- 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.