袁宇飛,梁翠媛,李念念,吳 薇,張學(xué)棟（黑龍江大慶大慶師范學(xué)院,黑龍江 大慶 163712）

CO2開關(guān)型表面活性劑的研究進(jìn)展

袁宇飛,梁翠媛,李念念,吳 薇,張學(xué)棟
（黑龍江大慶大慶師范學(xué)院,黑龍江 大慶 163712）

摘 要：CO2開關(guān)型表面活性劑是對(duì)環(huán)境變化做出相關(guān)響應(yīng)的新型表面活性劑，在有無(wú)CO2的介質(zhì)條件下水溶液性質(zhì)呈現(xiàn)出反差狀態(tài)。本文概述了CO2誘導(dǎo)的開關(guān)型表面活性劑的結(jié)構(gòu)、性能及研究進(jìn)展，并歸納了這一類開關(guān)型表面活性劑的發(fā)展方向及應(yīng)用前景等。

關(guān)鍵詞：CO2開關(guān)；表面活性劑智能型；化合物脒基碳酸氫鹽

1 開關(guān)型表面活性劑

通過(guò)化學(xué)反應(yīng)改變?nèi)芤褐兄黧w物質(zhì)的結(jié)構(gòu)的表界面性質(zhì)，而且化學(xué)反應(yīng)能夠被應(yīng)發(fā)物質(zhì)控制的體系，稱為開關(guān)表活劑。開關(guān)表活劑的溶液表面活性隨著控制介質(zhì)的有無(wú)會(huì)發(fā)生一系列相應(yīng)改變，會(huì)引發(fā)體系的某些宏觀的表面性質(zhì)發(fā)生變化。利用這個(gè)特性，可按實(shí)際生產(chǎn)需求來(lái)調(diào)節(jié)使溶液或溶劑有無(wú)表面活性特點(diǎn)，這種改變不僅是可逆的，而且還是可調(diào)控的。開關(guān)型表面活性劑的研究早在20世紀(jì)80年代，根據(jù)調(diào)控開關(guān)的不同，可以分為電化學(xué)開關(guān)型、光開關(guān)型、酸堿開關(guān)型、CO2開關(guān)型和溫度開關(guān)型等[1-2]。

2 CO2開關(guān)型表面活性劑研究意義

隨著溫室效應(yīng)的愈發(fā)嚴(yán)重，全球溫度普遍升高，對(duì)造成此現(xiàn)象的CO2氣體的減排與綜合利用有了更高的要求，如能把CO2作為開關(guān)表活劑的關(guān)鍵可控物質(zhì)，不僅降低了表活劑生產(chǎn)成本，而且可以變廢為寶、化害為利。符合當(dāng)今可持續(xù)發(fā)展和綠色發(fā)展的世界發(fā)展趨勢(shì)。CO2開關(guān)型表面活性劑綠色、環(huán)保、無(wú)毒，且可逆效率高，對(duì)反應(yīng)體系不會(huì)產(chǎn)生任何影響。CO2開關(guān)型表面活性劑具有優(yōu)良的表面活性，并且對(duì)烷烴有較好的乳化和破乳能力。CO2開關(guān)型表面活性劑的發(fā)展，拓展了表面活性劑在微乳液聚合、稠油開采及集輸、油砂分離等石油工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。在CO2響應(yīng)基團(tuán)中，脒類化合物反應(yīng)活性高，但長(zhǎng)鏈烷基脒的合成成本高；胍類化合物絡(luò)合能力強(qiáng)，但其碳酸氫鹽難以分解[3]。

鑒于開關(guān)型表面活性劑在實(shí)際應(yīng)用中存在的缺陷，因此研發(fā)成本低廉、工藝簡(jiǎn)單、性能優(yōu)異的新型CO2開關(guān)表面活性劑是一項(xiàng)有意義的工作。

3 CO2開關(guān)型表面活性劑的研究現(xiàn)狀

2006年，Liu等人在前人DBU研究的基礎(chǔ)上，首次在《Science》上就開關(guān)型表面活性劑N’-長(zhǎng)鏈烷基-N,N-二甲基乙基脒進(jìn)行了報(bào)道，這種活性劑與水混合后通入CO2氣體，等摩爾量的三種物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成了N'-長(zhǎng)鏈烷基-N,N-二甲基乙脒基碳酸氫鹽，這種新生成的碳酸氫鹽具備了常規(guī)陽(yáng)離子表面活性劑的增溶、表面張力降低、易乳化等特性；然后在體系內(nèi)保持65℃環(huán)境下繼續(xù)向體系內(nèi)充入空氣或氮?dú)獾榷栊詺怏w，此碳酸氫鹽會(huì)微分解掉表面活性特性。在當(dāng)今世界可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境體系中，作為溫室氣體主要物的CO2越來(lái)越受到人類的重視，將其用做表面活性劑的開關(guān)變廢為寶，大大降低了生產(chǎn)成本。

Liu等人用乳化實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證表面活性劑的表面性能，N-長(zhǎng)鏈烷基-N,N-二甲基乙基脒不具備表面活性的特性，在其與CO2結(jié)合的實(shí)驗(yàn)中，生成了一種新的具有表面活性且溶于水的新型碳酸氫根型季胺鹽，它可以使不互溶的油水混合物形成均勻混合的乳狀液；而在此液體置于65℃環(huán)境下并通入N2等惰性氣體后，季胺鹽會(huì)被還原成脒的形式，從而使得乳狀液在失去表面活性劑的作用下分離成不互溶的混合液并具備明顯的分層現(xiàn)象。

在CO2或Αr的作用下，N-十六烷基-N,N-二甲基乙脒基碳酸氫鹽對(duì)2:1體積比的十六烷/水混合液進(jìn)行了乳化能力比較實(shí)驗(yàn)，在通入CO2氣體后形成了乳液，而通入Αr氣體時(shí)則直接出現(xiàn)了分層的現(xiàn)象；Liu等人為了證明CO2氣體通入后表面活性的大小又做了電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)，將N'-長(zhǎng)鏈烷基-N,N-二甲基乙基脒放入二甲基亞砜(DMSO)溶液中，在未通入CO2氣體時(shí)，溶液因不存在離子化合物，故導(dǎo)電率接近于0；在通入CO2氣體后，N'-長(zhǎng)鏈烷基-N,N-二甲基乙基脒、水與CO2三者進(jìn)行反應(yīng)形成陽(yáng)離子表面活性劑，離子化合物生成率提升后溶液的導(dǎo)電率也迅速攀升，隨著三者化學(xué)反應(yīng)的逐漸完成，陽(yáng)離子表面活性劑不再增加時(shí)，溶液的導(dǎo)電率也慢慢趨向平緩至不再有明顯的改變；將乳液溶液體系環(huán)境升溫至65℃時(shí)再通入N2氣體，陽(yáng)離子表面活性劑會(huì)還原成N'-長(zhǎng)鏈烷基-N,N-二甲基乙基脒和水的分層液體，環(huán)境中CO2濃度會(huì)增加，溶液體系內(nèi)的導(dǎo)電率會(huì)隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行而再次降低并趨向于0。這一過(guò)程是可逆的并且可以進(jìn)行多次重復(fù)的，證明了此種開關(guān)型表面活性劑的可逆變性，體系導(dǎo)電率會(huì)隨著開關(guān)反應(yīng)變化而可逆變化的趨勢(shì)。

4 展望

目前對(duì)CO2開關(guān)型溶劑、溶質(zhì)及表面活性劑的改進(jìn)研究己經(jīng)在國(guó)內(nèi)外相繼報(bào)道，其改進(jìn)方法主要有兩種：一種是通過(guò)引入多種氨基化合物，如氨基醇、氨基脂、氨基酸等，來(lái)對(duì)其CO2敏感性進(jìn)行調(diào)節(jié)；另一種是通過(guò)形成含有多個(gè)脒基的聚合物來(lái)增強(qiáng)其對(duì)CO2的敏感性。改進(jìn)后的化合物在改變離子液體堿性、吸收混合氣體中的CO2，以及簡(jiǎn)化均相反應(yīng)等方面均進(jìn)行了初步的實(shí)踐探索，但這些研究仍處于基礎(chǔ)研究階段，因此仍需更深入的研究使CO2開關(guān)型溶劑、溶質(zhì)及表面活性劑在石油化工等生產(chǎn)及技術(shù)領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]Utsunomiya A. Assessment of environmental toxicities of linearalkylbenzenesulfonatesincluding LAS complexes, alkylphenolpolyethoxylates, and their biodegradation products[J]. Journal of Health Science, 1999(45):70-74.

[2]Dexter A F, Malcolm A S, Middelberg P J. Biomaterialsfunctionalization using a novel peptide thatselectively bindsto a conducting polymer [J]. Nature Materials, 2006(05):502-506.

[3]Eastoe J, Sanchez-Dominguez M, Cumber H, et al. Lightsensitivemicroemulsions [J].Langmuir 2004(20):1120-1125.

資助項(xiàng)目：黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目201410235015