- Agentes De Actividad Superficial
- Desarrollo del alquil benceno sulfonato LABS
- Procesos de producción de sulfonación
- Control del proceso en una planta de sulfonación
- Formulaciones típicas de empleo de Labs en productos
Este escrito esta basado en uno de los compuestos quimicos de mayor utilizacion en la industria de jabones y detergentes, la cual emplea a los surfactantes como emulsificantes, tensoactivos y/o espumantes. No se hara profundizacion en la obtencion quimica del compuesto la cual se puede obtener contactando a su autor.
1. AGENTES DE ACTIVIDAD SUPERFICIAL
Los agentes activos superficiales o surfactantes (derivado del ingles surface active agents) son moléculas que contiene un segmento liposoluble (soluble en aceite) y otro hidrosoluble (soluble en agua). La solubilidad parcial tanto en agua como en aceite permite al surfactante ocupar la interfase (Figura 1).
Los agentes de actividad superficial son sustancias químicas que reducen la tensión superficial de los líquidos.
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Figura 1. Los surfactantes: llave de sistemas inmiscibles
Los surfactantes pueden ser clasificados por la carga iónica de la parte superficialmente activa de la molécula. En los surfactantes aniónicos, la carga molecular es negativa ; en los catiónicos, positiva ; en los no iónicos, no hay carga y en los anfóteros existen cargas tanto positivas como negativas en la molécula.
2.1 AGENTES ANIONICOS
Los surfactantes aniónicos contienen generalmente uno de cuatro grupos polares solubles – carboxilato, sulfonato, sulfato o fosfato – combinado con una cadena hidrocarbonada hidrófoba. Si esa cadena es corta son muy hidrosolubles, y en caso contrario tendrán baja hidrosolubilidad y actuaran en sistemas no acuosos como aceites lubricantes.
Dentro de esta clasificación se encuentran compuestos como el alquil bencen sulfonato lineal (LABS) objeto de este documento, los alquil sulfatos (AS) derivados principalmente del petróleo, y de alta utilización en la industria de jabones y detergentes.
2.2. AGENTES CATIONICOS
Los surfactantes catiónicos comúnmente utilizados en detergentes, agentes limpiadores, líquidos lavaplatos y cosméticos están compuestos por una molécula lipofílica y otra hidrofílica, consistente de uno o varios grupos amonio terciarios o cuaternarios. Las sales de cadenas larga de amonio terciarias, obtenidas por neutralización de las aminas con ácidos orgánicos o inorgánicos, son raramente usadas en detergentes y preparaciones para limpieza. Su principal aplicación esta en el tratamiento de textiles y ocasionalmente como suavizantes tipo rinse. En aplicaciones cosméticas, su aplicación esta restringida a especialidades.
Las sales de amonio cuaternarias con un solo grupo alquilo (C12-C18), o dos grupos mas cortos (C8-C10) son usados como sustancias activas antimicrobiános. Debido a su capacidad para adsorber sobre fibras o cabello, los inicialmente mencionados sirven como acondicionadores para el cabello.
2.3 AGENTES NO IONICOS
En contraste a sus contrapartes iónicas, los surfactantes no iónicos no se disocian en iones hidratados en medios acuosos. Las propiedades hidrofílicas son provistas
por hidratación de grupos amido, amino, eter o hidroxilo. Cuando existe un número suficiente de estos grupos la solubilidad acuosa es comparable con la de los surfactantes iónicos. Las aplicaciones son extensas y dependen de la cantidad de grupos polares presentes, que determinaran la solubilidad tanto en agua como en aceite (cuantificada en la practica mediante el índice HLB, o balance hidrofílico – lipofílico).
3. DESARROLLO DE ALQUILBENCEN SULFONATOS
La historia de la manufactura de los alquil benceno sulfonatos (LABS) se remonta a los años 1930. En Alemania, asi como en los Estados Unidos un alquil benceno fue producido por la monoclorinacion de fracciones de Kogasin y una reaccion subsecuente de Friedel – Crafts. La sulfonacion fue elaborada con oleum (acido sulfurico fumante). Y su subsecuente neutralizacion con hidroxido de sodio par la formacion de la respectiva sal disodica.
A comienzos de los noventas, el propileno fue tetramerizado formando un α-dodecileno ramificado. La reaccion de Friedel-Crafts con benceno en la presencia de cloruro de aluminio o fluoruro de hidrogeno hizo disponible un proceso atractivamente economico para la sintesis del alquilbenceno. El sulfonato de tetrapropilenbenceno fue obtenido reemplazando el jabon empleado como componente surfactante anionico primario en las formulaciones para detergentes.
La insuficiente biodegrabilidad debido a la alta ramificacion de la cadena carbonada condujo a una contaminacion acuosa. Por ello, el compuesto lineal fue empleado como un compuesto biologicamente mas degradable.
Las fracciones de petroleo fueron separadas por el metodo del tamiz molecular en n-parafinas de la pureza deseada y convertidas a olefinas por diversos metodos. Las olefinas eran puestas en contacto con benceno, en la presencia de un catalizador acido, obteniendo el alquilbenceno lineal.
Por medio de la selección del catalizador apropiado, se pueden obtener varias distribuciones isomericas del grupo fenil. La sulfonacion de alquilbencenos puede ser realizada con oleum, acido sulfurico o trioxido de azufre gaseoso. El grupo sulfonato se introduce dentro del anillo bencenico primariamente en la posicion P. El proceso podria ser operado en proceso discontinuo o continuo.
La sulfonacion industrial de LAB (linear alkyl benzene) es logrado hoy en dia con trioxido de azufre SO3 en reactores especificos. Los reactores de pelicula liquida o tubos de contacto son los adecuados especialmente para aplicación del proceso continuo.
En la reaccion con trioxido de azufre, en lugar de acido sulfurico, la generacion de subproductos es inevitable por lo cual los productos (acido sulfonico) se neutralizan con hidroxido de sodio obteniendo pastas con contenido de sustancia activa de alrededor del 60%. El producto final puede ser mezclado con una solucion de hipoclorito sodico acuosa para alcanzar colores mas claros.
Para el analisis de la eficiencia del producto, la cadena lineal de carbon influye en el producto final afectando la humectacion, produccion de espuma y su estabilidad y tambien la tension superficial.
4. PROCESOS DE PRODUCCION – HISTORIA
El proceso clasico, que aun se emplea ampliamente, se basa en el tratamiento con SO3 (trioxido de azufre) de fracciones de petroleo. Su empleo como agente de sulfonacion es reconocido en la industria y los trabajadores rusos fueron pioneros en ese campo en el periodo de 1925 – 1935.
En 1957, Bilbert y Beldhuis publicaron una revision del SO3 empleado en la refinacion de los aceites lubricantes. En las ponencias del 5to congreso mundial del petroleo en 1959, Kaye describio una planta para la refinacion de fracciones de petroleo con SO3/oleum al 60%. Asi mismo, en el 4to congreso mundial de actividad superficial en 1964 se reporto el empleo del sistema Sulfurex de sulfonacion en cascada, el cual consiste de un cierto numero de recipientes con agitadores de alta potencia en cascada. La cantidad de SO3 es determinada por la cantidad de azufre liquido introducido por la bomba de dosificacion, y la alimentacion total SO3/oleum es determinada por la naturaleza y porcentaje del material sulfonable. De ahí, el producto pasa a un decantador en donde el exceso de acido en el aceite es removido y recirculado.
La compañía Allied Chemical Process diseño un reactor en donde el SO3 es dosificado en un vaporizador, recogido por la corriente de aire y pasa a traves de enfriadores y filtros, y dirigido a la cima de una torre de reaccion a una temperatura de 120°. El alquilato se bombea a las paredes internas de la torre, formando una pelicula liquida de material la cual reacciona con la mezcla de aire y SO3. No hay agitacion mecanica concerniente. Reactores como el mencionado estan patentados en diversas versiones en los cinco continentes.
5. CONTROL DE UNA PLANTA MODERNA DE SULFONACION
Una sistema de control para una planta de sulfonacion consiste de dos componentes que estan integrados en un sistema sencillo: panel de control de instrumentacion principal (ICP) y un centro de control de motor (MCC). Cuando se diseña e instala apropiadamente, este sistema no solo permite la operación de la planta de sulfonacion sino tambien mejora el entendimiento del operador acerca de la operación de la planta por medio de interfaces graficas. A mejor control es mejor la consistencia del producto y la calidad.
La ICP esta integrada por el bucle de control, control logico, adquisicion de datos y la interfase del operador como un sistema sencillo. Las funciones incluyen: control analogo o control PID; control discreto (para emitir automaticamente la secuencia a las valvulas en los secadores de aire, y cuando el gas es enviado del sulfonador a la torre de absorcion; monitoreo de alarmas, y recetas para el ingreso automatico de variables usadas para el calculo de puntos de ajuste para la alimentacion organica y las materias primas del neutralizador.
El hardware puede ser controladores individuales electronicos, o tan complicado como sistemas de control distribuido en la planta total. Como una opcion economica, esta el uso de sistemas de control PLC en la cual dos estaciones de trabajo PC conectadas directamente a los controladores, las cuales proveen al operador con la informacion necesaria para operar la planta. Normalmente, un paquete de graficas esta incluido en el software de control. Muestra una representacion grafica de un PID (diagrama de instrumentacion y proceso), el cual muestra las principales variables de operación e indica cuales motores estan operando. Los sistemas tipicos a controlar son: sistema de dosificacion de azufre, sistema de secado, sistema generador de SO3, sistema sulfonador; sistema de neutralizacion, y sistema de tratamiento de gases efluentes.
El sistema analiza tambien las tendencias en las variables, desactivacion de alarmas y la recoleccion historica de datos.
6. FORMULACIONES TÍPICAS DE EMPLEO DE LABS EN PRODUCTOS
SHAMPOO PARA EL CABELLO FORMULA DOW # 53
Caracteristicas:
Shampoo Cremoso
Espuma jabonosa.
Se enjuaga facilmente
INGREDIENTES % en peso
Surfactante TRITON X-200 (Sulfonato, Anionico) 50.00
Dietanolamida de acido C12 5.00
Miristato de Isopropilo 0.50
EDTA tetrasodio 0.05
Agua 44.9
PREPARACION
Combinar y mezclar todos los ingredientes, excepto el agua, por 5 minutos.
Calentar la mezcla a 57 C.
En recipiente separado precalentar el agua a 57 C. Mezclar las soluciones.
Agitar el batch por 30 minutos at 57 C. Lentamente enfriar a temperatura ambiente.
Agregar fragancias, colores y conservantes a gusto.
USO
Usese 1 – 2 tapas por aplicacion.
DETERGENTE PARA VAJILLA
Formula de DOWFAX Surfactants
INGREDIENTES % en peso
Alquilbenceno sulfonato lineal (55% activo) 43%
Stepanol MG (27% activo) 11%
Alkamide C-212 (85% activo) 6%
DOWANOL* PM glicol eter 3%
Glicerina 0.5%
Surfactante DOWFAX Hydrotrope
(Alkyldiphenyloxide Disulfonic Acids) cant. necesaria
Agua desionizada Resto
Preparacion:
Los ingredientes se agregan tal cual estan enumerados.
Los detergentes en general contienen xileno sulfonato de sodio (SXS)
y etanol para ajustar la turbidez, proveer estabilidad y reducir la
viscosidad. El DOWFAX Hydrotrope puede reemplazar tanto al SXS y al
etanol de acuerdo a las necesidades especifica s del producto.
La fabricacion de detergentes y preparados para limpieza en Colombia estaba conformado por 20 sociedades en 1995 con una participacion del 17.88% en la totalidad del sector quimico con un aumento de los ingresos operacionales de $615,940 millones a $797,351 millones de 1994 a 1995.
KIRK, OTHMER. Enciclopedia de tecnologia quimica. 1997
SPITZ, LUIS. Technology of Soaps and Detergents. 1997
Ing. Pablo Cesar Heredia S.