典型可逆表面活性剂的合成、表征及其对LNAPLs的增溶作用

论文摘要

表面活性剂增效修复（Surfactant Enhanced Aquifer Remediation, SEAR）技术效率高、周期短和范围广,已成为修复有机污染土壤和地下水的实用技术,而SEAR技术存在表面活性剂消耗量大及回收困难导致运行成本过高,致使该技术在污染环境修复中的大规模应用受到极大限制；采用具有可逆特性的表面活性剂可为SEAR技术在污染环境修复广泛应用提供一种新思路,有望已成为解决该问题的可行途径之一。本文合成了两类典型可逆表面活性剂：乙脒类（NDAA）和二茂铁类（Fcn）可逆表面活性剂,通过元素分析和1H NMR等方法对化合物进行表征；重点研究了两类可逆表面活性剂的增溶相关表面化学性质,电化学可逆行为和增溶机理,展望了可逆表面活性剂在污染环境修复中的应用前景。通过研究得出的主要结论如下：（1）1H NMR与元素分析结果表明合成的两类可逆表面活性剂的结构与实际结构吻合；研究了两类可逆表面活性剂的表面张力、临界胶束浓度（CMC）的变化规律。结果表明两类可逆表面活性剂比具有相同碳链的常规表面活性剂具有更低的CMC值,其中N’-十二烷基-N,N-二甲基乙脒碳酸盐（DDAAB）与Fcl2（N,N-二甲基二茂铁甲基十二烷基溴化铵）的CMC是相应直链季铵盐阳离子表面活性剂的1/30和1/25,可逆表面活性剂具有更高的增溶潜力。（2）研究了二茂铁可逆表面活性剂对典型轻非水相液体（LNAPLs）类污染物苯、甲苯和乙苯的增溶作用。结果表明二茂铁可逆表面活性剂具有常规表面活性剂的增溶特性,在CMC前后增溶作用差别明显；Fc12对苯、甲苯和乙苯的胶束分配系数（Kmc）依次为729、898与1875,Fcl4的Kmc依次为1140、1628与3374,由此可知,Fc14对目标污染物的增溶能力要明显高于Fcl2的增溶作用,其增溶能力的大小顺序为：乙苯>甲苯>苯；二茂铁可逆表面活性剂溶液浓度对苯、甲苯和乙苯的去除效率影响明显,随着浓度的增加,去除效率逐渐降低,三种目标污染物的去除效率的大小关系与其相关增溶能力的大小刚好相反。（3）循环伏安行为研究结果表明Fc14与Fc12分别在Na2SO4（0.1mol/L）和Li2SO4（0.1 mol/L）支持电解质及pH较低酸性溶液中具有较好的可逆特性,在较高浓度时,电化学氧化过程以扩散控制为基本特征；低浓度下,电极吸附现象的特征趋于明显；Fc8在NaCl（0.1 mol/L）为支持电解质在中性及偏酸性条件下溶液具有较好的可逆特性,logIpc～logv呈现良好的线性关系且在一定浓度内直线的斜率接近0.5,说明Fc8的电化学氧化过程以扩散控制为基本特征。三种二茂铁表面活性剂的峰电流与扩散系数在CMC附近均出现明显的转折,与表面张力的变化规律吻合,胶束作用对峰电流和扩散系数影响显著。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 表面活性剂及其性质概述
• 1.1.1 表面活性剂的分类
• 1.1.1.1 阴离子表面活性剂
• 1.1.1.2 阳离子表面活性剂
• 1.1.1.3 两性表面活性剂
• 1.1.1.4 非离子表面活性剂
• 1.1.2 表面活性剂的物理化学性质
• 1.1.2.1 降低表面张力
• 1.1.2.2 胶团的形成
• 1.1.2.3 增溶效应
• 1.2 有机污染土壤和地下水修复技术研究进展
• 1.2.1 土壤和地下水有机污染物
• 1.2.2 土壤和地下水有机污染的修复
• 1.2.3 SEAR技术在修复污染土壤和地下水的应用及技术瓶颈
• 1.3 可逆表面活性剂的概述
• 1.3.1 可逆控制类型及性质
• 2/空气开关'>1.3.1.1 CO₂/空气开关
• 1.3.1.2 电化学控制开关
• 1.3.1.3 温度控制
• 1.3.1.4 光化学控制开关
• 1.3.2 可逆表面活性剂在环境修复中的应用展望
• 1.4 研究的目的与内容
• 1.4.1 NDAA系列及Fcn系列可逆表面活性剂的合成与表征
• 1.3.2. 可逆表面活性剂增溶相关表面化学性质
• 1.3.3 可逆表面活性剂对典型LNAPLs的增溶作用
• 1.3.4 可逆表面活性剂的可逆变化规律
• 第二章 可逆表面活性剂的合成及表征
• 2.1 试剂和仪器
• 2.1.1 主要试剂
• 2.1.2 主要仪器
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 NDAA的合成
• 2.2.2 二茂铁烷基胺的合成
• 2.3 可逆表面活性剂的的表征
• 2.3.1 NDAA的结构表征
• 2.3.2 二茂铁烷基胺的表征
• 2.4 本章小结
• 第三章 可逆表面活性剂NDAA碳酸盐性质研究
• 3.1 试剂和仪器
• 3.1.1 主要试剂
• 3.1.2 主要仪器
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 临界胶束浓度（CMC）的测定
• 3.2.2 电导率的测定
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 表面张力及临界胶束浓度
• 3.3.2 乙碳酸盐的可逆变换
• 3.4 本章小结
• 第四章 二茂铁可逆表面活性剂对典型LNAPLs的增溶作用
• 4.1 试剂和仪器
• 4.1.1 主要试剂
• 4.1.2 主要仪器
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 还原态表面张力及CMC测定
• 4.2.2 氧化态表面张力的测定
• 4.2.3 二茂铁表面活性剂对苯、甲苯和乙苯的增溶测定
• 4.2.3.1 目标污染物的增溶分析
• 4.2.3.2 二茂铁表面活性剂对目标污染物的增溶测定
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 氧化态和还原态二茂铁表面活性剂的表面张力
• 4.3.2 还原态二茂铁表面活性剂的临界胶束浓度
• 4.3.3 二茂铁表面活性剂对目标污染物的增溶作用
• 4.3.4 氧化还原态Fc14对目标污染物去除效果的对比
• 4.3.5 二茂铁表面活性剂和传统表面活性剂的增溶能力对比
• 4.4 本章小结
• 第五章 二茂铁可逆表面活性剂电化学行为的胶束效应
• 5.1 试剂和仪器
• 5.1.1 主要试剂
• 5.1.2 主要仪器
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 Fcn的合成
• 5.2.2 表面张力及临界胶束浓度（CMC）的测定
• 5.2.3 Fcn的电化学行为
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 Fc14电化学行为的胶束效应
• 5.3.1.1 Fc14在玻碳电极上的循环伏安行为
• 5.3.1.2 Fc14的临界胶束浓度（CMC）
• 5.3.1.3 Fc14的胶束效应对电化学行为的影响
• 5.3.2 Fc12电化学行为的胶束效应
• 5.3.2.1 Fc12在玻碳电极的循环伏安行为
• 5.3.2.2 Fc12的CMC和胶束效应
• 5.3.3 Fc8电化学行为的胶束效应
• 5.3.3.1 Fc8在玻碳电极的循环伏安行为
• 5.3.3.2 Fc8的临界胶束浓度及电化学胶束效应
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论和建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 附录A 攻读硕士期间发表论文情况
• 附录B 攻读硕士期间参加的科研项目
• 致谢