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研究背景
在表面活性劑的應用領域中，如石油開采，原油回收等，表面活性劑的作用時效僅僅在于某一特定的工藝階段，而在作用過程結束后，不僅需要將表面活性劑從體系中分離，而且還需對其進行喪失活性處理以便減少環境污染。因而，開關型表面活性劑就應運而生。
所謂的開關型表面活性劑是指能夠通過人為的觸發手段，實現表面活性劑分子結構的可逆轉化，CO2和N2開關型表面活性劑作為一種新型的、可重復使用的綠色表面活性劑，在使用的過程中通過控制CO2的加入與分離，可以輕松的實現非表面活性劑與表面活性劑之間的相互轉變，表面活性劑在使用之后的分離就變得相對容易，實現表面活性劑的循環利用。
此次分析了一系列新型叔胺化合物，為了驗證 CO2/N2 CO2和N2開關型表面活性劑的可切換性，分析了Gemini 表面活性劑的表面張力，CMC和泡沫特性，評估了可轉換的表面活性劑的重復使用性和可逆性。
實驗儀器與方法
表面張力和CMC值是由KRÜSS DSA30S測量系統測定。水溶液的溫度保持恒定在 25.0 ± 0.1 ℃。表面活性劑的濃度為1.0 × 10-3 mol/L。CO2和N2循環鼓泡，在鼓泡前后測量表面活性劑溶液的表面張力。
實驗結果與討論
1.表面張力和CMC分析
CMC和相應濃度下表面張力測試結果見表1。結果表明CnDBs的CMC值在2.51×10-4 - 5.16×10-4 mol/ L之間，且隨著烴鏈長度的增加而降低，這是因為隨著碳鏈長度的增加，表面活性劑變得更疏水，表面活性劑分子更易聚集，達到飽和以形成較低濃度的膠束。CnDBs的表面張力值在30.42 - 33.30 mN/m之間，揭示出新型CO2/N2可轉換Gemini 表面活性劑能夠有效降低水的表面張力，在氣/水界面具有較好的定向構型，具有潛在的工業應用前景。
圖1. CnDBs的表面張力
表1 在相應濃度下，CnDBs的CMC和表面張力
在CO2通入溶液之前，C12DB、C14DB和C16DB水溶液的表面張力較高，均高于60 mN /m，接近于常溫純水的表面張力。當向溶液中通入CO2時，表面張力下降到接近 30 mN/m，表明生成了碳酸氫鹽并具有良好的表面活性。當向溶液中通入 N2 時，碳酸氫鹽分解為不溶于水的 C12DB、C14DB 和 C16DB，因此表面張力回升至約為 60 mN/m。當 CO2 重新鼓入溶液后，表面張力再次降低，經過多次循環后得到不同循環次數下的表面張力值變化情況如圖1所示。從圖中可以看出，經過8次循環后，CO2/N2可轉換Gemini表面活性劑仍然具有良好的可切換性能。此外，當向溶液中通入CO2時，C12DB 的表面張力值最低，這可能是由于單位面積上可排列的表面活性劑分子數量較少，導致長鏈表面活性劑引起的表面張力降低程度較低而造成的。
圖2 不同循環次數下表面張力的變化情況
2.表面活性劑的泡沫性能
下圖為不同循環次數下的表面活性劑泡沫體積變化。鼓入CO2前，泡沫體積接近于零，當鼓入CO2后，生產的碳酸氫鹽表面活性劑表面活性很強，產生了大量的氣體。向溶液中通入 N2 氣體后，碳酸氫鹽分解，溶液的起泡能力隨之下降，體系中的泡沫體積在不多次循環內先增后減，表明可轉換的表面活性劑具有良好的重復使用性和可逆性。
KRÜSS的DFA100泡沫分析儀，不僅可以用來分析泡沫的起泡性，泡沫穩定性，也可以測試泡沫的結構和尺寸等。
圖3 不同循環次數下泡沫體積的變化
結論
經證實，三種疏水鏈長不同的叔胺化合物可以與CO2形成碳酸氫鹽，因此它們具有用作CO2/N2可轉換表面活性劑的能力。基于上述結果，三種合成的CO2/N2可轉換Gemini表面活性劑由于其可回收性和可持續性、節約資源和降低成本等優勢，在石油提取、藥物輸送、日化工業和工業洗滌等領域具有良好的應用前景。此外，二氧化碳的大量存儲和利用能夠促進我們的低碳生活，保護生態環境。
參考文獻：
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.
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