表面活性剂在环境保护中的应用及前景

中国环境学会  2011年 03月31日

   金东青  沈阳市环境监测中心站 110016
   
  【摘要】 :介绍了表面活性剂,生物表面活性剂和绿色表面活性剂的结构特点及性能和在绿色化工领域和污染治理方面的应用情况,并对其发展前景进行了展望.
  【Abstract】:The introduction of the structure, functions, varieties, application in the greenchemical,contamination remediation of surfactant ,biosurfactants and green surfactant ,it also reviewed the prospect of surfactants.


  【关键词】:表面活性剂,生物表面活性剂,环境保护,应用
  【Key words】:surfactant,biosurfactant,enviromental protaction,application
   
  表面活性剂在工业生产和人类日常生活中的应用越来越广,并占有特殊而重要的地位,被称作为“工业味精”。由于本身的优越性及实践证实的高效性,表面活性剂的发展与应用领域呈现出日新月异的良好局面,在水处理方面也有着不可替代的、越来越重要的作用。


  1.表面活性剂


  1.1 表面活性剂
      表面活性剂的结构特点:
     (1)双亲性   表面活性剂的分子结构具有不对称的极性的特点,分子中同时含有亲水性的极性基团和亲油性的非极性基团——亲水基和亲油基,因此,表面活性剂具有既亲水又亲油的双亲性;
      (2)溶解性   表面活性剂至少应溶于液相中的某一相;
      (3)表面吸附   表面活性剂的溶解,使溶液表面自由能降低,产生表面吸附,在达到平衡时,表面活性剂在界面上的浓度大于溶液整体中的浓度;
      (4)界面定向   吸附在界面上的表面活性剂分子,定向排列成分子膜,覆盖于界面上;
      (5)形成胶束    当表面活性剂在溶剂中的浓度达到一定值时,其分子会产生聚集生成胶束,这一浓度的极限值称为临界胶束浓度(简称CMC);
      (6)多功能性    表面活性剂在其溶液中显示多种复合功能。如清洗、发泡、润湿、乳化、增溶、分散等。


  1.2生物表面活性剂
  生物表面活性剂和传统化学合成表面活性剂相比,生物表面活性剂具有以下优点:
  (1)较低的表面张力和界面张力;
  (2)耐温性,有些生物表面活性剂在90℃的高温下仍能保持其表面活性;
  (3)耐盐性,盐溶液中不易盐析;
  (4)可生物降解性,生物表面活性剂在水体和土壤中容易降解;
  (5)环境友好性,不对环境产生污染和破坏;
  (6)可原位合成,因而可以大大降低使用成本;
  (7)生产工艺简单,常温常压下即可发生反应;
  (8)生产原料来源广阔、价廉,可以利用工业废料和农副产品为原料,生产过程对环境不产生危害。


  1.3绿色表面活性剂
  绿色表面活性剂的特点:
  绿色表面活性剂是由天然的或可再生资源加工而成的,即具有天然性、温和性、刺激性小等优良特点。同传统表面活性剂一样,绿色表面活性剂具有亲水基和憎水基。与传统表面活性剂相比,绿色表面活性剂具有高效强力去污性、优良的配伍性及良好的环境相容性,并表现出良好的乳化性、洗涤性、增溶性、润湿性、溶解性和稳定性等。除此以外,每一种绿色表面活性剂都具有其特有的性能,如α-磺基脂肪酸酯盐(MEC)在低浓度下就具有表面活性、耐硬水,单烷基磷酸酯具有优良的起泡乳化性、抗静电性能以及特有的皮肤亲合性。


  2.表面活性剂在绿色化工中的应用


  2.1表面活性剂在纺织工业中的应用
  绿色纺织品是纺织业在21世纪中的发展重点,市场潜力巨大,不仅体现了产品内在品质,也反映了企业按照国际标准生产的技术实力,更展示了企业的环保意识和文明素质。所以,开发绿色纺织品具有十分重要的社会和经济效益。由于纺织助剂对绿色纺织品品质和附加值的作用和影响举足轻重,按生态标准的要求,其中有些助剂问题较多,引人注目,必须予以坚决取缔,引入安全无毒和易生物降解的环保助剂。“环保助剂”符合环保生态要求,具有在染整工艺上的应用功能和性能;经过染整加工后在织物上残留有害物在规定限量范围,对空气和水的污染减少到最低程度。


  2.2表面活性剂在造纸工业中的应用
  表面活性剂在制浆造纸工业中的使用越来越受到造纸科学工作者的重视。我国每年仅废纸脱墨用表面活性剂就达7000 t之多。这说明表面活性剂在改善制浆造纸过程、提高纸张性能方面越来越重要。制浆过程主要是从木材中将木素、半纤维素、树脂、色素以及灰分等尽量地与纤维素分离开可利用表面活性剂的分散作用和洗涤作用来达到分离杂质、除去树脂、分离纤维的效果。在漂白工序中添加的渗透性好的阴离子和非离子表面活性剂(一般用量为纸张产量的0.03%~0.05%),能取得均一的漂白效果。在纸浆漂洗过程中加入洗涤活性物质烷基苯磺酸钠或壬基酚聚氧乙烯醚,能获得良好的洗涤效果。另外在废纸脱墨、造纸施胶、毛毯洗涤及造纸涂布涂料分散剂等方面,表面活性剂都有广泛的应用。


  2.3表面活性剂在涂料行业中的应用
  在环境保护的浪潮中,涂料水性化是一个重要的潮流和途径。然而由于水性涂料的光泽、附着力、耐水性以及流平润湿性与溶剂型涂料相比还有一定的差距,所以在工业涂料及其他特种涂料中,溶剂型涂料仍占有绝大部分市场。
  但是随着保护环境和有效利用石油资源的意识不断提高,使得水性化成为涂料行业不可逆转的趋势,解决技术问题是涂料行业水性化的关键所在。氟碳表面活性剂已在水性涂料特别是水性塑胶涂料中有所应用,随着科技的进步,水性塑胶涂料必将会逐渐推广使用。


  2.4在皮革生产中的应用
  目前在皮革的生产中,原皮的利用率非常低,残余物主要以固体废弃物的形式存在。其中产生的废气主要是皮革生产涂饰过程中释放出的有机溶剂,产生大量的废水中含有一定量的未被皮革吸收的化学品。在人类日益重视保护环境的今天,皮革生产的绿色化愈加受到人们的关注。
  表面活性剂的应用贯穿于从生皮到成品的各个工序。这就要求表面活性剂具有高润湿渗透性、易生物降解、含多种反应活性基团、复配相容性好、适应性强等。
  近年来许多具有特殊化学结构的功能性表面活性剂如:Gemini型表面活性剂、鳌合性表面活性剂、可裂解性表面活性剂、可聚合性表面活性剂以及绿色表面活性剂等应运而生。研究新型两亲分子有序组合体的构筑结构和功能调控,溶液中的两亲分子有序组合体调控,可为皮革生产提供更适宜、有效的化学助剂,同时,皮革工业的发展,亦不断拓展表面活性剂应用领域。随着胶体与表面化学、材料科学、生物科学的研究与发展,表面活性剂在皮革工业中的应用将发挥更大作用[1]。


  3.表面活性剂在污染物治理方面的应用


  近年来,污染界面过程的动力学已成为环境科学研究的一个热点问题和前沿领域。污染物排出后,通过各种途径进入水体、大气和土壤,其中涉及到许多界面问题,如土壤和植物界面、水体和沉积物界面、大气和土壤界面等。表面活性剂由于具有特殊的界面性质,在环境污染治理中的应用越来越广泛。
  表面活性剂是一类即使在很低浓度时也能显著降低表(界)面张力的物质。其分子结构均由两部分构成,分子的一端为极亲油的疏水基,另一端为极性的亲水基,两类结构与性能截然相反的分子碎片或基团分处于同一分子的两端并以化学键相连接,形成了一种不对称的、极性的结构,赋予了该类特殊分子既亲水又亲油,又不是整体亲水或亲油的特性,这种特有结构通常被称为“双亲结构”[2]。表面活性剂在环境污染治理中主要发挥了5种作用:乳化作用、润湿作用、增溶作用、分散作用和泡沫作用。


  4.表面活性剂的发展趋势及展望


  随着全球经济的发展以及科学技术领域的开拓,表面活性剂工业将得到快速发展,其应用领域从日用化学工业发展到石油、纺织、食品、农业、新型材料等方面。环保型表面活性剂的研究开发势在必行,且市场前景广阔,具有安全、温和、易生物降解等特性的表面活性剂的开发和应用为大势所趋。结合我国产品结构及应用领域,今后阴离子表面活性剂烷基苯磺酸盐和烷基磺酸盐的使用将趋于减少,脂肪醇硫酸盐则呈增加趋势;阳离子表面活性剂双十八烷基二甲基氯化铵呈减少趋势;非离子表面活性剂脂醇醚呈增加趋势;两性离子表面活性剂甜菜碱保持相对稳定[3]。
  我国表面活性剂工业起步晚,基础弱,为适应国际发展潮流,今后应重点开发糖苷类表面活性剂;系统研究开发大豆磷脂类表面活性剂,磷脂既有表面活性,又有生物活性,是特种表面活性剂;开发蔗糖脂肪酸酯系列产品,蔗糖脂肪酸酯具有无毒、无臭、无刺激性、易生物降解性等优点,可作食品添加剂(乳化剂);研究表面活性剂在工业催化方面的应用,以降低工业生产成本。值得关注的是利用葡萄糖和脂肪醇或脂肪酸反应生成的烷基多糖苷(APG)和葡糖酰胺(APA)两种非离子表面活性剂,具有对人体温和、生物降解快、性能优异、与别的表面活性剂具有协同效应等特点;醇醚羧酸盐(AEC)抗Ca2+、Mg2+能力加强,受到人们青睐。
  未来表面活性剂应满足环保安全、节能以及其他相应的性能要求,其发展趋势表现在以下几个方面:
  (1)表面活性剂要易于生物降解,原料可再生,广泛使用后,对环境无污染,对人、畜安全温和;
  (2)表面活性剂要高效、多功能、专用化等,并应不断开发新用途;
  (3)表面活性剂将围绕环境保护、节约能源等各个方面的要求在开辟天然原料这一目标上作出努力,向着多样化、多功能、天然化和分子设计方向发展。
 

  参考文献:
  1.刘彩娟.表面活性剂的应用与发展.河北化工.2007.30(4):21
  2.刘瞻.表面活性剂的结构特点与应用.怀化学院学报.2004.23(5):33-37
  3.张高勇,王军.表面活性剂的绿色化学进展.2007.23(1):200-202

 
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