Temperatura zmętnienia (punkt zmętnienia) – definicja, mechanizm i metody pomiaru

Mechanizm rozpuszczalności surfaktantów w wodzie

Rozpuszczalność jest cechą fizyczną związków chemicznych, zależną przede wszystkim od rodzaju rozpuszczanej substancji oraz roztworu, w którym ją rozpuszczamy. Wpływa na nią między innymi temperatura stosowanego roztworu oraz zastosowane ciśnienie. Mechanizm rozpuszczania jest różny, w zależności od rozpuszczanej substancji może być związany z:

• Dysocjacją i tworzeniem jonów, w przypadku związków jonowych,
• Tworzeniem się wiązań wodorowych pomiędzy cząsteczkami wody a tlenem eterowym w grupie oksyalkilenowej, w przypadku związków niejonowych.

Dodatkowo istnieją zależności, o których należy wspomnieć podczas rozważania rozpuszczalności surfaktantów:

• Im więcej grup eterowych w cząsteczce związku powierzchniowo czynnego, tym większa jego rozpuszczalność w wodzie. Jest to spowodowane wzrastaniem hydrofilowości,
• Im wyższa temperatura tym rozpuszczalność maleje, co powoduje zmętnianie roztworu.

Temperatura, powyżej której w roztworze zaczynają się rozdzielać dwie fazy, a roztwór staje się niejednorodny, stanowi punkt zmętnienia.

Obecność soli nieorganicznych w wodzie może obniżać temperaturę zmętnienia roztworów związków powierzchniowo czynnych.

W celu prewencji obniżania temperatury zmętnienia stosuje się hydrotropy, będące specyficzną grupą związków chemicznych.

Czym są hydrotropy?

To substancje, które wykazują zdolności do modyfikacji rozpuszczalności związków chemicznych w wodzie. Charakteryzują się amifilowością, a więc posiadają hydrofobowy i hydrofilowy fragment w cząsteczce. Powyżej pewnego stężenia, nazywanego stężeniem hydrotropowym, wytwarzają micele. Do ich głównych funkcji należy więc zapobieganie wytrącaniu składników z formulacji bogatych w środki powierzchniowo czynne w niskich temperaturach. Same są zbliżone budową do surfaktantów, jednak ich ogon hydrofobowy jest krótszy.

Zobacz środki hydrotropowe w ofercie Grupy PCC.

Flokulacja i koagulacja

Surfaktanty w formie miceli, tak jak wszystkie roztwory koloidalne w określonych warunkach charakteryzują się tendencją do łączenia w większe skupiska, agregaty. Koagulacja prowadzi do zmniejszenia powierzchni międzyfazowej, w wyniku czego doprowadza do rozdziału poszczególnych faz. Flokulacja również prowadzi do wytwarzania większych agregatów, jednak mogą się one swobodnie poruszać w ośrodku dyspersyjnym. Czynnikiem, mającym wpływ na proces jest charakter elektrycznej warstwy podwójnej wokół miceli.

Zobacz flokulanty w ofercie Grupy PCC.

Surfaktanty niejonowe

Zależność przebiegu procesów mających na celu wytwarzanie większych skupisk jest ściśle zależne od możliwości hydratacji grup –OH lub -(CH2CH2O)n-. Wraz ze wzrostem temperatury, zmniejsza się stopień hydratacji. Powoduje to w konsekwencji flokulację micelarnych roztworów środków powierzchniowo czynnych i następujące wymieszanie się faz względem siebie.

W trakcie tego procesu można zaobserwować wydzielanie się przeźroczystej fazy wodnej, praktycznie pozbawionej substancji powierzchniowo czynnych, oraz wyraźnie mętnej fazy, która zawiera bardzo stężony roztwór koloidalny surfaktanta. Zmętnienie roztworu jest więc następstwem obecności w nim dużych agregatów surfaktanta, co powoduje rozproszenie światła widzialnego, przechodzącego przez roztwór. Rozdział faz można zaobserwować w pewnym przedziale temperatur, w pobliżu punktu zmętnienia.

Mieszaniny surfaktantów anionowych i kationowych

Zjawisko zmętniania roztworu obserwuje się również w mieszaninach anionowych i kationowych powierzchniowych substancji czynnych, jednak powstaje ono w wyniku innych mechanizmów. W zależności od stosunku obecnych w roztworze surfaktantów anionowych i kationowych, a także obecności elektrolitów, układ może stanowić klarowny roztwór micelarny lub układ precypitat-koacerwat o różnych wzajemnych równowagach.

W zależności od składu użytej kompozycji można przy pomocy charakterystycznego wykresu wyrazić zależność pomiędzy temperaturą zmętnienia a udziałem molowym jednego ze składników. Empiryczne badania wykazały, że wzrastający ułamek surfaktanta anionowego od ~0,47 do ~0,51 powoduje obniżanie punktu zmętnienia. Od ~0,51 ułamku jego zawartości do ~0,57 zaobserwowano natomiast wzrastanie CP. Ogólnikowo można powiedzieć również, że obecność elektrolitów w roztworze powoduje obniżanie temperatury zmętnienia.

Punkt zmętnienia – odwracalność przemiany

Roztwory związków powierzchniowo czynnych w trakcie ogrzewania stają się mętne, jednak dzięki odwracalności przemiany w wyniku ochładzania, osiągając pewną temperaturę, ponownie stają się klarowne.

Co wpływa na temperaturę zmętnienia?

1. Zanieczyszczenia: im więcej zanieczyszczeń w roztworze, tym niższa temperatura zmętnienia. Dodatkowe cząstki powodują zakłócanie struktury i utrudniają wytwarzanie miceli,
2. Ciśnienie: im wyższe ciśnienie, tym wyższa temperatura zmętnienia. Wysokie ciśnienia sprzyjają wytwarzaniu bardziej zwartych struktur,
3. Rozpuszczalnik,
4. Surfaktant: w przypadku najpowszechniejszych surfaktantów niejonowych istnieją kolejne zależności:
   1. Struktura chemiczna – długość łańcucha hydrofobowego,
   2. Stopień oksyelylenowania

Im dłuższy łańcuch hydrofobowy i mniejszy stopień oksyetylenowania, tym niższa temperatura zmętnienia.

Metody oznaczania punktu zmętnienia

1. Metody wizualne
   1. Obserwacja wizualna podczas stopniowego podgrzewania roztworu,
   2. Wykorzystanie dedykowanych aparatów, które stosują technikę kontrolowanego podgrzewania,
2. Metody spektrofotometryczne
   1. Pomiar absorpcji lub transmitancji świtała, które zmieniają się w trakcie zmiany temperatury,

Znaczenie parametru temperatury zmętnienia

• Przemysł spożywczy i chemiczny, w tym oznaczanie właściwości formulacji związków powierzchniowo czynnych.
• Kontrola jakości paliw i olejów,
• Określanie właściwości materiałów, na przykład polimerów i tłuszczy,