典型汽车涂装废水处理工艺
摘 要：本文针对汽车涂装废水中含有树脂、表面活性剂、重金属离子，Oil、颜料等污染物，特别是其中的电泳废水、喷漆废水成份复杂，浓度高，可生化性差的实际情况，采用分质处理、混凝沉淀、混凝气浮、砂滤等工艺对涂装废水进行处理，取得了良好效果：CODCr去除率大于80%。实际运行表明，该工艺在技术和经济上均是合理可行的。
Treatment technics of representative coating wastewater of automobile manufacturing
Abstract：In this article, in allusion to the contamination of coating wastewater of automobile manufacturing which contains resin, surface active agent, heavy metal ion, oil, paint, dyestuff etc, especially the ELPO wastewater and painting wastewater which is complex, and has high concentration. we use separated pre-treatment, coagulating sedimentation, air flotation and sand filtration to treat coating wastewater and obtains good results: the removal rate of CODCr could be higher than 80%. The operate of the set proved that under this condition, it would be practicable both in technology and economy.
关键词：涂装废水；分质处理；混凝沉淀；混凝气浮；砂滤；Fenton试剂
Keywords：coating wastewater；separated pre-treatment；coagulating sedimentation；air flotation；sand filtration；Fenton reagent
翻译
汽车及其零部件的涂装是汽车制造过程中产生废水排放最多的环节之一。涂装废水含有树脂、表面活性剂、重金属离子，Oil、PO43-、油漆、颜料、有机溶剂等污染物，CODCr值高，若不妥善处理，会对环境产生严重污染。对此类废水，传统的方法是直接对混合废水进行混凝处理，治理效果不理想，出水水质不稳定，较难达到排放标准。特别是其中的喷漆废水，含大量溶于水的有机溶剂，直接采用混凝法处理效果很差。我们在上海某汽车厂经过实地勘查、大量分析调研和小试，针对涂装废水的特点，采用分质预处理再进行后续处理的二步处理的方法，并选择芬顿氧化—混凝沉淀，气浮物化工艺进行处理，达到了排放标准，CODCr去除率达到80%以上。
1废水的来源和主要污染物
1.1 涂装废水的来源及有害物质
涂装废水主要来自于预脱脂、脱脂、表调、磷化、钝化等车身前处理工序；阴极电泳工序和中涂、喷面漆工序。
废水中含有的主要有毒、有害物质如下：
涂装前处理：亚硝酸盐、磷酸盐、乳化油、表面活性剂、Ni2+、Zn2+。
底涂：低溶剂阴极电泳漆膜、无铅阴极电泳漆膜、颜料、粉剂、环氧树脂、丁醇、乙二醇单丁醚、异丙醇、二甲基乙醇胺、聚丁二烯树脂、二甲基乙醇、油漆等。
中涂、面涂：二甲苯、香蕉水等有机溶剂、漆膜、颜料、粉剂。
1.2 废水水质、水量
本工程设计处理水量60m3/h。
油漆车间排放的废水分为间歇排放的废槽液和连续排放的清洗水。
间歇排放废水主要来源于前处理槽的倒槽废液、喷漆工段排放的废液等，废水浓度高，一次排放量大，水质如表1所示。
表1 间歇排放废水的水质
污
染
物
源
来
水
废
CODCr
mg/L
Oil
mg/L
PO43-
mg/L
Zn2+
mg/L
Ni2+
mg/L
Cd2+
mg/L
碳黑
mg/L
pH 其它
预脱脂槽、脱脂槽废槽液、后喷淋、浸渍槽废槽液 2500~
4000
300~
950
250~400 9.5~11
表调槽废槽液 15~30 8.5~10.5
磷化槽废槽液、后喷淋、浸渍槽废槽液 400~600 100~150 20~30 6
钝化槽废槽液、后喷淋、浸渍槽废槽液 50~100 1~3 4~5
电泳废槽液 3000~
20000
81 7~9
中涂、面漆喷漆室水槽废液 3000 5~6 漆渣
连续排放废水主要来自于前处理工序的后喷淋、浸渍槽的溢流废水等，相对间歇排放废水，其浓度低、总排放水量大，其水质如表2所示。
表2 连续排放废水的水质
源
来
水
废
污
染
物
CODCr
mg/L
Oil
mg/L
PO43-
mg/L
Zn2+
mg/L
Ni2+
mg/L
Cd2+
mg/L
碳黑
mg/L
pH
脱脂后冲洗废水 300 25 10~20 7~8
磷化后冲洗废水 20~30 12 8 6
钝化后冲洗废水 10~15 0.1 5~6
DI水喷淋槽喷淋废水 3900 1~3 4
循环去离子清洗废水 400 6
自泳后水洗溢流废水 100~1000 8 7~9
2．涂装废水处理工艺设计
汽车涂装废水处理工艺的关键之一在于合理的清浊分质。对部分难处理或影响后续处理的废水，根据其性质和排放规律，先进行间歇的预处理，再和其它废水集中连续处理，这样不仅可以取得较好的和稳定的处理效果，而且在经济上也合理可行。
2.1 涂装废水处理工艺流程
涂装废水处理工艺流程如图1所示。
图1某汽车厂涂装废水处理站处理流程
2.2 间歇预处理
2.2.1 脱脂废液
对脱脂废液采用酸化法进行破乳预处理，向脱脂废液中投加无机酸将pH调至2～3，使乳化剂中的高级脂肪酸皂析出脂肪酸，这些高级脂肪酸不溶于水而溶于油，从而使脱脂废液破乳析油。
另外，加酸后使脱脂废液中的阴离子表面活性剂在酸性溶液中易分解而失去稳定性，失去了原有的亲油和亲水的平衡，从而达到破乳。经预处理后CODCr从2500～4000mg/L降低到1500～2400mg/L，去除率在40%左右；而含油量从300～950 mg/L降至50～70 mg/L，去除率高达90%～95%。
2.2.2 电泳废液
在阴极电泳废水中含有大量高分子有机物，CODCr最高可达20000mg/L，还含大量电泳渣，这些物质在水中呈细小悬浮物或呈负电性的胶体状。处理中加入适当的阳离子型聚丙烯酰胺（PAM）和聚合氯化铝（PAC）作混凝剂，利用絮凝剂的吸附架桥作用来快速去除废水中的污染物。电泳废液在预处理时要求pH值在11～12之间，有较好的沉淀效果。反应后的出水CODCr在2000 mg/L左右。
2.2.3 喷漆废水
对喷漆废水先采用Fenton试剂（H2O2+FeSO4）对其进行预处理，使其中的有机物氧化分解，CODCr去除效率约在30%左右，再加入PAC和PAM对其进行混凝沉淀，经过此两步处理，CODCr的总去除率可达到60%～80％，由3000～20000mg/L降至1200～4000mg/L。出水排入混合废水调节池。
Fenton试剂具有很强的氧化能力，当pH值较低时（控制在3左右），H2O2被Fe2+催化分解生成羟基自由基（·OH），并引发更多的其他自由基，从而引发一系列的链反应[1]。通过具有极强的氧化能力的·OH与有机物的反应，使废水中的难降解有机物发生部分氧化、使废水中的有机物C—C键断裂，最终分解成H2O、CO2等，使CODCr降低。或者发生偶合或氧化，改变其电子云密度和结构，形成分子量不太大的中间产物，从而改变它们的溶解性和混凝沉淀性。同时，Fe2+被氧化生成Fe(OH)3在一定酸度下以胶体形态存在，具有凝聚、吸附性能，还可除去水中部分悬浮物和杂质。出水通过后续的混凝沉淀进一步去除污染物，以达到净化的目的[2]。
2.3 连续处理
经预处理的各类废水排入均和调节池中，与其它废水混合后进入连续处理流程。混合后的废水CODCr约为700～900mg/L。连续处理分为二级：混凝沉淀和混凝气浮。
在涂装废水中，油、高分子树脂（环氧树脂）、颜料（碳黑）、粉剂、磷酸盐等在表面活性剂、溶剂及各种助剂的作用下，以胶体的形式稳定地分散在水溶液中。可以靠投加化学药剂来破坏胶体的细微悬浮颗粒在水中形成的稳定体系，使其聚集成有明显沉淀性能的絮凝体，然后形成沉淀或浮渣加以除去[3]。
在废水中加入一定量的无机絮凝剂后，它们可中和乳化油或高分子树脂的电位，压缩双电层，胶粒碰撞促进凝集，完成脱稳过程，形成细小密实的絮凝物。这样可使涂装废水中的金属离子和磷酸根离子在碱性条件下生成的固体小颗粒形成沉淀物[4]。所以混凝处理可有效地去除汽车涂装废水中的油、高分子树脂、颜料和粉剂[5]。
重金属离子和磷酸盐中，由于Ni2+生成Ni(OH)2沉淀以及PO43-生成Ca3 (PO4) 2沉淀的最佳pH值是10以上；而Zn2+生成氢氧化物沉淀的最佳pH值范围是8.5～9.5，pH过高会形成ZnO22－而溶解。所以要分二级混凝反应以分别去除Ni2+，PO43-和Zn2+ 。同时，混凝反应后的固液分离分别采用的是斜板沉淀池和气浮池，这样既可以用斜板沉淀池来去除比重较大的重金属化合物沉淀，又可以用气浮池来去除比重较轻的有机物等。
2.3.1 混凝沉淀
第一级为混凝沉淀调节pH值为10～10.5。
反应槽采用推流式反应槽，分为三格。第一格加碱将pH调高至10～10.5，加入CaCl2，第二格加FeSO4，第三格加混凝剂PAM，反应后进入斜板沉淀池进行固液分离。三格停留时间分别为15min、15min、7.5min。斜板沉淀池表面负荷按2m3/m2·h设计。一级反应CODCr去除率为50%～60%。图2为一级反应槽示意图。
图2 一级反应槽示意图
2.3.2 混凝气浮
二级反应的反应槽，也采用推流式反应槽，分为三格。第一格加酸将pH回调至8.5～9，第二格加PAC，第三格加PAM，反应后进入气浮池进行固液分离。二级反应槽三格停留时间分别为10min、10min、5min。气浮池的溶气水按处理水量的30%设计。二级反应CODCr去除率为20%～25%，同时气浮也去除了Zn2+和一部分的表面活性剂。
2.4 深度处理
深度处理采用砂滤和活性炭过滤。从运行情况看，经砂滤后的出水即能达到排放标准（CODCr≤300mg/L）。砂滤装置的过滤速度控制在10～12m3/（m2·h）。反冲洗水由监测水箱中的水加压后提供，反冲洗强度控制在16～18L/（m2·s）。
砂滤后的出水已能达到排放要求，因此，活性炭过滤只是一个应急保证措施，一般情况下较少使用。
2.5 污泥处理
污泥处理的好坏，直接影响废水处理站的运行。由于污泥含油量高，直接进行压滤效果较差，在污泥浓缩槽中加入Ca（OH）2，pH调整至10左右，能达到较好的压滤效果。污泥含水率经板框压滤机后可由99%下降至75%～80%。
2.6 连续处理去除率分析
连续处理过程去除率如表3所示。
表3 连续处理效率
出水位置 CODCr去除率
斜板沉淀池出口 50%～60%
气浮池出口 20%～25%
砂滤出口 15%
3处理效果分析
该工程自2002年运行至今，处理效果稳定，表4为上海市环境监测中心2004年对该厂的监测分析报告数据汇总。监测时间为3天，每天取样12次（1小时取样一次，包括废水处理装置进口和出口）。
表4 废水处理设施总排口监测数据
监测
项目
废水处理装置进口* 废水处理装置出口 上海市《污水综合排放标准》（DB31/199–1997）
浓度最小值(mg/L) 浓度最大值(mg/L) 浓度平均值(mg/L) 浓度最小值(mg/L) 浓度最大值(mg/L) 浓度平均值(mg/L)
pH 6.94 8.96 8.32 7.57 8.85 7.8 6~9
CODCr 434 759 625 73 132 115.6 300 三级标准
SS 93 351 204 21 145 29 350 三级标准
BOD5 36 145 87 4 83 16.9 150 三级标准
Oil 2.6 11.5 5.1 0.1 0.9 0.6 10 二级标准
Zn2+** - - - 0.02 1.6 0.09 4.0 二级标准
Mn2+** - - - 0.05 0.26 0.16 5.0 二级标准
Ni2+** - - - ND 0.18 0.09 1.0 第一类污染物排放标准
苯 ND ND ND ND ND ND 0.2 二级标准
甲苯 ND ND ND ND ND ND 0.2 二级标准
二甲苯 ND ND ND ND ND ND 0.6 二级标准
*废水处理装置进口指连续处理装置进口。
** Zn2+、Mn2+、Ni2+本次监测未分析，表中所列为该厂废水处理站日常分析数据。
由上表可以看出，经处理后的废水以上海市《污水综合排放标准》（DB31/199—1997）进行评价，其中CODCr、BOD5、SS按三级标准评价（废水处理后排入安亭水质净化厂），其余采用二级标准及第一类污染物最高允许排放浓度，均能达到工程设计指标。
目前，处理装置运行稳定，出水均能达标。
4．技术经济分析
工程造价和运行费用是人们在选用处理方法时所必须考虑和关心的问题。本工程采用分质处理后，与一般的集中物化处理比较，节省了加药量，污泥产量也有所减少，在一定程度上减少了运行费用，更重要的是保证了出水水质的稳定达标。本项目的技术经济指标见表5。
表5 本处理工程技术经济指标
总投资/万元 单位体积污水投资/万元 年运行费用/万元 单位体积污水处理费/元/m3
800 1.11 30 1.67
*年工作日按250天计，日处理水量为720 m3。
5．结论
1、本工程采用分质处理、混凝沉淀、混凝气浮、砂滤等工艺对汽车涂装废水进行处理在技术和经济上是合理可行的。实际运行结果证明，此工艺对重金属、SS、Oil的去除效率超过90%，对CODCr的去除率大于80%。
2、汽车涂装废水水量和水质变化大，要特别的重视废水水量、水质均衡和分质预处理。根据工程实践证明，对脱脂废液，电泳废水、废液和喷漆废水这三股废水分别进行间歇预处理，这不仅有利于后续处理效率的提高，体现出技术和经济的统一，而且对整个系统的稳定运行和出水的稳定达标至关重要。
参考文献：
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表面活性剂在化妆品中的应用
摘要：论述了表面活性剂的功能，如润湿、分散、乳化、增溶、起泡、消泡和洗涤去污等功能，以及在化
妆品中的作用。介绍了表面活性剂和化妆品的分类情况，化妆品的原料以及化妆品对表面活性剂的要求。
详细介绍了化妆品中常用的几种表面活性剂。对化妆品中用的表面活性剂的发展趋势进行了阐述。
关键词：表面活性剂；化妆品；功能；应用
表面活性剂在化妆品中的主要功能包括乳化、分
散、增溶、起泡、清洗、润滑和柔软等。表面活性剂
在化妆品中具有广泛的用途，起着重要的作用。化妆
品中所利用的表面活性剂的性能不仅仅是其单一的
性能，而是利用其多种性能，因此，表面活性剂是
化妆品生产中不可缺少的原料，广泛应用于化妆品
中。
化妆品是指以涂抹、喷、洒或者其他类似方法，
施于人体（皮肤、毛发、指趾甲和口唇齿等），以达
到清洁、保养、美化、修饰和改变外观，或者修正人
体气味，保持良好状态为目的的产品。目前，化妆品
的发展趋势是向疗效性、功能性和天然性方向发展。
1表面活性剂的分类
表面活性剂的分类方法有很多种，根据表面活性
剂的来源进行分类，通常把表面活性剂分为合成表面
活性剂、天然表面活性剂和生物表面活性剂三大类。
1.1合成表面活性剂
合成表面活性剂是指以石油、天然气为原料，通
过化学方法合成制备的表面活性剂。表面活性剂在性
质上的差异，除与烃基的大小和形状有关外，主要与
亲水基团类型有关。一般以亲水基团的结构为依据来
分类，按亲水基团是否带电可将表面活性剂分为离子
型和非离子型两大类，其中离子型表面活性剂又分为
阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂和两性离子表
面活性剂。
1.2天然表面活性剂
20世纪70年代的石油危机对以石油为基本原料
的表面活性剂工业产生了巨大的冲击，引起人们对能
源消耗、工艺生产过程、生态学和石油制品安全性等
一系列问题的思考，从而引发了以天然油脂为原料生
产表面活性剂的重大变革。由于生物新技术的应用，
油脂分离精制技术的发展，植物油脂品种的改良及增
产，使得大量获得价格较低的高纯度的天然油脂成为
可能，新的抗氧化剂的开发成功，解决了天然油脂腐
败变质的问题，再加上人们对安全及环保意识的提
高，以油脂为原料的天然表面活性剂的开发引起人们
的高度重视。目前在天然油脂中最受重视的要数棕榈
油和棕榈仁油。
1.3生物表面活性剂
生物表面活性剂是指由细菌、酵母和真菌等多种
微生物产生的具有表面活性剂特征的化合物。用微生
物生产表面活性剂是20世纪70年代后期国际生物工
程领域中研究的新课题。用微生物制取生物表面活性
剂可以得到许多难以用化学方法合成的产物，在结构
中引进了新的化学基团，而制得的产物易于被生物完
全降解，无毒性，在生态学上是安全的。生物表面活
性剂根据其亲水基的不同可分为糖脂系、酰基缩氨酸
系、磷脂系、脂肪酸系和高分子表面活性剂五类。
2表面活性剂的功能
表面活性剂是一类具有多种功能的精细化学品，表面活性剂具有润湿、分散、乳化、增溶、起泡、消
泡和洗涤去污等多种功能。
当液体与固体表面接触时，气体被排斥，原来的
固-气界面消失，代之以固-液界面，这种现象称
为润湿。从普遍意义而言，润湿是一种流体被另一种
流体自表面取代的过程。
通常把一种物质的颗粒或液滴以及微小的形态分
散到另一介质中的过程叫分散。所得到的均匀、稳定
的体系叫分散体。
乳化是一种液体以微小液滴或液晶形式均匀分散
到另一种不相混溶的液体介质中形成的具有相当稳定
性的多相分散体系的过程。
表面活性剂在水溶液中形成胶束后，具有能使不
溶或微溶于水的有机化合物的溶解度显著增大的能
力，且溶液呈透明状，这种作用称为增溶作用。
由液体薄膜或固体薄膜隔离开的气泡聚集体称为
泡沫，可分为液体泡沫和固体泡沫。在液体泡沫中，
液体和气体的界面起主要作用。一般地说，当表面张
力低，膜的强度高时，不论是稳定泡沫还是不稳定泡
沫，起泡力都较好。溶液的黏度对泡沫稳定在两方面
起作用：一方面是增强泡沫液膜的强度；另外，表面
黏度大，膜液体不易流动排出，延缓了液膜破裂，而
增强了泡沫的稳定性。
消泡作用分为破泡和抑泡两种。具有破泡能力的
物质称为破泡剂。有效的消泡剂既要能迅速破泡，又
要能在相当长的时间内防止泡沫生成。
洗涤去污作用是表面活性剂应用最广泛、最具有
实用意义的基本特性。洗涤去污过程是极为复杂的，
与污垢种类、基本性能、表面活性剂和助剂的种类和
结构密切相关，而其过程又是多种表面现象，如吸
附、润湿、渗透、乳化、分散、泡沫和增溶等在不同
情况下的综合效应。
3化妆品的分类
化妆品能对人体面部、皮肤表面、毛发和口腔起
清洁保护和美化作用。化妆品的品种多种多样，分类
方式也各不相同。按使用部位可分为：皮肤用化妆
品、毛发用化妆品、指甲用化妆品和口腔用化妆品。
按使用目的可分为：洁净用化妆品、基础保护化妆
品、美容化妆品和芳香制品，还可根据化妆品本身的
剂型分类。
4化妆品的原料
制造化妆品所用的原料有很多种，据统计大概有
3 000多种。根据化妆品原料在化妆品中所含比例的
大小，可分为基质原料和配合原料。基质原料是调配
各种化妆品的主体，也成为基础原料。膏霜类的油
脂，香粉类的滑石粉等均属基质原料；配合原料是用
来改善化妆品的某些性质和赋予色、香等的辅助原
料，如膏霜中的乳化剂、抗氧化剂和防腐剂等均属配
合原料。配合原料在化妆品中的比例虽小，但对化妆
品的质量影响却很大。它们之间没有绝对的界限，某
一种原料在化妆品中起着基质原料的作用，而在另一
化妆品中可能仅起着辅助原料的作用。
4.1基质原料
1）油脂类
油脂是组成膏霜类化妆品的基本原料，主要起护
肤、柔滑和滋润等作用。脂肪酸甘油酯是组成动植物
油脂的主要成分，在常温下呈液态的称为油，呈固态
的称为脂。根据来源又可分为植物性油脂和动物性油
脂。植物性油脂包括椰子油、橄榄油、蓖麻籽油、杏
仁油、花生油、大豆油和棕榈油等。动物油脂包括牛
油、猪油、貂油和海龟油等。这些动植物油脂加氢后
的产物称为硬化油。在化妆品中常用的硬化油有：硬
化椰子油、硬化牛脂、硬化蓖麻油和硬化大豆油等。
2）蜡类
蜡是高碳脂肪酸和高碳脂肪醇所组成的酯。在化
妆品中主要作为固定剂，增加化妆品的稳定性，调节
其黏度，提高液体油的熔点，使用时对皮肤产生柔软
的效果。依据来源的不同，蜡类也可分为植物性蜡和
动物性蜡。植物性蜡包括巴西棕榈蜡、霍霍巴蜡和小
烛树蜡等。动物蜡类包括蜂蜡、羊毛脂蜡、鲸油和虫
蜡等。
3）高碳烃类
用于化妆品原料中的烃类主要包括烷烃和烯烃，
它们在化妆品中的主要作用是其溶解作用，净化皮肤
表面，还能在皮肤表面形成憎水性油膜，来抑制皮肤
表面水分的蒸发，提高化妆品的功效。在化妆品中用
的主要包括角鲨烷、凡士林、液体石蜡和固体石蜡等。
4）粉类
粉类是组成香粉、爽身粉、胭脂、牙粉和牙膏等
粉类化妆品的基质原料。一般是不溶于水的固体，经
摘要：综述了生物表面活性剂的种类及其生产菌，介绍了目前常用的两种生产方法：微生物发酵法和酶法合成生物表面活性剂。总结了其在环境工程中的应用，如在废水处理中浮选去除重金属离子，在污染场地的生物修复中用于促进烷烃、多环芳烃(PAHs)的降解，修复受重金属污染的土壤等，并对今后的研究方向做了探讨。
关键词：生物表面活性剂 生物修复 重金属 多环芳烃
生物表面活性剂是微生物在一定条件下培养时，在代谢过程中分泌的具有表面活性的代谢产物。与化学合成表面活性剂相比，生物表面活性剂具有许多独特的属性，如：结构的多样性、生物可降解性、广泛的生物活性及对环境的温和性等[1]。由于化学合成表面活性剂受原材料、价格和产品性能等因素的影响，且在生产和使用过程中常会严重污染环境及危害人类健康。因此，随着人类环保和健康意识的增强，近二十多年来，对生物表面活性剂的研究日益增多，发展很快，国外已就多种生物表面活性剂及其生产工艺申请了专利[2]，如乙酸钙不动杆菌生产的一种胞外生物乳化剂已经有了成品出售。国内对生物表面活性剂的研制和开发应用起步较晚，但近年来也给予了高度重视，其中研究最多的就是生物表面活性剂在提高石油采收率以及生物修复中的应用。
1 生物表面活性剂的种类及其生产菌
1.1 生物表面活性剂的种类
化学合成表面活性剂通常是根据它们的极性基团来分类，而生物表面活性剂则通过它们的生化性质和生产菌的不同来区分。一般可分为五种类型：糖脂、磷脂和脂肪酸、脂肽和脂蛋白、聚合物和特殊表面活性剂[1]。
1.2 生物表面活性剂的生产菌
大多数生物表面活性剂是细菌、酵母菌和真菌的代谢产物。这些生产菌大多是从油类污染的湖泊、土壤或海洋中筛选得到的。如Banat等[3]从油泥污染的土壤中分离得到两株生物表面活性剂的菌株：芽孢杆菌AB-2和Y12-B。表1列出了一些主要的生物表面活性剂的种类及其生产菌[2,4]。
表1 生物表面活性剂的种类及其生产菌
生物表面活性剂
生产菌
海藻糖脂
石蜡节杆菌(Arthrobacter paraffineus)
棒状杆菌(Corynebacterium spp.)
红平红球菌(Rhodococus erythropolis)
鼠李糖脂
铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)
槐糖脂
解脂假丝酵母(Candida lipolytica) 球拟酵母(Torulopsis bombicola)
葡萄糖、果糖、蔗糖脂
棒状杆菌(Corynebacterium spp.)
红平红球菌(R.. erythropolis)
纤维二糖脂
玉蜀黍黑粉菌(Ustilago maydis)
脂多糖
乙酸钙不动杆菌(Acinetobacter calcoaceticus RAG1)
假单胞菌(Pseudomonas spp.)
脂肽
枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)
地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis) 荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)
鸟氨酸，赖氨酸，缩氨酸
氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)
盐屋链霉菌(Streptomyces sioyaensia)
葡萄糖杆菌(Gluconobacter cerinus)
磷脂
氧化硫硫杆菌(T. thiooxidans)
脂肪酸
野兔棒状杆菌(Corynebacterium lepus)
石蜡节杆菌(Arthrobacter paraffineus)
2 生物表面活性剂的生产
目前，可以通过两种途径生产生物表面活性剂:微生物发酵法和酶法。
采用发酵法生产时，生物表面活性剂的种类、产量主要取决于生产菌的种类、生长阶段，碳基质的性质，培养基中N、P 和金属离子Mg2+、Fe2+的浓度以及培养条件(pH、温度、搅拌速度等)。 如Davis等[5]在成批培养枯草芽孢杆菌时发现，在溶解氧耗尽和限氮条件下可得最大浓度(439.0 mg/L)的莎梵婷。Kitamoto等[6]利用南极假丝酵母的休止细胞生产甘露糖赤藓糖醇脂，对培养条件进行优化后，最高产量可达140 g/L。发酵法生产生物表面活性剂的优点在于生产费用低、种类多样和工艺简便等，便于大规模工业化生产，但产物的分离纯化成本较高。
与微生物发酵法相比，酶法合成的表面活性剂分子多是一些结构相对简单的分子，但同样具有优良的表面活性。其优点在于产物的提取费用低、次级结构改良方便、容易提纯以及固定化酶可重复使用等，且酶法合成的表面活性剂可用于生产高附加值产品，如药品组分。尽管现阶段酶制剂成本较高，但通过基因工程技术增强酶的稳定性与活性，有望降低其生产成本。
3 生物表面活性剂的提取
发酵产物的提取(也称下游处理)费用大约占总生产费用的60%，这是生物表面活性剂产品商业化的一个主要障碍。生物表面活性剂的最佳提取方法随发酵操作及其物理化学性质的不同而不同。其中溶剂萃取是最常用的提取方法，如Kuyukina等[7]利用甲基-叔丁基醚萃取红球菌生产的生物表面活性剂，可以获得较高产率10 mg/L。超滤是用于提取生物表面活性剂的一种新方法。Lin等[8]用分子量截止值为30000 Da的超滤膜从发酵液中提取枯草芽孢杆菌产生的脂肽类生物表面活性剂莎梵婷，收率达95%。Mattei等设计了一套连续提取生物表面活性剂的装置，应用切面流过滤法能连续提取产物，产率高达3 g/L[1]。能与连续发酵生产配套的产物提取方法有泡沫分离、离子交换树脂法等。Davis等[9]用泡沫分离法连续提取枯草芽孢杆菌产生的莎梵婷,收率达71.4%。鼠李糖脂的提取过程是先离心过滤除去细胞，再通过吸附色谱将鼠李糖脂浓缩在安珀莱特XAD-2树脂上，后用离子交换色谱法提纯，最后将液体蒸发和冷冻干燥可得纯度为90%的成品，收率达60%[2]。
4 生物表面活性剂在环境工程中的应用
许多化学合成表面活性剂由于难降解、有毒及在生态系统中的积累等性质而破坏生态环境，相比之下，生物表面活性剂则由于易生物降解、对生态环境无毒等特性而更适合于环境工程中污染治理。如：在废水处理工艺中可作为浮选捕收剂与带电胶粒相吸以除去有毒金属离子，修复受有机物和重金属污染的场地等。
4.1 在废水处理工艺中的应用
用生物法处理废水时，重金属离子对活性污泥中的微生物菌群常会产生抑制或毒害作用，因此，在用生物法处理含重金属离子的废水时须进行预处理。当前，常用氢氧化物沉淀法除去废水中的重金属离子，但其沉淀效率受氢氧化物溶解度的限制，应用效果不甚理想；浮选法用于废水预处理时又常因所用浮选捕收剂在其后续处理过程中难降解(如化学合成表面活性剂十二烷基磺酸钠)，易产生二次污染而受限制，因此，有必要开发易生物降解、对环境无毒害的替代品，而生物表面活性剂恰好具有这一优势。但是，国内外对这一方面的应用研究很少，直到最近才有报道。Zouboulis 等[10]研究了生物表面活性剂作为捕收剂除去广泛存在于工业废水中的两种有毒金属离子：Cr4＋和Zn2＋。结果表明,莎梵婷和地衣芽孢杆菌素在pH为4 时均能很好地从废水中分离吸附了Cr4＋的αFeO(OH)或Cr4＋与 FeCl3•6H2O形成的螯合物，极大地提高了Cr4＋(50 mg/L)的去除率，几乎可达100%；在pH为6时，莎梵婷对螯合物中的Zn2＋(50 mg/L)去除率高达96%，而在相同条件下，地衣芽孢杆菌素的处理效果不明显，去除率为50%左右。
方云 夏咏梅(无锡轻工大学化工学院,江苏 无锡,214036)
摘要:介绍了两性表面活性剂的流变性、水溶助长性、钙皂分散性和抗硬水性等一般性质。讨论了两性表面活性剂的流变性与表面活性剂浓度之间的关系,并给出了调节混合体系流变性的方法。从混合胶束理论出发,对两性表面活性剂是比其他类型表面活性剂更优秀的钙皂分散剂这一事实,作者提出了新见解。同时,对两性表面活性剂的生态性质,如生物降解性、鱼毒性等也进行了较为详细的介绍。
关键词:两性表面活性剂;流变性;钙皂分散性;生态性质
中图分类号:TQ423.3 文献标识码:A 文章编号:1001-1803(2000)06-0047-04
1 流变性
表面活性剂溶液的粘度随表面活性剂浓度增大而增大,但有时浓度进一步增大时溶液粘度反而会降低。表面活性剂浓度与表面活性剂团簇形状之间的关系已在第二讲中描述,表面活性剂溶液在低浓度时具有球状胶束,其流变性基本类同于牛顿型流体,因此粘度很低。随表面活性剂浓度增加,当球状胶束过渡到变型球状特别是棒状胶束时,粘度急剧增大。预计这是由于非球状胶束重叠使体系自由流动性减小而造成的,此时溶液便表现出非牛顿型流体的流变学特征,或具触变性或具抗流变性。体系浓度进一步增大,则胶束会变型至六角棒状胶束,一般称为进入中间相(M相)。此时由于胶束排列整齐,使胶束间不易滑移,故而体系粘度进一步增大,且抗流变性很强。当溶液浓度很大时,会进入层状相(G相),过渡到层状胶束。由于层状胶束中每层胶束的滑移面运动相对自由,粘度反而比M相有所下降。当然,各种浓度和各种胶束形状下溶液的流变特性随表面活性剂品种不同而不同。
由于两性表面活性剂自身带正、负电荷中心,彼此间的作用使其临界胶束浓度比相应的阴离子或阳离子表面活性剂的低,且达到一定浓度(一般为30%左右)便易形成流变性差的粘滞液体。通过在其中加入第三组分改变其胶束结构,可能改善两性表面活性剂的流变性,使得到浓度更高的两性表面活性剂溶液成为可能。如某种具有良好流变性的两性浓缩物中含5%～40%水,36%～70%两性表面活性剂,5%～45%水溶性非表面活性有机溶剂,可用于个人洗护用品。由于非表面活性有机溶剂的加入使得两性表面活性剂进入G相或L1相,从而有较好的泵送性和自由流动性。
40.2%的椰油酰胺丙基甜菜碱与60/40的丙二醇/水混合便可使体系处于G相。在浓度≥40%的甜菜碱两性表面活性剂中加入磺基甜菜碱两性表面活性剂、两性甘氨酸盐、三甲基甘氨酸等也可改善流变性,得到具有很好流动性的液体,并具有贮存稳定性。ChevalierY.研究了两性表面活性剂的分子结构与胶束结构、流变性间的关系。据报道一种新型双长链两性表面活性剂在水溶液中的层状相通过简单稀释能瞬间形成囊泡分散液。
2 水溶助长性
水溶助长剂是一类能够阻止液晶相形成和抑制胶束相形成的物质。水溶助长剂常用于在低温下保持表面活性剂溶液的流体状态,提高聚氧乙烯化非离子表面活性剂的浊点,还能降低离子型表面活性剂的临界溶解温度即KP温度。椰油亚氨基二丙酸钠的水溶助长性归因于分子中有两个离子性基团存在,使得分子的亲水性提高。表面活性剂型的水溶助长剂通过与主表面活性剂形成混合胶束而破坏液晶相,它们的强亲水头提高了表面活性剂混合分子间的亲水排斥作用,使液晶转变成球状胶束。两性表面活性剂对皂类而言是一种水溶助长剂,故可提高水溶性。由于皂类和两性表面活性剂在KP温度方面产生的协合效应,混合体系的KP温度能达到两种组分单独存在时都不能达到的低值。图1所示的十六酸皂和十六烷基羟基磺丙基甜菜碱(CHSB)混合体系具有KP温度的正协合效应,体系的最低KP温度为30℃,比十六酸钠皂的KP温度(58℃)和CHSB的KP温度(89℃)都低得多,即使在CHSB的摩尔分数为10%时,混合体系的KP温度也能够降低到大约50℃。
[1]
图1 KP的协合作用
3 钙皂分散性
阴离子型和两性表面活性剂中的一些品种能防止皂类在硬水中形成皂垢悬浮物,具有这种功能的物质称作钙皂分散剂。一些两性表面活性剂的钙皂分散值是目前所能达到的最低值,钙皂分散值的数值低于2%甚至难以测出。烷基甜菜碱在硬水中具有一定的钙皂分散力,但磺基甜菜碱的钙皂分散性比其更好,象酰胺丙基磺基甜菜碱的钙皂分散值低达2%。Parris[2～5]报道了许多磺基甜菜碱、酰胺基磺基甜菜碱和硫酸基甜菜碱的钙皂分散力值,并指出硫酸基甜菜碱和酰胺基磺基甜菜碱的钙皂分散性比磺基甜菜碱好。双酰胺基甜菜碱具有很强的降低表面张力的能力,其钙皂分散力良好。方云合成了分子中酰胺氮上带聚氧乙烯基团的羟基磺基甜菜碱
:
[6]
从表2可见磷酸基甜菜碱的钙皂分散力比磺基甜菜碱更强。
皂类的两大缺点是低温溶解度小和抗硬水能力差,上面已经提到离子型或两性型表面活性剂作为水溶助长剂,可以降低其KP温度,提高其低温水溶性。此外,阴离子型和两性表面活性剂中的一些品种还能防止皂类在硬水中形成皂垢悬浮物。
最早提出的钙皂分散机理认为钙皂分散剂对钙皂只是简单的分散作用,但用这种机理很难解释为什么钙皂分散剂的添加时间不同则获得的钙皂分散效果便不一样的实验事实。后来提出的钙皂分散机理认为是钙皂分散剂插入皂类胶束中形成混合胶束。典型的皂类胶束是在软水中形成的,一旦有钙、镁离子加入其中,皂类胶束便会发生反转,导致出现钙皂沉淀或悬浮
当p=1或2时,钙皂分散力均为2%,不带聚氧乙烯的相应物其钙皂分散力为3%。
朱水平[7]报道了在疏水基中引入聚氧乙烯链的羟基磺基甜菜碱物。但是如果有钙皂分散剂存在,并与皂类形成混合胶束,则肥皂的羧基被钙皂分散剂彼此分隔远离,不足以形成不溶性钙、镁皂而使胶束发生反转。
将钙皂分散的混合胶束机理与混合胶束可能产生的协合效应或复配效应这两者结合起来考虑,可以解释为什么两性表面活性剂是比阴离子或非离子型表面活性剂更优秀的钙皂分散剂。从第三讲(见《日化工业》2000年No.5》)表2列出的混合体系的分子间相互作用
其钙皂分散力为3%。而疏水链碳原子数为18,但
不含-O-键的类似物,其钙皂分散力为5%。覃善木[8]报道的锍
型甜菜碱的钙皂分散力见表1。何元君[9]报道
了磷酸基甜菜碱的钙皂分散力,见表2
。参数B的数值可以看出,阴离子-阴离子表面活性剂混合体系的B<-1,阴离子-非离子表面活性剂混合体系的B=-1～-5,而阴离子-两性表面活性剂混合体系的B=-5～-15。在形成混合胶束的分子间相互作用
第6期2000年12月
方云等:两性表面活性剂(四)两性表面活性剂的一般性质
方面,显然以阴离子-两性表面活性剂混合体系最强。其原因是两性表面活性剂中的阳离子基团能与阴离子表面活性剂中的阴离子基团发生类似于阴离子-阳离子表面活性剂的强相互作用,同时两性表面活性剂中携带的阴离子基团又能维持相互作用后复合体系的水溶性。第三讲中还证明阴离子-两性表面活性剂混合体系能产生降低cmc的协合作用或明显的复配效应。正是由于这种分子间的强相互作用,使得皂类与磺基甜菜碱两性表面活性剂混合胶束的cmc值降低。而临界胶束浓度的降低意味着溶液中皂类的单体减少,即皂类与钙、镁离子相互作用的机率减少,因而两性表面活性剂的钙皂分散力更高。
表3列出了椰油基磺丙基甜菜碱(CoSB)两性表面活性剂作为钙皂分散剂的成功应用实例。将CoSB加入到商标名为“象牙”的香皂中,观察在皂浓度为0.075%时在100mgCaCO3/L硬水中的钙皂沉淀情况。实验结果表明极少量的CoSB两性表面活性剂便能有效抑制钙皂沉淀,并改善了肥皂在硬水中的发泡性。类似的应用实例在文献中报道很多。
表3 “象牙”皂添加CoSB后在硬水中的结果
“象牙”皂(w/%)
0.0750.0750.0750.075
CoSB(w/%)
比例
结果沉淀,无泡
0.001500.003750.00750
50÷120÷110÷1
无沉淀,中等泡沫无沉淀,大量泡沫无沉淀,大量泡沫
中,羧基甜菜碱近似于定量地失去可溶性有机碳,形成大量的CO2,因而推知其发生了完全的生物降解。经Sturm试验和Fisher闭瓶试验,羧基甜菜碱的结果均优于已被接受认可为具有生物降解性的直链烷基苯磺酸盐(LAS)。甜菜碱和酰胺丙基甜菜碱均属于易生物降解类表面活性剂。这类产品中含有的有机物质,在密封瓶实验中BOD28/DOC值至少达到60%,在改良法
椰油酰胺OECD筛选试验中至少可以除去70%DOC。
丙基甜菜碱在OECD301D试验中BOD28值达到93%。Fernley[10]采用Fischer,Sturm和OECD试验过程,对烷基甜菜碱、磺基甜菜碱的生物降解性进行研究。在OECD试验中,羟基磺基甜菜碱的初级生物降解作用是很快的,而且很完全,降解度达到96%,验证实验达到94.8%。然而,磺基甜菜碱在Fischer和Sturm实验中不能直接降解。烷基甜菜碱在Sturm试验中产生的CO2量是理论量的81%(C14～15甜菜碱)及91%(C12甜菜碱),而十二烷基磺基甜菜碱和十六烷基磺基甜菜碱分别为49%和56%。这可能是因为生成了相当稳定的中间体。在同样的试验中,甜菜碱失去DOC初值的93%～99%,这表明其完全生物降解而无难分解的中间体形成。在Fischer密闭瓶实验中,甜菜碱吸收的氧占理论氧的比例也比磺基甜菜碱和羟基磺基甜菜碱高,证实了前述结果。
用BOD5/COD方法测试的结果证明两性咪唑啉是生物降解性好的品种,对20mg/L烷基两性羧基甘氨酸盐溶液用河道涅灭(RiverDie)试验测试,根据其表面活性降低判断生物降解性也证实了上述结论。Re-wo公司的报告由DIN38412测得两性咪唑啉的生物降解度为77%,属于易生物降解类物质。Henkel公司的报告也认为两性咪唑啉生物降解迅速。试验方法包括:根据OECD分级,闭瓶试验中BOD28/COD至少在60%以上,或在改良OECD筛选试验中至少达到70%
符合上述要求的有机组分均被认可为易DOC去除率。于生物降解。
所有表面活性剂,包括两性表面活性剂在内,其水生毒性均相似,具有大致相同的、典型的LC50值(鱼类和Daphnia毒性)为1mg/L～15mg/L。急性鱼毒以LC50的方式报道,为1mg/L～10mg/L(金鱼:DIN38412T15法,或斑马鱼:ISO7346法)。烷基甜菜碱的急性鱼毒LC50(金鱼:DIN38412T15或斑鱼:ISO7346)数值范围在10mg/L～100mg/L。采用同样的方法测定酰胺丙基甜菜碱的LC50为1mg/L～10mg/L。椰油酰胺甜菜碱的LC50(96h,OECD203)是2.0mg/L。
酰胺丙基甜菜碱的急性和慢性细菌毒性已得到研究,急性毒性EC50(Ps.putida,耗氧实验)数值大于
4 抗硬水性能
两性离子表面活性剂的结构特征决定了其具有较强的耐电解质能力,因而也耐硬水。表面活性剂的抗硬水性能主要体现在两个方面,即对钙皂的分散力以及自身对钙、镁硬离子的耐受能力。许多甜菜碱两性表面活性剂对钙、镁离子均表现出非常好的稳定性,Lin-field研究小组对甜菜碱两性表面活性剂的钙离子稳定性进行了考察,发现大部分磺基甜菜碱两性表面活性剂的钙离子稳定性均在1800mgCaCO3/L以上,属于具有最好抗硬水能力的表面活性剂之列。而相应的仲胺基化合物的钙离子稳定性值却要低得多。方云[8]报道在酰基羟基磺基甜菜碱的酰胺氮上引入聚氧乙烯基团后,其钙离子稳定性仍可达到1800mgCaCO3/L以上,证明这一类物质自身对水硬度不敏感。文献报道C8～16系列N-(3-烷氧基-2-羟基丙基)甜菜碱的钙离子稳定性亦大于1800mgCaCO3/L,并且有很好的钙皂分散性能。
5 生态性质
由两性表面活性剂的化学结构可以推知它们是生物降解性能好的品种。在SturmCO2试验和DOC试验
100mg/L,与慢性毒性(Ps.putida,抑制生长试验)的藻类生长抑制试验得EC50(72h,OECDEC50值相同。201)数值是3.3mg/L。
牛油基三丙四胺五羧甲基钠(TN4A5)是一种很好的两性表面活性剂,已经对其生态安全性质进行了考察,结果见表4和表5。在表5中,试验物被暴露于由耦合试验(OECD303A)(参见表4)的生物降解产物中,生物降解试验开始时TN4A5的起始浓度为71mg/L,总生物降解率达80%左右。直接用TN4A5进行的鱼毒试验表明EC50(48h,Daphnia)为14mg/L,LC50(48h,河鲑鱼)为2.4mg/L。
表4 TN4A5的生物降解性
试验方法
1.闭瓶试验 (OECD301D,5天)2.改良SCAS试验 (OECD302A)3.耦合单元试验 (OECD303A)
模拟试验
>90.0
由HPLC测得的初级生物降解值
内在生物降解
80.0
表示为DOC值
试验性质Ready生物降解
试验结果(%)72.5
评价简易生物降解
表6所列的数据可以看出,含12%左右表面活性剂的洗衣粉的总有机碳(TOC)是116g/kg,而固含量为46%左右的液体洗涤剂的TOC则达到336g/kg,因而TOC值高成为液体洗涤剂的一大缺点。TN4A5在液体洗涤剂中的推荐用量为10%～15%,这种两性表面活性剂基的液体洗涤剂的TOC值只有大约107g/kg,这对推广液体洗涤剂具有重要意义。
表6 TOC数据
洗衣粉液体洗涤剂
TOC(g/kg)
116
336
两性表面活性剂基液体洗涤剂
107
参考文献:
[1]方云.克拉夫点(KP)与cmc、PMAX的关系[J].日用化学工业,1991(1):20-24.
[2]ParrisN.,WeilJ.K.,LinfieldW.M.,Soapbaseddetergentformula-tion(V)[J].J.ofAmericanOilChemicalSoc.1973,50:509.
[3]ParrisN.,WeilJ.K.,LinfieldW.M.,Soapbaseddetergentformula-tion(XVIII)[J].J.ofAmericanOilChemicalSoc.1976,53:97.[4]ParrisN.,WeilJ.K.,LinfieldW.M.,Soapbaseddetergentformula-tion(XII)[J].J.ofAmericanOilChemicalSoc.1976,53:60.
[5]ParrisN.,PierceC.,LinfieldW.M.,Soapbaseddetergentformula-tion(XII)[J].J.ofAmericanOilChemicalSoc.1977,54:294.[6]方云.无锡轻工业学院硕士学位论文:合成新型磺基甜菜碱两性表面活性剂[D].1985.
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[8]覃善木.无锡轻工业学院硕士学位论文:新型含硫两性表面活性剂的合成与性能研究[D].1985.
[9]何元君.华东理工大学硕士学位论文:新型磷酸酯甜菜碱两性表面活性剂研究[D].1994.
[10]Fernleyg.W..Zwitterionicsurfactant:structureandperformence[J].J.ofAmericanOilChemicalSoc.1978,55:98.
表5 TN4A5的生物降解产物的鱼毒性试验方法
1.口服毒性(OECD202)2.口服毒性(OECD203)
试验对象Daphniamagna
斑马鱼(Brachydaniorerio)
EC50(48h)(mg/L)
35.5>71
优良的生物降解性和很低的鱼毒性使得TN4A5具有很好的应用前景,可以成为洗涤剂和个人洗护用品中的绿色化学成分。如果再结合其给配方带来的低TOC值,则上述结论就变得更有意义。近年来对洗衣粉及液体洗涤剂的生态效应已进行了广泛的讨论,从
AmphotericSurfactantsⅣ
GeneralPropertiesofAmphotericSurfactants
FangYun XiaYong-mei
(SchoolofChemicalandMaterialEngineering,WuxiUniversityofLightIndustry,Wuxi 214036,China)
Abstract:Generalpropertiesofamphotericsurfactantswereintroducedsuchasrheologicalproperty,hydrotropicproper-ty,limesoapdispersingabilityandhardwater-resistance.Therelationshipbetweenrhologicalpropertyandconcentrationofamphotericsurfactantswasdiscussed,andthemethodtoadjustrhoogicalpropertyofmixedsystemswasproposed,too.Thenewopiniontoexplainwhyamphotericsurfactantisthebestlimesoapdispersingagentwasgivenfromtheviewpointofmixedmicelletheory.Environmentaspectofamphotericsurfactantssuchasbiodegradationandfishtoxitywasintroducedindetail.
Keywords:amphotericsurfactant;rhologicalproperty;limesoapdispersingability;environmentaspect
