CC BY
15
УДК 544.77
Букина А.В., Полякова А.С., Мурашова Н.М.
МИКРОЭМУЛЬСИИ ЛЕЦИТИНА КАК НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ СРЕДЫ ДЛЯ «ЗЕЛЁНОЙ» ХИМИИ
Букина Альбина Вячеславовна - студент 3-го года обучения кафедры наноматериалов и нанотехнологии; bkn.alb@yandex.ru.
Полякова Анастасия Сергеевна - аспирант кафедры наноматериалов и нанотехнологии. Мурашова Наталья Михайловна - кандидат химических наук, доцент кафедры наноматериалов и нанотехнологии.
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В статье рассмотрены микроэмульсии на основе ПАВ природного происхождения лецитина как перспективные наноструктурированные среды для процессов «зеленой химии». Определены области существования таких микроэмульсий в керосине присутствии бутилового и изопропилового спиртов. Изучена возможность получения микроэмульсий при замене части спирта на экстрагент (ди-(2-этилгексил)фосфорную кислоту, капроновую кислоту).
Ключевые слова: микроэмульсия, лецитин, наноструктурированные среды, «зеленая» химия
LECITHIN MICROEMULSIONS AS A NANOSTRUCTURED MEDIA FOR "GREEN" CHEMISTRY
Bukina A.V., Polyakova A.S., Murashova N.M.
Mendeleev University of Chemical Technology, Moscow, Russia
This paper describes microemulsions based on surfactant of natural origin lecithin as a prospective nanostructured mediafor the process of "green" chemistry. Regions of the existence of these microemulsions of kerosene in the presence of butyl and isopropyl alcohols are determined. The possibility to obtain microemulsions by replacing part of the alcohol with an extractant (di-(2-ethylhexyl)phosphoric acid, capronic acid) is studied. Key words: microemulsion, lecithin, nanostructured media, "green" chemistry
Введение
Микроэмульсии - это термодинамически устойчивые изотропные дисперсии масла и воды, содержащие капли нанометрового размера, стабилизированные поверхностно-активным
веществом (веществами). Благодаря способности солюбилизировать одновременно водо- и маслорастворимые вещества их используют во многих областях химии и химической технологии - в качестве среды для проведения каталитических реакций, экстракции, синтеза наночастиц, процессов полимеризации и электрохимического осаждения [1]. В таких процессах чаще всего используют микроэмульсии на основе синтетических ПАВ -ионных (таких как Аэрозоль ОТ, цетилтриметиламмоний бромид, додецилсульфат натрия), а также неионных (Тритон Х 100, ПАВ группы Твин и Спан). Эти поверхностно-активные вещества позволяют получить микроэмульсии, подходящие для решения определённых технологических задач. Однако, их недостатками зачастую являются токсичность используемого ПАВ, его высокая стоимость и сложность утилизации.
Для замены синтетических ПАВ, указанных выше, может быть использован лецитин. Лецитин -это природное поверхностно-активное вещество, которое относится к классу фосфолипидов, преимущественно содержащее фосфатидилходин. Благодаря своей структуре лецитин способен
образовывать различные наноструктуры - жидкие кристаллы, липосомы, органогели. В присутствии соПАВ (алифатических спиртов, карбоновых кислот, аминов) могут быть получены микроэмульсии лецитина [2]. Благодаря биосовместимости компонентов микроэмульсии лецитина предлагается использовать в медицине в качестве системы для трансдермальной доставки лекарственных веществ и при создании косметических средств [3]. Поэтому микроэмульсии на основе лецитина могут служить в качестве наноструктурированных сред для процессов «зеленой» химии.
Представляет интерес разработка составов микроэмульсий лецитина для выделения и разделения веществ, например, для микроэмульсионного выщелачивания металлов. Микроэмульсионное выщелачивание - это процесс извлечения металлов из частиц твёрдого сырья с помощью микроэмульсии, содержащей экстрагент. Ранее была показана возможность извлечения цветных металлов (на примере меди) микроэмульсиями на основе додецилсульфата натрия, содержащими экстрагенты ди-(2-этилгексил)фосфорную кислоту (Д2ЭГФК) и капроновую кислоту [4].
Целью данной работы является изучение областей существования микроэмульсии в системе лецитин -алифатический спирт - керосин - вода, не содержащих экстрагенты, а также содержащих Д2ЭГФК и капроновую кислоту.
Экспериментальная часть
Источником лецитина для получения микроэмульсий был фосфолипидный концентрат «Мослецитин». В качестве алифатических спиртов для получения микроэмульсии выбраны бутанол-1 и изопропанол.
Для приготовления микроэмульсии смешивали рассчитанные количества лецитина, спирта, керосина и, при необходимости, экстрагента. Смешивание компонентов проводились при комнатной температуре до полного растворения лецитина. Область существования микроэмульсии определяли путем добавления в исходный образец порций дистиллированной воды объемом 20 мкл до появления устойчивого помутнения и последующего расслоения микроэмульсии.
Обсуждение результатов
Область существования микроэмульсии в системе лецитин - бутанол-1 - керосин - вода. Область существования микроэмульсии в системе лецитин - бутанол-1 - керосин - вода определяли при разных концентрациях смеси ПАВ (лецитин + бутанол-1) в органической фазе (от 10 до 80 масс.%). Рассматривали разные массовые соотношения лецитин:спирт в смеси ПАВ - 1:1 и 1:2. Полученные данные приведены на рис. 1.
в у
Е
1 I
£
5!
и
Л -У
О 19 и Я 40 Н Й
Рис. 1. Зависимость максимального содержания воды в микроэмульсии от концентрации смеси ПАВ (лецитин+спирт) в органической фазе.
Органическая смесь ПАВ: 1 - лецитин+бутанол-1 (1:1); 2 - лецитин+бутанол-1 (1:2); 3 -лецитин+изопропанол.
Было обнаружено, что максимальное содержание воды в микроэмульсии уменьшается при повышении концентрации смеси ПАВ в органической фазе. При концентрациях смеси лецитин+бутанол-1 (соотношение 1:1) более 50 масс. % исходные органические растворы получались мутными, лецитин полностью не растворялся даже при нагревании, поэтому изучение этих образцов не проводили. При соотношении лецитин:спирт = 1:2 микроэмульсия способна солюбилизировать больше воды, чем при соотношении лецитин:спирт = 1:1. Наиболее широкая область существования по воде была обнаружена для микроэмульсии, содержащей 30
масс.% ПАВ при соотношении лецитин:бутанол-1=1:2 (рис.1). Такая микроэмульсия может содержать не менее 7,5 мас.% воды.
Область существования микроэмульсии в системе лецитин - изопропанол - керосин - вода. Область существования микроэмульсии в системе лецитин - изопропанол - керосин - вода также определяли при разных концентрациях смеси ПАВ (лецитин+изопропанол) в органической фазе (от 10 до 80 масс.%). Массовое соотношение лецитин:спирт в смеси ПАВ в данном случае было равно 1:1 Полученные данные приведены на рис.1.
Было определено, что область существования микроэмульсий имеет такую же форму зависимости от концентрации ПАВ, как и в случае с бутанолом: она уменьшается при увеличении концентрации смеси ПАВ в органической фазе. Также при содержании смеси лецитин+изопропанол более 50 масс.% исходные органические растворы получались мутными, лецитин полностью не растворялся даже при нагревании, поэтому титрование этих образцов не проводили. Следует отметить, что микроэмульсии с изопропанолом солюбилизируют не более 3,5 масс.% воды. Это меньше, чем солюбилизационная ёмкость микроэмульсий с бутанолом-1. Таким образом, микроэмульсии в системе лецитин - изопропанол -керосин - вода не подходят для дальнейшей работы. Область существования микроэмульсии в системе лецитин - спирт - экстрагент - керосин - вода. Для исследования выбрали состав микроэмульсии, в которой была обнаружена наиболее широкая область существования: система лецитин - бутанол-1 -керосин - вода, концентрация смеси ПАВ в органической фазе 30 масс.%, соотношение лецитин:бутанол-1=1:2. Часть спирта в этой системе (от 10 до 50% от массы бутанола-1 заменяли на экстрагент: в первом случае на Д2ЭГФК, во втором -на капроновую кислоту и определяли максимальное содержание воды в микроэмульсии (рис. 2).
О № В 30 Л) Л
С|лх|р. ]ш;н [эспнгши!. шсс.Ч
Рис. 2. Зависимость максимального содержания воды от содержания экстрагента (Д2ЭГФК) в смеси со спиртом.
Было определено, что для микроэмульсии в системе лецитин - бутанол-1 - Д2ЭГФК - керосин -вода при замене 10 и 20 масс.% спирта на экстрагент
максимальное содержание воды уменьшилось (6,97% и 6,54% воды соответственно), а при содержании экстрагента от 30 до 50 масс.%, наоборот, увеличилась до 7,8%. При изучении области существования микроэмульсии в системе лецитин -бутанол-1 - капроновая кислота - керосин - вода исходные органические образцы оказались неустойчивые: еще до титрования водой стали мутными и со временем выпал осадок. Поэтому в качестве экстрагента в состав предложенной микроэмульсии может входить Д2ЭГФК, а капроновая кислота не входит для этих целей.
Заключение
Таким образом, было показано, что одним из вариантов микроэмульсии для "зелёной" химии может служить образец состава лецитин - бутанол-1 -Д2ЭГФК - керосин - вода, содержащей 30 масс.% ПАВ при соотношении лецитин:бутанол-1=1:2 и массовой долей экстрагента от массы спирта от 30 до 50 масс.%.
Полученные данные служат основой для разработки состава микроэмульсии для выщелачивания металлов, которая с экологической точки зрения является более безопасной, по сравнению с существующими аналогами.
Список литературы
1. Мурашова Н.М., Купцова М.Ю. Мицеллы, микроэмульсии и лиотропные жидкие кристаллы как перспективные функциональные наноматериалы для химической технологии // Химическая промышленность сегодня. - 2019. - Т.6. - С.64-69.
2. Aboofazeli R., Lawrence C.B., Wicks S.R., Lawrence M.J. Investigations into the formation and characterization of phospholipid microemulsions. III. Pseudo-ternary phase and either an alkanoic acid , amine , alkanediol , polyethylene glycol alkyl ether or alcohol as cosurfactant // International Journal of Pharmaceutics. -1994.- V.111. - P.63-72.
3. Мурашова Н.М., Трофимова Е.С., Костюченко М.Ю., Мезина Е.Д., Юртов Е.В. Микроэмульсии и лиотропные жидкие кристаллы лецитина как системы для трансдермальной доставки лекарственных веществ // Российские нанотехнологии. - 2019. - Т.14, № 1-2. - С.69-75.
4. Полякова А.С., Мурашова Н.М., Юртов Е.В. Микроэмульсии в системах додецилсульфат натрия-бутанол-1-экстрагент-керосин-вода для извлечения цветных металлов из оксидного сырья // Журнал прикладной химии. - 2020. - Т.93, № 2. - С.249-256.
