表面活性剂的应用和发展前景

题目:表面活性剂的应用和发展前景 学生姓名陈永师 学号200921259 院系化工学院 专业应用化学 表面活性剂的应用和发展前景 姓名:陈永师学号:200921259 西北大学化工学院 摘要表面活性剂(surfactant)是指具有固定的亲水亲油基团,在溶液的表面能定向排列,并能使表面张力显著下降的物质,其应用前景非常广阔。本文简述了高分子表面活性剂的应用研究进展,介绍新一代表面活性剂geminis和生物表面活性剂的研究应用,探讨表面活性剂在绿色化学中的进展。 关键词表面活性剂高分子 geminis 生物表面活性剂绿色化学 引言 表面活性剂具有吸附于物质表面,使其表面性质发生变化的特性,它的分子构造由亲水基和憎水基两部分组成,通常的表面活性剂几乎全是分子量为数百(300左右)的低分子量物质。高分子表面活性剂是指那些分子量在数千以上并具有表面活性功能的高分子化合物。 随着高分子化学工业的迅速发展,各种具有表面活性的高分子化合物引起了人们广泛注意。最早的高分子表面活性剂有淀粉、纤维素及其衍生物等天然水溶性高分子化合物[1]。1951年Stauss将含有表面活性基团的聚合物--- 聚l-十二烷-4-乙烯吡啶溴化物命名为聚皂[2],从而出现了合成高分子表面活性剂。1954年,美国Wyandotte公司发表了聚(氧乙烯-氧丙烯)嵌段共聚物作为非离子高分子表面活性剂的报道以后,各种合成高分子表面活性剂相继开发并应用于各种领域。与常用的低分子表面活性剂相比,高分子表面活性剂降低表面张力的能力差,成本偏高,始终未能占据表面活性剂领域的优势。近十余年来由于能源工业(强化采油、燃油乳化、油/煤乳化)、涂料工业(无皂聚合、高浓度胶乳)、膜科学(仿生膜、LB膜)的需要,高分子表面活性剂研究有了新的进展,得到了性能良好的氧化乙烯、硅氧烷共聚物、乙烯亚胺共聚物、乙烯基醚共聚物、烷基酚、甲醛缩合物、氧化乙烯共聚物等品种。 Gemini型表面活性剂称双子表面活性剂剂[3]。从分子结构看,它们又相似于两个表面活 性剂分子的聚结,故有时又称为二聚表面活性剂(dimeric Sill"factants) [4]。Geminis或dimerics 仅是低聚表面活性剂中的一部分,低聚表面活性剂目前已合成有三聚体和四聚体[5]。从1991年开始,美国纽约州立大学Brooklyn学院的Rosen小组采纳了“Gemini”的命名,并系统合成和研究了氧乙烯或氧丙烯柔性基团联接的Gemini表面活性剂,撰写了一篇综述文章[6]。同时,法国CharlesSadron研究所的Zana小组也以亚甲基链(-CH2-)作为联接基团研究了一系列双烷基铵盐表面活性剂[7]。这些实验结果表明Gemini表面活性剂具有较单烷烃链和单离子头基组成的普通表面活性剂高得多的表面活性。例如,和离子头基连接相同碳原子数链的普通表面活性剂相比,表征其降低表面张力效率的C2n值,Gemini表面活性剂约低3个数量级,而对临界胶团浓度cmc,Gemini表面活性剂则低2个数量级,故Rosen认为Gemini将成为新一代的表面活性剂。 生物表面活性剂(Biosurfactants)是由微生物所产生的一类具有表面活性的生物大分子物质[8]。与化学合成的表面活性剂相比,生物表面活性剂除具有降低表面张力、稳定乳化液和增加泡沫等相同作用外,还具有一般化学合成表面活性剂所不具备的无毒、能生物降解等优点。生物表面活性剂的这些特性尤其适合于石油工业和环境 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 ,如石油的生物降粘、提高原油采收率、重油污染土壤的生物修复等[9]。另外,生物表面活性剂作为天然添加剂,在食品工业、精细化工、医药和农业等工业方面也愈来愈受到人们的青睐。随着人们崇尚自然和环保意识的增强,生物表面活性剂将有更加广阔的应用前景,并有可能成为化学合成表面活性剂的替代品或升级换代品。 鉴于表面活性剂能对界面过程产生影响, 因此,它往往能有效地改进相关的工艺过程, 或者能改善产品质量, 或者可节能降耗, 或者能改善环境, 使反应过程绿色化, 甚至起到“绿色使者”的作用,将表面活性剂更多的用于绿色化学的研究,将是表面活性剂未来研究主要方向之一。 1 高分子表面活性剂应用研究 1.1高分子表面活性剂的分类 (1)高分子表面活性剂按离子分类,可分为阴离子型、阳离子型、两性型和非离子型四种高分子表面活性剂。 (2)高分子表面活性剂按来源分类可分为天然高分子表面活性剂和合成高分子表面活性剂,前者包括半合成高分子表面活性剂。 1.1.1 天然高分子表面活性剂 天然高分子表面活性剂是从动植物分离,精制或经过化学改性而制得的水溶性高分子。由海藻制的得的藻朊酸,由植物制取的愈疮胶和黄原胶等树脂胶类;从动物制得的酪朊和白朊等均为高分子表面活性剂。而纤维素衍生物、淀粉衍生物以及制取亚硫酸纸浆的副产品木质素磺酸盐等叫做半合成高分子表面活性剂。 天然高分子表面活性剂具有优良的增粘性、乳化性、稳定性和结合力,并且具有很高的无毒安全性和易降解等特点,所以广泛应用于食品、医药、化妆品及洗涤剂工业。 1.1.2 合成高分子表面活性剂 合成高分子表面活性剂是指亲水性单体均聚或与憎水性单体共聚而成,或通过合成高分子化合物改性而毒I得.根据单体的种类、合成方法、反应条件和共聚物的组成等的不同可以得到各种各样的高分子表面活性剂。合成高分子表面活性剂有着广阔的应用前景,有关高分子表面活性剂的合成及其应用的研究正日益得到人们的重视。 1.2高分子表面活性剂的应用 1.2.1高分子表面活性剂在废水处理中应用[10] 高分子表面活性剂作为絮凝剂在废水处理中有着广泛的应用,作为有机絮凝剂的高分子表面活性剂,由于其独特的结构和性质被广泛的应用于城建、环保、造纸、印染、石油开采、食品、制药等各行各业的废水处理中。其中阳离子高分子絮凝剂、两性高分子絮凝剂、阴离子高分子絮凝剂、非离子高分子絮凝剂作为水处理剂都已用于废水处理。 1.2.2高分子表面活性剂在纺织印染工业中应用[11] 高分子表面活性剂作为纺织印染助剂应用已有较长历史.聚醚类高分子表面活性剂常被用作低泡洗涤剂、乳化剂、分散剂、消泡剂、抗静电剂、润湿剂、匀染剂等;聚乙烯醇等高分子化合物作为增稠剂和保护胶体广泛应用于乳液型印染助剂的制备中;羧甲基纤维素等纤维素衍生物被用于洗涤剂作为再沾污防止剂;聚丙烯酸及其共聚物被用作螯合分散剂;木质素磺酸盐、酚醛缩合物磺酸盐等被用作不溶性染料的分散剂.近年来,高分子表面活性剂在印染助剂领域的应用又有了较大的发展。 2 生物表面活性剂的应用研究[12] 2.1生物表面活性剂的种类及微生物来源 2.1.1 生物表面活性剂的种类 微生物产生的生物表面活性剂包括许多不同的种类。依据他们的化学组成和微生物来源可分为糖脂、脂肽和脂蛋白、脂肪酸和磷脂、聚合物和全胞表面本身等五大类[13]。 2.1.2 产生生物表面活性剂的微生物来源 生物表面活性剂多数由细菌、酵母菌、真菌(霉菌)等产生。微生物发酵法生产生物表面活性剂的生产菌种大致可分为三类:一类是严格以烷烃作为碳源的微生物,如棒状杆菌Corynebacterium sp.;一类是以水溶性底物为碳源的微生物,如杆菌Bacillus sp.另一类可以烷烃和水溶性底物两者作为碳源,如假单孢菌Pseudomonas sp。 2.2生物表面活性剂的性能 生物表面活性剂的分子结构中既有极性基团又有非极性基团,是一类中性两极分子。亲水基团可以是离子或非离子形式的单糖、二糖、多糖、羧基、氨基或肽链;疏水基团则由饱和脂肪酸、不饱和脂肪酸或带羟基的脂肪酸组成。对于像蛋白质一多糖复合物等一些分子量较大的生物表面活性剂分子,其亲水和疏水部分可以由不同的分子组成。生物表面活性剂能在两相界面定向排列形成分子层,能降低界面的能量,即表面张力,多数生物表面活性剂可将表面张力减小至30mN/m。它们在决定界面的流变学特性以及在两相间物质传递方面起着十分重要的作用。生物表面活性剂具有良好的热及化学稳定性,如由地衣芽孢杆菌产生的脂肽在75℃时至少可耐热140h。生物表面活性剂在pH5.5—12之间保持稳定,当pH小于5.5时,会逐渐失活。与化学合成的表面活性剂相比,生物表面活性剂更具优越性,表现在其反应产物均一,可引进新类型的化学基团,其中有些基团是化学方法难以合成的;生物表面活性剂安全、无毒、生产工艺简单,常温常压下即可发生反应。 2.3 生物表面活性剂的应用 生物表面活性剂有非常广泛的应用,能用于石油开采业、环境工程、食品工业、农业和精细化工行业。然而最有应用前景的是清除污染的油罐、重油的运移和提高原油采收率[14]。 2.3.1 应用于石油开采业 由于石油工业对生物表面活性剂的纯度和专一性要求不高,所以可直接使用含完整微生物细胞的生物表面活性剂发酵液。微生物强化采油(microbial enhanced oil recovery,MEOR)技术就是指往油层中注入某些微生物,同时注入一些微生物生长所必需的营养物,这些微生物在生长的同时,能产生生物表面活性剂。这些生物表面活性剂可降低原油与水两相界面的张力,从而可提高油田的开采量[12]。 2.3.2在环境生物工程上的应用 近年来,随着工农业生产的发展,工业排放的废水、固体废弃物、农田中施用的农药、