雙子季銨鹽表面活性劑的工業(yè)應(yīng)用

雙子季銨鹽表面活性劑，又稱陽離子Gemini 表面活性劑，是通過連接基團將兩個或兩個以上單鏈陽離子表面活性劑連接起來的一類新型表面活性劑。雙子季銨鹽表面活性劑特殊的雙N 頭基分子結(jié)構(gòu)賦予其獨特的物化性能，相比傳統(tǒng)單鏈季銨鹽，具有更加優(yōu)異的表/界面活性、抑菌殺菌性和獨特的流變行為，并且具有潤濕性好和乳化能力強等優(yōu)點。

雙子季銨鹽表面活性劑目前在殺菌消毒、油田、金屬緩蝕、紡織印染、污水處理以及新材料等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價值并獲得了廣泛關(guān)注。

在殺菌消毒領(lǐng)域中的應(yīng)用

由于雙子季銨鹽表面活性劑分子中含有兩個帶正電的親水基和兩個疏水鏈，相比傳統(tǒng)單鏈季銨鹽(1231和1227)具有更強的殺滅細菌的能力，并且具有低毒、廣泛的生物活性和良好的水溶性。

應(yīng)用領(lǐng)域:①在個人護理品、化妝品和造紙工業(yè)殺菌防腐方面具有極大的應(yīng)用價值;②可作為工業(yè)冷卻循環(huán)水的高效殺菌劑，降低對管道的堵塞和設(shè)備的腐蝕;③在油田三次采油作為緩蝕殺菌劑(1227)的替代品，降低細菌(硫酸鹽還原菌、鐵細菌和腐生菌等)對石油輸送管線的腐蝕并解決細菌耐藥性的問題。

雙子季銨鹽表面活性劑殺菌消毒機理:① 雙子季銨鹽表面活性劑分子結(jié)構(gòu)中具有兩條疏水鏈，這有利于其疏水基深入菌體細胞的類脂層，親水基深入蛋白層，導(dǎo)致酶失去活性和蛋白質(zhì)變性;② 分子結(jié)構(gòu)中含有兩個N 頭基，在誘導(dǎo)作用下雙子季銨鹽頭基正電荷密度增加，這使表面活性劑更易吸附于細菌表面，改變細菌細胞壁滲透性并使其破裂，達到殺滅細菌的效果。

文獻實例:

趙劍曦等研究表明，雙子季銨鹽表面活性劑的殺菌效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)季銨鹽，當(dāng)對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的殺滅效果相同時，雙子季銨鹽表面活性劑的使用量僅為后者的1/25，殺滅白念球菌的使用量僅為后者的1/40，表現(xiàn)出高效的殺菌特性。

在石油工業(yè)殺菌領(lǐng)域，劉慶旺等研究了雙子季銨鹽(16-4-16)、1227和異噻唑啉酮對硫酸鹽還原菌、鐵細菌和腐生菌的殺滅效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)三種殺菌劑的殺滅效果都達到標(biāo)準(zhǔn)，但雙子季銨鹽表面活性劑的殺滅效果更好，并能夠降低細菌耐藥性。

在三次采油中的應(yīng)用

作為油田清潔壓裂液使用

壓裂液是對油氣層進行壓裂改造時使用的工作液，其主要作用是通過將地面高壓傳遞到地層使其形成裂縫輸送支撐劑。傳統(tǒng)壓裂劑瓜爾膠、羥乙基纖維素等高分子聚合物會在裂縫中留下殘渣傷害地層，造成地層滲流能力降低和產(chǎn)能下降。雙子季銨鹽表面活性劑因其獨特的流變性和低傷害性，顯示其在粘彈性表面活性劑壓裂液(VES)中具有良好的應(yīng)用前景。

文獻實例:

賈振福等研究制備了新型雙子季銨鹽表面活性劑:雙18烷基-四醇乙基-二溴乙二胺，和其他輔劑制備新型清潔壓裂液體系。該體系具有良好的粘彈性、懸砂性能、低溫溶解性和抗溫穩(wěn)定性能。此壓裂液在中海油渤海石油已經(jīng)投入使用。

朱紅軍等以長碳鏈含羥基雙子季銨鹽作為酸液稠化劑制備了一種清潔壓裂液，結(jié)果表明該壓裂液具有良好的熱穩(wěn)定性以及抗剪切、緩速、抗鹽、破膠性能，用于酸化壓裂作業(yè)可有效改善壓裂效果，提高壓裂效率，是一種理想的清潔壓裂液。

注水井化學(xué)降壓增注

注水井經(jīng)過長期注水后，由于液阻效應(yīng)、水鎖傷害、粘土運移、地層結(jié)垢以及細菌的大量繁殖使得儲層嚴重堵塞，而這一問題在近井地帶尤為突出，從而導(dǎo)致水井注水壓力居高不下、注水量嚴重不夠。

化學(xué)法降壓增注主要是通過含有雙子季銨鹽的降壓增注劑注入水井內(nèi)來降低油水界面張力，減少賈敏效應(yīng)，增加油的流動能力;改變巖石表面潤濕性，使得油藏更加親水，發(fā)揮毛管力的作用;抑制黏土膨脹，減少對地層的傷害;抑制微生物的生長，減少對井底和地層傷害;提高注入水的滲透能力，達到低滲透油田降壓增注的目的。并且降壓增注技術(shù)具有一定的驅(qū)油效果。

文獻實例:

付亞榮選用晉95站原油和晉95-2井注入水，對含有表面活性劑的降壓增注劑FYR-ZZ進行降壓增注模擬實驗。結(jié)果表明:應(yīng)用注水井降壓增注劑后，增加了注水量，降低了注水壓力，注水泵負荷減輕，提高了注水管線安全系數(shù)，同時具有一定的增有效果，并且注水井注入壓力的降低，節(jié)省了電能。

在三次采油中用作高效化學(xué)驅(qū)油劑

雙子季銨鹽相比傳統(tǒng)單鏈季銨鹽具有更好的表面活性和更低的臨界膠束濃度，并且在極低濃度下即可形成柔性線狀膠束并相互纏繞而成為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，溶液粘度大幅提升并具有切稀特性，特殊的流變性質(zhì)可有效改變油水流度比，擴大波及體積，提高驅(qū)油效率。將含有此類雙子季銨鹽的溶液體系注入地層，不僅可以極大降低油水界面張力(達到10-3 mN/m)，改變油的流變性和乳化性，還可以改善地層表面潤濕性(發(fā)生潤濕反轉(zhuǎn))，減小油對地層表面的粘附力，洗油能力的大提高;還可以形成比較穩(wěn)定的油水乳狀液，使流動和采出變得更加容易。

文獻實例:

范振忠課題組對三種雙子季銨鹽(m-n-m型)的驅(qū)油效率進行了研究，巖心驅(qū)替結(jié)果表明此類雙子季銨鹽與普通表面活性劑復(fù)配能夠大幅度提高原油采收率，可成為三次采油用的高效驅(qū)替劑。

流體節(jié)能減阻劑

隨著全球經(jīng)濟的增長，人類面臨越來越深刻的能源危機，如何降低長距離管道流體輸送過程中的流動摩阻阻力，減小泵站的動力消耗，是節(jié)能減阻技術(shù)開發(fā)中的重要一環(huán)。

加入流體化學(xué)減阻劑可以大幅度減小流動過程的阻力，降低泵的消耗，這種現(xiàn)象稱為Toms效應(yīng)。目前最常用的減阻劑為高分子和表面活性劑。高分子在泵的機械剪切下易發(fā)生鏈斷裂，削弱減阻性能，不適合閉路循環(huán)式系統(tǒng)。表面活性劑膠束具有自組裝性能，高速剪切后可自發(fā)回復(fù)到剪切的結(jié)構(gòu)，具有良好的可逆性，對循環(huán)式和非循環(huán)式流體輸送系統(tǒng)都適用。與傳統(tǒng)表面活性劑相比，雙子表面活性劑具有更優(yōu)異的表面活性和自組裝特性，在流體減阻體系具有極大的應(yīng)用價值。

文獻實例:

方波研究了雙子季銨鹽表面活性劑(C18-3-C18型)與水楊酸鈉組成的膠束體系的流變和減阻性能。結(jié)果表明該膠束體系可有效降低直管流動摩擦阻力，遠優(yōu)于傳統(tǒng)單鏈季銨鹽CTAC/水楊酸鈉的膠束體系。

在金屬緩蝕領(lǐng)域中的應(yīng)用

金屬腐蝕可改變金屬材料的力學(xué)和物化性能，會對工業(yè)生產(chǎn)和生活設(shè)施造成極大的經(jīng)濟損失。雙子季銨鹽表面活性劑在金屬抗腐蝕方面較之傳統(tǒng)單鏈季銨鹽表現(xiàn)出更突出的性能，具有高效、無毒的特性。其能夠通過其雙N 頭基強的靜電吸引力使疏水鏈在金屬表面形成致密的吸附薄膜，顯著降低金屬在化學(xué)介質(zhì)中的腐蝕行為。目前在石油化工、運輸、鋼鐵以及機械等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。

表面活性劑金屬緩蝕機理:金屬表面一般帶負電荷，雙子季銨鹽表面活性劑溶于水后則在水中離解為帶兩個電荷的陽離子，雙子季銨鹽表面活性劑離子通過靜電引力吸附在金屬表面，疏水基團可在金屬表面形成一層致密的疏水性膜，能很好的隔絕水或其他防腐蝕性物質(zhì)與金屬的接觸，從而達到高效金屬緩蝕的目的。

文獻實例:

高志農(nóng)等研究了系列雙子季銨鹽表面活性劑(m-n-m型)在1mM HCl 介質(zhì)中對鋁的防腐效果。結(jié)果表明此類雙子季銨鹽對鋁在酸性介質(zhì)中具有優(yōu)良的防腐效果，在臨界膠束濃度下具有最佳的防腐效果。進一步的實驗表明此類雙子季銨鹽對各類金屬都有高效的防腐效果，具有極高的金屬緩蝕應(yīng)用價值。

李俊等研究了系列羥丙基雙子季銨鹽(Cn-3OH-Cn)在H2S/CO2腐蝕介質(zhì)中對L360鋼的緩蝕作用。結(jié)果表明，在濃度為35 mg/L時緩蝕率達到95%以上。是一種陰極抑制為主的混合型緩蝕劑。

在紡織印染行業(yè)的應(yīng)用

可作為滌綸織物堿減量促進劑和陽離子染料染色緩染劑

雙子季銨鹽對滌綸織物的堿減量處理具有明顯的促進作用，處理后的織物強力損失較小，且織物的懸垂性、透氣性和保濕率都能夠有效改善，經(jīng)陽離子染料處理的纖維結(jié)晶度和玻璃化溫度較低，纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較松散，因此吸附速率較快。在染料中加入的雙子季銨鹽先進入纖維內(nèi)部和磺酸基陰離子結(jié)合，待陽離子染料進去后再將其替代下來，從而減緩染料吸附速率，起到緩染的效果。

王榮祥等將雙子季銨鹽(m-n-m型)應(yīng)用于滌綸織物堿減量促進劑和緩染劑，發(fā)現(xiàn)該類雙子季銨鹽對滌綸織物的堿減量處理具有明顯的促進作用，整理后織物性能良好，性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)單鏈季銨鹽。

可用于改善錦綸印花麻點

錦綸在酸性染料印花時易在表面產(chǎn)生麻點，表現(xiàn)為在織物表面局部聚集。通過添加適當(dāng)雙子季銨鹽，使得陰離子染料和雙子季銨鹽在布面形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使染料在印花臺升起或干燥過程中不易移動，防止紡織麻點的產(chǎn)生。雙子季銨鹽與酸性染料形成的穩(wěn)定相互作用有利于減少印花麻點的產(chǎn)生。

有研究表明，含羥基雙子季銨鹽與其他助劑復(fù)配使用時，能夠消除染料在錦綸印花時產(chǎn)生的麻點。

棉麻織物染色過程中的低鹽工藝

棉織物染料染色過程中大量無機鹽的使用給污水處理帶來極大困難，無鹽/低鹽/代用堿染色已成為研究熱點。通過少量雙子季銨鹽改性棉纖維，再進行活性染料遞延染色，能夠極大減少無機鹽的用量，有利于降低成本，減少鹽對環(huán)境的污染，并可提高產(chǎn)品的品質(zhì)。

賈麗華等通過酯基雙子季銨鹽作為助劑對亞麻織物用活性染料進行染色，活性黃M-3RE的上染率、固色率達85%以上，該類雙子季銨鹽處理亞麻織物的染色性能優(yōu)于傳統(tǒng)季銨鹽-CTAB，上色率和固色率分別提高了近10%。

在污水治理方面的應(yīng)用

雙子季銨鹽相比傳統(tǒng)季銨鹽具有極強的吸附作用，因此常被用作吸附劑來清理液體中的污染物。通過表面活性劑治理污水首先需要將表面活性劑吸附于黏土或沙土等介質(zhì)上，再用后者進行污染物的吸附。這是一種有效的治污手段。

文獻實例:

劉學(xué)敏課題組通過酰胺基雙子季銨鹽作為有機插層劑應(yīng)用于蒙脫土的改性，結(jié)果表明雙子季銨鹽成功插入蒙脫土片層間，改性后的蒙脫土對水中對氯苯酚的吸附量是未改性原土的6倍，對廢水中有機物的去除顯示出良好的應(yīng)用價值。

Rosen等研究了傳統(tǒng)季銨鹽和雙子季銨鹽對2-萘酚的吸附情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，附有雙子季銨鹽的蒙脫土對2-萘酚的吸附量是傳統(tǒng)季銨鹽改性蒙脫土吸附量的15倍，附有雙子季銨鹽的沙子、石灰石是傳統(tǒng)的3倍，雙子季銨鹽相比傳統(tǒng)季銨鹽具有吸附量大，效率更高的特點。

制備介孔新材料

介孔分子篩具有較大的可控孔徑和高的比表面積，目前大量應(yīng)用于石油的催化裂解、分離以及納米科學(xué)等領(lǐng)域。雙子季銨鹽由于其結(jié)構(gòu)的多變性可以在水溶液中形成多種特殊結(jié)構(gòu)的聚集體，在介孔材料制備過程中可以起到模板劑的作用，因此可以通過控制雙子季銨鹽烷基鏈的長度、聯(lián)結(jié)基團的長度和種類來制備不同晶相、不同孔徑的硅酸鹽分子篩。雙子季銨鹽相比傳統(tǒng)單鏈季銨鹽用量極少，成本更低。

文獻實例:

Vander Voort等通過調(diào)節(jié)雙子季銨鹽(m-n-m型)的聯(lián)結(jié)基團長度可制備出不同晶形的介孔材料。當(dāng)n=10,12時，可制備出MCM-48型分子篩;當(dāng)n較小時，適合制備MCM-41。

胡軍等分別以柔性聯(lián)結(jié)基團雙子季銨鹽和剛性聯(lián)結(jié)基團雙子季銨鹽為模板劑研究了聯(lián)結(jié)基團對硅基介孔材料的影響。當(dāng)聯(lián)結(jié)基團為柔性的亞甲基時，結(jié)果與Vander Voort一致;當(dāng)聯(lián)結(jié)基團含有羥基時，可制備出層狀材料結(jié)構(gòu);當(dāng)聯(lián)結(jié)鏈含有剛性苯環(huán)時，可得到空心球結(jié)構(gòu)材料。

其他領(lǐng)域

雙子季銨鹽特殊的分子結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的表/界面性質(zhì)使其可作為織物的抗靜電劑使用，在造紙行業(yè)可作為防霉殺菌劑、纖維分散劑、廢紙脫墨劑和抗靜電劑等。

審核編輯 ：李倩