小科普：表面活性剂也能有“开关”

KRÜSS于1796年诞生于德国汉堡，是表面科学仪器领域的全 球领导品牌。先后研发了世界上第 一台商用全自动表面张力仪和第 一台全自动接触角测量仪，荣获多次国际工业设计大奖和德国中小企业最 具创新能力TOP100荣誉。其它产品还包括各类动态表面张力仪、泡沫分析仪、界面流变仪和墨滴形状分析仪等。

研究背景

在表面活性剂的应用领域中，如石油开采，原油回收等，表面活性剂的作用时效仅仅在于某一特定的工艺阶段，而在作用过程结束后，不仅需要将表面活性剂从体系中分离，而且还需对其进行丧失活性处理以便减少环境污染。因而，开关型表面活性剂就应运而生。

所谓的开关型表面活性剂是指能够通过人为的触发手段，实现表面活性剂分子结构的可逆转化，CO2和N2开关型表面活性剂作为一种新型的、可重复使用的绿色表面活性剂，在使用的过程中通过控制CO2的加入与分离，可以轻松的实现非表面活性剂与表面活性剂之间的相互转变，表面活性剂在使用之后的分离就变得相对容易，实现表面活性剂的循环利用。

此次分析了一系列新型叔胺化合物，为了验证 CO2/N2 CO2和N2开关型表面活性剂的可切换性，分析了Gemini 表面活性剂的表面张力，CMC和泡沫特性，评估了可转换的表面活性剂的重复使用性和可逆性。

实验仪器与方法

表面张力和CMC值是由KRÜSS DSA30S测量系统测定。水溶液的温度保持恒定在 25.0 ± 0.1 ℃。表面活性剂的浓度为1.0 × 10-3 mol/L。CO2和N2循环鼓泡，在鼓泡前后测量表面活性剂溶液的表面张力。

实验结果与讨论

1.表面张力和CMC分析

CMC和相应浓度下表面张力测试结果见表1。结果表明CnDBs的CMC值在2.51×10-4 - 5.16×10-4 mol/ L之间，且随着烃链长度的增加而降低，这是因为随着碳链长度的增加，表面活性剂变得更疏水，表面活性剂分子更易聚集，达到饱和以形成较低浓度的胶束。CnDBs的表面张力值在30.42 - 33.30 mN/m之间，揭示出新型CO2/N2可转换Gemini 表面活性剂能够有效降低水的表面张力，在气/水界面具有较好的定向构型，具有潜在的工业应用前景。

图1. CnDBs的表面张力

表1 在相应浓度下，CnDBs的CMC和表面张力

在CO2通入溶液之前，C12DB、C14DB和C16DB水溶液的表面张力较高，均高于60 mN /m，接近于常温纯水的表面张力。当向溶液中通入CO2时，表面张力下降到接近 30 mN/m，表明生成了碳酸氢盐并具有良好的表面活性。当向溶液中通入 N2 时，碳酸氢盐分解为不溶于水的 C12DB、C14DB 和 C16DB，因此表面张力回升至约为 60 mN/m。当 CO2 重新鼓入溶液后，表面张力再次降低，经过多次循环后得到不同循环次数下的表面张力值变化情况如图1所示。从图中可以看出，经过8次循环后，CO2/N2可转换Gemini表面活性剂仍然具有良好的可切换性能。此外，当向溶液中通入CO2时，C12DB 的表面张力值最 低，这可能是由于单位面积上可排列的表面活性剂分子数量较少，导致长链表面活性剂引起的表面张力降低程度较低而造成的。

图2 不同循环次数下表面张力的变化情况

2.表面活性剂的泡沫性能

下图为不同循环次数下的表面活性剂泡沫体积变化。鼓入CO2前，泡沫体积接近于零，当鼓入CO2后，生产的碳酸氢盐表面活性剂表面活性很强，产生了大量的气体。向溶液中通入 N2 气体后，碳酸氢盐分解，溶液的起泡能力随之下降，体系中的泡沫体积在不多次循环内先增后减，表明可转换的表面活性剂具有良好的重复使用性和可逆性。

KRÜSS的DFA100泡沫分析仪，不仅可以用来分析泡沫的起泡性，泡沫稳定性，也可以测试泡沫的结构和尺寸等。

图3 不同循环次数下泡沫体积的变化

结论

经证实，三种疏水链长不同的叔胺化合物可以与CO2形成碳酸氢盐，因此它们具有用作CO2/N2可转换表面活性剂的能力。基于上述结果，三种合成的CO2/N2可转换Gemini表面活性剂由于其可回收性和可持续性、节约资源和降低成本等优势，在石油提取、药物输送、日化工业和工业洗涤等领域具有良好的应用前景。此外，二氧化碳的大量存储和利用能够促进我们的低碳生活，保护生态环境。

参考文献：

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.