Virsmaktīvas vielas

Virsmaktīvās vielas (VAV) ir tādas vielas, kas samazina virsmas spraigumu starp diviem šķidrumiem vai starp šķidrumu un cietu vielu. Virsmaktīvās vielas tiek izmantotas tīrīšanas līdzekļos, dezinfekcijā, vides mitrināšanā, emulģēšanā, putu veidošanā un vielu disperģēšanā vidē. Pēc to īpašībām var izdalīt, kuras virsmaktīvās vielas būs piemērotākas konkrētajam pielietojumam.

• Anjoniskās – tīrīšanas līdzekļiem, adsorbcijai uz polārām virsmām,
• nejoniskās – stabilas mainīgos pH līmeņos,
• katjoniskās – adsorbcijai uz virsmām,
• sulfonāti – stabili šķīdumos,
• sulfāti – nestabili šķīdumos,
• etoksilāti – stabili cietā ūdenī.

Ir vielas, kas rada putas un slapina virsmas, bet netiek uzskatītas par virsmaktīvām vielām. Galvenā virsmaktīvo vielu īpašība ir tas, ka lielākā daļa no tās koncentrējas pie virsmām (fāžu robežvirsmām) nevis šķidruma tilpumā. Šo parādību sauc par adsorbciju. Ja šķidrumā ir tik daudz virsmaktīvo vielu, ka visas virsmas ir jau piesātinātas un šķidruma tilpumā ir vēl virsmaktīvās vielas, tad tās paliks šķidruma tilpumā. Tā kā vienam no virsmaktīvās vielas molekulas galiem piemīt hidrofobas īpašības, tad šķidruma tilpumā veidosies micellas.^[1]

Pasaules virsmaktīvo vielu produkcijas apjoms ir novērtēts ap 15 milj. tonnas/gadā, no kuriem aptuveni puse ir ziepes.

Virsmaktīvās vielas parasti ir organiski materiāli, kas ir amfifili, jeb tiem piemīt gan hidrofobas (ūdeni atgrūdošas), gan hidrofilas (slapinošas) īpašības. Tas ir tādēļ, ka tie sastāv no divām daļām, jeb grupām - tā sauktajām astēm, kas ir hidrofobas un galvām, kas ir hidrofilas. Līdz ar to virsmaktīvas vielas satur gan ūdenī nešķīstošas daļas (bet eļļā šķīstošas) un ūdenī šķīstošas daļas. Virsmaktīvās vielas difundē ūdenī un adsorbējas uz robežvirsmām starp gaisu un ūdeni vai eļļu un ūdeni. Virsmaktīvo vielu hidrofobā grupa būs vērsta ārā no ūdens uz gaisu vai eļļu, un hidrofilā attiecīgi ūdens virzienā.

Virsmaktīvo vielu adsorbcijas dinamika ir ļoti nozīmīga tādos praktiskos pielietojumos kā putu veidošanās, emulģēšanās un virsmas pārklāšanas procesos. Tajos strauji veidojas burbuļi un pilieni, kurus vajag stabilizēt. Adsorbcijas dinamika ir atkarīga no virsmaktīvās vielas difūzijas koeficienta. Veidojoties robežvirsmai, adsorbciju ierobežo virsmaktīvās vielas difūzija robežvirsmā. Dažos gadījumos var eksistēt virsmaktīvās vielas adsorbcijas vai desorbācijas enerģētiskā barjera. Ja šī barjera ierobežo adsorbcijas ātrumu, šo virsmaktīvo vielu dinamiku sauc par kinētiski ierobežotu. Šādas enerģijas barjeras var rasties stēriskās vai elektrostatiskās atgrūšanās dēļ. Virsmaktīvo vielu veidotu slāņu virsmas reoloģija, ieskaitot slāņa elastību un viskozitāti, ir nozīmīga putu un emulsiju stabilitātē.

Virsmaktīvo vielu astes parasti ir līdzīgas un sastāv no ogļūdeņražu ķēdes, kura var būt sazarota, lineāra vai aromātiska. Halogenētajām virsmaktīvajām vielām ogļūdeņražu ķēdēs daži ūdeņraža atomi ir aizvietoti ar halogēnu atomiem. Siloksāna virsmaktīvajām vielām ir siloksāna ķēdes.

Daudzas nozīmīgas virsmaktīvās vielas satur poliētera ķēdi ar stipri polāru anjonisku grupu galā. Poliētera grupas bieži satur pievienotas polietilēna oksīda tipa sekvences, lai pastiprinātu virsmaktīvās vielas hidrofilās īpašības. Polipropilēna oksīdi turpretī tiek pievienoti, lai pastiprinātu lipofilās īpašības.

Virsmaktīvām vielām var būt viena aste vai divas.

Parasti virsmaktīvās vielas tiek klasificētas pēc polārās galvas grupas. Nejoniska virsmaktīvā viela ir bez uzlādētām grupām tās galvā. Joniskas virsmaktīvas vielas galvai ir kopsummā pozitīvs vai negatīvs lādiņš. Ja lādiņš ir negatīvs, virsmaktīvo vielu sauc par anjonisku, bet, ja lādiņš ir pozitīvs, tad to sauc par katjonisku. Ja virsmaktīvās vielas galva satur divas pretēji lādētas grupas, to sauc par cviterjonisku.

Anjoniskās virsmaktīvās vielas galva satur tādas anjoniskas funkcionālās grupas kā sulfātus, sulfonātus, fosfātus un karboksilātus.

Svarīgākie alkilsulfāti ir amonija laurilsulfāts, nātrija laurilsulfāts (nātrija dodecilsulfāts) un saistītie alkilēteru sulfāti, kā nātrija laurilētera sulfāts un nātrija miristilētera sulfāts.

Šīs ir visbiežāk sastopamās virsmaktīvās vielas un satur tādus alkilkarboksilātus (ziepes) kā nātrija stearāts.

Tām ir pH atkarīgas grupas, kuras kļūst pozitīvi lādētas zem noteikta pH līmeņa, un ir pastāvīgi lādētas – kvartārie amonija sāļi.

Cviterjoniskajām virsmaktīvajām vielām ir vienā molekulā gan katjoniska, gan anjoniska grupa. Biežāk sastopamās bioloģiskās cviterjoniskās virsmaktīvās vielas satur fosfāta anjonu ar amīnu vai amoniju.

Daudziem garo ķēžu spirtiem piemīt virsmaktīvo vielu īpašības. Ievērojamākie ir taukskābju alkoholi, cetilspirts, stearilspirts, cetostearilspirts un oleilspirts.

Mitrinātājs ir virsmaktīva viela, kas, izšķīdināta ūdenī, samazina šķidruma kontakta leņķi ar virsmu un palīdz uz virsmas aizstāt gaisu ar šķidrumu. Farmācijā un medicīnā šīs īpašības tiek pielietotas, jo nepieciešams atbrīvoties no gaisa pie pulveru (sēra, ogles u.c.) virsmām, lai tos izkliedētu šķidrumā. Arī tiek izmantotas, lai vate un pārsēji labi uzsūktu medicīniskos šķīdumus un lai ar dezinfekcijas līdzekļiem aizvāktu netīrumus no brūcēm, kā arī losjonu un aerosolu uzklāšanai uz ādas.

Virsmaktīvās vielas regulāri nogulsnējas uz sauszemes un ūdens krātuvēs, gan ar paredzētiem procesiem, gan kā rūpnieciski vai mājsaimniecību atkritumi. Ir zināms, ka dažas no šīm vielām ir toksiskas dzīvniekiem, cilvēkiem, ekosistēmām, un var paātrināt arī citu kaitīgu vielu izplatīšanos vidē.^[2][3][4] Līdz ar to, ir ieteikti brīvprātīgi izpildāmi ierobežojumi dažu virsmaktīvo vielu lietošanā. Piemēram, perfluoroktānsulfonāti (PFOS), precīzāk perfluoroktanoīdskābe (PFOA), ir pēc Stoholmas konvencijas novērtēta kā noturīgs organiskais piesārņojums. Kā arī, starp ASV Vides aizsardzības aģentūru un astoņām ķīmisko vielu ražotnēm pastāv brīvprātīga vienošanās, lai šīs kompānijas samazinātu PFOA un vielu, no kurām tā tiek veidota, izmešus dabā.^[5]

Parastie trauku mazgāšanas līdzekļi pastiprina ūdens iesūkšanos augsnē, bet šādu iedarbību nodrošina tikai dažas dienas. Tomēr veļas mazgājamie pulveri lielākoties satur tādas sārmu un helātu veidojošu vielu koncentrācijas, kas ir kaitīgas augiem un tos nevajadzētu izmantot augsnes uzlabošanai. Speciāli tam paredzētie augsnes mitrinātāji darbosies ilgāk, līdz augsnē atrodamie mikroorganismi tos ķīmiski noārdīs. Daži no šiem līdzekļiem var ietekmēt dažu organismu dabiskos dzīves ciklus, tāpēc ir jāievēro, lai šīs vielas nenonāk tekošās ūdenstilpēs, kā arī pāri palikušo produktu nevajag aizskalot projām.

Anjoniskās virsmaktīvās vielas ir sastopamas augsnē dūņu izmantošanas augsnes apstrādē, notekūdeņu mitrināšanas un attīrīšanas procesu dēļ. Augsta virsmaktīvo vielu koncentrācija kopā ar daudziem metāliem var kļūt par vides risku. Tomēr pie mazas virsmaktīvo vielu koncentrācijas ir maza iespēja, ka tās var izraisīt ievērojamu iespaidu uz augsnē atrodamo metālu reaģētspējīgumu.^[6][7]

Bioloģiskās virsmaktīvās vielas rodas, kad šūnas tās sintezē. Interese par mikrobu virsmaktīvajām vielām ir augusi pēdējo gadu laikā to dažādības, videi draudzīgā rakstura, iespēju ražot masveidā, selektivitātes, spējas darboties ekstrēmos apstākļos, potenciālo pielietojumu vides aizsardzībā dēļ.^[8][9] Daži populāri bioloģisko virsmaktīvo vielu piemēri ir emulsāns, ko ražo Acinetobacter calcoaceticus,^[10] soforolipīdi, kurus ražo vairākas rauga sēnītes, kas pieder pie Candida un Starmerella ģints,^[11][12] un ramnolipīdi, ko ražo Pseudomonas aeruginosa,^[13] u.c.

Bioloģiskās virsmaktīvās vielas pastiprina ogļūdeņražu emulģēšanos un tām ir potenciāls izšķīdināt ogļūdeņražu piesārņojumus un uzlabot spēju mikrobiem tos ķīmiski noārdīt. Ja izmanto ķimikālijas ogļūdeņražu piesārņojuma likvidēšanai, tad vide var tikt piesārņota ar ķimikāliju blakusproduktiem. Savukārt, izmantojot bioloģiskas vielas, var gan efektīvi likvidēt ogļūdeņražu piesārņojumu, gan atstāt vidē vielas, kas var tikt noārdītas bioloģiskos procesos. Līdz ar to mikroorganismi, kuri ražo bioloģiskās virsmaktīvās vielas, varētu būt nozīmīgi ogļūdeņražu piesārņojumu vietu paātrinātai bioloģiska veida attīrīšanai.^[14][15][16] Šīs vielas arī var tikt izmantotas uzlabotajā naftas iegūšanā, kā arī potenciāli citos dabas aizsardzības pielietojumos.^[16][17] Citi pielietojumi ir herbicīdi, pesticīdu preparāti, tīrīšanas līdzekļi, veselības aprūpē un kosmētikā, koksnes masai un papīram, oglēm, tekstilam, keramikas apstrādē, pārtikas industrijā, urāna rūdas pārstrādē un kūdras atūdeņošanai.^[8][9][18]

Ja mikroorganismus, kas ražo bioloģiskas virsmaktīvas vielas,^[19][20] audzē ogļūdeņražu vidē, tad, ņemot oglekli no vides, šie mikroorganismi sintezē daudz dažādu virsmaktīvo ķīmisko vielu, piemēram, glikolipīdus, fosfolipīdus u.c.^[21][22] Mikroorganismi saražo šīs vielas, lai emulģētu ogļūdeņražus un atvieglotu to uzņemšanu šūnās.