Состав

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 13361 (2023) Цитировать эту статью

334 доступа

Подробности о метриках

Критическая концентрация мицеллообразования (ККМ) — одно из основных физико-химических свойств поверхностно-активных веществ, также известных как поверхностно-активные вещества, имеющих разнообразное теоретическое и промышленное применение. На него влияют основные параметры, такие как температура, pH, соленость и химическая структура поверхностно-активных веществ. В большинстве исследований ККМ оценивалась только при фиксированных условиях на основе химических параметров поверхностно-активного вещества. В настоящем исследовании мы стремились разработать набор новых и применимых моделей для оценки ККМ известных анионных поверхностно-активных веществ, рассматривая как молекулярные свойства поверхностно-активных веществ, так и основные влияющие факторы, такие как соленость, pH и температура, в качестве параметров моделирования. Мы использовали метод количественно-структурных соотношений свойств для использования молекулярных параметров ионов ПАВ. Мы собрали 488 значений ККМ из литературы для 111 анионных поверхностно-активных веществ на основе натрия, включая сульфатные типы, сульфонат, бензолсульфонат, сульфосукцинат и полиоксиэтиленсульфат. Мы рассчитали 1410 оптимизированных молекулярных дескрипторов для каждого поверхностно-активного вещества с помощью программного обеспечения Dragon, которые будут использоваться в процессах моделирования. Метод расширенной замены был использован для выбора наиболее эффективных дескрипторов ККМ. Результатом настоящего исследования являются многомерная линейная модель и две нелинейные модели. Нелинейные модели были созданы с использованием двух надежных подходов машинного обучения: деревьев стохастического градиентного повышения (SGB) и генетического программирования (GP). Статистическая оценка показала высокую применимость и приемлемую точность вновь разработанных моделей (RSGB2 = 0,999395 и RGP2 = 0,954946). Конечные результаты показали превосходство и большую способность метода SGB делать уверенные прогнозы.

Промышленное применение растворов поверхностно-активных веществ демонстрирует растущую важность этих систем в повседневной жизни1. Поверхностно-активные вещества используются в различных отраслях промышленности, включая методы повышения нефтеотдачи (EOR)2, чистящие и моющие средства3,4, эмульгаторы и диспергаторы5, пищевую промышленность6, покрытия7 и во многих других химических, нефтяных и фармацевтических процессах1.

Поверхностно-активные вещества представляют собой амфифильные соединения, состоящие из гидрофильной (полярная головка) и гидрофобной (неполярный хвост) частей. Из-за этой уникальной структуры поверхностно-активные вещества имеют тенденцию накапливаться на поверхности растворов, таких как вода или рассол. После насыщения поверхности молекулами ПАВ оставшиеся частицы накапливаются в объеме и образуют мицеллы8.

Среди различных типов поверхностно-активных веществ анионные поверхностно-активные вещества известны своими высокими пенообразующими свойствами, и в некоторых отраслях, таких как химическая МУН (CEOR), моющие и чистящие средства, они часто используются в конкретных целях. В настоящем исследовании мы исследовали несколько анионных поверхностно-активных веществ, чтобы лучше понять их поведение и свойства.

Критическая концентрация мицеллообразования (ККМ) – важное свойство поверхностно-активных веществ, которое изучалось во многих теоретических и экспериментальных исследованиях. ККМ определяется как максимальная концентрация поверхностно-активного вещества, при которой мицеллы не образуются, или концентрация, при которой мицеллы начинают образовываться8,9.

В концентрациях, превышающих ККМ, раствор считается мицеллярным и ведет себя иначе, чем разбавленный раствор (например, раствор с концентрацией меньше ККМ). С промышленной и экономической точки зрения эксплуатация систем поверхностно-активных веществ на КМЦ часто приводит к достижению определенной эффективности. Кроме того, было проведено несколько теоретических и термодинамических исследований для оценки различных свойств систем ПАВ на основе одних и тех же свойств на КМЦ. Хорошим примером в этой области является оценка поверхностного натяжения раствора ПАВ по поверхностной избыточной концентрации на КМЦ8,9. КМЦ — это простой способ оценить поведение растворов поверхностно-активных веществ на поверхностях и коллоидах, что делает его ценным инструментом для оценки их потенциального промышленного и фармацевтического применения10,11. В определенных ситуациях желательно, чтобы поверхностно-активные вещества имели низкую ККМ, например, когда они используются для растворения гидрофобных лекарств в мицеллярных ядрах с минимальными количествами поверхностно-активных веществ10,12. Кроме того, в таких приложениях, как вспенивание, смачивание и очистка твердых поверхностей, где часто желательно низкое поверхностное натяжение продукта, мицеллы действуют как резервуары поверхностно-активных веществ над КМЦ, позволяя разбавлять продукт без значительных изменений поверхностного натяжения. С другой стороны, в таких случаях, как экстракция мембранных белков, предпочтительна высокая ККМ, поскольку эффективность экстракции обычно стабилизируется примерно в четыре раза выше ККМ поверхностно-активного вещества из-за самоассоциации10,13.