Разливы нефти и продуктов ее переработки крайне опасны для морских обитателей: они приводят к гибели рыб, птиц и водных млекопитающих. Удалить нефтяные пленки можно с помощью особых веществ, растворяющих маслоподобные соединения. Российские ученые с американскими коллегами описали поведение перспективного для этих целей вещества — бутоксиэтанола — при взаимодействии с водой и толуолом, а также сравнили его с «идеальным» аналогом — третичным бутанолом. Оказалось, что бутоксиэтанол эффективнее растворяет масло в воде и при этом еще менее летуч. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журналах Journal of Molecular Liquids и Data in Brief.

Иллюстрация эксперимента. Источник: Андрей Новиков

Иллюстрация эксперимента. Источник: Андрей Новиков

Большинство жидкостей, с которыми человек встречается в быту, можно условно разделить на две категории: вода и подобные ей полярные соединения, молекулы которых связаны сеткой водородных связей, и «масло» — неполярные, в которых молекулы взаимодействуют друг с другом за счет более слабых сил Ван-дер-Ваальса.

Если попытаться смешать воду и масло, то будет наблюдаться расслоение, как, например, в тарелке супа с каплями жира или на поверхности воды с пятном нефти. Однако расслоение можно предотвратить, если добавить амфифильные соединения. Их молекулы имеют две части — полярную, которая взаимодействует с водой, и неполярную, контактирующую с маслом. Если неполярная часть относительно большая, вещество будет создавать вокруг масла замкнутые шарообразные частицы, и таким образом «прятать» его от воды. По такому принципу работают все поверхностно-активные вещества, например входящие в состав моющих средств. Если неполярная часть амфифильной молекулы сравнительно небольшая, то такое соединение, называемое гидротропом, растворит неполярное вещество в воде. Чтобы удалить нефтяные разливы, необходимо, чтобы масляная пленка распалась на отдельные капли и частично растворилась в воде. Поэтому для такой цели используют средства на основе поверхностно-активных веществ, в том числе и гидротропов.

Самый известный гидротроп — третичный бутиловый спирт, или трет-бутанол. Он считается «идеальным» среди подобных соединений благодаря тому, что при добавлении в смесь воды и модельного масла (октана), его молекулы оказываются на границе двух жидкостей, занимая равные объемы в каждой из них. Поэтому поведение других гидротропов удобно сравнивать именно с трет-бутанолом.

Ученые из Губкинского университета (Москва) с коллегами из Мэрилендского университета (США) исследовали поведение бутоксиэтанола в системах с водой и толуолом. Это соединение, в отличие от трет-бутанола, более гидрофобно — на границе раздела воды и масла оно занимает больший объем со стороны неполярной среды.

Сначала исследователи, добавляя бутоксиэтанол к смесям воды и толуола («масло») в разных соотношениях, определили, при каких концентрациях бутоксиэтанола пропадает расслоение между водой и маслом. Если сравнивать значения этих концентраций с более ранними экспериментами для трет-бутанола, то можно заключить, что бутоксиэтанола нужно меньше, а потому он более эффективно растворяет толуол в смеси с водой.

Затем ученые измерили вязкость равновесных жидких фаз. При отсутствии бутоксиэтанола или при его низком содержании вязкость водной фазы существенно превышала вязкость масляной. По мере добавления бутоксиэтанола вязкость органического компонента возрастала значительно быстрее, чем у водного, что авторы интерпретировали как эффект, связанный с тем, что в масляной фазе начинают формироваться водородные связи между молекулами бутоксиэтанола и воды.

«Бутоксиэтанол будет хорошим реагентом для разработки новых средств для удаления нефтяных разливов. Он менее летуч, чем бутанол, а также лучше снижает натяжение жидкостей на границе «вода-масло», благодаря чему помогает им смешиваться. Но оба эти соединения имеют общий недостаток — они токсичны. Снизить токсичность можно, поместив реагенты на пористый носитель. Эту технологию мы недавно запатентовали. В дальнейшем планируем исследовать другие «неидеальные» гидротропы, например, изопропиловый спирт», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Андрей Новиков, кандидат химических наук, доцент кафедры физической и коллоидной химии Губкинского университета.