3,435 22
16814 1,99E-01 37,007
4,42 22
-
43
16882 1,99E-01 37,452
4,42 22
16950 1,99E-01 37,513
4,42 22
17018 1,99E-01 37,76
4,42 22,1
17087 1,99E-01 37,646
4,42 22,1
17155 1,99E-01 37,588 37,588 4,42 22,1
17332 2,51E-01 36
5,73 22
17399 2,51E-01 36,246
5,73 22,1
17468 2,51E-01 36,385
5,73 22
17536 2,51E-01 36,385 36,385 5,73 22
17713 3,15E-01 34,745
7,49 22,1
17781 3,15E-01 34,888
7,49 22,1
17849 3,15E-01 34,962 34,962 7,49 21,9
18029 3,97E-01 33,295
9,91 22,1
18096 3,97E-01 33,572
9,91 22
18165 3,97E-01 33,612
9,91 22,1
18233 3,97E-01 33,617 33,617 9,91 22
18414 5,00E-01 32,297
13,33 22
18482 5,00E-01 32,477
13,33 22
18550 5,00E-01 32,537 32,537 13,33 22
18734 6,29E-01 31,492
18,365 22
18803 6,29E-01 31,482
18,365 22
18871 6,29E-01 31,594 31,594 18,365 22
19094 7,92E-01 30,828
26,24 22
19162 7,92E-01 30,862
26,24 21,9
19230 7,92E-01 31,023 31,023 26,24 22
19431 9,97E-01 30,318
39,793 21,9
19499 9,97E-01 30,385
39,793 21,9
19567 9,97E-01 30,318 30,318 39,793 22
19863 1,26E+00 29,789
67,475 21,8
19931 1,26E+00 29,784
67,475 21,8
19999 1,26E+00 29,927 29,927 67,475 21,9
20169 1,27E+00 29,892
70 21,9
20237 1,27E+00 29,985
70 21,9
20305 1,27E+00 30,071 30,071 70 22
Tabla 3. Anlisis trmico.
t (seg) T (C) primer ensayo T (C) segundo ensayo
0 83 82
30 79 80
60 74 74
90 71 69
120 67 65
150 63 61
180 60 57
210 58 55
240 55 53
-
44
270 53 50
300 50 48
330 48 45
360 46 44
390 44 43
420 43 42
450 42 41
480 41 41
510 40 40
540 41 41
570 40 40
600 40 40
