1、表面活性剂在环境保护中的应用摘要 活性剂是现代科学技术中的一种重要的精细化工品。它可以减少液体、固体和气体界面间的表面或界面张力，容易在水或其他液体中碾合或扩散，因而广泛应用于环境保护等领域。本文介绍了表面活性剂在水污染处理技术、大气除尘技术、土壤和地下水污染修复技术中的应用现状，同时分析了表面活性剂在各种技术应用上的优点和缺点，对今后的应用研究提出了建议。关键词 表面活性剂 环境保护 应用 随着世界经济的发展以及科学技术领域的开拓， “工业味精”表面活性剂的发展十分迅猛。全球表面活性剂年产量以 45的速度增长，1995 年的产量已达 900 万 t，品种一万种以上，市场营销额 100 亿美元
2、以上。中国的表面活性剂产量近年年均增长率为 56，预计到 2005 年年产量将达 120 万 t。表面活性剂的应用领域正从日用化学工业发展到了环境、石油、纺织、食品、农业以及新型材料等方面，近年在环境保护中的应用有较大的突破，而且其应用范围还在不断地开拓。1 在废水处理工程中的应用 11 在化学混凝法中的应用化学混凝法是利用混凝剂使废水中的胶粒沉淀下来达到去除的目的。废水中的胶粒能在水中长期保持分散悬浮状态，即使数 10h 以上也不会自降，用沉淀法处理很难达到预期效果。表面活性剂如烷基苯磺酸钠、烷基三甲基氯化铵等可用作混凝剂来破坏胶粒的稳定性使它们相互粘结、聚集成较大的絮凝体而沉淀。在这一过程
3、中表面活性剂有两个方面的作用(1)吸附架桥作用。表面活性剂溶于水后经水解和聚合、缩合反应形成具有线性结构的高分子聚合物，这类物质可被胶粒所强烈吸附。表面活性剂通过吸附架桥作用而使胶体絮凝的途径有两个，一是单个很长的表面活性剂分子中不同位置有功能基能吸附于相邻胶粒的表面，这样可以连接多个分散胶粒，使之聚集在一起成为絮凝体。二是多个表面活性剂吸附的分散胶粒之间能相互作用而聚集，通过这两种作用在相距较远的胶粒之间进行架桥，使胶粒逐渐增大，形成粗大的絮凝体而沉淀下来。(2)压缩双电层作用。水中胶粒能维持稳定的分散悬浮状态起然沉主要作用的是胶粒的电位。毒电位越高，胶粒问的静电斥力就越大，难以聚集。在带负
4、(正)电荷的胶粒中投入阳(阴)离子表面(负)离子会涌入胶体扩散层甚至吸附层中 ,使扩散层减薄 , 电位降低。 电位只要降低到某一程度而使胶粒间斥力的能量小于胶粒布朗运动的动能时胶粒就开始产生明显的聚集而沉淀。利用表面活性剂这些性质对废水进行处理 ,悬浮颗粒的去除率可达 80 %90 % ,CODcr ,的去除率可达 30 %以上 ,而用无机混凝剂进行处理时 ,悬浮颗粒的去除率低于 80 %。与无机混凝剂相比表面活性剂混凝剂具有絮凝体沉淀速度快、 用量少等优点。阳离子表面活性剂高分子混凝剂不仅可使悬浮颗粒絮凝 ,而且能与带电荷的溶解物发生沉淀反应 ,甚至还可以脱色除浊。1. 2 在浮选法中的应用
5、浮选法是向废水中通入空气 ,并以微小气泡形式从水中析出成为载体 ,使废水中的乳化油、 微小悬浮颗粒等污染物粘附在气泡上 ,随气泡一起上浮到水面,形成泡沫 气、 水、 颗粒三相混合体 ,通过收集泡沫达到分离杂质、净化废水的目的。表面活性剂是浮选法水处理技术中常用的一种药剂。根据其作用的不同 ,可分捕收剂和起泡剂。(1)捕收剂(能提高颗粒可浮性的试剂) 。废水中的污染物多种多样 ,不容易浮选 ,投加表面活性剂与颗粒表面作用 ,改变颗粒 水溶液界面、 颗粒 空气界面的自由能和表面张力 ,当表面活性剂的极性基被吸附在亲水性悬浮颗粒表面后 ,其非极性基则朝向水中 ,这样就可以使亲水性物质转化成疏水性物质
6、,提高可浮性。颗粒表面性质的转化主要取决于表面活性剂的极性基与亲水性悬浮颗粒粘附的强弱,而颗粒与气泡粘附的强弱则取决于表面活性剂非极性基中碳链的长短。(2)起泡剂。其作用是改变气一液界面的表面张力和自由能 ,分散空气 ,防止气泡兼并 ,形成稳定的气泡 ,同时利用表面活性剂形成的泡沫对不同物质的吸附能力不同的特性来分离物质。合成洗涤剂、 甲酚酸、 重吡啶、 脂肪醇类等都可以作起泡剂。研究发现向含有少量金、 银的废水中加入表面活性剂作起泡剂 ,可以从泡沫中分离 Au +和 Ag +,但表面活性剂的种类对分离性能有较大的影响。原废水中 Au +、 Ag +的浓度皆为 1 10 - 6mol/ L ,
7、即 Au +Ag +1 1 ,当加入 2 10 - 4mol/ L 的阳离子表面活性剂后 ,泡沫中 Au +Ag +达到 80 1 ,而用阴离子表面活性剂作起泡剂 ,则泡沫中 Ag +的比例很高。表面活性剂的提纯也是利用泡沫的分离作用而达到目的的。在十二烷基硫酸钠的商品或实验室合成的粗产品中 ,杂质十二醇不易除去。将空气通入此不纯物的水溶液中形成泡沫(少量十二烷基硫酸钠起了起泡剂的作用) ,十二醇比十二烷基硫酸钠更容易在泡沫表面吸附 ,不断移去泡沫 ,就可得到纯净的十二烷基硫酸钠溶液。表面活性剂的加入不仅影响悬浮颗粒的疏水性 ,增加气泡与颗粒的结合度还可以改善与提高气泡密度与分散性 ,以增加泡
8、沫的稳定性 ,有利于废物的回收利用。但当表面活性剂的浓度超过一定限度后 ,水的表面张力减得太小 ,水中污染物粒子将严重乳化 ,表面电位增高 ,这使过多的表面活性剂在水中会形成大量的亲水性胶团。这些胶团如果粘附在颗粒的亲水基上 ,将增加颗粒的亲水性能 ,这样气泡就无法与颗粒粘附 ,而只能带着表面活性剂上浮 ,导致起泡强烈、 泡沫稳定 ,使悬浮颗粒的去除效率大大降低 同时也带来了泡沫污染。因此在实际应用过程中要综合考虑。1. 3 在液膜处理技术中用作乳化剂液膜分离技术是 60 年代中期由美国埃克森研究与工程公司的黎念之(NNLi)博士首创的一种新型膜分离方法 ,具有高效、 快速、 选择性强并节能等
9、特点 ,可广泛用于环境保护等领域。目前利用油相液膜处理废水特别是回收废水中的一些有用物质是国内外研究的一个热点。油相液膜由有机溶剂、 表面活性剂及流动载体组成。表面活性剂在液膜中作为乳化剂定向排列于油水界面 ,降低表面张力 ,稳定液膜形状 ,使油水两相形成乳状液 ,从而固定油水界面。液膜的稳定性、 渗透性均与表面活性剂的种类性质有关。常用于液膜分离技术的表面活性剂有 Span 系、 多胺系、 甘油脂类、 烷基聚氧乙烯醚类等。LMS - 2 (分子式为 R SO3 H ,R 为 C4 烯烃共聚物 ,平均分子量约 8000)是一种很好的液膜用表面活性剂 ,易溶于油 ,不溶于水 ,所制的液膜耐酸、
10、耐碱 ,温度适应范围广 ,稳定性高 ,且易破乳 ,溶胀很小 ,破乳后的油相不需添加新的表面活性剂即可反复使用 ,曾先后成功地用于 7 种工业废水的处理,近年来 ,LMS2 还成功地用于稀土及各种稀有金属如钨、 钼、 锌、 钥、 锗等的富集与分离 ,并在实际应用中取得了令人满意的效果。迄今为止 ,我国已经公开发表用表面活性剂液膜技术从废水中回收的物质有铬、 铜、 汞、离子,苯胺、 L - 苯丙胺酸等有机物,农药及稀土。柳畅先用表面活性剂 Span 80 混制成的液膜成功地分离了废水中的汞。徐占林等用表面活性剂 ECA4360J (聚单丁二酰亚胺)作乳化剂制成的液膜 ,在最佳膜相组成和试验条件下苯
11、丙胺酸的回收率达到 80 %。2 在大气除尘技术中的应用在湿式法除尘过程中 ,含尘气体与液体接触的程度对除尘效果有较大的影响。悬浮于气体中的 5um 以下(特别是 1m 以下 )的尘粒和水滴表面均附着一层气膜 ,很难被水润湿而使处理效果降低为了增加尘粒在液体中的分散程度和润湿性 ,改善除尘效果 ,在实际操作过程中采用的不是纯水而是含有各种阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂的洗涤水,尘粒被润湿和分散的效果有了很大提高。阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂有很好的润湿性能 ,而且它们可以吸附在尘粒的狭缝中产生劈分压力 ,增加了狭缝的深度,减少粒子碎裂所需的机械能。加入阴离子表面活性剂后可使尘粒获得相
12、同负电荷 ,增加尘粒之间的静电斥力 ,从而易分散到液体中。在煤矿采煤工作地面用高压喷嘴将浓度为 0101 %015 %含 AE 的水进行喷洒 ,可除去 95 %的粉尘。在爆破尘毒的治理中 ,用表面活性剂后其除尘率提高了 31159 %。3 在污染土壤和地下水修复技术中的应用表面活性剂增溶(加溶)修复是常见的土壤和地下水有机污染修复技术 ,这种方法从本质上说是污染物的物理转移过程。表面活性剂的浓度在 CMC(临界胶束浓度)以上时可在水中形成胶团这种胶团具有特殊的结构 ,自内核到水相都能提供从非极性到极性环境的完全过渡 ,具有能使不溶物或微溶于水的憎水性有机物在水中的表观溶解度显著增大的能力(此时
13、有机物并没有溶于水中 ,而是加溶在表面活性剂形成的胶束中 ,如图 2 所示,因此称为表观溶解度。这种作用称为增溶或加溶作用) 。表面活性剂的这种增溶作用常常被用来去除水体中的有机物或将土壤中的有机污染物解吸下来。实验室研究表明 ,该方法可用来清除土壤中的多环芳烃、 酚类、 苯胺类、 联苯类以及有机染料等多种污染物。表面活性剂加溶修复技术在理论及实验室研究中取得了较好的效果 ,但在实际应用过程中还存在一定的局限性。首先 ,在修复技术中表面活性剂的用量较大(只有浓度高于 CMC 才有加溶作用) ,容易形成难以去除的高粘性乳状液 ,而且有些表面活性剂容易形成沉淀。其次 ,加溶效果实际上是表面活性剂和土壤对有机物竞争吸附、 水体与土壤对表面活性剂竞争吸附的共同结果 ,而有的表面活性剂很容易被土壤吸附 ,使实际用于加溶的表面活性剂的量减少而导致修复效果降低。此外假若表面活性剂的分子较大 ,土壤空隙较小 ,它们之间表现出排斥性 ,限制了能直接影响的污染物的数量 ,不利于小空隙中的非极性有机物的去除。综上所述 ,表面活性剂在环境保护中的应用十分广泛 ,但目前相当一部分的功能应用还处于实验室研究阶段 ,需要不断加强基础性研究来提高应用技术 ,同时应高度重视学科间的交叉渗透 ,发展对环境更为友好、 性能更佳的表面活性剂 ,在环境保护中开拓出更多的应用范围。
