CZ27846U1

CZ27846U1 - Apparatus to monitor association of amphiphilic compositions in aqueous solution

Info

Publication number: CZ27846U1
Application number: CZ2014-30173U
Authority: CZ
Inventors: Eva Kostkanová
Original assignee: Eva Kostkanová
Priority date: 2014-10-29
Filing date: 2014-10-29
Publication date: 2015-02-23

Description

Navrhované technické řešení spadá do oblasti analytických metod a postupů. Týká se kontroly a optimalizace solubilizace např. pracovních lázní na praní.The proposed technical solution falls within the area of analytical methods and procedures. It relates to the control and optimization of solubilization of, for example, washing baths.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Dávkování prostředků na praní a nebo mytí se řídí ve své podstatě zkušeností. Tato zkušenost vychází z empirického pozorování vlivů složení pracovní lázně na výsledky odstranění nečistot. Dávkování prostředků k utvoření pracovní lázně je velmi významným parametrem, který rozhoduje nejenom o kvalitativní stránce procesu, ale i o jejím dopadu na životní prostředí a ekonomice provozu. Podstatou procesu praní nebo mytí je solubilizace nečistot obsažených v prádle prostřednictvím amfifilních látek.The dosage of the detergents and / or washes is essentially based on experience. This experience is based on the empirical observation of the effects of the working bath composition on the results of impurity removal. The dosage of means for the formation of a working bath is a very important parameter that decides not only on the qualitative aspect of the process, but also on its impact on the environment and economy of operation. The essence of the washing or washing process is to solubilize the impurities contained in the laundry by means of amphiphilic substances.

Charakteristickou vlastností amfifilních sloučenin je vytváření micel. Hnací silou procesu je entropická změna soustavy. Proces je ovlivňován celou řadou faktorů, především koncentrací amfifilních látek, dále teplotou, elektrolyty, polárními látkami, hodnotou pH solubilizovanými nečistotami atd. Vzájemné spolupůsobení uvedených faktorů představuje velmi složitý vztah. Podrobným výkladem vlivů celé řady faktorů a navozením matematického modelu interakcí polyelektrolytu a tenzidu se zabýval v roce 2001 Hansson [Langmuir 17, (2001), 4167-4180],A characteristic of amphiphilic compounds is micelle formation. The driving force of the process is entropy system change. The process is influenced by a number of factors, especially the concentration of amphiphilic substances, as well as temperature, electrolytes, polar substances, pH value by solubilized impurities, etc. The interaction of these factors represents a very complex relationship. A detailed explanation of the effects of a variety of factors and the induction of a mathematical model of polyelectrolyte-surfactant interactions was discussed in 2001 by Hansson [Langmuir 17, (2001), 4167-4180],

Pokud jsou v roztoku obsaženy alespoň dva rozdílné typy amfipatických sloučenin, stává se situace ještě zajímavější. Mohou vznikat molekulové komplexy a nelze ani vyloučit vznik směsných micel [Christov N.C., Denkov N.D., Kralchevsky P.A., Ananthapadmanabhan K.P, Lips A.: Langmuir 20, (2004) 565-571].If at least two different types of amphipathic compounds are present in the solution, the situation becomes even more interesting. Molecular complexes can be formed and mixed micelles cannot be excluded [Christov N.C., Denkov N.D., Kralchevsky P.A., Ananthapadmanabhan K.P., Lips A .: Langmuir 20, (2004) 565-571].

Základem efektivního využití složek pracovní lázně na praní je zajištění kritické micelámí koncentrace amfipatických látek v průběh procesu.The basis for effective utilization of the components of the washing bath is to ensure critical micelle concentration of amphipathic substances during the process.

Je obecně známo, že v oblasti kritické micelámí koncentrace dochází ke změně průběhu závislosti některých fyzikálních veličin na koncentraci amfifilní látky v roztoku.It is generally known that in the region of critical micelle concentration there is a change in the course of dependence of some physical quantities on the concentration of amphiphilic substance in solution.

Za účelem stanovení oblasti kritické micelámí koncentrace je popisováno využití vodivosti, osmotického tlaku, povrchového napětí, viskozity atd.The use of conductivity, osmotic pressure, surface tension, viscosity, etc. is described in order to determine the region of critical micelle concentration.

Na druhé straně, k tomu aby metoda měla praktický smysl, je nutné určit takovou veličinu, jejíž změnu lze snadno sledovat v oblasti kritické micelámí koncentrace pracovní lázně na praní a tím také posoudit vliv nečistot z prádla na stupeň asociace amfifilních složek pracovní lázně. Je třeba také vzít do úvahy technické a instrumentální možnosti příslušného pracoviště, kde je měření prováděno.On the other hand, in order for the method to make practical sense, it is necessary to determine a quantity whose change can be easily observed in the region of the critical micelle concentration of the wash liquor and thereby assess the effect of laundry impurities on the degree of association of amphiphilic components. It is also necessary to take into account the technical and instrumental possibilities of the respective workplace where the measurement is performed.

V literatuře jsou v poslední době popisovány metody ke stanovení kritické micelámí koncentrace a vlivu látek obsažených v roztoku postavené na elektroforese [Ching-Ehr Lin, Mei-Ju Chen, Hui-Chun Huang, Hung-Wen Chen: Journal of Chromatography A Vol. 924, Issues 1-2, 27 July 2001, pages 83-91], Tyto metody nachází své uplatnění při formulaci složení pracovní lázně, ale k jejímu kontinuálnímu sledování jsou v provozních podmínkách velmi těžko aplikovatelné.Recently, methods have been described in the literature to determine the critical micelle concentration and the effect of substances contained in a solution based on electrophoresis [Ching-Ehr Lin, Mei-Ju Chen, Hui-Chun Huang, and Hung-Wen Chen: Journal of Chromatography A Vol. 924, Issues 1-2, 27 July 2001, pages 83-91], These methods find use in formulating the composition of the working bath, but are difficult to apply under continuous operating conditions.

Provozně využívané metody vychází nejčastěji z vodivostních a nebo dielektrických měření. Nejčastěji slouží ke kontrole koncentrace elektrolytu v pracovní lázni. Sledování asociace amfifilních složek lázně v provozních podmínkách těmito metodami se ukazuje jako problematické, protože změna vodivosti a nebo dialektrické konstanty je jejím vlivem relativně malá. Navíc k určitému zkreslení výsledků přispívají i samotné amfifilní látky obsažené v pracovní lázni. Příkladem je práce Braunsteina a spolupracovníků, kteří popsali vliv vybíjení a nabíjení elektrické dvojvrstvy na povrchu elektrod na výsledky měření u roztoků iontových tenzidů. [Braunstein J., Robins G.D.: J. Chem. Educ. 48, 52 (1971)].The methods used in operation are mostly based on conductivity or dielectric measurements. It is most often used to control the electrolyte concentration in the working bath. Monitoring the association of the amphiphilic components of the bath under operating conditions by these methods proves to be problematic because the change in conductivity and / or dialectric constant is relatively small due to it. In addition, the amphiphilic substances contained in the working bath itself contribute to some distortion of the results. An example is the work of Braunstein and colleagues who described the effect of discharging and charging an electrical bilayer on the electrode surface on the measurement results of ionic surfactant solutions. [Braunstein J., Robins G.D .: J. Chem. Educ. 48, 52 (1971)].

-1 CZ 27846 U1-1 CZ 27846 U1

Uvedené problémy vedou k tomu, že vodivostní a nebo dielektrická měření jsou jen velmi málo prakticky využívána. Dávkování prostředků na praní se proto stale nejčastěji vychází z empirických poznatků. U dávkovačích zařízení je objem či hmotnost dávky určována časem sepnutí čerpadla a nebo ventilu. Zpětná vazba, která by umožnila automatickou korekci, chybí.These problems lead to the fact that conductivity and / or dielectric measurements are very little used. Therefore, the dosage of laundry detergents is still most often based on empirical knowledge. For dosing devices, the volume or weight of the dosing is determined by the pump and / or valve switching time. Feedback that would allow automatic correction is missing.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Naznačené nedostatky odstraňuje aparát podle předkládaného technického řešení.The indicated drawbacks are eliminated by the apparatus according to the present invention.

Podle tohoto řešení se míra asociace amfifilních sloučenin ve vodném roztoku sleduje aparátem, který se skládá z měřicí cely s roztokem pracovní lázně do níž jsou ponořeny alespoň dvě elektrody z různého materiálu např. Pt/Hg, Au/Ni, Au/Ti, Pt/Ag nebo Pt/kalomelová elektroda, které jsou připojeny k měřicímu přístroji např. milí voltmetru.According to this solution, the degree of association of amphiphilic compounds in an aqueous solution is monitored by an apparatus consisting of a measuring cell with a working bath solution immersed in at least two electrodes of different materials eg Pt / Hg, Au / Ni, Au / Ti, Pt / Ag or Pt / calomel electrode, which are connected to a measuring instrument, eg a voltmeter.

Změna potenciálu na elektrodách je důsledkem povrchových jevů, které provází proces solubilizace. Z literatury je známo, že se vznikem micel dochází k zadržování protiontů jejich povrchem. Mění se tak pohyblivost nabitých částic a hodnoty převodových čísel složek, což se projevuje změnou povrchového napětí a difuzivity příslušných složek. Studie např. Balakrishana a spolupracovníků z roku 2004 [Balakrishana A., Rege B.D., Amidon G.L., Polli J.E.: J. Pharm. Aci. 2004, Aug. 93 (8), 2064-75] ukazují, že difusivita micel vzniklých asociací unimerů amfifilních složek je oproti těmto složkám relativně nízká, což ovlivňuje povrchové jevy na fázovém rozhraní.The potential change at the electrodes is due to the surface phenomena that accompany the solubilization process. It is known from the literature that the formation of micelles leads to retention of protons by their surface. This changes the mobility of the charged particles and the values of the transfer numbers of the components, which results in a change in the surface tension and diffusivity of the respective components. A study of, for example, Balakrishana et al., 2004 [Balakrishana A., Rege B.D., Amidon G. L., Polli J.E .: J. Pharm. Aci. 2004, Aug. 93 (8), 2064-75] show that the diffusivity of micelles resulting from the association of unimers of amphiphilic components is relatively low compared to these components, which affects the surface phenomena at the interface.

Při styku pevné fáze s tekutinou se povrch pevné fáze stává místem vzniku dipolové dvoj vrstvy. V případě kovů se mohou energeticky bohaté elektrony částečně uvolnit a vytvořit na povrchu kovu záporně nabitý film. Těsně pod ním zůstane kompenzující kladně nabitá vrstva iontů kovu. Utváří se tak dipolová dvoj vrstva, jejíž záporná strana směřuje ven. Dipolové dvoj vrstvy neudili fázi žádný výsledný náboj, avšak i přesto je na převedení standardního náboje takovouto vrstvou nutno vynaložit určitou práci. Vnitřní potenciál je dán součtem povrchového elektrického potenciálu a potenciálu způsobeného nábojem v kapalině. Pevná fáze např. kov s určitou povrchovou hustotou náboje způsobí, že náboje opačného znaménka budou v kapalině rozloženy v blízkosti rozhraní tak, aby bylo dosaženo lokální elektroneutrality. Přítomnost jistého výsledného elektrického náboje na povrchu snižuje povrchové napětí, protože odpuzování nábojů téhož znaménka zmenšuje práci potřebnou ke zvětšení povrchu. Podrobnou studii tohoto jevu provedl G. Lippmann již v roce 1875 [Lippmann G.: Ann. Chem. Phys. 5, 494 (1875)]. David Grahame [Grahame D.C., Whitney R.W.: J. Amer. Chem. Soc. 64, 1548 (1942)] exaktně zpracoval termodynamické odvození vlastností elektrické dvojvrstvy na ideálně polarizovatelných elektrodách. Jedním ze základních vztahů je rovnice Lippmannova, kterou lze napsat při konstantní teplotě, tlaku a složení ve tvaru:On contact of the solid phase with the fluid, the surface of the solid phase becomes the site of formation of the dipole bilayer. In the case of metals, the energy-rich electrons may partially release and form a negatively charged film on the metal surface. Just below it remains a compensating positively charged layer of metal ions. This creates a dipole double layer, with the negative side facing out. Dipole bilayers gave no phase charge to the phase, but some work is still required to convert the standard charge through that layer. The internal potential is given by the sum of the surface electrical potential and the charge potential in the liquid. A solid phase, eg a metal with a certain surface charge density, causes the opposite sign charges to be distributed in the liquid near the interface so as to achieve local electroneutrality. The presence of a certain resulting electric charge on the surface reduces the surface tension, since repelling the charges of the same sign reduces the work required to enlarge the surface. A detailed study of this phenomenon was carried out by G. Lippmann as early as 1875 [Lippmann G .: Ann. Chem. Phys. 5, 494 (1875)]. David Grahame [Grahame D.C., Whitney R. W., J. Amer. Chem. Soc. 64, 1548 (1942)] accurately processed the thermodynamic derivation of the properties of an electric bilayer on ideally polarizable electrodes. One of the basic relations is the Lippmann equation, which can be written at constant temperature, pressure and composition in the form:

Ady + Qdcp = 0 kde Q představuje velikost náboje, A velikost povrchu, γ povrchové napětí a φ potenciál.Ady + Qdcp = 0 where Q represents charge magnitude, A surface area, γ surface tension and φ potential.

Potenciálový rozdíl mezi oběma stranami dvojvrstvy je roven rozdílu vnitřních potenciálů obou fází. Jako takový není přímo měřitelný. Pokud však jsou ve styku s roztokem dva různé kovy, je měřitelná superpozice potenciálových rozdílů na obou kovech.The potential difference between the two sides of the bilayer is equal to the internal potential difference of the two phases. As such, it is not directly measurable. However, if two different metals are in contact with the solution, the superposition of potential differences on both metals is measurable.

Základní výhoda stanovení stupně asociace micelámího koloidu podle technického řešení spočívá v jednoduchosti a dostatečné přesnosti měření, což vede k optimalizaci dávkování příslušných prostředků do pracovní lázně. Tím se omezuje znečišťování odpadních vod, zkvalitňuje vyprání prádla a snižují náklady na praní. Technické řešení a jeho účinky jsou blíže osvětleny na následujících příkladech uskutečnění.The basic advantage of determining the degree of micellar colloid association according to the invention lies in the simplicity and sufficient accuracy of the measurements, which leads to optimized dosing of the respective compositions into the working bath. This reduces wastewater pollution, improves laundry washing and reduces washing costs. The technical solution and its effects are illustrated in more detail in the following examples.

-2CZ 27846 Ul-2EN 27846 Ul

Příklady uskutečnění technického řešeníExamples of technical solutions

Příklad 1Example 1

Do vnitřní stěny filtračního sítka pračky a Tatramat 353 byly umístěny dvě elektrody. Jedna platinová, tvořená plíškem o rozměrech 7 mm x 3 mm x 0,1 mm a druhá rtuťová o ploše 20 mm². Elektrody byly připojeny k milivoltmetru. Pračka byla zapnuta a bylo do ní načerpáno 20 litrů vody. Bylo započato se zahříváním na teplotu 60 °C. Závislost naměřeného potenciálu na teplotě je uvedena v tabulce číslo 1.Two electrodes were placed in the inner wall of the filter screen of the washing machine and Tatramat 353. One platinum, consisting of a sheet of 7 mm x 3 mm x 0.1 mm and the other of mercury with an area of 20 mm ² . The electrodes were connected to a millivoltmeter. The machine was switched on and 20 liters of water were pumped into it. Heating to 60 ° C was started. The dependence of the measured potential on temperature is given in Table 1.

Teplota [°C] Temperature [° C] Potenciál [mV] Potential [mV] 25 25 98 98 22 22nd 100 100 ALIGN! 31 31 103 103 40 40 106 106 46 46 108 108 52 52 110 110

tabulka číslo 1Table 1

Příklad 2Example 2

Do vnitřní stěny filtračního sítka pračky a Tatramat 353 byly umístěny dvě elektrody. Jedna platinová, tvořená plíškem o rozměrech 7 mm x 3 mm ^x 0,1 mm a druhá rtuťová o ploše 20 mm². Elektrody byly připojeny k milivoltmetru. Do pračky bylo vneseno 13 g prášku na praní AI, dále načerpáno 20 litrů vody. Pračka byla zapnuta a bylo započato se zahříváním na teplotu 60 °C. Závislost naměřeného potenciálu na teplotě je znázorněna tabulkou číslo 2.Two electrodes were placed in the inner wall of the filter screen of the washing machine and Tatramat 353. One platinum, consisting of a sheet of 7 mm x 3 mm ^x 0.1 mm and the other of mercury with an area of 20 mm ² . The electrodes were connected to a millivoltmeter. 13 g of Al washing powder were introduced into the washer, and 20 liters of water were pumped. The machine was switched on and heating to 60 ° C was started. The dependence of the measured potential on temperature is shown in Table 2.

Teplota [°C] Temperature [° C] Potenciál i rn V ] Potential i rn V] 25 25 98 98 22 22nd 100 100 ALIGN! 31 31 103 103 40 40 106 106 46 46 108 108 52 52 110 110

tabulka číslo 2Table 2

Příklad 3Example 3

Do vnitřní stěny filtračního sítka pračky a Tatramat 353 byly umístěny dvě elektrody. Jedna platinová, tvořená plíškem o rozměrech 7 mm χ 3 mm ^x 0,1 mm a druhá rtuťová o ploše 20 mm². Elektrody byly připojeny k milivoltmetru. Do pračky bylo vneseno 32 g prášku na praní AI, dále 3,5 kg silně zašpiněných ubrusů z restaurace a načerpáno 20 litrů vody. Pračka byla zapnuta a bylo započato se zahříváním na teplotu 60 °C. Závislost naměřeného potenciálu na teplotě je znázorněna v tabulce číslo 3.Two electrodes were placed in the inner wall of the filter screen of the washing machine and Tatramat 353. One platinum, consisting of a sheet of 7 mm χ 3 mm ^x 0.1 mm and a second mercury with an area of 20 mm ² . The electrodes were connected to a millivoltmeter. 32 g of A1 washing powder, 3.5 kg of heavily soiled restaurant tablecloths and 20 liters of water were added to the machine. The machine was switched on and heating to 60 ° C was started. The dependence of the measured potential on temperature is shown in Table 3.

Teplota [°C] Temperature [° C] Potenciál [mV] Potential [mV] 16 16 200 200 20 20 May 180 180 30 30 140 140 34 34 120 120 40 40 100 100 ALIGN! 48 48 68 68

tabulka číslo 3Table 3

-3CZ 27846 U1-3GB 27846 U1

Příklad 4Example 4

Kádinka o objemu 5 litrů byla umístěna do termostatu, který byl nastaven na teplotu lázně 37 °C. Dále byla kádinka opatřena míchadlem a teploměrem. Do kádinky bylo nalito 3,5 litrů vody, do které byly umístěny dvě elektrody. Jednu elektrodu tvořil pozlaceným plíšek o rozměrech 10 mm x 2 mm x 0,1 mm a druhou elektrodou byl plíšek niklový o stejných rozměrech. Voda v kádince byla za míchání vytemperována na teplotu 37 °C. Na elektrody byl připojen milivoltmetr. Do kádinky byl za stálého míchání vnášen prášek na praní AI po dávkách o hmotnosti 1 g. Závislost potenciálu na množství rozpuštěného prášku zachycuje tabulka číslo 4.A 5-liter beaker was placed in a thermostat set at a bath temperature of 37 ° C. Next, the beaker was equipped with a stirrer and a thermometer. 3.5 liters of water were poured into the beaker into which two electrodes were placed. One electrode was a 10 mm x 2 mm x 0.1 mm gold-plated sheet and the other was a nickel sheet of the same size. The water in the beaker was allowed to reach 37 ° C with stirring. A millivoltmeter was connected to the electrodes. The washing powder of Al was added to the beaker in 1 g portions under constant stirring. The dependence of the potential on the amount of dissolved powder is shown in Table 4.

Dávka prášku [g] Powder dose [g] Potenciál [mV] Potential [mV] 0 0 470 470 1 1 545 545 2 2 560 560 3 3 558 558 4 4 550 550 5 5 538 538 6 6 520 520

tabulka číslo 4Table 4

Naměřené hodnoty ukazují, že ke zlomu v průběhu potenciálu dochází při koncentraci prášku 0,57 g/ litr. Tato hodnota je v dobré shodě s firemními údaji výrobce daného prášku, který uvádí koncentraci 0,6 g/ litr při teplotě 35 °C.The measured values indicate that the potential breakthrough occurs at a powder concentration of 0.57 g / liter. This value is in good agreement with the company data of the powder manufacturer, which reports a concentration of 0.6 g / liter at 35 ° C.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Technické řešení nachází využití v průmyslových prádelnách k optimalizaci a řízení technologického procesu a dále při stanovování kritické micelámí koncentrace amfifilních látek a studiu vlivu různých složek na tuto hodnotu, jak v laboratorních, tak i provozních podmínkách.The technical solution is used in industrial laundries to optimize and control the technological process and also to determine the critical micelle concentration of amphiphilic substances and to study the influence of various components on this value, both in laboratory and operating conditions.

Claims

Apparatus for determining the association of amphiphilic compounds in an aqueous solution, characterized in that it consists of a measuring cell with a working bath solution in which at least two electrodes of different materials, such as Pt / Hg, Au / Ni, are immersed and connected to a measuring device eg millimeter meter.