CO2开关型表面活性剂的研究进展

袁宇飞,梁翠媛,李念念,吴 薇,张学栋（黑龙江大庆大庆师范学院,黑龙江 大庆 163712）

CO2开关型表面活性剂的研究进展

袁宇飞,梁翠媛,李念念,吴 薇,张学栋
（黑龙江大庆大庆师范学院,黑龙江 大庆 163712）

摘 要：CO2开关型表面活性剂是对环境变化做出相关响应的新型表面活性剂，在有无CO2的介质条件下水溶液性质呈现出反差状态。本文概述了CO2诱导的开关型表面活性剂的结构、性能及研究进展，并归纳了这一类开关型表面活性剂的发展方向及应用前景等。

关键词：CO2开关；表面活性剂智能型；化合物脒基碳酸氢盐

1 开关型表面活性剂

通过化学反应改变溶液中主体物质的结构的表界面性质，而且化学反应能够被应发物质控制的体系，称为开关表活剂。开关表活剂的溶液表面活性随着控制介质的有无会发生一系列相应改变，会引发体系的某些宏观的表面性质发生变化。利用这个特性，可按实际生产需求来调节使溶液或溶剂有无表面活性特点，这种改变不仅是可逆的，而且还是可调控的。开关型表面活性剂的研究早在20世纪80年代，根据调控开关的不同，可以分为电化学开关型、光开关型、酸碱开关型、CO2开关型和温度开关型等[1-2]。

2 CO2开关型表面活性剂研究意义

随着温室效应的愈发严重，全球温度普遍升高，对造成此现象的CO2气体的减排与综合利用有了更高的要求，如能把CO2作为开关表活剂的关键可控物质，不仅降低了表活剂生产成本，而且可以变废为宝、化害为利。符合当今可持续发展和绿色发展的世界发展趋势。CO2开关型表面活性剂绿色、环保、无毒，且可逆效率高，对反应体系不会产生任何影响。CO2开关型表面活性剂具有优良的表面活性，并且对烷烃有较好的乳化和破乳能力。CO2开关型表面活性剂的发展，拓展了表面活性剂在微乳液聚合、稠油开采及集输、油砂分离等石油工业领域的应用。在CO2响应基团中，脒类化合物反应活性高，但长链烷基脒的合成成本高；胍类化合物络合能力强，但其碳酸氢盐难以分解[3]。

鉴于开关型表面活性剂在实际应用中存在的缺陷，因此研发成本低廉、工艺简单、性能优异的新型CO2开关表面活性剂是一项有意义的工作。

3 CO2开关型表面活性剂的研究现状

2006年，Liu等人在前人DBU研究的基础上，首次在《Science》上就开关型表面活性剂N’-长链烷基-N,N-二甲基乙基脒进行了报道，这种活性剂与水混合后通入CO2气体，等摩尔量的三种物质进行化学反应生成了N'-长链烷基-N,N-二甲基乙脒基碳酸氢盐，这种新生成的碳酸氢盐具备了常规阳离子表面活性剂的增溶、表面张力降低、易乳化等特性；然后在体系内保持65℃环境下继续向体系内充入空气或氮气等惰性气体，此碳酸氢盐会微分解掉表面活性特性。在当今世界可持续发展的环境体系中，作为温室气体主要物的CO2越来越受到人类的重视，将其用做表面活性剂的开关变废为宝，大大降低了生产成本。

Liu等人用乳化实验来验证表面活性剂的表面性能，N-长链烷基-N,N-二甲基乙基脒不具备表面活性的特性，在其与CO2结合的实验中，生成了一种新的具有表面活性且溶于水的新型碳酸氢根型季胺盐，它可以使不互溶的油水混合物形成均匀混合的乳状液；而在此液体置于65℃环境下并通入N2等惰性气体后，季胺盐会被还原成脒的形式，从而使得乳状液在失去表面活性剂的作用下分离成不互溶的混合液并具备明显的分层现象。

在CO2或Αr的作用下，N-十六烷基-N,N-二甲基乙脒基碳酸氢盐对2:1体积比的十六烷/水混合液进行了乳化能力比较实验，在通入CO2气体后形成了乳液，而通入Αr气体时则直接出现了分层的现象；Liu等人为了证明CO2气体通入后表面活性的大小又做了电导率实验，将N'-长链烷基-N,N-二甲基乙基脒放入二甲基亚砜(DMSO)溶液中，在未通入CO2气体时，溶液因不存在离子化合物，故导电率接近于0；在通入CO2气体后，N'-长链烷基-N,N-二甲基乙基脒、水与CO2三者进行反应形成阳离子表面活性剂，离子化合物生成率提升后溶液的导电率也迅速攀升，随着三者化学反应的逐渐完成，阳离子表面活性剂不再增加时，溶液的导电率也慢慢趋向平缓至不再有明显的改变；将乳液溶液体系环境升温至65℃时再通入N2气体，阳离子表面活性剂会还原成N'-长链烷基-N,N-二甲基乙基脒和水的分层液体，环境中CO2浓度会增加，溶液体系内的导电率会随着化学反应的进行而再次降低并趋向于0。这一过程是可逆的并且可以进行多次重复的，证明了此种开关型表面活性剂的可逆变性，体系导电率会随着开关反应变化而可逆变化的趋势。

4 展望

目前对CO2开关型溶剂、溶质及表面活性剂的改进研究己经在国内外相继报道，其改进方法主要有两种：一种是通过引入多种氨基化合物，如氨基醇、氨基脂、氨基酸等，来对其CO2敏感性进行调节；另一种是通过形成含有多个脒基的聚合物来增强其对CO2的敏感性。改进后的化合物在改变离子液体碱性、吸收混合气体中的CO2，以及简化均相反应等方面均进行了初步的实践探索，但这些研究仍处于基础研究阶段，因此仍需更深入的研究使CO2开关型溶剂、溶质及表面活性剂在石油化工等生产及技术领域中发挥重要作用。

参考文献：

[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.

资助项目：黑龙江省大学生创新创业训练计划项目201410235015