表面活性剂对水环境的影响

表面活性剂对水环境的影响

基本概念

表面活性剂（surfactant）是指具有一定性质、结构和界面吸附性能，能显著降低溶剂表面张力或液—液、液—固界面张力的一类物质。它的英文名字surfactant就是surfaceactiveagent的合成词，表示“表面活性剂就是能使表面（或界面）活性增强的物质”。

表面活性剂分子中同时具有亲水基团和亲油基团，这种特性也叫做“双亲”（amphiphilic）。由于表面活性剂的这种特性，在适当浓度时，它们在水中能形成胶束（micelle）：亲水的头部被水吸引朝外，亲油的尾部被水排斥从而朝里。在洗衣服的过程中，油渍就是被亲油基团拉到胶束的内部，而整个胶束又被水带走。如果是在油性环境中，它们又可以形成反胶束（inversemicelle），即头在内尾在外。这些胶束在化妆品中有着举足轻重的作用。

一、表面活性剂分类

表面活性剂的分类方法很多，根据疏水基结构进行分类，分直链、支链、芳香链、含氟长链等；根据亲水基进行分类，分为羧酸盐、硫酸盐、季铵盐、PEO 衍生物、内酯等；有些研究者根据其分子构成的离子性分成离子型、非离子型等，还有根据其水溶性、化学结构特征、原料来源等各种分类方法。

一般都认为按照它的化学结构来分比较合适。即当表面活性剂溶解于水后，根据是否生成离子及其电性，分为离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂。

按极性基团的解离性质分类，表面活性剂有离子型表面活性剂、非离子型表面活性剂、特种表面活性剂。

离子型表面活性剂为阴离子表面活性剂（羧酸盐类、磺酸盐类、硫酸酯类、磷酸酯类等）、阳离子表面活性剂（胺盐类、季铵盐类、杂环类、鎓盐类等）、两性离子表面活性剂（羧酸盐型、磺酸盐型、磷酸酯型、甜菜碱型、咪唑啉型、氨基酸型等）。

非离子表面活性剂有：烷基多苷型、聚氧乙烯型、多元醇型、烷醇酰胺型、嵌段聚醚型。

特种表面活性剂有含氟型、含硅型、含硼型、高分子型等。

阴离子活性剂

1、肥皂类

系高级脂肪酸的盐，通式：（RCOOˉ）n M。脂肪酸烃R一般为11~17个碳的长链，常见有硬脂酸、油酸、月桂酸。根据M代表的物质不同，又可分为碱金属皂、碱土金属皂和有机胺皂。它们均有良好的乳化性能和分散油的能力。但易被破坏，碱金属皂还可被钙、镁盐破坏，电解质亦可使之盐析。

2、硫酸化物RO-SO3-M

主要是硫酸化油和高级脂肪醇硫酸酯类。脂肪烃链R在12~18个碳之间。硫酸化油的代表是硫酸化蓖麻油，俗称土耳其红油。高级脂肪醇硫酸酯类有十二烷基硫酸钠（SDS、月桂醇硫酸钠）。

乳化性很强，且较稳定，较耐酸和钙、镁盐。在药剂学上可与一些高分子阳离子药物产生沉淀，对粘膜有一定刺激性，用作外用软膏的乳化剂，也用于片剂等固体制剂的润湿或增溶。

3、磺酸化物R-SO3-M

属于这类的有脂肪族磺酸化物、烷基芳基磺酸化物和烷基萘磺酸化物。它们的水溶性和耐酸耐钙、镁盐性比硫酸化物稍差，但在酸性溶液中不易水解。

常用品种有：二辛基琥珀酸磺酸钠（阿洛索-OT），十二烷基苯磺酸钠，甘胆酸钠

阳离子活性剂

该类表面活性剂起作用的部分是阳离子，因此称为阳性皂。其分子结构主要部分是一个五价氮原子，所以也称为季铵化合物。其特点是水溶性大，在酸性与碱性溶液中较稳定，具有良好的表面活性作用和杀菌作用。

常用品种有苯扎氯铵(洁尔灭）和苯扎溴铵（新洁尔灭）等。

两性离子活性剂

这类表面活性剂的分子结构中同时具有正、负电荷基团，在不同pH值介质中可表现出阳离子或阴离子表面活性剂的性质。

1、卵磷脂：是制备注射用乳剂及脂质微粒制剂的主要辅料

2、氨基酸型和甜菜碱型：

氨基酸型：R-NH+2-CH2CH2COO—

甜菜碱型：R-N+（CH3）2-COO—

在碱性水溶液中呈阴离子表面活性剂的性质，具有很好的起泡、去污作用；在酸性溶液中则呈阳离子表面活性剂的性质，具有很强的杀菌能力。

非离子表面活性剂

1.脂肪酸甘油酯：单硬脂酸甘油酯；

HLB为3~4，主要用作W/O型乳剂辅助乳化剂。

2.多元醇

蔗糖酯：HLB（5~13）O/W乳化剂、分散剂

脂肪酸山梨坦（Span）：W/O乳化剂

聚山梨酯（Tween）：O/W乳化剂

3.聚氧乙烯型：Myrij（卖泽类，长链脂肪酸酯）；Brij（脂肪醇酯）

4.聚氧乙烯-聚氧丙烯共聚物：Poloxamer

二、表面活性剂基本性质

1.胶束和临界胶束浓度

在低浓度时，表面活性剂在水溶液中主要以单分子或离子状态分散，当浓度增加至一定范围时，表面活性剂分子急速地聚集形成分子或离子的缔合体，这种缔合体称为胶束或胶团。在水溶液中，胶束中各分子的亲水基向外对着水，疏水基互相靠近缔合于内，定向排列。表面活性剂分子缔合形成胶束的最低浓度称为临界胶束浓度（CMC）。临界胶束浓度的大小与表面活性剂的结构和组成有关，同时受温度、pH以及电解质等外部条件的影响。表面活性剂胶束有相近的缔合度，并呈球形或板状等。

2.亲水亲油平衡值

表面活性剂的亲水亲油能力的强弱，常用亲水亲油平衡值（简称为HLB值）来表示。由于表面活性剂分子由亲水基团和亲油基团组成，表面活性剂的亲水亲油基团之间的比率有一定的平衡值。表面活性剂的HLB值愈高，其亲水性愈强；HLB值愈低，其亲油性愈强。不同HLB值的表面活性剂有不同的用途，如水溶液中增溶剂的HLB值最适范围为15～18以上；去污剂的HLB值为l3～16；O

／W型乳化剂的HLB值为8～16；润湿剂的HLB值为7～9；W／O型乳化剂的HLB值为3～8；大部分消泡剂的HLB值为0.8～3等。

3.起昙与昙点

通常表面活性剂的溶解度随温度升高而增大，但某些含聚氧乙烯基的非离子型表面活性剂的溶解度开始随温度升高而加大，当达到某一温度时，其溶解度急剧下降，使溶液出现混浊或分层，冷却后又恢复澄明。这种由澄清变成混浊或分层的现象称为起昙。该转变温度称为昙点。

4.毒性

一般而言，阳离子型表面活性剂的毒性最大，其次是阴离子型表面活性剂，非离子型表面活性剂的毒性最小。阳离子型和阴离子型表面活性剂还有较强的溶血作用。非离子型表面活性剂的溶血作用一般比较轻微。

三、表面活性剂功能

1、润湿

表面活性剂可以降低液体表面张力，改变接触角的大小，从而达到所需的目的。例如，要农药润湿带蜡的植物表面，要在农药中加表面活性剂；如果要制造防水材料，就要在表面涂憎水的表面活性剂，使接触角大于90°。

2、乳化

有时为了破坏乳状液需加入另一种表面活性剂，称为破乳剂，将乳状液中的分散相和分散介质分开。例如原油中需要加入破乳剂将油与水分开。

3、增溶作用

当表面活性剂水溶液的浓度达到或超过CMC时，可“溶解”不溶于水或微溶于水的非极性有机物，形成透明的、外观与真溶液相似的溶液，这种现象称为增溶作用。增溶作用与普通的溶解概念是不同的，溶质在增溶过程中并未分散成分子或离子状态，而是整个溶入胶束，所以溶液中质点总数未增加，只是胶束膨大。

4、起泡作用

有的表面活性剂和水可以形成一定强度的薄膜，包围着空气而形成泡沫，用于浮游选矿、泡沫灭火和洗涤去污等，这种活性剂称为起泡剂。

5、消泡作用

在制糖、制中药过程中泡沫太多，要加入适当的表面活性剂降低薄膜强度，消除气泡，防止事故。

6、洗涤作用

洗涤剂中通常要加入多种辅助成分，增加对被清洗物体的润湿作用，又要有起泡、增白、占领清洁表面不被再次污染等功能。

7、浮游选矿

首先将粗矿磨碎，倾入浮选池中。在池水中加入捕集剂和起泡剂等表面活性剂。搅拌并从池底鼓气，带有有效矿粉的气泡聚集表面，收集并灭泡浓缩，从而达到了富集的目的。

四、表面活性剂对水环境的污染现状

近年来，我国化学合成表面活性剂工业发展迅速，表面活性剂的产量逐年增加。而目前绝大部分的表面活性剂使用后未经妥善处理即排放到河流、海洋等自然水体中，常造成水体污染并出现泡沫横飞的景象，同时消耗了水中的溶解氧，影响了水体质量。虽然目前生物降解性能较差的表面活性剂已经基本被淘汰，广