表面活性剂的分离与分析

第四单元表面活性剂的分析与分离

4.1 概述

表面活性剂具有降低表面张力及在溶液中定向吸附并形成胶束的特性，由此表面活性剂具有湿润、乳化、分散、起泡、消泡、增溶、絮凝、杀菌、去污等一系列作用和功能。这些功能已在洗涤剂生产、纺织、造纸、皮革加工、金属加工、石油工业、农药制剂生产等诸多工业领域得以应用并发挥重要作用。

各种用途的工业表面活性剂产品通常是用几种不同性能的表面活性剂、无机物、水或有机溶剂等复配而成。一般需要用物理、化学和色谱方法对混合物进行分析、分离和精制，再利用红外、紫外、核磁、质谱和色谱等仪器进行未知物的定性分析、定量分析及组成与结构测试。

为什么分析表面活性剂?

目的是告诉大家关于怎样分析表面活性剂及含表面活性剂的产品。表面活性剂的种类繁多，主要的化学类型有阴离子型、阳离子型和非离子型，应用十分广泛，除了人人皆知的洗涤剂外，表面活性剂在化工、轻工、食品、石油工业、纺织、医药、塑料、皮革、金属加工、化妆品、工业乳化、印染、采油、选矿等行业都有重要的用途。此外，也像其他化学工业部门一样，随之而来的环境保护与检测也常遇到这类化合物。为了满足提高我国表面活性剂的研究、生产和应用水平，满足广大科技人员和高等院校师生应用要求，

表面活性剂产品具有一个共同的特点：即它们都不是一个纯净的化合物，而是有一定相对分子质量分布范围的同系物混合物。例如，在烷基磺酸盐、烷基硫酸盐或烷基季铵盐工业产品中，烷基链长有一个分布范围；烷基苯磷酸盐存在烷基与苯基连接位置不同的异构体；至于非离子型表面活性剂，如最常见的壬基酚聚氧乙烯醚，由于工业原料和生产工艺的缘故，烷基可能为C8、C9、C10，甚至更宽的范围，氧乙烯(EO)的聚合度从零到几十，随产品的用途和工艺变化更大。所以表面活性剂的分析，不仅有总含水量的测定，还有分子量分布范围的测定问题。

4.2表面活性剂混合物的分离

色谱是建立在吸附、分配、离子交换、亲和力和分子尺寸等基础上的分离过程，它利用不同组分在相互不溶的两相（固定相和流动相）中的相对运动各组分与固定相之间的吸附能力，分配系数，离子交换能力，亲和力或分子大小等性质的微小差别，经过连续多次在两相的质量交换，使不同组分得以分离并将其一一检测。色谱法高效快速且在测定物质含量时线性范围宽、重现性好。

4.2.1 柱色谱分离技术

人们常用离子交换法分离阴、非离子表面活性剂混合物,实验表明:对含烷基硫酸酯类阴离子表面活性剂混合物的分离,用氧化铝层析法优于用离子交换法。

阴、非离子表面活性剂以恰当比例复配可产生较大的协同效应,这早已被理论和实践证明。目前,许多性能优良的洗涤剂中的活性成份都是阴、非离子表面活性剂的混合物。其中,相当多的是烷基硫酸酯型阴离子表面活性剂与聚乙二醇型非离子表面活性剂的复配。为了对产品质量进行检验和控制,常需要分离这种类型的表面活性剂混合物。同时,为了鉴定未知表面活性剂结构,也需先进行分离操作。分离方法的适当与否,直接关系到分析结果的准确性和可靠性。

对阴、非离子表面活性剂的分离大多采用离子交换树脂分离法。离子交换树脂中具有能离解的酸性或碱性基团,能与溶液中其它的阴离子或阳离子起交换作用。通过交换,把一些能离解的酸性、碱性组分吸附在树脂上,而与不能离解的非离子型物质分开。被吸附的物质可选用适宜的洗脱剂洗脱、分离。在实验过程中,用离子交换法分离烷基硫酸酯型阴离子表面

活性剂和聚乙二醇型非离子表面活性剂的混合物时,常出现非离子组份含量偏高,分离不彻底及重现性差等问题,经分析,可能是烷基硫酸酯型阴离子表面活性剂在被树脂吸附和洗脱过程中,由于受pH值变化的影响而发生水解的缘故。为此,我们对含烷基硫酸酯的阴离子表面活性剂与非离子表面活性剂混合体系的分离方法进行了研究。

4.2.2 离子交换色谱分离

概述

离子交换树脂的使用

离子交换的实际应用

柱流出液的分析

4.2.3 薄层色谱分离技术

薄层色谱（TLC）是一种快速、微量、操作简便的物理化学的分离技术，是将吸附剂或载体均匀地涂于玻璃板或聚脂薄膜及铝箔上形成一薄层来分离的。其中以吸附薄层色谱应用最为广泛。

4.2.4其他色谱分析

高压液相色谱（HPLC）特别适用于分离沸点高、极性强、热稳定性差的化合物，可对样品回收较容易，对表面活性剂无需进行化学预处理即可进行分离分析，分配吸附（正相、反相）色谱和离子交换色谱在非离子、阴离子、阳离子和两性表面活性剂的整个领域内应用十分普遍，也可针对副产物、未反应物和添加剂进行分析。利用凝胶渗透色谱（GPC）可对非离子表面活性剂、高分子表面活性剂进行分析，确定其分子量分布情况。

气相色谱（GC）可以对表面活性剂的原料进行分析，并对于沸点在350℃以下的大多数有机物均可测试。可依据组分的保留值参照标准物定性，以归一法、内标或外标法定量，提供烷基碳原子数分布值、烷基支化度、低沸点原料及低加成/聚合反应转化率。

对于难挥发/不挥发的物质须先进行预处理（化学法或热裂解法）将其转化成挥发物，才能分析。现代仪器连用技术的发展使得GC-MS连用拓展了未知物分离检测的范围。

毛细管电泳和超临界流体色谱法

基于相平衡的表面活性剂分离

1气-液平衡

2液-液平衡

3液-固平衡

4排阻色谱法

4.3 表面活性剂的定性分析

首先将某一表面活性剂的元素定性分析与离子类型鉴定相结合对此表面活性剂官能团进行定性分析。如为阴离子型表面活性剂常常含硫、氮、磷中的任一种或两种元素，一般还含有K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Ba2+等金属元素，还需要考虑其反离子为NH4+和烷醇胺的可能性；但金属离子也可能是属于无机副产物或添加物。如为阳离子型表面活性剂元素定性应含氮、卤素，无金属离子。非离子表面活性剂多不含S、P，某些如烷醇酰胺、脂肪胺醚等含N元素。两性表面活性剂基本都含N元素，少数的S、N共存（磺化甜菜碱），或N、P共现（卵磷脂）。氨基酸盐含有K+、Na+等金属离子。如果有氟元素明显被检出时，可以肯定是含氟表面活性剂。有显著硅检出时，需考虑有机硅类表面活性剂和硅酸盐添加物的存在的可能。

4.3.1表面活性剂元素的定性分析