水相中表面活性剂与盐类的物理化学关系及其在水处理过程中的作用

水相中表面活性剂与盐类的物理化学关系及其在水处理过程中的作用

关键词：

表面活性剂溶液,物理化学性质,盐效应,表面张力,临界胶束浓度,流变性质概述：

探讨无机盐类对表面活性剂溶液体系相态､表面张力､流变等性质的影响。盐类的离子效应通过多种微观机理使微乳液相态､表面张力､临界胶束浓度､流变性质､浊点等物理化学性质产生明显变化,从而影响体系的动力学和热力学参数;较全面地考虑这些盐效应的影响对改善废水处理技术具有重要意义。

内容：

1前言2000年1～9月我国共生产洗涤用品263万t,预计2000年可完成385万t,而主要原料之一表面活性剂LAS的年生产能力就有60万t左右。表面活性剂最终将大部分以废水的形式,连同它乳化携带的其它环境污染物质排入水处理设施或者直接进入自然界,由此引起的环境问题已逐渐显现。生活污水中的表面活性物质浓度增加,三次采油已将巨量表面活性剂注入地下,大部

分洗涤工业的排水未经处理。这些洗涤剂的使用和处理过程中的变化特点都是环境科学研究所面临的重要课题。目前,关于表面活性剂的研究可大体分为两个领域,一是表面活性剂的使用,主要研究表面活性剂的合成､配方､使用环境条件等,该类研究具有广泛的应用背景,分布在化工､石油､煤炭､矿冶､医药､日用化学工业等众多的工业生产过程;另一方面是针对表面活性剂对环境影响和处理技术的研究,主要在环境领域中进行。由于环境领域中的表面活性剂负载有很多未知的其它物质和较为复杂的存在条件,所以,课题的难度较大,进展缓慢,很多科学性问题得不到及时的探讨,已影响到该类废水的处理技术进程。本文以环境领域中的表面活性剂处理为出发点,调查分析相关领域中的研究进展,尤其注意其中涉及多组分的物理化学研究内容,主要分析表面活性剂

与无机盐类的相互作用的特点和影响,为该类废水的处理技术与装备提供理论服务;另一方面,水处理的许多过程,许多环节需要物理化学研究成果的指导,所以关注和学习吸收表面活性剂方面的研究进展,有助于水处理技术的改善,科

学性的提高。 2 无机盐对表面活性剂溶液胶束性质的影响 2.1 微乳液相态的变化微乳液是油､水､表面活性剂､助表面活性剂组成的各向同性､透明的､热力学稳定的分散体系,液滴被表面活性剂和醇的混合膜所稳定,中相微乳液的形成对采油过程中提高驱油效率有重要意义。从环境学的角度来讲,则要破坏其稳定性,使得表面活性剂分子所携带的污染物由溶液中分离出来,所以

研究微乳液的稳定性影响因素具有重要意义。无机盐是微乳液相态的重要影响

因子。表1给出了无机盐与相态关系的研究结果。

注:下相微乳液是指与剩余油相相平衡的微乳液;中相微乳液是与剩余油相､剩余水相相平衡的微乳液,它几乎含有全部表面活性剂;上相微乳液是指与剩余水相相平衡的微乳液。

微乳液类型的变化受体系中N a Cl浓度的影响,微乳液的聚集数增加,对油的增溶量变大;另外N aC l浓度的增大可进一步压缩微乳液液滴的双电层,降低液滴间斥力,有利于液滴接近和聚结,凝聚的增加导致以上现象的出现。郝京诚等人对阴离子表面活性剂双十八烷基二甲基氯化铵(DO D MA C)和溴代癸基吡啶(D PB)复配时中相微乳液的形成和特性作了研究,发现形成中相微乳液盐宽(ΔS)和最优含盐度(S*)与表面活性剂的复配比有关。最优含盐度定义为在微乳液液相中油水具有相同的加溶作用,可用来定量相性质的变化。

M o rt e nG.A a rr a等人研究了阴离子表面活性剂SD S和A AS系统的相态,结果表明二价离子要比一价离子的最优含盐度低,不同离子引起的最优含盐度如下:N a+>K+>M g2+>C a2+。这种现象的产生是化合价和水合半径共同作用的结果,化合价升高及水合半径降低都会使最佳盐度降低;检测不同离子的分布,发现N a+和C l-更易于分布于过量水相中,而K+､C a2+､M g2+则更易于进入微乳液相中的水。

2.2 对界面张力的影响

在水处理的气浮､吸附等涉及相界面现象的操作单元中,表面

张力是重要的表征参数和工艺依据。影响表面活性剂体系界面张力有三个因素:两相之间的极性差异越小,界面张力越小;表面活性剂在界面的吸附量越大,界面张力越低;表面活性剂在油水两相中的分配系数越接近于1,界面张力越低。以γm o和γm w分别表示中相微乳液与剩余油相､中相微乳液与剩余水相间的界面张力。李干佐､

陈咏梅等人的研究结果表明界面张力γm o和γm w随着N a Cl浓度的

增加分别呈下降和上升趋势。前者是由于N aC l浓度增加,压缩液滴双电层,降低液滴间斥力,有助于表面活性剂分子移向油相,增加了

表面活性剂分子在剩余油相/中相微乳液界面上的吸附量,减小两

相极差造成的,后者则相反。I.U.V ak a re l sk i的研究结果证明,离子强度为0.024M的N a Cl､C a Cl2､A lC l3不仅能降低SD E2S表面活性剂

溶液的表面张力值,且随着离子化合价升高,表面张力达到平衡值

的时间变短。

2.3 对流变性质的影响

流变性质是液相传质乃至反应动力学的计算参数之一,更是流

场力学调控的定量依据。表面活性剂溶液体系的流变性质对传质过程有重要影响。S hi ge y os h i Mi y ag is hi等认为N a Cl浓度较低时,

表面活性剂溶液粘度几乎不受影响;只有当N aC l浓度达到阈值附近时,粘度才受其影响急速上升。蒲敏等发现在阴离子表面活性剂

A E S-N aC l溶液中,两者质量浓度较低时,体系粘度基本上随两者浓

度升高而增加,整体近似指数关系;但在N a C l浓度较高时,体系粘度变化比较复杂。盐类可使微乳液的稳态粘度下降,盐离子浓度很低

时能压缩微乳液界面上的扩散双电层,使扩散层变薄,同时又减少

了溶剂化性能,使体系粘度下降;另外高价金属离子对表面活性剂的破乳作用也是降低粘度的一个因素。盐类还有利于负触变性的增强,如盐可降低油酸钾在水中的溶解度,并增强羧酸基之间及羧酸和醇

之间的缔合;对负触变性的影响程度还与水油比及盐的价态有关。

徐桂英等人对流变性研究时发现,含无机盐的石油磺酸盐胶束溶液

显示出假塑性特性,盐使体系的非牛顿性增强。Y u nt ao Hu等人研究了含有12.5m M水杨酸钠,浓度为5m M的减阻阳离子表面活性剂(TT AA)溶液中,各种金属离子及化合物对其粘弹性的影响。在一个恒定的

剪切速率下,粘度随着Zn(OH)2､Cu(OH)2､Fe(O H)3的加入而单调上

升;但在Zn(O H)2浓度上升时没有显著变化,而随着C u2(O H)2CO3及

F e(O H)3的浓度的增加而急剧下降。这是因为不溶性颗粒物的吸附

及铜化合物与水杨酸钠之间的反应。C u2+､M g2+不改变稳态粘度,而

N a+､Z n2+､C a2+在低剪切速率时可显著地降低粘度。

S h ig e yo sh i M iy a gi sh i等人的研究提供了微观技术方法,他们

用荧光探针技术测量了含有N aC l的四种N-十二烷醇氨基酸表面活