3.7.2 Поверхностно-активные вещества

П оверхностно-активные вещества (ПАВ) — химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела фаз — вода-воздух, вызывают снижение поверхностного натяжения.

По своему химическому строению ПАВ — органические соединения, имеющие "дифильное строение", то есть их молекулы имеют в своём составе полярную часть, гидрофильный компонент (функциональные группы -ОН, -СООН, -O- и т. п.) и неполярную (углеводородную) часть, гидрофобный компонент.

Традиционным примером ПАВ могут служить обычное мыло (смесь натриевых солей жирных карбоновых кислот — олеата, стеарата и т. п. натрия) и СМС (синтетические моющие средства), а также спирты, карбоновые кислоты, амины и т. п. ПАВ могут также содержать отбеливающие вещества, ингибиторы коррозии, ферменты, душистые вещества.

Один из основных негативных эффектов ПАВ в окружающей среде - понижение поверхностного натяжения. Например, в океане изменение поверхностного натяжения приводит к снижению показателя удерживания CO₂ в массе воды. По некоторым данным ПАВ, адсорбировавшись на поверхности воды в водоемах, повышает поглощение волн радиолокационного сигнала. Другими словами, радары и спутники хуже улавливают сигнал от объектов находящихся под водой в водоемах с определенной концентрацией ПАВ.

Среди основных причин загрязнения водоёмов ПАВ часто отмечают способность ПАВ, находящихся в воздухе в значительных количествах, проникать с атмосферными осадками в открытые водоёмы и просачиваться в подземные ближние слои грунтовых вод. В грунтовые воды ПАВ попадают также при очистке сточных вод на полях фильтрации и при этом, как правило, увлекают за собой и другие загрязнения. Из подземных вод ПАВ практически беспрепятственно проходят в поверхностные водоисточники и через очистные сооружения в питьевую воду.

Попадая в водоёмы, ПАВ активно участвуют в процессах перераспределения и трансформации других загрязняющих веществ (таких как хлорофос, анилин, цинк, железо, бутилакрилат, канцерогенные вещества, пестициды, нефтепродукты, тяжёлые металлы и др.), активизируя их токсическое действие. С ПАВ связано 6-30 % меди, 3-12 % свинца и 4-50 % ртути в коллоидной и растворённой форме. Незначительной концентрации ПАВ (0,05-0,10 мг/дм³) в воде достаточно, чтобы активизировать токсичные вещества.

Только немногие ПАВ считаются безопасными (алкилполиглюкозиды), так как продуктами их деградации являются углеводы. Однако, адсорбировавшись на поверхности частичек земли/песка, степень/скорость деградации ПАВ снижается в разы. Так как почти все ПАВ, используемых в промышленности и домашнем хозяйстве, имеют положительную адсорбцию на частичках земли, песка, глины, при нормальных условиях они могут высвобождать (десорбировать) ионы тяжелых металлов, удерживаемые этими частичками, и тем самым повышать риск попадания этих веществ в организм человека.

Согласно общепринятой классификации, ПАВ по биоразлагемости делят на три основных группы:

• I группа - биологически разлагаемые ПАВ;

• II группа - частично разлагаемые ПАВ;

• III группа - биологически неразлагаемые ПАВ.

Продукт считается биоразлагающимся, если его разложение до невредных элементов (естественно находящихся в окружающей среде) превышает 80 %.

К первой группе относятся ПАВ так называемые глюкозиды (жирные спирты и кислоты), они широко используются как компоненты моющих и чистящих средств, смачиватели, компоненты для косметики и т.д.

Во вторую группу входят ПАВ, содержащие в своей структуре бензольное или фенольное кольцо – это наиболее токсичные органические соединения. Область применения таких ПАВ примерно такая же, как и у первой группы, но с большим уклоном на технические моющие средства. Их производство во всем мире постепенно сокращается не столько из-за худшей биоразлагаемости, сколько из-за установленной токсичности промежуточных продуктов их разложения по отношению к гидробионтам.

К ПАВ третьей группы относятся изомерные углеводороды, которые совсем не разлагаются и практически не производятся.

Каждый водоем – это сложная система, где обитают бактерии, высшие водные растения, различные беспозвоночные животные. Совокупная их деятельность обеспечивает самоочищение водоемов.

Главными факторами понижения концентрации ПАВ являются процессы биохимического окисления, сорбция взвешенными веществами и донными отложениями. Степень биохимического окисления ПАВ зависит от их химического строения и условий окружающей среды.

По биохимической устойчивости, определяемой структурой молекул, ПАВ делят на мягкие, промежуточные, жесткие с константами скорости биохимического окисления, составляющими соответственно не менее 0,30 сутки^-1; 0,3-0,05 сутки^-1; менее 0,05 сутки^-1.

К числу наиболее легко окисляющихся ПАВ относятся первичные и вторичные алкилсульфаты нормального строения. С увеличением разветвления цепи скорость окисления понижается, и наиболее трудно разрушаются алкилбензолсульфонаты, приготовленные на основе тетрамеров пропилена.

При понижении температуры скорость окисления ПАВ уменьшается и при 0-5 °С протекает весьма медленно. Наиболее благоприятные для процесса самоочищения от ПАВ нейтральная или слабощелочная среда (рН=7-9).

С повышением содержания взвешенных веществ и значительным контактом водной массы с донными отложениями скорость снижения концентрации ПАВ в воде обычно повышается за счет сорбции и соосаждения. При значительном накоплении ПАВ в донных отложениях в аэробных условиях происходит окисление микрофлорой донного ила. В случае анаэробных условий ПАВ могут накапливаться в донных отложениях и становиться источником вторичного загрязнения водоема.

При небольшом содержании ПАВ в воде часто наблюдается коагуляция и седиментация примесей, обусловленная уменьшением или даже снятием электрокинетического потенциала частиц вследствие сорбции противоположно заряженных органических ионов ПАВ.

Кроме того, ПАВ несколько тормозят распад канцерогенных веществ, угнетают процессы биохимического потребления кислорода, аммонификации и нитрификации.

ПАВ также могут способствовать и повышению эпидемиологической опасности воды, а также способствуют химическому загрязнению воды веществами высокой биологической активности.

Большинство ПАВ и продукты их распада токсичны для различных групп гидробионтов: микроорганизмов (0,8-4,0 мг/дм³), водорослей (0,5-6,0 мг/дм³), беспозвоночных (0,01-0,9 мг/дм³) даже в малых концентрациях, особенно при хроническом воздействии. ПАВ способны накапливаться в организме и вызывать необратимые патологические изменения.