Przemysłowe Laboratorium Technologii Chemicznej I

Technologia Surfaktantów

SPRAWOZDANIE

Ćwiczenie B

Wytwarzanie surfaktantu anionoaktywnego typu soli disodowej monoestru n-alkilowego kwasu sulfobursztynowego

Ćwiczenie C

Wytwarzanie surfaktantu niejonowego typu oksyetylenowej pochodnej kwasu tłuszczowego w procesie estryfikacji glikolu polioksyetylenowego kwasem laurynowym

Grupa B, Pt 11.15-15.00

Prowadzący: dr Jacek Łuczyński

Ćwiczenie B

Wytwarzanie surfaktantu anionoaktywnego typu soli disodowej monoestru n-alkilowego kwasu sulfobursztynowego

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest otrzymanie surfaktantu anionoaktywnego typu soli disodowej monoestru n-alkilowego kwasu sulfobursztynowego oraz scharakteryzowanie końcowego produktu w postaci 25%-ego handlowo-użytkowego roztworu wodnego.

1. Otrzymywanie surfaktantu anionoaktywnego

• Naważki użytych surowców

Alkohol n-decylowy – 7,91g

Bezwodnik maleinowy – 5,90g

Pirosiarczyn sodowy – 14,30g

Wody – 71,95g

Perhydrol – 15 kropel ≈ 0,83g

• Reakcja procesu:

Otrzymano surfaktant po dodaniu alkoholu n-decylowego, bezwodnika maleinowego i pirosiarczynu sodowego. Następnie nadmiar pirosiarczynu sodowego rozłożono dodając perhydrol.

• Masa otrzymanego produktu: 93,19g

• Masa dodanej wody w celu otrzymania produktu o stężeniu 25% (m/m): 279,57g

• Masa produktu w postaci 25%-owego handlowo-użytkowego roztworu wodnego: 372,76g

• Zawartość soli disodowej zadanego monoestru n-alkilowego kwasu sulfobursztynowego (oznaczana dalej jako: SDM) w_s[%]:

$$w_{s} = \frac{m_{p}}{m_{t}} 100\%$$

m_p- masa teoretyczna powstałej SDM, jaka wynika z ilości użytych surowców i przy ich 100%owym przereagowaniu, [g]

m_t – masa surowców(n-alkohol tłuszczowy, bezwodnik maleinowy, pirosiarczyn sodowy, perhydrol) zużytych do wytwarzania SDM, [g]

Obliczenia:

m_p:

1mol alkoholu n-decylowego – 1mol SDM

158g – 381g

7,91g – x

x=19,07g m_p

m_t= 7,91g + 5,90g + 14,30g + 71,95g + 0,83g = 100,89g

w_s= (19,07g/100,89g)·100%=18,90%

1. Charakterystyka otrzymanego surfaktantu anionoaktywnego w postaci 25%-owego handlowo-użytkowego roztworu wodnego:

Oznaczanie rzeczywistej zawartości substancji anionoaktywnej w wytworzonym handlowo-użytkowym sulfobursztynianie disodowym metodą miareczkowania dwufazowego.

Obliczanie naważki z otrzymanego produktu dla sporządzenia 100cm³ rozcieńczonego roztworu wodnego o stężeniu 0,004 mol/dm³ (założono całkowite przereagowanie substratów wziętych do syntezy zadanego surfaktantu)

1dm³ 0,004mol

0,1dm³ 0,0004mol

1mol SDM – 381g

0,0004mol – x

x= 0,1524g – roztworu surfaktantu 100%-owego

Do oznaczenia wykorzystano 25%-owy roztwór surfaktantu, zatem potrzeba

(100%·0,1524g)/25%= 0,6096g naważki z otrzymanego produktu

Nie można było wyznaczyć zawartości substancji anionoaktywnej w analizowanym produkcie z syntezy, ponieważ nie otrzymano konkretnej wartości objętości zużytego titrantu (brak zauważalnej zmiany zabarwienia fazy organicznej z różowego na szaroniebieski).

Oznaczanie własności pianotwórczych wytworzonego handlowo-użytkowego surfaktantu anionowego typu sulfobursztynianu disodowego.

Zdolność pianotwórcza (X):

$$X = \frac{\pi d^{2} h_{1}}{4}$$

d – średnica wewnętrzna cylindra pomiarowego aparatu Rossa-Milesa, cm

h₁ – odczytana wysokość słupa piany po 30 sekundach, cm

d=5,1 cm

h₁=1 cm

$$X = \frac{\pi {5,1}^{2} 1}{4} = \ 20,43\text{cm}^{3}$$

Wskaźnik trwałości piany (X₁):

$$X_{1} = \ \frac{h_{2}}{h_{1}} 100\%$$

h₂ – odczytana wysokość słupa piany po 5 minutach, [cm]

h₂=0,4cm

$$X_{1} = \ \frac{0,4}{1} 100\% = \ 40,0\%$$

Oznaczanie zawartości suchej masy w wytworzonym produkcie końcowym

W celu oznaczenia zawartości suchej masy produktu, odparowano wodę i inne składniki lotne w piecu.

$$m_{\text{sm}} = \ \frac{m_{1}}{m_{2}} 100\%$$

m₁ – masa pozostałości po odparowaniu wody

m₂ – naważka analizowanego handlowo-użytkowego surfaktantu

m₁= 0,08g

m₂= 2,01g

$$m_{\text{sm}} = \ \frac{0,08}{2,01} 100\% = 3,98\%$$

1. Oznaczanie pH produktu końcowego przy użyciu pehametru.

Z powodu podejrzenia niepoprawnego działania pehametru, pH oznaczono na podstawie papierka wskaźnikowego: pH produktu ≈ 5

Ćwiczenie C

Wytwarzanie surfaktantu niejonowego typu oksyetylenowej pochodnej kwasu tłuszczowego w procesie estryfikacji glikolu polioksyetylenowego kwasem laurynowym

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest otrzymanie estru laurynowego glikolu polioksyetylenowego oraz zbadanie jego właściwości (oznaczenie liczby estrowej, zawartości wolnych glikoli polioksyetylenowych) i scharakteryzowanie go w postaci roztworu handlowo-użytkowego.

1. Otrzymywanie surfaktantu niejonowego

Surfaktant niejonowy otrzymano w procesie estryfikacji glikolu polioksyetylenowego kwasem laurynowym w obecności kwasu p-toluenosulfonowego jako katalizatora. Jako rozpuszczalnik wykorzystano toluen, a wodę usuwano za pomocą nasadki Dean-Starka podczas ogrzewania.

• Naważki użytych surowców:

Kwas laurynowy – 10,00 g

Glikol polioksyetylenowy (M=400) – 20,07 g

Toluen – 75,04 g

Kwas p-toluenosulfonowy – 0,25 g

• Reakcja:

C₁₁H₂₃COOH + HO(CH₂CH₂O)_nHC₁₁H₂₃COO(CH₂CH₂O)_nH + H₂O

• Objętość otrzymanej wody podczas estryfikacji – 0, 9 cm³

• Masa produktu po procesie estryfikacji i usunięciu rozpuszczalnika – 29,97g

• Wydajność prod końcowego - $w_{\text{PK}} = \frac{29,97}{10,00 + 20,07 + 0,25 + 75,04 - 8,97 - 9,16} \bullet 100\% = 34,4\%$

1. Oznaczanie stopnia przereagowania w procesie estryfikacji

• Oznaczenie zawartości wolnych grup COOH na początku procesu estryfikacji

m = 8, 970g

V = 22, 8 − 1, 6 = 21, 2 cm³

$${X_{\text{COOH}}}^{0} = \frac{V \bullet 0,20}{m} = \frac{21,2 \bullet 0,20}{8,97} = 0,472\ \frac{\text{mmol}}{g}$$

• Oznaczenie zawartości wolnych grup COOH po zakończeniu estryfikacji

m = 9, 160g

V = 26, 2 − 22, 8 = 3, 4 cm³

$${X_{\text{COOH}}}^{t} = \frac{V \bullet 0,20}{m} = \frac{3,4 \bullet 0,20}{9,16} = 0,074\ \frac{\text{mmol}}{g}$$

• Stopień przereagowania w procesie estryfikacji

$$Y^{t} = \frac{{X_{\text{COOH}}}^{0} - {X_{\text{COOH}}}^{t}}{{X_{\text{COOH}}}^{0}} \bullet 100\% = \frac{0,472 - 0,074}{0,472} \bullet 100\% = 84,3\%$$

1. Oznaczanie zawartości grup estrowych w produkcie estryfikacji

• Oznaczanie liczby kwasowej

m = 5, 030g

$${V = 20,6 - 16,4 = 4,3\ \text{cm}^{3}\backslash n}{L_{K} = \frac{V \bullet 0,20}{m} = \frac{4,3 \bullet 0,20}{5,030} = 0,167\ \frac{\text{mmol}}{g}}$$

• Oznaczanie liczby estrowej

m = 5, 000g

V₀ = 47, 3 − 0 = 47, 3 cm³

V = 19, 0 − 5, 6 = 13, 4 cm³

$$L_{E} = \frac{(V_{0} - V) \bullet 0,20}{m} - L_{K} = \frac{(47,3 - 13,4) \bullet 0,20}{5,000} - 0,167 = 1,189\ \frac{\text{mmol}}{g}$$

1. Oznaczanie zawartości wolnych grup polioksyetylenowych w produkcie estryfikacji

• Zawartość nie przereagowanego glikolu polioksyetylenowego obliczona z ekstrakcji octanem etylu

m =  m₂ − m₁ = 95, 005 − 91, 853 = 3, 152g

m = 5, 010g

$$X_{\text{PEG}} = \left( 1 - \frac{m}{m} \right) \bullet 100\% = X_{\text{PEG}} = \left( 1 - \frac{3,152}{5,010} \right) \bullet 100\% = 37,1\%$$

• Zawartość nie przereagowanego glikolu polioksyetylenowego oblicznona z ekstraktów solankowych

m =  m₂ − m₁ = 103, 320 − 100, 930 = 2, 390g

m = 5, 010g

$$X_{\text{PEG}} = \frac{m}{m} \bullet 100\% = \frac{2,390}{5,010} \bullet 100\% = 47,7\%$$

1. Charakterystyka otrzymanego surfaktantu niejonowego

Wyznaczanie pH handlowego-użytkowego roztworu surfaktantu niejonowego

pH zmierzone pH-metrem – 2,17

Z powodu podejrzenia, że pH-metr działa niepoprawnie pomiaru pH dokonano przy użyciu papierka wskaźnikowego.

pH wyznaczone przy pomocy papierka wskaźnikowego – 5

Oznaczenie własności pianotwórczych wytworzonego handlowo-użytkowego surfaktantu niejonowego typu oksyetylenowej pochodnej kwasu tłuszczowego

Oznaczenia własności pianotwórczej wodnego roztworu surfaktantu dokonano w aparacie Ross-Milesa.

• Wyznaczanie zdolności pianotwórczej

d = 5, 1 cm

h₁ = 2, 1cm

$$X = \frac{\pi \bullet d^{2} \bullet h_{1}}{4} = \frac{\pi \bullet {5,1}^{2} \bullet 2,1}{4} = 42,90\text{cm}^{3}$$

• Wyznaczanie wskaźnika trwałości piany

h₂ = 0, 9 cm

$$X_{1} = \frac{h_{2}}{h_{1}} \bullet 100 = \frac{0,9}{2,1} = 42,9\ \%$$

Podsumowanie

Ćwiczenie B

Proces tworzenia surfaktantu anionoaktywnego zastał przeprowadzony z wydajnością ok. 20%. Dokładne określenie zawartości substancji w surfaktancie poprzez miareczkowanie dwufazowe było niemożliwe. Powodem tego było prawdopodobnie wykorzystanie złego titranta - zastosowano mianowany roztwór surfaktantu anionoaktywnego zamiast kationoaktywnego. Zawartość suchej masy wynosi w produkcji końcowym niemal 4%.

Ćwiczenie C

Stopień przereagowania wyniósł około 85%, a zawartość grup estrowych $1,189\ \frac{\text{mmol}}{g}$. Zawartość wolnych glikoli polietoksylenowych została wyznaczona przez ekstrakcję dwoma metodami. Dla metody wykorzystującej ekstrakcję octanem etylu zawartość nieprzereagowanego PEG wyniosła 37,1%, a dla metody wykorzystującej połączone ekstrakty solankowe wyniosła 47,7%. Różnica w tych wielkościach wynika z niecałkowitego odparowania wody z produktu, wynik ten jest więc zawyżony i jako obligatoryjny uznaje się wynik pierwszego z oznaczeń. Oznaczanie liczby kwasowej - $0,167\ \frac{\text{mmol}}{g}$ określa pośrednio pH roztworu jako kwaśne, co zostaje potwierdzone poprzez zbadanie pH papierkiem. Mniejsza liczba kwasowa oznacza lepsze właściwości użytkowe surfaktantu.

Zdolność pianotwórcza surfaktantu anionoaktywnego wyniosła 20,43 cm³, natomiast dla surfaktantu niejonowego wyniosła około 43 cm³. Wskaźniki trwałości piany wynoszą odpowiednio 40,0% i 42,9%. Na tej podstawie można stwierdzić, że lepsze właściwości pianotwórcze ma surfaktant niejonowy. W obu przypadkach pH roztworów handlowo-użytkowych zmierzone papierkiem wskaźnikowym wynosi około 5.