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Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13361 (2023) Citar este artigo

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A concentração micelar crítica (CMC) é uma das principais propriedades físico-químicas dos agentes tensoativos, também conhecidos como surfactantes, com diversas aplicações teóricas e industriais. É influenciado por parâmetros básicos como temperatura, pH, salinidade e estrutura química dos surfactantes. A maioria dos estudos estimou apenas a CMC em condições fixas com base nos parâmetros químicos do surfactante. No presente estudo, nosso objetivo foi desenvolver um conjunto de modelos novos e aplicáveis ​​para estimar a CMC de surfactantes aniônicos bem conhecidos, considerando tanto as propriedades moleculares dos surfactantes quanto fatores básicos que afetam como salinidade, pH e temperatura como parâmetros de modelagem. Empregamos a técnica de relação de propriedades quantitativas-estruturais para empregar os parâmetros moleculares dos íons surfactantes. Coletamos 488 valores de CMC da literatura para 111 surfactantes aniônicos à base de sódio, incluindo tipos de sulfato, sulfonato, benzeno sulfonato, sulfosuccinato e sulfato de polioxietileno. Calculamos 1.410 descritores moleculares otimizados para cada surfactante usando o software Dragon para serem utilizados nos processos de modelagem. O método de substituição aprimorada foi utilizado para selecionar os descritores mais eficazes para o CMC. Um modelo linear multivariado e dois modelos não lineares são os resultados do presente estudo. Os modelos não lineares foram produzidos usando duas abordagens robustas de aprendizado de máquina, árvores estocásticas de aumento de gradiente (SGB) e programação genética (GP). A avaliação estatística mostrou precisão altamente aplicável e aceitável dos modelos recentemente desenvolvidos (RSGB2 = 0,999395 e RGP2 = 0,954946). Os resultados finais mostraram a superioridade e maior capacidade do método SGB em fazer previsões confiáveis.

As aplicações industriais de soluções surfactantes demonstram a crescente importância destes sistemas na vida cotidiana1. Os surfactantes são utilizados em diversas indústrias, incluindo recuperação aprimorada de óleo (EOR)2, produtos de limpeza e detergentes3,4, emulsificantes e agentes dispersantes5, alimentos6, revestimentos7 e muitos outros processos químicos, petrolíferos e farmacêuticos1.

Os surfactantes são compostos anfifílicos que consistem em partes hidrofílicas (cabeça polar) e hidrofóbicas (cauda não polar). Devido a esta estrutura única, os surfactantes tendem a acumular-se na superfície de soluções como água ou salmoura. Uma vez que a superfície está saturada com moléculas de surfactante, as partículas restantes acumulam-se no volume e formam micelas8.

Entre os diferentes tipos de surfactantes, os surfactantes aniônicos são conhecidos por suas altas propriedades de formação de espuma, e algumas indústrias, como EOR química (CEOR), detergentes e produtos de limpeza, costumam utilizá-los em aplicações específicas. No presente estudo, investigamos vários surfactantes aniônicos para entender melhor seu comportamento e propriedades.

A concentração crítica de micelas (CMC) é uma propriedade importante dos surfactantes que tem sido investigada em muitos estudos teóricos e experimentais. A CMC é definida como a concentração máxima de um surfactante na qual as micelas não se formam ou a concentração na qual as micelas começam a se formar8,9.

Em concentrações maiores que a CMC, a solução é considerada micelar e apresenta comportamento diferente de uma solução diluída (por exemplo, uma solução com concentração menor que a CMC). Do ponto de vista industrial e económico, a operação de sistemas de surfactantes no CMC resulta frequentemente em eficiências específicas. Além disso, vários estudos teóricos e termodinâmicos foram realizados para estimar diversas propriedades de sistemas surfactantes com base nas mesmas propriedades no CMC. Um bom exemplo nesta área é a estimativa da tensão superficial de uma solução surfactante a partir do excesso de concentração superficial no CMC8,9. O CMC é uma forma simples de avaliar o comportamento de solutos surfactantes em superfícies e colóides, tornando-se uma ferramenta valiosa para avaliar suas potenciais aplicações industriais e farmacêuticas10,11. Em certas situações, é desejável que os surfactantes tenham CMC baixa, como quando são usados ​​para dissolver drogas hidrofóbicas em núcleos micelares com quantidades mínimas de surfactante10,12. Além disso, em aplicações como formação de espuma, umedecimento e limpeza de superfícies duras, onde muitas vezes é desejada uma baixa tensão superficial do produto, as micelas atuam como reservatórios de surfactante acima do CMC, permitindo a diluição do produto sem alterações significativas na tensão superficial. Por outro lado, em casos como a extração de proteínas de membrana, uma CMC alta é preferida, uma vez que a eficiência de extração normalmente atinge cerca de quatro vezes a CMC do surfactante devido à auto-associação .