双子季铵盐表面活性剂的工业应用

双子季铵盐表面活性剂，又称阳离子Gemini 表面活性剂，是通过连接基团将两个或两个以上单链阳离子表面活性剂连接起来的一类新型表面活性剂。双子季铵盐表面活性剂特殊的双N 头基分子结构赋予其独特的物化性能，相比传统单链季铵盐，具有更加优异的表/界面活性、抑菌杀菌性和独特的流变行为，并且具有润湿性好和乳化能力强等优点。

双子季铵盐表面活性剂目前在杀菌消毒、油田、金属缓蚀、纺织印染、污水处理以及新材料等领域有着巨大的应用价值并获得了广泛关注。

在杀菌消毒领域中的应用

由于双子季铵盐表面活性剂分子中含有两个带正电的亲水基和两个疏水链，相比传统单链季铵盐(1231和1227)具有更强的杀灭细菌的能力，并且具有低毒、广泛的生物活性和良好的水溶性。

应用领域:①在个人护理品、化妆品和造纸工业杀菌防腐方面具有极大的应用价值;②可作为工业冷却循环水的高效杀菌剂，降低对管道的堵塞和设备的腐蚀;③在油田三次采油作为缓蚀杀菌剂(1227)的替代品，降低细菌(硫酸盐还原菌、铁细菌和腐生菌等)对石油输送管线的腐蚀并解决细菌耐药性的问题。

双子季铵盐表面活性剂杀菌消毒机理:① 双子季铵盐表面活性剂分子结构中具有两条疏水链，这有利于其疏水基深入菌体细胞的类脂层，亲水基深入蛋白层，导致酶失去活性和蛋白质变性;② 分子结构中含有两个N 头基，在诱导作用下双子季铵盐头基正电荷密度增加，这使表面活性剂更易吸附于细菌表面，改变细菌细胞壁渗透性并使其破裂，达到杀灭细菌的效果。

文献实例:

赵剑曦等研究表明，双子季铵盐表面活性剂的杀菌效果明显优于传统季铵盐，当对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀灭效果相同时，双子季铵盐表面活性剂的使用量仅为后者的1/25，杀灭白念球菌的使用量仅为后者的1/40，表现出高效的杀菌特性。

在石油工业杀菌领域，刘庆旺等研究了双子季铵盐(16-4-16)、1227和异噻唑啉酮对硫酸盐还原菌、铁细菌和腐生菌的杀灭效果。结果发现三种杀菌剂的杀灭效果都达到标准，但双子季铵盐表面活性剂的杀灭效果更好，并能够降低细菌耐药性。

在三次采油中的应用

作为油田清洁压裂液使用

压裂液是对油气层进行压裂改造时使用的工作液，其主要作用是通过将地面高压传递到地层使其形成裂缝输送支撑剂。传统压裂剂瓜尔胶、羟乙基纤维素等高分子聚合物会在裂缝中留下残渣伤害地层，造成地层渗流能力降低和产能下降。双子季铵盐表面活性剂因其独特的流变性和低伤害性，显示其在粘弹性表面活性剂压裂液(VES)中具有良好的应用前景。

文献实例:

贾振福等研究制备了新型双子季铵盐表面活性剂:双18烷基-四醇乙基-二溴乙二胺，和其他辅剂制备新型清洁压裂液体系。该体系具有良好的粘弹性、悬砂性能、低温溶解性和抗温稳定性能。此压裂液在中海油渤海石油已经投入使用。

朱红军等以长碳链含羟基双子季铵盐作为酸液稠化剂制备了一种清洁压裂液，结果表明该压裂液具有良好的热稳定性以及抗剪切、缓速、抗盐、破胶性能，用于酸化压裂作业可有效改善压裂效果，提高压裂效率，是一种理想的清洁压裂液。

注水井化学降压增注

注水井经过长期注水后，由于液阻效应、水锁伤害、粘土运移、地层结垢以及细菌的大量繁殖使得储层严重堵塞，而这一问题在近井地带尤为突出，从而导致水井注水压力居高不下、注水量严重不够。

化学法降压增注主要是通过含有双子季铵盐的降压增注剂注入水井内来降低油水界面张力，减少贾敏效应，增加油的流动能力;改变岩石表面润湿性，使得油藏更加亲水，发挥毛管力的作用;抑制黏土膨胀，减少对地层的伤害;抑制微生物的生长，减少对井底和地层伤害;提高注入水的渗透能力，达到低渗透油田降压增注的目的。并且降压增注技术具有一定的驱油效果。

文献实例:

付亚荣选用晋95站原油和晋95-2井注入水，对含有表面活性剂的降压增注剂FYR-ZZ进行降压增注模拟实验。结果表明:应用注水井降压增注剂后，增加了注水量，降低了注水压力，注水泵负荷减轻，提高了注水管线安全系数，同时具有一定的增有效果，并且注水井注入压力的降低，节省了电能。

在三次采油中用作高效化学驱油剂

双子季铵盐相比传统单链季铵盐具有更好的表面活性和更低的临界胶束浓度，并且在极低浓度下即可形成柔性线状胶束并相互缠绕而成为网状结构，溶液粘度大幅提升并具有切稀特性，特殊的流变性质可有效改变油水流度比，扩大波及体积，提高驱油效率。将含有此类双子季铵盐的溶液体系注入地层，不仅可以极大降低油水界面张力(达到10-3 mN/m)，改变油的流变性和乳化性，还可以改善地层表面润湿性(发生润湿反转)，减小油对地层表面的粘附力，洗油能力的大提高;还可以形成比较稳定的油水乳状液，使流动和采出变得更加容易。

文献实例:

范振忠课题组对三种双子季铵盐(m-n-m型)的驱油效率进行了研究，岩心驱替结果表明此类双子季铵盐与普通表面活性剂复配能够大幅度提高原油采收率，可成为三次采油用的高效驱替剂。

流体节能减阻剂

随着全球经济的增长，人类面临越来越深刻的能源危机，如何降低长距离管道流体输送过程中的流动摩阻阻力，减小泵站的动力消耗，是节能减阻技术开发中的重要一环。

加入流体化学减阻剂可以大幅度减小流动过程的阻力，降低泵的消耗，这种现象称为Toms效应。目前最常用的减阻剂为高分子和表面活性剂。高分子在泵的机械剪切下易发生链断裂，削弱减阻性能，不适合闭路循环式系统。表面活性剂胶束具有自组装性能，高速剪切后可自发回复到剪切的结构，具有良好的可逆性，对循环式和非循环式流体输送系统都适用。与传统表面活性剂相比，双子表面活性剂具有更优异的表面活性和自组装特性，在流体减阻体系具有极大的应用价值。

文献实例:

方波研究了双子季铵盐表面活性剂(C18-3-C18型)与水杨酸钠组成的胶束体系的流变和减阻性能。结果表明该胶束体系可有效降低直管流动摩擦阻力，远优于传统单链季铵盐CTAC/水杨酸钠的胶束体系。

在金属缓蚀领域中的应用

金属腐蚀可改变金属材料的力学和物化性能，会对工业生产和生活设施造成极大的经济损失。双子季铵盐表面活性剂在金属抗腐蚀方面较之传统单链季铵盐表现出更突出的性能，具有高效、无毒的特性。其能够通过其双N 头基强的静电吸引力使疏水链在金属表面形成致密的吸附薄膜，显著降低金属在化学介质中的腐蚀行为。目前在石油化工、运输、钢铁以及机械等领域有着广泛应用。

表面活性剂金属缓蚀机理:金属表面一般带负电荷，双子季铵盐表面活性剂溶于水后则在水中离解为带两个电荷的阳离子，双子季铵盐表面活性剂离子通过静电引力吸附在金属表面，疏水基团可在金属表面形成一层致密的疏水性膜，能很好的隔绝水或其他防腐蚀性物质与金属的接触，从而达到高效金属缓蚀的目的。

文献实例:

高志农等研究了系列双子季铵盐表面活性剂(m-n-m型)在1mM HCl 介质中对铝的防腐效果。结果表明此类双子季铵盐对铝在酸性介质中具有优良的防腐效果，在临界胶束浓度下具有最佳的防腐效果。进一步的实验表明此类双子季铵盐对各类金属都有高效的防腐效果，具有极高的金属缓蚀应用价值。

李俊等研究了系列羟丙基双子季铵盐(Cn-3OH-Cn)在H2S/CO2腐蚀介质中对L360钢的缓蚀作用。结果表明，在浓度为35 mg/L时缓蚀率达到95%以上。是一种阴极抑制为主的混合型缓蚀剂。

在纺织印染行业的应用

可作为涤纶织物碱减量促进剂和阳离子染料染色缓染剂

双子季铵盐对涤纶织物的碱减量处理具有明显的促进作用，处理后的织物强力损失较小，且织物的悬垂性、透气性和保湿率都能够有效改善，经阳离子染料处理的纤维结晶度和玻璃化温度较低，纤维内部结构比较松散，因此吸附速率较快。在染料中加入的双子季铵盐先进入纤维内部和磺酸基阴离子结合，待阳离子染料进去后再将其替代下来，从而减缓染料吸附速率，起到缓染的效果。

王荣祥等将双子季铵盐(m-n-m型)应用于涤纶织物碱减量促进剂和缓染剂，发现该类双子季铵盐对涤纶织物的碱减量处理具有明显的促进作用，整理后织物性能良好，性能明显优于传统单链季铵盐。

可用于改善锦纶印花麻点

锦纶在酸性染料印花时易在表面产生麻点，表现为在织物表面局部聚集。通过添加适当双子季铵盐，使得阴离子染料和双子季铵盐在布面形成空间网状结构，使染料在印花台升起或干燥过程中不易移动，防止纺织麻点的产生。双子季铵盐与酸性染料形成的稳定相互作用有利于减少印花麻点的产生。

有研究表明，含羟基双子季铵盐与其他助剂复配使用时，能够消除染料在锦纶印花时产生的麻点。

棉麻织物染色过程中的低盐工艺

棉织物染料染色过程中大量无机盐的使用给污水处理带来极大困难，无盐/低盐/代用碱染色已成为研究热点。通过少量双子季铵盐改性棉纤维，再进行活性染料递延染色，能够极大减少无机盐的用量，有利于降低成本，减少盐对环境的污染，并可提高产品的品质。

贾丽华等通过酯基双子季铵盐作为助剂对亚麻织物用活性染料进行染色，活性黄M-3RE的上染率、固色率达85%以上，该类双子季铵盐处理亚麻织物的染色性能优于传统季铵盐-CTAB，上色率和固色率分别提高了近10%。

在污水治理方面的应用

双子季铵盐相比传统季铵盐具有极强的吸附作用，因此常被用作吸附剂来清理液体中的污染物。通过表面活性剂治理污水首先需要将表面活性剂吸附于黏土或沙土等介质上，再用后者进行污染物的吸附。这是一种有效的治污手段。

文献实例:

刘学敏课题组通过酰胺基双子季铵盐作为有机插层剂应用于蒙脱土的改性，结果表明双子季铵盐成功插入蒙脱土片层间，改性后的蒙脱土对水中对氯苯酚的吸附量是未改性原土的6倍，对废水中有机物的去除显示出良好的应用价值。

Rosen等研究了传统季铵盐和双子季铵盐对2-萘酚的吸附情况。结果发现，附有双子季铵盐的蒙脱土对2-萘酚的吸附量是传统季铵盐改性蒙脱土吸附量的15倍，附有双子季铵盐的沙子、石灰石是传统的3倍，双子季铵盐相比传统季铵盐具有吸附量大，效率更高的特点。

制备介孔新材料

介孔分子筛具有较大的可控孔径和高的比表面积，目前大量应用于石油的催化裂解、分离以及纳米科学等领域。双子季铵盐由于其结构的多变性可以在水溶液中形成多种特殊结构的聚集体，在介孔材料制备过程中可以起到模板剂的作用，因此可以通过控制双子季铵盐烷基链的长度、联结基团的长度和种类来制备不同晶相、不同孔径的硅酸盐分子筛。双子季铵盐相比传统单链季铵盐用量极少，成本更低。

文献实例:

Vander Voort等通过调节双子季铵盐(m-n-m型)的联结基团长度可制备出不同晶形的介孔材料。当n=10,12时，可制备出MCM-48型分子筛;当n较小时，适合制备MCM-41。

胡军等分别以柔性联结基团双子季铵盐和刚性联结基团双子季铵盐为模板剂研究了联结基团对硅基介孔材料的影响。当联结基团为柔性的亚甲基时，结果与Vander Voort一致;当联结基团含有羟基时，可制备出层状材料结构;当联结链含有刚性苯环时，可得到空心球结构材料。

其他领域

双子季铵盐特殊的分子结构和优异的表/界面性质使其可作为织物的抗静电剂使用，在造纸行业可作为防霉杀菌剂、纤维分散剂、废纸脱墨剂和抗静电剂等。

审核编辑 ：李倩