CO2開關型表面活性劑的研究進展

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

CO2開關型表面活性劑的研究進展

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

摘 要：CO2開關型表面活性劑是對環境變化做出相關響應的新型表面活性劑，在有無CO2的介質條件下水溶液性質呈現出反差狀態。本文概述了CO2誘導的開關型表面活性劑的結構、性能及研究進展，并歸納了這一類開關型表面活性劑的發展方向及應用前景等。

關鍵詞：CO2開關；表面活性劑智能型；化合物脒基碳酸氫鹽

1 開關型表面活性劑

通過化學反應改變溶液中主體物質的結構的表界面性質，而且化學反應能夠被應發物質控制的體系，稱為開關表活劑。開關表活劑的溶液表面活性隨著控制介質的有無會發生一系列相應改變，會引發體系的某些宏觀的表面性質發生變化。利用這個特性，可按實際生產需求來調節使溶液或溶劑有無表面活性特點，這種改變不僅是可逆的，而且還是可調控的。開關型表面活性劑的研究早在20世紀80年代，根據調控開關的不同，可以分為電化學開關型、光開關型、酸堿開關型、CO2開關型和溫度開關型等[1-2]。

2 CO2開關型表面活性劑研究意義

隨著溫室效應的愈發嚴重，全球溫度普遍升高，對造成此現象的CO2氣體的減排與綜合利用有了更高的要求，如能把CO2作為開關表活劑的關鍵可控物質，不僅降低了表活劑生產成本，而且可以變廢為寶、化害為利。符合當今可持續發展和綠色發展的世界發展趨勢。CO2開關型表面活性劑綠色、環保、無毒，且可逆效率高，對反應體系不會產生任何影響。CO2開關型表面活性劑具有優良的表面活性，并且對烷烴有較好的乳化和破乳能力。CO2開關型表面活性劑的發展，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領域的應用。在CO2響應基團中，脒類化合物反應活性高，但長鏈烷基脒的合成成本高；胍類化合物絡合能力強，但其碳酸氫鹽難以分解[3]。

鑒于開關型表面活性劑在實際應用中存在的缺陷，因此研發成本低廉、工藝簡單、性能優異的新型CO2開關表面活性劑是一項有意義的工作。

3 CO2開關型表面活性劑的研究現狀

2006年，Liu等人在前人DBU研究的基礎上，首次在《Science》上就開關型表面活性劑N’-長鏈烷基-N,N-二甲基乙基脒進行了報道，這種活性劑與水混合后通入CO2氣體，等摩爾量的三種物質進行化學反應生成了N'-長鏈烷基-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陽離子表面活性劑的增溶、表面張力降低、易乳化等特性；然后在體系內保持65℃環境下繼續向體系內充入空氣或氮氣等惰性氣體，此碳酸氫鹽會微分解掉表面活性特性。在當今世界可持續發展的環境體系中，作為溫室氣體主要物的CO2越來越受到人類的重視，將其用做表面活性劑的開關變廢為寶，大大降低了生產成本。

Liu等人用乳化實驗來驗證表面活性劑的表面性能，N-長鏈烷基-N,N-二甲基乙基脒不具備表面活性的特性，在其與CO2結合的實驗中，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℃環境下并通入N2等惰性氣體后，季胺鹽會被還原成脒的形式，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2:1體積比的十六烷/水混合液進行了乳化能力比較實驗，在通入CO2氣體后形成了乳液，而通入Αr氣體時則直接出現了分層的現象；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率實驗，將N'-長鏈烷基-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，溶液因不存在離子化合物，故導電率接近于0；在通入CO2氣體后，N'-長鏈烷基-N,N-二甲基乙基脒、水與CO2三者進行反應形成陽離子表面活性劑，離子化合物生成率提升后溶液的導電率也迅速攀升，隨著三者化學反應的逐漸完成，陽離子表面活性劑不再增加時，溶液的導電率也慢慢趨向平緩至不再有明顯的改變；將乳液溶液體系環境升溫至65℃時再通入N2氣體，陽離子表面活性劑會還原成N'-長鏈烷基-N,N-二甲基乙基脒和水的分層液體，環境中CO2濃度會增加，溶液體系內的導電率會隨著化學反應的進行而再次降低并趨向于0。這一過程是可逆的并且可以進行多次重復的，證明了此種開關型表面活性劑的可逆變性，體系導電率會隨著開關反應變化而可逆變化的趨勢。

4 展望

目前對CO2開關型溶劑、溶質及表面活性劑的改進研究己經在國內外相繼報道，其改進方法主要有兩種：一種是通過引入多種氨基化合物，如氨基醇、氨基脂、氨基酸等，來對其CO2敏感性進行調節；另一種是通過形成含有多個脒基的聚合物來增強其對CO2的敏感性。改進后的化合物在改變離子液體堿性、吸收混合氣體中的CO2，以及簡化均相反應等方面均進行了初步的實踐探索，但這些研究仍處于基礎研究階段，因此仍需更深入的研究使CO2開關型溶劑、溶質及表面活性劑在石油化工等生產及技術領域中發揮重要作用。

參考文獻：

[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.

資助項目：黑龍江省大學生創新創業訓練計劃項目201410235015