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研究背景
在表面活性劑的應(yīng)用領(lǐng)域中，如石油開采，原油回收等，表面活性劑的作用時效僅僅在于某一特定的工藝階段，而在作用過程結(jié)束后，不僅需要將表面活性劑從體系中分離，而且還需對其進行喪失活性處理以便減少環(huán)境污染。因而，開關(guān)型表面活性劑就應(yīng)運而生。
所謂的開關(guān)型表面活性劑是指能夠通過人為的觸發(fā)手段，實現(xiàn)表面活性劑分子結(jié)構(gòu)的可逆轉(zhuǎn)化，CO2和N2開關(guān)型表面活性劑作為一種新型的、可重復(fù)使用的綠色表面活性劑，在使用的過程中通過控制CO2的加入與分離，可以輕松的實現(xiàn)非表面活性劑與表面活性劑之間的相互轉(zhuǎn)變，表面活性劑在使用之后的分離就變得相對容易，實現(xiàn)表面活性劑的循環(huán)利用。
此次分析了一系列新型叔胺化合物，為了驗證 CO2/N2 CO2和N2開關(guān)型表面活性劑的可切換性，分析了Gemini 表面活性劑的表面張力，CMC和泡沫特性，評估了可轉(zhuǎn)換的表面活性劑的重復(fù)使用性和可逆性。
實驗儀器與方法
表面張力和CMC值是由KRÜSS DSA30S測量系統(tǒng)測定。水溶液的溫度保持恒定在 25.0 ± 0.1 ℃。表面活性劑的濃度為1.0 × 10-3 mol/L。CO2和N2循環(huán)鼓泡，在鼓泡前后測量表面活性劑溶液的表面張力。
實驗結(jié)果與討論
1.表面張力和CMC分析
CMC和相應(yīng)濃度下表面張力測試結(jié)果見表1。結(jié)果表明CnDBs的CMC值在2.51×10-4 - 5.16×10-4 mol/ L之間，且隨著烴鏈長度的增加而降低，這是因為隨著碳鏈長度的增加，表面活性劑變得更疏水，表面活性劑分子更易聚集，達到飽和以形成較低濃度的膠束。CnDBs的表面張力值在30.42 - 33.30 mN/m之間，揭示出新型CO2/N2可轉(zhuǎn)換Gemini 表面活性劑能夠有效降低水的表面張力，在氣/水界面具有較好的定向構(gòu)型，具有潛在的工業(yè)應(yīng)用前景。
圖1. CnDBs的表面張力
表1 在相應(yīng)濃度下，CnDBs的CMC和表面張力
在CO2通入溶液之前，C12DB、C14DB和C16DB水溶液的表面張力較高，均高于60 mN /m，接近于常溫純水的表面張力。當(dāng)向溶液中通入CO2時，表面張力下降到接近 30 mN/m，表明生成了碳酸氫鹽并具有良好的表面活性。當(dāng)向溶液中通入 N2 時，碳酸氫鹽分解為不溶于水的 C12DB、C14DB 和 C16DB，因此表面張力回升至約為 60 mN/m。當(dāng) CO2 重新鼓入溶液后，表面張力再次降低，經(jīng)過多次循環(huán)后得到不同循環(huán)次數(shù)下的表面張力值變化情況如圖1所示。從圖中可以看出，經(jīng)過8次循環(huán)后，CO2/N2可轉(zhuǎn)換Gemini表面活性劑仍然具有良好的可切換性能。此外，當(dāng)向溶液中通入CO2時，C12DB 的表面張力值最低，這可能是由于單位面積上可排列的表面活性劑分子數(shù)量較少，導(dǎo)致長鏈表面活性劑引起的表面張力降低程度較低而造成的。
圖2 不同循環(huán)次數(shù)下表面張力的變化情況
2.表面活性劑的泡沫性能
下圖為不同循環(huán)次數(shù)下的表面活性劑泡沫體積變化。鼓入CO2前，泡沫體積接近于零，當(dāng)鼓入CO2后，生產(chǎn)的碳酸氫鹽表面活性劑表面活性很強，產(chǎn)生了大量的氣體。向溶液中通入 N2 氣體后，碳酸氫鹽分解，溶液的起泡能力隨之下降，體系中的泡沫體積在不多次循環(huán)內(nèi)先增后減，表明可轉(zhuǎn)換的表面活性劑具有良好的重復(fù)使用性和可逆性。
KRÜSS的DFA100泡沫分析儀，不僅可以用來分析泡沫的起泡性，泡沫穩(wěn)定性，也可以測試泡沫的結(jié)構(gòu)和尺寸等。
圖3 不同循環(huán)次數(shù)下泡沫體積的變化
結(jié)論
經(jīng)證實，三種疏水鏈長不同的叔胺化合物可以與CO2形成碳酸氫鹽，因此它們具有用作CO2/N2可轉(zhuǎn)換表面活性劑的能力?；谏鲜鼋Y(jié)果，三種合成的CO2/N2可轉(zhuǎn)換Gemini表面活性劑由于其可回收性和可持續(xù)性、節(jié)約資源和降低成本等優(yōu)勢，在石油提取、藥物輸送、日化工業(yè)和工業(yè)洗滌等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。此外，二氧化碳的大量存儲和利用能夠促進我們的低碳生活，保護生態(tài)環(huán)境。
參考文獻：
M. Zhou, J. Huang, Y. Zhao, X. Deng, R. Ni, Y. Zhao, Y. He, Synthesis and Physicochemical Properties of CO2-switchable Gemini Surfactants, J. Mol. Liq. 352 (2022) 0167-7322, https://doi.org/10.1016/j.molliq.2022.118642.
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