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Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13361 (2023) Citare questo articolo

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La concentrazione micellare critica (CMC) è una delle principali proprietà fisico-chimiche degli agenti tensioattivi, noti anche come tensioattivi, con diverse applicazioni teoriche e industriali. È influenzato da parametri di base come temperatura, pH, salinità e struttura chimica dei tensioattivi. La maggior parte degli studi ha stimato solo la CMC a condizioni fisse in base ai parametri chimici del tensioattivo. Nel presente studio, abbiamo mirato a sviluppare una serie di modelli nuovi e applicabili per la stima della CMC di tensioattivi anionici ben noti considerando sia le proprietà molecolari dei tensioattivi sia i fattori che influenzano base come salinità, pH e temperatura come parametri di modellazione. Abbiamo utilizzato la tecnica della relazione proprietà quantitativa-strutturale per utilizzare i parametri molecolari degli ioni tensioattivi. Abbiamo raccolto 488 valori CMC dalla letteratura per 111 tensioattivi anionici a base di sodio, inclusi tipi di solfato, solfonato, benzensolfonato, solfosuccinato e poliossietilene solfato. Abbiamo calcolato 1410 descrittori molecolari ottimizzati per ciascun tensioattivo utilizzando il software Dragon da utilizzare nei processi di modellazione. Il metodo di sostituzione avanzata è stato utilizzato per selezionare i descrittori più efficaci per la CMC. I risultati del presente studio sono un modello lineare multivariato e due modelli non lineari. I modelli non lineari sono stati prodotti utilizzando due robusti approcci di apprendimento automatico, alberi di potenziamento del gradiente stocastico (SGB) e programmazione genetica (GP). La valutazione statistica ha mostrato un'accuratezza altamente applicabile e accettabile dei modelli appena sviluppati (RSGB2 = 0,999395 e RGP2 = 0,954946). I risultati finali hanno mostrato la superiorità e la maggiore capacità del metodo SGB di effettuare previsioni attendibili.

Le applicazioni industriali delle soluzioni tensioattive dimostrano la crescente importanza di questi sistemi nella vita di tutti i giorni1. I tensioattivi vengono utilizzati in vari settori, tra cui il recupero avanzato dell'olio (EOR)2, detergenti e detersivi3,4, emulsionanti e agenti disperdenti5, alimenti6, rivestimenti7 e molti altri processi chimici, petroliferi e farmaceutici1.

I tensioattivi sono composti anfifilici costituiti da parti idrofile (testa polare) e idrofobiche (coda non polare). A causa di questa struttura unica, i tensioattivi tendono ad accumularsi sulla superficie di soluzioni come acqua o salamoia. Una volta che la superficie è satura di molecole di tensioattivo, le particelle rimanenti si accumulano nella massa e formano micelle8.

Tra i diversi tipi di tensioattivi, i tensioattivi anionici sono noti per le loro elevate proprietà schiumogene e alcuni settori come l'EOR chimico (CEOR), i detergenti e i detergenti, spesso li utilizzano in applicazioni specifiche. Nel presente studio, abbiamo studiato diversi tensioattivi anionici per comprenderne meglio il comportamento e le proprietà.

La concentrazione micellare critica (CMC) è un'importante proprietà dei tensioattivi che è stata studiata in molti studi teorici e sperimentali. La CMC è definita come la concentrazione massima di un tensioattivo alla quale non si formano micelle o la concentrazione alla quale le micelle iniziano a formarsi8,9.

In concentrazioni maggiori della CMC, la soluzione è considerata micellare e presenta un comportamento diverso da una soluzione diluita (ad esempio, una soluzione con concentrazione inferiore alla CMC). Da un punto di vista industriale ed economico, il funzionamento dei sistemi di tensioattivi presso la CMC spesso si traduce in efficienze specifiche. Inoltre, sono stati condotti numerosi studi teorici e termodinamici per stimare varie proprietà dei sistemi tensioattivi basati sulle stesse proprietà presso la CMC. Un buon esempio in quest'area è la stima della tensione superficiale di una soluzione tensioattiva dalla concentrazione in eccesso superficiale al CMC8,9. La CMC rappresenta un modo semplice per valutare il comportamento dei soluti tensioattivi su superfici e colloidi, rendendolo uno strumento prezioso per valutare le loro potenziali applicazioni industriali e farmaceutiche10,11. In determinate situazioni, è auspicabile che i tensioattivi abbiano una CMC bassa, come quando vengono utilizzati per dissolvere farmaci idrofobici in nuclei micellari con quantità minime di tensioattivo10,12. Inoltre, in applicazioni come la schiumatura, la bagnatura e la pulizia di superfici dure, dove spesso si desidera una bassa tensione superficiale del prodotto, le micelle agiscono come serbatoi di tensioattivo sopra la CMC, consentendo la diluizione del prodotto senza cambiamenti significativi nella tensione superficiale. D'altra parte, in casi come l'estrazione delle proteine ​​di membrana, è preferibile una CMC elevata poiché l'efficienza di estrazione tipicamente si stabilizza a circa quattro volte la CMC del tensioattivo a causa dell'autoassociazione10,13.