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表面活性剂降解技术的研究进展

作者:admin 更新时间:2019年05月24日 09:22:35

  摘要:表面活性剂的降解技术正受到越来越多的关注。本文介绍了几项技术在国内外的研究现状;讨论了表面活性剂降解的研究成果;并对近几年发展起来的表面活性剂光催化降解的催化剂、工艺组合作了简要介绍。


  关键词:表面活性剂,生物降解,光降解,生物处理,有机污染物


  在表面活性剂给人们的生活和工农业生产带来极大方便的同时,也给我们的环境带来了污染。表面活性剂可以降解水体中氧的传递速度,严重时可以使水体缺氧、腐败,水体自净过程受阻。磷酸盐的含量高时有可能导致水体的富营养化。因此对表面活性剂降解技术的研究显得尤为重要。


  一、表面活性剂的分类


  在表面活性剂科学中广泛采用的是按照其在水中,亲水基是否电离分为离子型和非离子型表面活性剂两大类。离子型又可按照离子的电性分为阴离子型表面活性剂、阳离子型表面活性剂和两性离子型表面活性剂3种。此外还有近年发展较快的,既有离子型亲水基又有非离子型亲水基的混合型表面活性剂。下面分别加以介绍:


  1.阴离子型


  憎水基主要为烷基、异烷基、烷基苯等,亲水基主要有钠盐、钾盐、乙醇胺盐等水溶性盐类。阴离子型表面活性剂主要有,羧酸盐(RCOOM)、烷基硫酸酯盐(ROSO3M)、烷基磷酸酯盐(ROPO3M)、烷基磺酸盐(RSO3M)等。


  2.阳离子型


  几乎所有的阳离子表面活性剂都是含氮化合物,就是有机胺的衍生物。主要有季铵盐(RNR3A)、烷基吡啶翁(RC5H5NA)。阳离子表面活性剂可以作为杀菌剂,也有柔软、脱脂、破乳、抗静电作用。一般来说它不具备去污能力,不能和阴离子表面活性剂配伍使用。


  3.两性型


  分子中带有两个亲水基团,一个带正电,一个带负电,正电性基团主要是含氮基团(或用硫和磷取代氮的位置)。负电基团主要是羧基和磺酸基。甜菜碱类[RN(CH3)2CH2COO],氨基丙酸类(RNH2CH2CH2COO),牛磺酸类[RN(CH3)2(CH2)2SO3]和咪唑啉类是4类重要的两性型表面活性剂。它们具有抗静电、柔软、杀菌和调理等作用,尤其是咪唑衍生物和甜菜碱衍生物更有实用价值,具有低刺激性、耐硬水力强、水溶性好等优点。因此广泛应用于婴儿香波、洗发香波中,它们可以和各类表面活性剂配合使用。


  4.非离子型


  它的极性基不带电,在水溶液中不电离,并且不受强电解质、强酸、强碱的影响,稳定性高,与其他类型的表面活性剂相溶性好。非离子型表面活性剂主要有:脂肪醇聚氧乙烯醚[RO(CH2CH2O)nH],n=l~5,一般采用脂肪醇和环氧乙烷直接缩合而成;烷基醇酰胺类[RCON(CH2CH2OH)2],由脂肪酸与乙醇胺类直接缩合而成;多元醇类化合物(如蔗糖、山梨糖醇、甘油醇的衍生物)等。另外还有聚氧乙烯、聚氧丙烯生成的聚合型表面活性剂及烷基多苷类表面活性剂。


  5.混合型


  这种活性剂的分子带有两种亲水基团,一种带电,一种不带电。醇醚硫酸盐(CH2CH2O)nSO4M(AES)就是这样一类表面活性剂,其中n=1~5。两种亲水基分别是非离子的聚氧乙烯基和阴离子的硫酸根,虽然一般分类仍把这种表面活性剂归属于阴离子表面活性剂,但从水溶性、耐盐性、抗硬水性来讲要比阴离子表面活性剂-烷基硫酸盐要好得多。


  二、表面活性剂的降解技术


  表面活性剂在工农业、医药卫生、日用化工、食品加工等众多领域的应用越来越广[1]。关于表面活性剂生态学和毒性的评估,有一条共识:在表面活性剂大量工业化使用的同时,未降解成分也造成了土壤、水质的污染,甚至对人体健康带来危害[2]。因此有关表面活性剂的降解愈来愈受到人们的重视,表面活性剂降解的技术近几年也有了较大发展。表面活性剂降解,是指表面活性剂在环境因素作用下,结构发生变化,从对环境有害的表面活性剂分子逐步转化成对环境无害的小分子,如CO2、NH3、H2O等[3]。完成降解一般分为三步:


  (1)初级降解:表面活性剂的母体结构消失,特性发生变化;


  (2)次级降解:降解得到的产物不再导致环境污染;


  (3)最终降解:底物(表面活性剂)完全转化为无机物。


  影响表面活性剂降解的因素很多,除自身的结构外,还受微生物、光源、浓度、温度、氧化剂、pH值等多种环境因素的影响。研究表面活性剂降解的方法也较多,本文主要讨论生物降解法、光降解法和电催化降解法。


  1.生物降解法


  表面活性剂生物降解是最普遍的一种降解方法,其主要分为好氧处理和厌氧处理两大类:经过生物处理法处理后,没有两个碳或两个碳以上分子结构的有机降解产物长时间存在,这表明这些表面活性剂经生物处理后已基本降解。


  2.光降解法


  光降解的优点是成本低,反应条件温和,不会产生二次污染。许多难于生物降解的物质都能通过光催化降解矿化为CO2、H2O或毒性较小的有机物。Hidaka等利用人工光源得出降解速度常数K,并发现K只与光源、催化活性、反应介质有关,而与表面活性结构无关。目前,光降解的研究进展,除了对环境因素、介质pH值、表面活性剂类型、浓度、氧化剂种类等进行研究外,还包括:


  2.1利用自然光源


  实践中常用到180~380nm波长的光,太阳光中有1~3%的近紫外光(300~400nm),利用太阳光中波长直至388nm的近紫外光激发,所发出的短波波长的紫外光],具有良好的应用前景。


  2.2改进催化剂


  TiO2是具有高效的催化剂,TiO2的显著优点是:能有效吸收太阳光谱中的弱紫外部分;氧化还原性较强;在较大pH值范围内稳定性好。为了提高TiO2的量子效率,对TiO2的研究新进展是:纳米级TiO2材料的研究成功为光催化降解的应用提供了良好条件,催化活性随粒径的降低而增强,当粒径小于10nm时尤为明显。通过对催化剂改性研究表明:将光活性化合物通过化学吸附或物理吸附附着于TiO2表面,能扩大激发波长范围,增加光催化反应速率,提高对太阳光的利用率。


  3.电催化降解


  电催化法处理废水中的阴离子表面活性剂的装置示意图如下,在一定的操作条件下,装置内便会产生一定数量的羟基自由基和新生态的混凝剂,这样废水中的污染物便会发生诸如催化氧化分解、混凝、吸附、络合和置换等作用,使废水中的污染物迅速被去除。


  三、工艺组合


  表面活性剂的降解有其复杂性和多样性,单一处理方法往往达不到处理含有多种表面活性剂和有机污染物的预期目的。近几年来,把几种方法相结合的工艺,取得了较好发展。光降解与混凝沉降组合和光降解与生物降解组合是比较成功的两种结合工艺。


  四、结语


  1.选择合适载体和开发纳米级TiO2,将光活性物质引入光催化剂中,制备高效率的光降解催化剂,进一步完善催化剂的改性和固定化技术,提高催化剂的量子效率,是光催化降解研究中重点之一。


  2.将生物降解和光降解进行优化组合,用于表面活性剂降解,将会取得更好处理效果。