Determinação exata dos valores de tensão superficial de equilíbrio com testes de perturbação de área
Summary
Dois protocolos para determinar os valores da tensão superficial de equilíbrio (EST) usando o método emergente da bolha (EBM) e o método da bolha de giro (SBM) são apresentados para uma fase aquosa decontenção-contendo de encontro ao ar.
Abstract
Nós demonstramos dois protocolos robustos para determinar os valores da tensão superficial de equilíbrio (EST) com testes da perturbação da área. Os valores de EST devem ser determinados indiretamente dos valores da tensão de superfície dinâmica (DST) quando os valores da tensão de superfície (ST) estão no estado estacionário e estáveis de encontro às perturbações. O método emergente da bolha (EBM) e o método da bolha de giro (SBM) foram escolhidos, porque, com estes métodos, é simples introduzir perturbações da área ao continuar medidas dinâmicas da tensão. A expansão abrupta ou a compressão de uma bolha de ar foram usadas como uma fonte de perturbação da área para o EBM. Para o SBM, foram utilizadas alterações na frequência de rotação da solução de amostra para a produção de perturbações da área. Uma solução aquosa de Triton X-100 de uma concentração fixa acima de sua concentração crítica do micela (CMC) foi usada como uma solução modelo do surfactante. O valor de EST determinado da relação ar/água modelo do EBM era 31,5 ± 0,1 mN · m-1 e aquele do sbm era 30,8 ± 0,2 MN · m-1. Os dois protocolos descritos no artigo fornecem critérios robustos para estabelecer os valores de EST.
Introduction
A determinação da tensão superficial de equilíbrio (EST), ou a tensão interfacial de equilíbrio (EIFT), de uma dada interface ar/água ou óleo/água é um passo crítico para aplicações em uma ampla gama de áreas industriais, como detergência, recuperação de óleo reforçada , produtos de consumo e farmacêutica1,2,3,4. Tais valores de tensão devem ser determinados indiretamente da tensão de superfície dinâmica (DST) ou da tensão interfacial dinâmica (DIFT), porque somente os valores dinâmicos da tensão são diretamente mensuráveis. Os valores de tensão de superfície dinâmicos (ou seja, medir os valores de tensão em função do tempo) são determinados em intervalos de tempo regulares. Os valores de tensão de equilíbrio são considerados como determinados quando os valores de DST estão em estado estacionário. Valores de tensão de superfície de equilíbrio verdadeiros são melhor estabelecidos quando são estáveis contra perturbações5. Diversas observações do abrandamento da tensão após a compressão da área de superfície foram relatadas previamente por Miller e por lunkenheimer, que usaram dois métodos clássicos do tensiometria, o anel de du noüy e os métodos da placa de Wilhelmy6,7 ,8. Esses métodos são menos precisos do que os utilizados neste estudo, e esses DSTs foram medidos a cada poucos minutos. Inúmeras técnicas foram desenvolvidas para medir os valores de tensão superficial (ST) ou tensão interfacial (IFT) de interfaces, mas há apenas um punhado de técnicas que podem ser usadas para medir valores de DST ou DIFT e permitir que se aplique perturbações para testar a estabilidade dos valores de tensão de estado estacionário adquiridos9. Se a solução aquosa contiver misturas de surfactante, e quando um dos componentes adsorba muito mais rápido do que os outros, então pode haver um planalto temporário nas curvas de DST10. Em seguida, os métodos apresentados podem não funcionar bem no curto período de tempo-escalas como para um componente surfactantes, mas eles ainda podem trabalhar se os procedimentos são estendidos ligeiramente para cobrir mais tempo-escalas.
Os protocolos aqui descritos mostram dados representativos apenas para valores de tensão superficial de uma solução aquosa/ar. No entanto, estes protocolos também se aplicam para o IFT de uma solução aquosa contra um segundo líquido, como um óleo, que é immiscível com a solução aquosa e tem uma densidade menor do que a solução aquosa. Aqui, apresentamos dois métodos robustos que atendem a esses critérios, o método emergente da bolha (EBM) e o método da bolha de fiação (SBM). Em ambos os métodos, um determina os valores do ST que são baseados em formas da bolha e não exigem a informação do ângulo de contato, que pode introduzir incertezas e erros significativos às medidas. Para o EBM, as perturbações da área são introduzidas abruptamente mudando o volume da bolha emergindo de uma ponta da agulha da seringa. Para o SBM, as alterações na frequência de rotação das amostras são usadas para perturbações de área. Os protocolos detalhados destinam-se a orientar os pesquisadores no campo, de forma que possam evitar erros ou equívocos comuns na tensiometria dinâmica e de equilíbrio e ajudar a evitar interpretações imprecisas dos dados adquiridos.
Protocol
Representative Results
Discussion
O EBM e o SBM são métodos simples e robustos para determinar os valores de tensão para as interfaces ar/água ou óleo/água na pressão atmosférica. As informações de pré-requisito para esses métodos são a densidade de cada fase e nenhuma informação de ângulo de contato é necessária para determinar os valores de tensão9. Uma limitação principal das técnicas é que as amostras devem ter uma baixa viscosidade, e ser monofásica ou abaixo da solubilidade do surfactante. Os dois pro…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores são gratos à companhia de petróleo da Pioneer (Vincennes, IN) para apoio financeiro.
Materials
| 10 µL, Model 1701 SN SYR, Cemented NDL, Custom gauge, length, point style | Hamilton | 80008 | gauge: 26s, needle length: 2.5 inch, point style: 2 |
| Anton Paar Density Meter | Anton Paar | DMA 5000 | |
| Barnstead MicroPure Water Purification System | Thermo Fisher Scientific | 50132374 | |
| Emerging bubble tensiometer | Ramé-Hart Instrument Company | Model 790 | |
| Spinning bubble tensiometer | DataPhysics Instruments | SVT 20 | |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | X100 |
Referências
- Shah, D. O., Schechter, R. S. . Improved oil recovery by surfactant and polymer flooding. , (1977).
- Hiemenz, P. C., Rajagopalan, R. . Principles of Colloid and Surface Chemistry. , (1997).
- Adamson, S. W. . Physical Chemistry of Surfaces. , (1990).
- Doe, P. H., El-Emary, M., Wade, W. H., Schechter, R. S. Surfactants for producing low interfacial tensions: II. Linear alkylbenzenesulfonates with additional alkyl substituents. Journal of the American Oil Chemists’ Society. 55 (5), 505-512 (1978).
- Chung, J., Boudouris, B. W., Franses, E. I. Surface Tension Behavior of Aqueous Solutions of a Propoxylated Surfactant and Interfacial Tension Behavior against a Crude Oil. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 537, 163-172 (2018).
- Miller, R., Lunkenheimer, K. On the determination of equilibrium surface tension values of surfactant solutions. Colloid & Polymer Science. 261 (7), 585-590 (1983).
- Miller, R., Lunkenheimer, K. Adsorption kinetics measurements of some nonionic surfactants. Colloid & Polymer Science. 264 (4), 357-361 (1986).
- Lunkenheimer, K., Miller, R. Properties of homologous series of surface-chemically pure surfactants at the water-air interface Part I: Equilibrium properties. Abhandlungen der Akademie der Wissenschaften der DDR, abteilung Mathematik, Naturwissenschaften, Technik. (1), 113 (1986).
- Franses, E. I., Basaran, O. A., Chang, C. -. H. Techniques to measure dynamic surface tension. Current Opinion in Colloid & Interface Science. 1 (2), 296-303 (1996).
- Hua, X. Y., Rosen, M. J. Dynamic surface tension of aqueous surfactant solutions 1. basic parameters. Journal of Colloid and Interface Science. 124 (2), 652-659 (1988).
- Rotenberg, Y., Boruvka, L., Neumann, A. W. Determination of surface tension and contact angle from the shapes of axisymmetric fluid interfaces. Journal of Colloid And Interface Science. 93 (1), 169-183 (1983).
- Boyce, J. F., Schurch, S., Rotenberg, Y., Neumann, A. W. The Measurement of Surface and Interfacial Tension by the Axisymmetric Drop Technique. Colloids and Surfaces. 9, 307-317 (1984).
- Vonnegut, B. Rotating bubble method for the determination of surface and interfacial tensions. Review of Scientific Instruments. 13 (1), 6-9 (1942).
- Lin, S. -. Y., Mckeigue, K., Maldarelli, C. Diffusion-controlled Surfactant Adsorption Studied by Pendant Drop Digitization. AIChE Journal. 36 (12), 1785-1795 (1990).
- Sheng, J. J. Modern chemical enhanced oil recovery: theory and practice. Gulf Professional Publishing. , (2010).
- Moody, C. A., Field, J. A. Perfluorinated surfactants and the environmental implications of their use in fire-fighting foams. Environmental Science and Technology. 34 (18), 3864-3870 (2000).
