СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРИТИЧЕСКОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ МИЦЕЛЛООБРАЗОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ Российский патент 2021 года по МПК G01N13/02 

Область техники

Изобретение относится к аналитической химии и может быть использовано в контрольно-измерительной технике для определения критической концентрации мицеллообразования (ККМ) поверхностно-активных веществ (ПАВ) в воде. Способ может быть реализован в компактном и недорогом приборе с автоматическим измерением ККМ.

Уровень техники

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) имеют широкий спектр применения, являясь необходимыми компонентами в составе моющих средств для промышленного и бытового использования, косметики, лекарственных препаратов, деэмульгаторов в нефтедобывающей промышленности, средств защиты сельскохозяйственных культур и в производстве продуктов питания (источник [1]: 1. Tadros T.F. Applied Surfactants: Principles and Applications. Blackwell Science Publ. Oxford. 2005.) ПАВ уменьшает поверхностное натяжение рабочей жидкости, улучшает смачиваемость и впитывающую способность обрабатываемых материалов, стабилизирует пены, эмульсии и коллоиды. Основной характеристикой ПАВ является критическая концентрация мицеллообразования (ККМ), при которой поверхностное натяжение жидкости достигает минимально возможного значения, а адсорбция молекул ПАВ на поверхностях раздела фаз жидкость/газ, жидкость/жидкость, жидкость/твердое тело достигает максимального значения. При этом свободные молекулы ПАВ в объеме раствора формируют агрегаты, зачастую в форме сферических мицелл, служащие источником мономеров. В медицинской диагностике и при лечении заболеваний стабильные мицеллы, сформированные биосовместимыми полимерными ПАВ, используются как средства доставки инкапсулированных молекулярных зондов и лекарственных препаратов в виде гидрофобных частиц [1] (источник [2]: Owen S.C, Chan R.P.Y., Shoichet M.S. Polymeric micelle stability. Nano Today, 7, 53 – 65, 2012.).

На сегодняшний день разработано и активно применяется большое количество способов измерения ККМ ПАВ в водных растворах. Наиболее широкое распространение получили способы тензиометрии (способ пластинки Вильгельми, кольца Дюнои и висячей капли), основанные на измерении зависимости поверхностного натяжения раствора от концентрации ПАВ [1]. Несмотря на то что данные способы могут применяться для измерения ККМ ПАВ независимо от заряда полярной группы молекул, они имеют ряд существенных недостатков и ограничений, таких как высокая чувствительность к загрязнениям и примесям в ПАВ, неудовлетворительная точность при измерении ККМ промышленных ПАВ, состоящих из молекул с различной длиной гидрофильной цепи, липидных ПАВ для биологических исследований, а также ПАВ с низкими (менее 0.1 мМ) значениями ККМ. Кроме того, данные способы весьма трудоемки и требуют применения сложных математических способов расчета, как, например, в способе висячей капли, и специального программного обеспечения. Недостатками приборов, реализованных на основе способов пластинки Вильгельми и кольца Дюнои, являются их высокая стоимость, связанная с использованием дорогих материалов для изготовления пластики и кольца, а также их хрупкость. Способ висячей капли является весьма трудоемким и малопригодным для измерения ККМ ПАВ с низкой скоростью адсорбции молекул на межфазной поверхности, поскольку из-за малых объемов капель начинает сказываться испарение жидкости, которое влияет на точность результатов. Помимо этого, способ очень чувствителен к вибрациям.

Известен способ кондуктометрии (источник [3]: Fennell Evans D., Allen M., Ninham B.V., Fouda A. Critical micelle concentrations for alkyltrimethylammonium bromides in water from 25 to 160°C. Journal of Solution Chemistry, 13(2), 88-101, 1984; источник [4]: Martín Pérez-Rodríguez M., Prieto G., Rega C., Varela L.M., Sarmiento F., Mosquera V. A Comparative Study of the Determination of the Critical Micelle Concentration by Conductivity and Dielectric Constant Measurements. Langmuir, 14, 4422-4426, 1998) основанный на измерении зависимости электропроводности раствора от концентрации ПАВ.

Несмотря на простоту реализации, этот способ [3,4] ограничен применением лишь для ионогенных (анионных и катионных) ПАВ с электрическим зарядом гидрофильной группы.

Известны способы флуориметрии (Источник [5]: Aguiar J., Carpena P., Molina-Bolívar J.A., Ruiz C. C. On the determination of the critical micelle concentration by the pyrene 1:3 ratio method. J. Colloid and Interface Sci., 258, 116–122, 2003. Источник [6]: Patist A., Bhagwat S.S., Penfield K.W., Aikens P., Shah D.O. On the measurement of critical micelle concentrations of pure and technical-grade nonionic surfactants. Journal of Surfactants and Detergents, 3(1), 53-57, 2000. Источник [7]: Zhang X., Jackson J.K., Burt H.M. Determination of surfactant critical micelle concentration by a novel fluorescence depolarization technique. J. Biochem. Biophys. Methods, 31, 145-150, 1996. Источник [8]: Fluksman A., Benny O. A robust method for critical micelle concentration determination using coumarin-6 as a fluorescent probe. Analytical Methods, 11, 3810-3818, 2019. Источник [9]: Chattopadhyay A., London E. Fluorimetric determination of critical micelle concentration avoiding interference from detergent charge. Analytical Biochemistry, 139, 408-412, 10984) для измерения ККМ ПАВ, которые основаны на добавлении в исследуемые растворы гидрофобных зондов (красителей), чувствительных к изменению полярности и вязкости окружающей среды, вызванному процессом мицеллообразования.

Способ измерения ККМ с использованием в качестве зонда пирена [5], объемом в единицы µМ, заключается возбуждении флуоресценции на длине волны 335 нм и измерении соотношения интенсивностей электронно-колебательных полос спектра излучения на длинах волн 373 нм (I1, сильно изменяющейся от полярности среды) и 384 нм (I3, слабо зависящей от полярности среды) как функции концентрации ПАВ. С ростом концентрации ПАВ в растворе соотношение I1:I3 уменьшается, поскольку окружение молекул пирена становится менее полярным, и достигает постоянного значения при формировании и растворе мицелл. В этом случае молекулы зонда оказываются солюбилизированы мицеллами. Значение ККМ определяют нахождением точки перегиба полученной сигмоидальной зависимости. Для некоторых ПАВ получаются зависимости в форме подобно таковой в тензиометрии, в этом случае ККМ определяют по точке пересечения линейных аппроксимаций участков уменьшения соотношения I1:I3 и его постоянного значения. К недостаткам такого способа относятся большие погрешности измерения (более 20%) вследствие снижения интенсивности пиков флуоресценции в области малых концентраций ПАВ и взаимодействия молекул пирена с гидрофильными частями молекул ПАВ, влияние фонового поглощения и автофлуоресценции из-за примесей в ПАВ, а также строгая пошаговая процедура приготовления образцов для измерения.

Способ [6], основанный на использовании сольватохромных зондов, как, например, нильский красный и эозин, чувствительных к степени полярности среды, и измерении зависимости интенсивности флуоресценции на определённой длине волны от концентрации ПАВ. Недостатком способов является влияние на результат измерения случайных флуктуаций интенсивности возбуждающего излучения.

Общим недостатком этих способов [5, 6] является влияние концентрации вещества, служащего зондом, в растворе ПАВ на процесс формирования агрегатов.

Еще один способ [7] флуориметрии основан на явлении анизотропии флуоресценции, в котором исследуемые растворы ПАВ с флуорофорными зондами облучают поляризованным светом и измеряют меру анизотропии интенсивности флуоресценции зондов как функцию концентрации ПАВ. Так же, как и в способах [5, 6], излучение флуорофора зависит от полярности окружающей среды, так что формирование мицелл в растворе приводит к изменению (уменьшению) анизотропии излучения. Несмотря на то что этот способ не зависит от концентрации зондов в растворе и флуктуаций интенсивности возбуждающего излучения, он имеет такие недостатки как необходимость подбора зонда для каждого типа ПАВ для предотвращения возможного кулоновского взаимодействия с молекулами ПАВ и фотодеградации, и большие погрешности измерения анизотропии в области малой концентрации ПАВ.

Известен способ (Источник [10]: Tran C.D., Yu S. Near-infrared spectroscopic method for the sensitive and direct determination of aggregations of surfactants in various media. J. Colloid and Interface Sci., 283, 613–618, 2005) определения ККМ, основанный на измерении интенсивности спектров поглощения C-H групп молекул ПАВ в ближней ИК области. С увеличением концентрации ПАВ интенсивность пиков линейно возрастает и в области формирования мицелл происходит резкое увеличение наклона зависимости поглощения от концентрации.

Несмотря на то что способ [10] позволяет измерять ККМ растворов с прямыми и обратными мицеллами и не требует использования зондов в виде красителей или флуорофоров, он тем не менее не позволяет измерять ККМ ПАВ в водных растворах из-за сильного влияния поглощения воды, вместо воды используется тяжелая вода, что зачастую ограничивает его применение в производственных или исследовательских лабораториях.

Известен способ (Источник [11]: Ogita M., Nagai Y., Mehta M.A., Fujinami T. Application of the adsorption effect of optical fibres for the determination of critical micelle concentration. Sensors and Actuators B, 64, 147–151, 2000) оценки ККМ, заключающийся в измерении зависимости мощности оптического сигнала, передаваемого сердцевиной оптического волокна, протянутого через кювету, заполненную раствором ПАВ. Принцип способа основан на изменении отражательной способности поверхности оптическое волокно-раствор, вызванной адсорбцией молекул ПАВ на поверхности, которые изменяют показатель преломления окружающей среды. При достижении ККМ детектируется резкое увеличение мощности оптического сигнала на выходе из волокна. К недостаткам этого способа можно отнести его чувствительность к оптическим свойствам молекул ПАВ, что может ограничить его применимость для широкого спектра ПАВ и хрупкость материала, требующая предельной аккуратности при выполнении измерений.

Известен способ определения ККМ (Источник [12]: Kaufmann T.C., Engel A., Rémigy Hervé-W. A novel method for detergent concentration determination. Biophysical Journal, 90, 310–317, 2006), основанный на измерении зависимости краевого угла смачивания капель раствора ПАВ на пленке полимера марки Parafilm M от концентрации ПАВ растворе. Значение ККМ определяется по точке излома на графике краевого угла от логарифма концентрации ПАВ. Несмотря на простоту измерения и удовлетворительную воспроизводимость, полученную для нескольких типов ПАВ, способ имеет ряд существенных недостатков: необходимость подбора функции для аппроксимации профиля капли, от которой зависит точность измерения; зависимость величины краевого угла от таких свойств подложки как шероховатость, изменяющаяся в масштабах от микрометров до миллиметров, и неоднородность текстуры поверхности подложки и структуры самого материала, обусловленная особенностями его изготовления; а также влияние влажности воздуха на величину конечного краевого угла (Источник [13]: Ivanova N.A., Kubochkin N.S., Starov V.M. Wetting of hydrophobic substrates by pure surfactants at continuously increasing humidity. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 519, 71-77, 2017). Кроме этого, способ не пригоден для ПАВ с высокой поверхностной активностью, поскольку на используемом материале могут достигаться предельно малые (неизмеримые) значения краевого угла смачивания при концентрациях меньших ККМ.

Необходимо отметить, что всем описанным выше способам измерения ККМ ПАВ присущи следующие общие недостатки:

(1) необходимость использования дорогостоящего измерительного оборудования (спектрометры, прецизионные весы, омметры, ваттметры) и специализированных компьютерных программ, реализующих математические способы обработки и анализа полученного сигнала;

(2) ограничение применимости к широкому классу ПАВ;

(3) низкая чувствительность в области малых концентраций ПАВ;

(4) высокая чувствительность к чистоте ПАВ;

(5) необходимость использования вспомогательных веществ (зондов) для измерения.

Таким образом, проблема измерения критической концентрации мицеллообразования (ККМ) поверхностного-активного вещества (ПАВ) в воде технически простым и точным способом, лишенным указанных выше недостатков, на сегодняшний день не решена.

Заявленное изобретение решает задачу измерения критической концентрации мицеллообразования (ККМ) поверхностного-активного вещества (ПАВ) в воде технически простым, точным и недорогим в реализации экспресс-способом, лишенным указанных выше недостатков, причем показатель ККМ ПАВ независим от типа ПАВ, его чистоты и состава.

Заявленный способ может быть использован для контроля ККМ образцов ПАВ в производственных и исследовательских лабораториях.

Технический результат заключается в определении критической концентрации мицеллообразования (ККМ) поверхностного-активного вещества (ПАВ) в воде, независимо от типа ПАВ, его чистоты и состава.

Технический результат достигается тем, что в способе определения критической концентрации мицеллообразования поверхностно-активных веществ, в котором измеряют физический параметр раствора поверхностно-активного вещества, находящийся в зависимости от концентрации поверхностно-активного вещества, измеряют диаметр колец интерференционной картины (диаметр отклика на экране), находящейся в зависимости от концентрации поверхностно-активного вещества в растворе, интерференционную картину получают на экране при отражении пучка лазера от углубления, сформированного действием магнитного поля неодимового магнита, в слое раствора поверхностно-активного вещества.

Предусмотрено, что строят концентрационную зависимость диаметра колец интерференционной картины от концентрации поверхностно-активного вещества в растворе, искомую величину критической концентрации мицеллообразования поверхностно-активного вещества определяют по точке пересечения двух линейных участков зависимости диаметра колец интерференционной картины от концентрации поверхностно-активного вещества.

Предполагается, что интерференционную картину получают, нанося раствор поверхностно-активного вещества на дно чашки, в дно которой заподлицо вмонтирован неодимовый магнит, на слой раствора поверхностно-активного вещества направляют широкий пучок лазера, отражение лазера от раствора поверхностно-активного вещества фиксируют на экране.

Предполагается, что толщина слоя раствора поверхностно-активного вещества в чашке, магнитная сила и размер магнита, расстояние от слоя раствора поверхностно-активного вещества до экрана имеют фиксированные значения.

В способе раствор ПАВ наносят тонким слоем в чашку, в дно которой заподлицо вмонтирован неодимовый магнит. В чашку устанавливают зонд для контроля толщины слоя раствора поверхностно-активного вещества. Магнитное поле магнита создает в слое раствора ПАВ углубление, размер которого зависит от величины поверхностного натяжения раствора, которое в свою очередь уменьшается с ростом концентрации ПАВ в растворе. На слой раствора ПАВ направляют маломощный, широкий пробный пучок лазера, который, отражаясь от углубления, формирует на экране кольцевую интерференционную картину - отклик. При фиксированных толщине слоя раствора, силе и размере магнита, и расстоянии от слоя до экрана диаметр отклика зависит от концентрации ПАВ в растворе. Для определения ККМ ПАВ строят концентрационную зависимость диаметра отклика, а искомую величину определяют по точке пересечения двух линейных участков зависимости диаметра отклика, т.е. кольцевой интерференционной картины, от концентрации.

Таким образом, предлагаемый способ, отличаясь существенной простотой, обладает рядом преимуществ, а именно: не требует использования дорогостоящего измерительного оборудования и специализированных компьютерных программ для математической обработки и анализа полученного сигнала; не требует использования вспомогательных химических веществ (красителей) для выполнения измерений. Кроме того, для создания углубления в слое раствора ПАВ может быть использован небольшой по размерам (диаметром много меньше диаметра чашки) неодимовый магнит, а для получения отклика от этого углубления может быть использован любой доступный лазер, например, лазерная указка, или светодиод, излучающие в видимом диапазоне.

Предлагаемый способ позволяет существенно упростить и удешевить процедуру измерения ККМ ПАВ и не требует измерения какого-либо физико-химического свойства вещества.

Изобретение поясняется графическими материалами:

фиг.1 – схема реализации способа, где цифрами обозначено:

1 - чашка;

2 - магнит;

3 - дно чашки;

4 - раствор ПАВ;

5 - углубление;

6 - зонд;

7 - пучок лазера;

8 - экран с кольцевой интерференционной картиной (отклик);

h - толщина слоя раствора ПАВ.

фиг. 2 – график зависимости диаметра отклика (черные маркеры) и поверхностного натяжения (пустые маркеры) от концентрации цетилтриметиламмония бромида (ЦТАБ) выраженной в граммах на литр. Измерения проводили при температуре 22°С. Значение ККМ определенное по точке пресечения линейных аппроксимаций зависимости диаметра отклика от концентрации составило 0.34±0.03 г/л, что хорошо согласуется с результатом 0.36±0.01 г/л, измеренным способом Вильгельми (пустые маркеры), и данными (0.32…0.36 г/л), полученными способами флуориметрии [5, 8, 9];

фиг. 3 – график зависимости диаметра отклика (черные маркеры) и поверхностного натяжения (пустые маркеры) от концентрации Triton X-100, выраженной в граммах на литр. Величина ККМ, определенная предложенным способом, составляет 0.18±0.02 г/л и совпадает с результатом, полученным способом пластинки Вильгельми - 0.18±0.01 г/л, а также находится в диапазоне значений 0.15…0.23 г/л, полученных способами флуориметрии [5, 7-9] и краевого угла смачивания [4].

Осуществление изобретения

Способ определения критической концентрации мицеллообразования поверхностно-активных веществ включает измерение физического параметра раствора поверхностно-активного вещества, находящегося в зависимости от концентрации поверхностно-активного вещества в растворе. В данном изобретении измеряют диаметр колец интерференционной картины (диаметр отклика на экране), находящейся в зависимости от концентрации поверхностно-активного вещества в растворе. Интерференционную картину получают на экране при отражении пучка лазера от углубления, сформированного в растворе ПАВ. Причём углубление в растворе ПАВ формируют действием постоянного магнитного поля неодимового магнита, на слой раствора поверхностно-активного вещества.

Способ реализуется с использованием чашки 1 (например, чашка Петри). В дно 3 чашки 1 заподлицо вмонтирован цилиндрический неодимовый магнит 2 (фиг.1) миллиметрового размера. В чашке 1 установлен зонда 6 в виде микрометрического винта для контроля толщины слоя раствора ПАВ 4. Над чашкой расположен полупроводниковый лазер (лазерная указка) формирующий пучок (луч) лазера 7 и экран 8 для приема кольцевой интерференционной картины отраженного пучка лазера 7. Раствор поверхностно-активного вещества (ПАВ) 4 наносят тонким слоем (толщиной h не более 1 мм) в чашку 1. Раствор ПАВ определённой концентрации. В чашке 1 с использованием зонда 6 устанавливают необходимой толщины слой раствора ПАВ 4. Постоянное магнитное поле магнита 2 создает в слое раствора ПАВ 4 стационарное углубление 5, в зоне расположения магнита 2 (Источник [14]: Ueno S., Iwasaka M. Parting of Water by Magnetic Fields. IEEE Transactions on Magnetics. 30(6), 4698-4700, 1994. Источник [15]: Hirota N., Homma T., Sugawara H., Kitazawa K., Iwasaka M., Ueno S., Yokoi H., Kakudate Y., Fujiwara S., Kawamura M. Rise and Fall of Surface Level of Water Solutions under High Magnetic Field. Jap. Appl. Phys. 34 (8), 991-993, 1995. Источник [16]: Gendelman O., Frenkel M., Fliagin V., Ivanova N., Danchuk V., Legchenkova I., Vilk A., Bormashenko E. Study of the Displacement of Floating Diamagnetic Bodies by Magnetic Field. Surface Innovations. 7(3-4), 192-202, 2019), вследствие баланса сил магнитного поля и поверхностного натяжения. Размер углубления 5, его конечная глубина, определяющая геометрическую форму (диаметр сферы), зависит от величины сил поверхностного натяжения раствора ПАВ 4: чем больше силы поверхностного натяжения раствора ПАВ 4, тем меньше размер углубления 5, чем меньше силы поверхностного натяжения раствора ПАВ 4, тем больше размер углубления 5. Силы поверхностного натяжения раствора ПАВ 4 в свою очередь уменьшаются с ростом концентрации ПАВ в растворе, достигая своего минимального значения при концентрации равной концентрации мицеллообразования (ККМ). На слой раствора ПАВ 4 направляют маломощный, широкий пробный пучок лазера 7, направленный на углубление 5, который, отражаясь от углубления 5, формирует на экране 8 стационарную кольцевую интерференционную картину - отклик.

Для определения ККМ ПАВ строят концентрационную зависимость диаметра колец интерференционной картины (отклика), а искомую величину ККМ определяют по точке пересечения двух линейных участков зависимости диаметра колец кольцевой интерференционной картины, от концентрации ПАВ в растворе. При фиксированных толщине слоя раствора ПАВ 4, силе и размере магнита 2, и расстоянии от слоя раствора ПАВ 4 до экрана 8 диаметр колец интерференционной картины зависит только от концентрации ПАВ в растворе, является функцией концентрации ПАВ в растворе. С увеличением концентрации ПАВ снижается поверхностное натяжение раствора, что приводит к уменьшению лапласова давления и, как следствие, к увеличению размера углубления 5 и диаметра отклика. При значениях концентрации ПАВ равной и выше ККМ поверхностное натяжение растворов достигает постоянной величины, и, следовательно, размер углубления 5 и диаметр отклика не меняются. Последовательно увеличивая концентрацию ПАВ в растворе, начиная от некоторого минимального значения, строят зависимость диаметра отклика от концентрации ПАВ, а значение ККМ определяют по точке пересечения линейных аппроксимаций участков увеличения диаметра отклика и его постоянного значения.

Диаметр отклика измеряют на экране с помощью линейки. Измеряют диаметр колец интерференционной картины определяют величину ККМ по точке пересечения двух линейных участков зависимости диаметра колец кольцевой интерференционной картины, от концентрации ПАВ в растворе.

Таким образом, предлагаемый способ, отличаясь существенной простотой, обладает рядом преимуществ, а именно: не требует использования дорогостоящего измерительного оборудования и специализированных компьютерных программ для математической обработки и анализа полученного сигнала; не требует использования вспомогательных химических веществ (красителей) для выполнения измерений. Кроме того, для создания углубления 5 в слое раствора ПАВ 4 может быть использован небольшой по размерам (диаметром много меньше диаметра чашки) неодимовый магнит 2, а для получения отклика от этого углубления 5 может быть использован любой доступный лазер, например, лазерная указка, или светодиод, излучающие в видимом диапазоне.

Предлагаемый способ позволяет существенно упростить и удешевить процедуру измерения ККМ ПАВ и не требует измерения какого-либо физико-химического свойства вещества.

Способ позволяет измерять ККМ любого типа ПАВ (неионогенные, ионогенные) по зависимости диаметра интерференционной картины, полученной на экране путем проекции пучка лазера, отраженного от деформированного магнитным полем слоя раствора ПАВ, от объемной концентрации ПАВ.

Способ отличается тем, что не требует: измерения какого-либо свойства жидкости (поверхностного натяжения, электропроводности и др.) с использованием расчетов по приближенным формулам; применения сложного, дорогостоящего измерительного оборудования, использования флуоресцентных добавок (маркеров), а также сложной и затратной по времени процедуры измерения.

Апробация предложенного способа выполнена авторами для 5 типов ПАВ, и проведено сравнение величин ККМ с измеренными способом пластинки Вильгельми (прибор компании Data Physics, Германия) с платиновой пластинкой. Показано хорошее согласие результатов.

В тестовых экспериментах использовали чашку 1 диаметром 60 мм дно которой выполнено из алюминиевого диска толщиной 8 мм с вмонтированным заподлицо неодимовым магнитом 2 (диаметр магнита 5 мм, высота 8 мм, значение остаточной намагниченности 1 Тл), лазер He-Ne (632 нм, 5 мВт) служил источником пробного пучка, который расширяли линзой до диаметра более 5 мм. Толщину слоя раствора ПАВ задавали равной 500±10 мкм и контролировали с помощью зонда 6 в виде микрометра с закрепленным на нем тонким гидрофобным щупом вдали от расположения магнита 2. Наконечник щупа устанавливали на высоте 500 мкм от дна 3 чашки (нулевой точки), а затем пипеткой добавляли в кювету раствор ПАВ 4 до момента касания щупа поверхности слоя раствора ПАВ 4.

В качестве образцов использовали ионогенный, катионный ПАВ – цетилтриметиламмоний бромид, ЦТАБ (химическая формула [C₁₆H₃₃N+(CH₃)₃]Br-, молекулярный вес 364.45 г/моль) и неионогенный ПАВ - октилфенол этоксилат, коммерческое название Triton X-100, (химическая формула C₁₄H₂₂O(C₂H₄O)n с n = 9 - 10, молекулярный вес около 625 г/моль). Для контроля результатов определения ККМ предложенным способом, были проведены измерения с использованием стандартного способа пластинки Вильгельми (пластинка из платиноиридиевого сплава толщиной 0.2 мм), а также проведено сравнение с данными из литературных источников.

На фиг. 2 показаны зависимости диаметра отклика (черные маркеры) и поверхностного натяжения (пустые маркеры) от концентрации ЦТАБ выраженной в граммах на литр. Измерения проводили при температуре 22°С. Значение ККМ, определенное по точке пресечения линейных аппроксимаций зависимости диаметра отклика от концентрации, составило 0.34 ± 0.03 г/л, что хорошо согласуется с результатом 0.36±0.01 г/л измеренным способом Вильгельми (пустые маркеры) и данными (0.32…0.36 г/л), полученными способами флуориметрии [5, 8, 9].

На Фиг. 3 показаны зависимости диаметра отклика (черные маркеры) и поверхностного натяжения (пустые маркеры) от концентрации Triton X-100 выраженной в граммах на литр. Величина ККМ, определенная предложенным способом, составляет 0.18±0.02 г/л и совпадает с результатом, полученным способом пластинки Вильгельми - 0.18±0.01 г/л, а также находится в диапазоне значений 0.15…0.23 г/л, полученных способами флуориметрии [5, 7-9] и краевого угла смачивания [4].

Таким образом, предлагаемый способ, отличаясь существенной простотой, обладает рядом преимуществ, а именно: не требует использования дорогостоящего измерительного оборудования и специализированных компьютерных программ для математической обработки и анализа полученного сигнала; не требует использования вспомогательных химических веществ (красителей) для выполнения измерений. Кроме того, для создания углубления в слое раствора ПАВ может быть использован небольшой по размерам (диаметром много меньше диаметра чашки) неодимовый магнит, а для получения отклика от этого углубления может быть использован любой доступный лазер, например, лазерная указка, или светодиод, излучающие в видимом диапазоне.

Способ позволяет существенно упростить и удешевить процедуру измерения ККМ ПАВ и не требует измерения какого-либо физико-химического свойства вещества.

Технический результат заключается в определении критической концентрации мицеллообразования (ККМ) поверхностного-активного вещества (ПАВ) в воде, независимо от типа ПАВ, его чистоты и состава.

Изобретение относится к аналитической химии, и может быть использовано в контрольно-измерительной технике для определения критической концентрации мицеллообразования (ККМ) поверхностно-активных веществ (ПАВ) в воде. Способ определения критической концентрации мицеллообразования поверхностно-активных веществ включает измерение физического параметра раствора поверхностно-активного вещества, находящегося в зависимости от концентрации поверхностно-активного вещества, при этом измеряют диаметр колец интерференционной картины, находящейся в зависимости от концентрации поверхностно-активного вещества в растворе, интерференционную картину получают на экране при отражении пучка лазера от углубления, сформированного действием магнитного поля неодимового магнита, в слое раствора поверхностно-активного вещества. Техническим результатом является возможность определения критической концентрации мицеллообразования (ККМ) поверхностного-активного вещества (ПАВ) в воде, независимо от типа ПАВ, его чистоты и состава. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения критической концентрации мицеллообразования поверхностно-активных веществ, в котором измеряют физический параметр раствора поверхностно-активного вещества, находящегося в зависимости от концентрации поверхностно-активного вещества, отличающийся тем, что измеряют диаметр колец интерференционной картины, находящейся в зависимости от концентрации поверхностно-активного вещества в растворе, интерференционную картину получают на экране при отражении пучка лазера от углубления, сформированного действием магнитного поля неодимового магнита, в слое раствора поверхностно-активного вещества.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что строят концентрационную зависимость диаметра колец интерференционной картины от концентрации поверхностно-активного вещества в растворе, искомую величину критической концентрации мицеллообразования поверхностно-активного вещества определяют по точке пересечения двух линейных участков зависимости диаметра колец интерференционной картины от концентрации поверхностно-активного вещества.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что интерференционную картину на экране получают, нанося раствор поверхностно-активного вещества на дно чашки, в дно которой заподлицо вмонтирован неодимовый магнит, на слой раствора поверхностно-активного вещества направляют широкий пучок лазера, отражение лазера от раствора поверхностно-активного вещества фиксируют на экране.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что толщина слоя раствора поверхностно-активного вещества в чашке, магнитная сила и размер магнита, расстояние от слоя раствора поверхностно-активного вещества до экрана имеют фиксированные значения.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что в чашку устанавливают зонд для контроля толщины слоя раствора поверхностно-активного вещества.

6. Способ по п.3, отличающийся тем, что толщина слоя раствора поверхностно-активного вещества не более 1 мм.