漂白劑的種類和漂白原理

PAGEPAGE4漂白劑的種類及其漂白原理***化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)教育專業(yè)06級指導(dǎo)教師:楊延民教授摘要:物質(zhì)的漂白脫色是化工生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的問題。根據(jù)化工產(chǎn)品呈色的原因不同，對不同物質(zhì)采取不同的漂白方法。我們通常使用活性炭等物理吸附劑漂白因含有色素而顯色的物質(zhì)。而對因含有生色團而顯色的物質(zhì)漂白，一般都是使用漂白劑與其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，我們稱它為化學(xué)漂白。根據(jù)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)機理的不同，將化學(xué)漂白劑分為氧化型漂白劑和還原型漂白劑。本文將對一些常見的漂白劑種類及其漂白的原理進行闡述。關(guān)鍵詞：漂白劑；原理；氧化；還原；二氧化硫；臭氧；氯氣TheTypeofBleachandthePrincipleofBlechingWuXuemeiCollegeofChmistryandChemicalEngineeringAbstract:Manychemicalproductshascolorthatwedonotwant,bleachingmaterialisfrequentlyencounteredinchemicalproductionproblems.Chemicalcolorationformanyreasons,thecolorationofdifferentproductsfordifferentreasons.Weusedifferentbleachmethodaccordingtothedifferentcolormaterial.Weusecharcoaltobleachsubstanceswhichcontainsthecolorpigmentsbyphysicaladsorption.blechingstancesmainlybyphysicaladsorptionandchemicalreaction,bleachingagentsarechemicalbleach.Inthispaper,somecommonbleachingagentsandtheprincipleofbleachingareexpounded.Keywords:bleaching；principle；oxidation；reduction；sulfur；dioxide；ozone；chlorine引言很多物質(zhì)都帶有我們不希望見到的顏色，我們要使物質(zhì)失去這種顏色，這就是我們通常所說的漂白。但是物質(zhì)顯色的原因是不同的，因此我們漂白不同物質(zhì)必須采用不同的方法。像含有色素或雜質(zhì)而顯色的物質(zhì)我們一般使用活性炭等脫色劑進行物理吸附，但是像品紅等物質(zhì)由于自身官能團對光的選擇性吸收而顯色，那就需要使用化學(xué)試劑與其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，我們通常稱其為化學(xué)漂白劑，化學(xué)漂白劑在工業(yè)漂白上得到廣泛應(yīng)用。而對于本身是白色的物質(zhì)，為增加其白度、亮度而使用的物質(zhì)叫做增白劑?？偟膩碚f，脫色劑、增白劑也屬于漂白劑這一大類?，F(xiàn)代漂白工業(yè)迅速發(fā)展，但漂白劑濫用的問題也隨之出現(xiàn)，特別是食品脫色，許多不法商家用工業(yè)漂白劑，如吊白塊對食物進行漂白，嚴重危害人們的身體健康。本文對如今的漂白劑種類及其漂白原理進行詳細論述，使大家了解生活中常見漂白劑的種類及漂白原理，增強自我保護意識。1物質(zhì)的顯色原理不同物質(zhì)顯色的原因不盡相同。比如說有很多物質(zhì)由于含有色素而顯色，或含有雜質(zhì)而顯示顏色。但大多數(shù)物質(zhì)由于本身對光的選擇性吸收而顯示顏色，其原理是物質(zhì)的顯色源對光的的選擇性吸收。物質(zhì)組成中的價電子在光的作用下發(fā)生躍遷，所吸收的光要滿足公式：△E=E(激)?-E(基)=h?=hc/λ。不同物質(zhì)價電子的基態(tài)能量E(基)不同，躍遷吸收的hv則不同，吸收光的頻率和波長也不同。當價電子躍遷能量差△E=4.97×10-19~2.74×10-19J，即吸收光波長在400~730nm時，物質(zhì)則因吸收可見光而顯色[1]。所以說物質(zhì)要顯色必須發(fā)生電子躍遷。對于有機物來講，如果含有Π鍵，由于共軛效應(yīng)和超共軛效應(yīng)，激發(fā)組成Π鍵的Π電子所需的能量較低，具有這種能量的光波處于紫外及可見光區(qū)內(nèi)。像含有C=C、C=O、N=N、C=S等Π鍵的不飽和基團我們稱之為生色團。2漂白劑的種類對于漂白劑其實我們并不陌生,我們常接觸到一些漂白劑。例如漂白粉、過氧化氫、二氧化硫等等。根據(jù)其漂白機理的不同我們將漂白劑分為物理漂白劑和化學(xué)漂白劑，而化學(xué)漂白劑又根據(jù)其反應(yīng)機理不同分為氧化型漂白劑、還原型漂白劑和其它類型漂白劑。2.1物理漂白劑物理漂白劑是指不與有色物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),只是對有色物質(zhì)發(fā)生物理附的物質(zhì)。當然具有這種性質(zhì)的物質(zhì)除了能吸附有色、有毒物質(zhì)之外,對所有物質(zhì)基本都具有吸附性，這就要求此類物質(zhì)具有足夠大的表面積,活性炭和白土就是（3）二氧化氯二氧化氯是一種重要的漂白劑，由于其漂白效果顯著，綠色無污染，是國際公認的最新一代高效、廣譜、安全的漂白劑，在世界發(fā)達國家已得到廣泛的應(yīng)用。二氧化氯的化學(xué)式為ClO2，是一種水溶性的強氧化劑，在常溫常壓下是黃綠色有類似氯氣的刺激性氣味的氣體。其分子量為67.45，沸點11℃，熔點－59℃。氣體ClO2密度為3.09g/L（11℃），液體ClO2的密度為1.64。ClO2在水中以ClO2單體存在，不聚合生成ClO2氣體，在20℃和4kpa（4）臭氧臭氧(O3)為淡藍色有特殊臭味的氣體。常溫常壓下臭氧不穩(wěn)定,具有較強的氧化性和漂白性。臭氧作為漂白劑無副產(chǎn)物產(chǎn)生，是理想的漂白劑，但由于其成本高昂，未得到廣泛應(yīng)用。2.2.2還原型漂白劑還原型漂白劑都具有還原性，能夠?qū)⑽镔|(zhì)的生色團還原，使其不能再顯示顏色。（1）連二亞硫酸鈉連二亞硫酸鈉俗稱“保險粉”，化學(xué)式為Na2S2O4，白色砂狀晶體或淡黃色粉末，連二亞硫酸鈉的結(jié)構(gòu)式可表示為：連二亞硫酸鈉在紙漿漂白中，是有代表性的還原劑。為了提高漂白效率，一般配合其他助劑一起使用。連二亞硫酸鈉能漂白多種染料，是良好的漂白劑，可以用來漂白彩色辦公廢紙脫墨漿。又因是還原漂白，所以對紙漿得率沒什么損失。研究和生產(chǎn)實踐表明，用保險粉漂白，提高紙漿白度的同時，對紙漿纖維強度和成紙的不透明度沒有什么負作用，而H202或含氯漂白劑都會存在不同程度的負作用。（2）吊白塊吊白塊又稱雕白粉(或印染助劑雕白塊)。化學(xué)名稱為次硫酸氫鈉甲醛或甲醛合次硫酸氫鈉?；瘜W(xué)式為HOCH2—SO2-Na+,也寫做NaH—SO2·HCHO·2H2O它是連二亞硫酸鈉與甲醛的加成化合物，加和過程如下：Na2S2O4+2HCHO+4H2O=NaHSO2·HCHO·2H2O+NaHSO3·HCHO·H2O半透明白色結(jié)晶或小塊，易溶于水。2.2.3其它類型（1）二氧化硫二氧化硫是最常見的硫氧化物。無色氣體，有強烈刺激性氣味?；瘜W(xué)式為SO2，V形極性分子，易溶于水，密度為2.55g/L，比空氣密度大。二氧化硫的漂白作用不持久，是暫時性漂白劑。（2）二氧化硫脲二氧化硫脲又稱為甲脒亞磺酸(FAS)及TD還原劑,分子量：108.12，化學(xué)式為HO2SC(NH)NH2，為無毒無味白色粉末狀結(jié)晶顆粒，還原電位高(一1230mV)，還原性強，熱穩(wěn)定性好，溶解度低(309／L．20℃).上世紀90年代開始探索高白度漂白廢紙原料中較豐富的廢報紙來代替漂白硫酸鹽漿(BKP)，于是出現(xiàn)了H2O2—TUDD兩段漂白，成為現(xiàn)代廢報紙高白度漂白的標準方法[11]3各種漂白劑的漂白原理3.1物理漂白劑的漂白原理（1）活性炭活性炭內(nèi)部有大量的孔隙,孔內(nèi)有許多約10nm～1mm大小的毛細管。所以活性炭內(nèi)部的表面積很大。1g活性炭內(nèi)部的表面積約為300～2500m2。這些孔隙和毛細管使活性炭具有很強的吸附性?；钚蕴繉儆诜菢O性吸附劑,因此易吸附非極性或弱極性物質(zhì)。（2）活性白土活性白土在水中和油中膨脹極小,有滑膩感,濕潤時有玻璃光澤。分子間為層狀結(jié)構(gòu),表面有許多不規(guī)則的孔穴,加熱至300℃以上脫去層間水,具有獨特的吸附性能,易吸潮,3.2化學(xué)漂白劑的漂白原理3.2.1氧化型漂白劑的漂白原理（1）過氧化氫類漂白劑的漂白原理過氧化氫類漂白劑是典型的氧化型漂白劑，起漂白作用主要是H2O2分解生成的活性氧[O]和OH·，[O]有強氧化性，能將物質(zhì)的生色團氧化，使Π鍵斷裂。過氧化氫類漂白劑主要有過氧化氫，過氧化鈉，過碳酸鈉，過氧乙酸，過硼酸鈉等。過氧化氫雙氧水作漂白劑時其漂白通常是在堿性溶液中進行的,過氧化氫在堿性條件下借光或加熱發(fā)生如下反應(yīng):H2O2+OH-HO2-+H2OHO2-OH-+O·O·+H2OOH·總反應(yīng)：H2O22OH·HO·與木素的發(fā)色基-松柏醛基[2]作用,HO·加到C=C鍵上，使雙鍵斷裂。使它失去發(fā)色功能而達漂白的目的。過氧化鈉過氧化鈉與水反應(yīng)或在酸性情況下生成H2O2，H2O2在過氧化鈉漂白時起漂白作用，其化學(xué)反應(yīng)如下所示，但是要注意漂白過程中產(chǎn)生出的強堿對被漂白物質(zhì)有腐蝕作用。2Na2O2+2H2O=H2O2+2NaOHNa2O2+H2SO4=H2O2+Na2SO4過碳酸鈉過碳酸鈉溶于水時,分解生成過氧化氫和純堿(碳酸鈉).其反應(yīng)式如下:2Na2CO3·3H2O2=2Na2CO3+3H2O2溶解后溶液呈堿性,有利于過氧化氫發(fā)生進一步分解生成活性氧[O]。過碳酸鈉干粉的活性氧含量相當于30%濃度的雙氧水。過硼酸鈉過硼酸鈉在水溶液中以過硼酸鈉陰離子(B2O8H42?）存在，B2O8H42水解形成起漂白作用的H2O2。由于過硼酸鈉是鹽，因此它的結(jié)構(gòu)極其穩(wěn)定，能與其他大多數(shù)洗滌劑中的成分共存。當洗滌溫度大于60℃時，含過硼酸鈉的洗滌劑漂白效果很明顯，但當洗滌溫度小于60過氧乙酸過氧乙酸是一種典型的有機過氧化物,具有強氧化性,易分解，在過熱的條件下或遇金屬雜質(zhì)分解更快，甚至有可能會發(fā)生爆炸[6].在漂白過程中，CH3COOOH會發(fā)生以下分解：CH3COOOH→CH3COOH+[O]（1）CH3COOOH→CH3CO·+·OOH（2）CH3COOOHH+M2+→CH3COO·+·OH+M3+（3）其中釋放出的[O]或過羥基自由基可以與色素反應(yīng)，從而起到漂白的作用。此外，在加工過程中，微量金屬離子如銅、鐵離子的存在會加速過氧乙酸的分解[7][8],分解所產(chǎn)生的自由基又進一步導(dǎo)致過氧乙酸的分解?？梢栽黾舆^氧乙酸的漂白能力。過氧化苯甲酰過氧化苯甲酰與面粉內(nèi)的類胡蘿卜素發(fā)生一系列復(fù)雜的氧化反應(yīng)，使類胡蘿卜素的共軛雙鍵被破壞，面粉中色素減小，達到面粉增白的目的。同時生成苯甲酸，苯甲酸進入人體后,經(jīng)9h～15h與甘氨酸化合成馬尿酸從尿液中排出,不在肌體內(nèi)積蓄。但如果過量食用會對肝臟造成傷害,使人產(chǎn)生惡心、頭暈、神經(jīng)衰弱等中毒現(xiàn)象。而且,面粉中過量添加過氧化苯甲酰,也會破壞面粉的營養(yǎng)成分。因而在歐盟等發(fā)達國家已將過氧化苯甲酰禁止作為食品添加劑使用。在我國的《食品添加劑使用衛(wèi)生標準GB2766-86》中規(guī)定,過氧化苯甲酰在小麥粉中的最大使用量為60ppm,即0.6g·kg-1,為限制性食品添加劑。（2）次氯酸鈉類漂白劑的漂白原理次氯酸類漂白劑的漂白原理與過氧化氫類漂白劑類似，次氯酸類漂白劑經(jīng)過反應(yīng)生成有氧化性的次氯酸。次氯酸具有強氧化性，可將有色的有機物中的發(fā)色基團氧化或與其不飽和鍵發(fā)生加成反應(yīng)從而使之變成穩(wěn)定的無色物質(zhì)，即褪色。但要注意的是，此類漂白劑對環(huán)境的污染比較大，但又由于其價格低廉，效果良好，所以在日常中仍被大規(guī)模使用。氯水次氯酸不穩(wěn)定,見光易分解:2HClO===2HCl+O2所以久置氯水見光變成很稀的鹽酸是沒有漂白作用的。通常所說的氯水是指新制氯水，其主要成分為：Cl2、HClO、H2O、H+、Cl-、ClO-和極少量的OH-等。新制氯水具有漂白作用,其漂白實質(zhì)是次氯酸的作用。次氯酸很不穩(wěn)定,分解生成氯化氫和[O]:HClO→HCl+[O]【4】[O]的氧化能力很強,能破壞有機色素結(jié)構(gòu)而達到漂白的目的。漂白粉、84消毒液漂白粉，84消毒液是目前市面上常見的次氯酸類漂白劑。漂白粉是將Cl2的通入石灰乳中而制得，其主要成分次氯酸鈣，它可以和CO2、H2O或者酸作用生成HClO。84消毒液的主要成分是次氯酸鈉，次氯酸鈉同樣可以與CO2、H2O或者酸作用生成HClO。Ca(ClO)2+CO2+H2O=2HClO+CaCO3Ca(ClO)2+2HCl=CaCl2+2HClONaClO+HCl=NaCl+HClO(3)二氧化氯的漂白原理二氧化氯的漂白主要是通過ClO2放出活性氧[O]，對木素生色基團的一系列氧化作用來實現(xiàn)的[4]。在不同的介質(zhì)中，二氧化氯的氧化能力是不同的。在酸性介質(zhì)中[5]：ClO2+4H++5e-→Cl-+2H2O由此可見，1分子ClO2得到5個電子，最終被還原成負1價的Cl-。用氯氣或次氯酸鹽漂白時，反應(yīng)式如下：Cl2+2e-→2Cl-ClO2+2e-→Cl-即1分子氯氣在反應(yīng)過程中僅得到2個電子1分子次氯酸鹽也是到2個電子。這樣，1mol二氧化氯的氧化能力是1mol氯氣或次氯酸鹽的2.5倍。具有同等氧化能力的二氧化氯所含的氯離子遠遠少于氯氣,因此,漂白過程中可能生成有機氯化物的概率就大大降低。在堿性介質(zhì)中：ClO2+e-→ClO2-每個氯離子僅得到一個電子，ClO2的漂白能力只發(fā)揮1/5，故ClO2漂白—般控制在弱酸的條件下進行。（4）臭氧的漂白原理臭氧是一種強氧化劑,用作紙漿的漂白劑，能有效脫除木質(zhì)素,提高紙漿的白度。據(jù)文獻報道，1976年,克拉茲爾、克勞斯和萊啟爾在國際紙漿漂白會議上提出了臭氧與木質(zhì)素和木質(zhì)素模型物反應(yīng)的機理,認為O3與木質(zhì)素反應(yīng)時在C3和C4處開環(huán),生成高極性結(jié)構(gòu),使生色團失去“生色”能力【4】。臭氧亦能與木質(zhì)素的未飽和雙鍵反應(yīng),生成的過氧化氫可用來漂白紙漿[3]:3.2.2還原型漂白劑漂白原理（1）連二亞硫酸鈉在紙漿漂白中，連二亞硫酸鈉是有代表性的還原劑。為了提高漂白效率，一般配合其他助劑一起使用。連二亞硫酸鈉漂白廢紙漿時，發(fā)生如下反應(yīng)：Na2S2O4+H2O+紙漿→漂白漿+NaHSO3+H2OS2O42-根中三價硫被氧化成HS03-四價硫，紙漿主要是利用此還原反應(yīng)還原醌，a、β不飽和醛及酮這些發(fā)色基團，使紙漿被漂白[10]。此外連二亞硫酸鈉能漂白多種染料，是良好的脫色劑，可以用來漂白彩色辦公廢紙脫墨漿。又因是還原漂白，所以對紙漿得率沒什么損失。研究和生產(chǎn)實踐表明，用保險粉漂白，提高紙漿白度的同時，對紙漿纖維強度和成紙的不透明度沒有什么負作用，而H202或含氯漂白劑都會存在不同程度的負作用。在堿性介質(zhì)中,連二亞硫酸鈉也可發(fā)生如下反應(yīng)：Na2S2O4+2NaOH=2Na2SO3+H2產(chǎn)生的單質(zhì)氫可與色素中的雙鍵發(fā)生加成作用而起到漂白的效果。（2）吊白塊吊白塊又稱雕白粉(或印染助劑雕白塊)?；瘜W(xué)名稱為次硫酸氫鈉甲醛或甲醛合次硫酸氫鈉?；瘜W(xué)式為HOCH2—SO2-Na+,也寫做NaH—SO2·HCHO·2H2O。它是連二亞硫酸鈉與甲醛的加成化合物，加和過程如下：Na2S2O4+2HCHO+4H2O=NaHSO2·HCHO·2H2O+NaHSO3·HCHO·H2O吊白塊為半透明白色結(jié)晶或小塊，易溶于水。高溫下具有極強的還原性，有漂白作用。吊白塊漂白時起主要作用的是連二亞硫酸鈉。作用機理如下：有些不法商家使用吊白塊作食品脫色劑，吊白塊固體在酸性環(huán)境中120℃時將會分解生成甲醛、二氧化硫和硫化氫等有毒氣體。吊白塊水溶液在60℃以上就開始分解出有害物質(zhì)。甲醛氣體可由呼吸道吸入，液體可由消化道吸收，在很多組織內(nèi)，特別是肝臟和紅細胞內(nèi)被迅速氧化為甲酸，這個過程可引起組織損害。甲醛在體內(nèi)還可以還原為甲醇，對視神經(jīng)有破壞作用。甲醛也具有凝固蛋白質(zhì)，使蛋白質(zhì)變性的特點，故添加次硫酸氫鈉甲醛(吊白塊)的食品組織因蛋白質(zhì)變性而呈均勻交錯的“凝膠”結(jié)構(gòu)，使食品外觀和口感得到改善顯得有彈性，更耐咀嚼。研究表明，甲醛易與細胞親核物質(zhì)反應(yīng)形成加合物，并引起DNA3.3其它類型漂白劑的漂白原理（1）二氧化硫的漂白原理SO2溶于水后生成的亞硫酸跟有機物質(zhì)直接結(jié)合成無色的化合物。如將SO2通入微酸性的品紅溶液里，溶液顏色由紅色變?yōu)闊o色，這是亞硫酸直接和有機物質(zhì)結(jié)合的結(jié)果。品紅的結(jié)構(gòu)里有一個“生色團”，該生色團遇到亞硫酸后生成不穩(wěn)定的無色化合物,改變了生色團的結(jié)構(gòu)。無色化合物不穩(wěn)定,遇熱時又分解為“生色團”。所以二氧化硫使品紅溶液褪色后，加熱又能恢復(fù)成原色?？梢杂萌缦禄瘜W(xué)方程式表示[9]：常用二氧化硫漂白紙張，編織品（如草帽等）。但需注意的是二氧化硫漂白的缺點：污染環(huán)境，效果不持久。（2）二氧化硫脲的漂白原理二氧化硫脲（FAS）既不是氧化劑也不是還原劑，本身不具備氧化或還原能力，只有與NaOH反應(yīng)后才能形成具有較高還原電位的亞磺酸，才具有較高的漂白能力。但NaOH加入量過多時，含機械漿較多的脫墨漿就有泛黃的危險。FAS對溫度的依賴性很強，只有在合適的溫度下才能使其不穩(wěn)定的同分異構(gòu)體轉(zhuǎn)變成亞磺酸和尿素，達到最大的還原負電位，具有最佳的漂白脫色能力。FAS作為一種新型的紙漿漂白劑，其優(yōu)點：使用操作方便，漂白效果好；廢水無污染，可直接排入農(nóng)田；FAS的還原電位比連二亞硫酸鹽的高，它能破壞連二亞硫酸鹽不能反應(yīng)的生色團，能徹底破壞偶氮染料，減少醌結(jié)構(gòu)的數(shù)量；適合紙漿中染料的脫色；特別適合二段漂白的后段漂白，漂白時的最佳pH值為堿性，過氧化氫漂白后，不用調(diào)節(jié)pH值。但殘留的H2O2會消耗FAS而使其漂白效率下降，F(xiàn)AS的價格高，且FAS水溶液中易降解，F(xiàn)AS的堿性漂液需在使用前的最短時間內(nèi)制成，越快使用越好。4結(jié)語漂白劑在我們的生活和生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛，因此了解其漂白原理是非常必要的。它為我們選擇合適的漂白劑提供理論依據(jù)，對漂白劑的選擇一般是根據(jù)其漂白效果、成本高低以及對環(huán)境的污染等多方面因素進行綜合考慮。像過氧化氫類，保險粉等漂白劑一般應(yīng)用于工業(yè)漂白。次氯酸類漂白劑雖說對環(huán)境有污染，但由于其價格低廉，漂白效果不錯，因此仍被廣泛應(yīng)用于工業(yè)漂白。而對于食品漂白一般使用活性炭、二氧化硫、臭氧、過氧化氫類漂白劑進行漂白，而現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于面粉漂白的過氧化苯甲酰，其副產(chǎn)物苯甲酸將破壞面粉的營養(yǎng)和損害身體健康。因此，對過氧化苯甲酰的量的控制