漂白剂的种类和漂白原理分析解析.doc

漂白剂的种类及其漂白原理 * 化学化工学院化学教育专业06级 指导教师:杨延民教授 摘要 : 物质的漂白脱色是化工生产中经常遇到的问题。根据化工产品呈色的原因不同，对不同物质采取不同的漂白方法。我们通常使用活性炭等物理吸附剂漂白因含有色素而显色的物质。而对因含有生色团而显色的物质漂白，一般都是使用漂白剂与其发生化学反应，我们称它为化学漂白。根据发生化学反应机理的不同，将化学漂白剂分为氧化型漂白剂和还原型漂白剂。本文将对一些常见的漂白剂种类及其漂白的原理进行阐述。 关键词：漂白剂 ； 原理 ；氧化 ；还原 ； 二氧化硫 ；臭氧 ；氯气 The Type of Bleach and the Principle of Bleching Wu Xuemei College of Chmistry and Chemical Engineering Grade2006 Instructor:Yang YanminAbstract : Many chemical products has color that we do not want, bleaching material is frequently encountered in chemical production problems. Chemical coloration for many reasons, the coloration of different products for different reasons .We use different bleach method according to the different color material. We use charcoal to bleach substances which contains the color pigments by physical adsorption. bleching stances mainly by physical adsorption and chemical reaction, bleaching agents are chemical bleach. In this paper, some common bleaching agents and the principle of bleaching are expounded.提供更好的翻译建议Key words : bleaching ；principle ；oxidation ；reduction；sulfur；dioxide；ozone；chlorine 引言 很多物质都带有我们不希望见到的颜色，我们要使物质失去这种颜色，这就是我们通常所说的漂白。但是物质显色的原因是不同的，因此我们漂白不同物质必须采用不同的方法。像含有色素或杂质而显色的物质我们一般使用活性炭等脱色剂进行物理吸附，但是像品红等物质由于自身官能团对光的选择性吸收而显色，那就需要使用化学试剂与其发生化学反应，我们通常称其为化学漂白剂，化学漂白剂在工业漂白上得到广泛应用。而对于本身是白色的物质，为增加其白度、亮度而使用的物质叫做增白剂。总的来说，脱色剂、增白剂也属于漂白剂这一大类。现代漂白工业迅速发展，但漂白剂滥用的问题也随之出现，特别是食品脱色，许多不法商家用工业漂白剂，如吊白块对食物进行漂白，严重危害人们的身体健康。 本文对如今的漂白剂种类及其漂白原理进行详细论述，使大家了解生活中常见漂白剂的种类及漂白原理，增强自我保护意识。1 物质的显色原理不同物质显色的原因不尽相同。比如说有很多物质由于含有色素而显色，或含有杂质而显示颜色。但大多数物质由于本身对光的选择性吸收而显示颜色，其原理是物质的显色源对光的的选择性吸收。物质组成中的价电子在光的作用下发生跃迁，所吸收的光要满足公式：E=E(激) - E(基)= h= hc/。不同物质价电子的基态能量E(基)不同，跃迁吸收的hv则不同，吸收光的频率和波长也不同。当价电子跃迁能量差E=4.9710-19 2.7410-19J，即吸收光波长在400730nm时，物质则因吸收可见光而显色1。所以说物质要显色必须发生电子跃迁。对于有机物来讲，如果含有键，由于共轭效应和超共轭效应，激发组成键的电子所需的能量较低，具有这种能量的光波处于紫外及可见光区内。像含有C=C 、C=O 、N=N、C=S 等键的不饱和基团我们称之为生色团。2 漂白剂的种类 对于漂白剂其实我们并不陌生,我们常接触到一些漂白剂。例如漂白粉、过 氧化氢、二氧化硫等等。根据其漂白机理的不同我们将漂白剂分为物理漂白剂和化学漂白剂，而化学漂白剂又根据其反应机理不同分为氧化型漂白剂、还原型漂白剂和其它类型漂白剂。2.1 物理漂白剂 物理漂白剂是指不与有色物质发生化学反应, 只是对有色物质发生物理附的物质。当然具有这种性质的物质除了能吸附有色、有毒物质之外, 对所有物质基本都具有吸附性，这就要求此类物质具有足够大的表面积, 活性炭和白土就是最常见的此类物质，所以这类物质叫做脱色剂更为合适，即有色物质被吸附到多孔物质的孔隙内。 （1）活性炭将木炭在1200K的水蒸气中进行加热,即可得到活性炭，活性炭具有物理吸附作用。常见的易被活性炭吸附的物质如下： 吸附色素。通常用于溶液脱色( 漂白),如制造白糖工业中可用活性炭做脱色剂。 吸附有毒的气体( 或蒸气):如NO、NO2、Cl2、Br2、C6H6都能被活性炭吸附，因此活性炭也常用于去毒、防毒、冰箱除臭等。 吸附水中有臭味的物质,如用于水的除臭净化。另外活性炭也常用来吸附水中的汞、铬的重金属离子等等。 （2）活性白土活性白土是膨润土的一种深加工产品，它由膨润土脱水、粉碎, 加硫酸活化, 经水洗、分离、干燥而得。分子式为H2Al2(SiO3)4 .nH2O ，主要成分是Al2O3 和SiO2 的混合物, 外观为灰白、粉红或白色粉末, 表观密度0.60.8 g/cm 3, 相对密度2.5，不溶于水和有机溶剂。活性白土主要用于矿物油、植物油、动物油、石蜡、脂肪酸及有机化学物品的脱色精制。2.2 化学漂白剂 相对于物理漂白剂而言，化学漂白剂是漂白剂与被漂白的物质发生化学反应，使其生色团被破坏而不能显示颜色的物质。又根据漂白剂在化学反应中所起的作用不同而分为氧化型漂白剂、还原型漂白剂和其它类型的漂白剂。2.2.1 氧化型漂白剂氧化型漂白剂都具有强氧化性，能够将物质的生色团氧化，使其不能再显示颜色。一般分为过氧化氢类、次氯酸类、二氧化氯、臭氧等。 （1）过氧化物类 过氧化氢类漂白剂是指过氧化氢或在一定条件下可以生成过氧跟的漂白剂，过氧化氢类漂白剂漂白物质主要是发挥过氧化氢的氧化性。一般作为织物、丝稠、麦秆等的漂白剂，其漂白作用持续永久，其副产物是水，对环境无污染，是一类环保高效的漂白剂。 过氧化氢 过氧化氢化学式为H2O2,可与水以任何比例混合，水溶液俗称双氧水。双氧水作为漂白剂由于其反应时间短、白度高、放置久不返黄、对环境污染小、废水便于处理等优点而广泛用于涤棉、丝绸、棉、麻织物、纸浆及油画等的漂白。 过氧化钠 过氧化钠(Na2O2)粉末呈黄色, 易吸潮, 与水或稀酸作用生成过氧化氢, 并猛烈放热。 过碳酸钠 过碳酸钠(或称过氧化氢碳酸钠)是碳酸钠和过氧化氢的加合物，化学式为2Na2CO3 3H2O2。过碳酸钠漂白剂与污染环境的氯漂白剂相比,对环境无不良影响, 当它与含水的介质接触的时候,分解成氧气,水和天然的纯碱. 含有过碳酸钠的洗涤剂和漂白剂具有较强的去污能力,尤其对于用来预浸沾有重污的衣物非常有效. 值得称道的是, 过碳酸钠具有保色增艳作用,不会损伤织物的颜色,并且防止织物变黄或者变暗.过碳酸钠主要用于各类固体洗涤剂和彩漂粉, 也可以制成安全环保的释氧剂、消毒剂，此外,过碳酸钠也可以应用于个人护理品, 食物漂白,纸浆漂白和织物漂白中。 过硼酸钠 过硼酸钠是无味的白色固体，可溶于水，化学式为NaBO3.nH2O，过硼酸钠一般作为洗衣粉的添加剂，能提高洗涤物的白度，且不损害洗涤物原来的颜色。 过氧乙酸 过氧乙酸又名过乙酸(peraceticacid ,简称PAA)、过氧酸、过氧化乙酸, 过氧乙酸溶液为无色透明液体。过氧化苯甲酰 过氧化苯甲酰是较常用的一种氧化型漂白剂,通常用作面粉的增白剂,可以氧化小麦粉内的类胡萝卜素,适量添加不但可以改善面粉的色泽，提高面粉白度，还能改变面团筋。（2）次氯酸类 次氯酸类漂白剂是指在一定条件下可以生成次氯酸的漂白剂。此类漂白剂漂白物质主要是HClO的氧化作用，比如说新制氯水，漂白粉或84消毒液等。HClO具有强氧化性,可将有色的有机物中的发色基团氧化或与其不饱和键发生加成反应，从而使之变成较稳定的无色物质。次氯酸的漂白是彻底的、不可逆的,有机色素褪色后不能恢复到原有的颜色。可用作棉、麻、纸张等的漂白。氯水 氯气的水溶液叫氯水。常温下,1m3水中可溶解约2.5 m3的氯气。溶解的部分氯气能与水反应生成次氯酸，次氯酸是新制氯水的主要成分。 漂白粉，84消毒液 漂白粉，84消毒液是目前市面上常见的漂白剂。漂白粉是将Cl2的通入石灰乳中而制得，其主要成分是次氯酸钙。而84消毒液得主要成分为次氯酸钠。 （3）二氧化氯 二氧化氯是一种重要的漂白剂，由于其漂白效果显著，绿色无污染，是国际公认的最新一代高效、广谱、安全的漂白剂，在世界发达国家已得到广泛的应用。 二氧化氯的化学式为ClO2，是一种水溶性的强氧化剂，在常温常压下是黄绿色有类似氯气的刺激性气味的气体。其分子量为67.45，沸点11 ，熔点59 。气体ClO2密度为3. 09g/ L（11 ），液体ClO2的密度为1.64。ClO2在水中以ClO2单体存在，不聚合生成 ClO2气体，在20 和4 kpa压力下，溶解度为2.9 g/L。在水中不与有机物结合，不生成三氯甲烷致癌物，因此被称为不致癌的漂白剂。 （4）臭氧 臭氧(O3)为淡蓝色有特殊臭味的气体。常温常压下臭氧不稳定, 具有较强的氧化性和漂白性。臭氧作为漂白剂无副产物产生，是理想的漂白剂，但由于其成本高昂，未得到广泛应用。2.2.2 还原型漂白剂 还原型漂白剂都具有还原性，能够将物质的生色团还原，使其不能再显示颜色。 （1）连二亚硫酸钠连二亚硫酸钠俗称“保险粉”，化学式为Na2S2O4，白色砂状晶体或淡黄色粉末，连二亚硫酸钠的结构式可表示为： 连二亚硫酸钠在纸浆漂白中，是有代表性的还原剂。为了提高漂白效率，一般配合其他助剂一起使用。连二亚硫酸钠能漂白多种染料，是良好的漂白剂，可以用来漂白彩色办公废纸脱墨浆。又因是还原漂白，所以对纸浆得率没什么损失。研究和生产实践表明，用保险粉漂白，提高纸浆白度的同时，对纸浆纤维强度和成纸的不透明度没有什么负作用，而H202或含氯漂白剂都会存在不同程度的负作用。 （2）吊白块 吊白块又称雕白粉(或印染助剂雕白块)。化学名称为次硫酸氢钠甲醛或甲醛合次硫酸氢钠。化学式为HOCH2SO2-Na + ,也写做NaHSO2HCHO2H2O 它是连二亚硫酸钠与甲醛的加成化合物，加和过程如下： Na2S2O4 + 2HCHO + 4H2O = NaHSO2 HCHO2H2O + NaHSO3HCHOH2O半透明白色结晶或小块，易溶于水。 2.2.3 其它类型 （1）二氧化硫 二氧化硫是最常见的硫氧化物。无色气体，有强烈刺激性气味。化学式为SO2，V形极性分子，易溶于水，密度为2.55g/L，比空气密度大。二氧化硫的漂白作用不持久，是暂时性漂白剂。 （2）二氧化硫脲二氧化硫脲又称为甲脒亚磺酸(FAS)及TD还原剂,分子量：108.12，化学式为HO2SC(NH)NH2，为无毒无味白色粉末状结晶颗粒，还原电位高(一1230mV)，还原性强，热稳定性好，溶解度低(309L20).上世纪90年代开始探索高白度漂白废纸原料中较丰富的废报纸来代替漂白硫酸盐浆(BKP)，于是出现了H2O2TUDD两段漂白，成为现代废报纸高白度漂白的标准方法 11 。3 各种漂白剂的漂白原理3.1 物理漂白剂的漂白原理 （1）活性炭活性炭内部有大量的孔隙,孔内有许多约10nm1mm大小的毛细管。所以活性炭内部的表面积很大。1g活性炭内部的表面积约为3002500m2。这些孔隙和毛细管使活性炭具有很强的吸附性。活性炭属于非极性吸附剂,因此易吸附非极性或弱极性物质。 （2）活性白土活性白土在水中和油中膨胀极小,有滑腻感,湿润时有玻璃光泽。分子间为层状结构,表面有许多不规则的孔穴,加热至300以上脱去层间水,具有独特的吸附性能,易吸潮,水分过高时影响脱色效果。3.2 化学漂白剂的漂白原理3.2.1 氧化型漂白剂的漂白原理 （1）过氧化氢类漂白剂的漂白原理 过氧化氢类漂白剂是典型的氧化型漂白剂，起漂白作用主要是H2O2分解生成的活性氧O 和OH，O 有强氧化性，能将物质的生色团氧化，使键断裂。过氧化氢类漂白剂主要有过氧化氢，过氧化钠，过碳酸钠，过氧乙酸，过硼酸钠等。 过氧化氢 双氧水作漂白剂时其漂白通常是在碱性溶液中进行的,过氧化氢在碱性条件下借光或加热发生如下反应: H2O2 + OH- HO2- + H2O HO2- OH- + OO + H2O OH总反应： H2O2 2OHHO与木素的发色基- 松柏醛基2作用,HO加到C=C键上，使双键断裂。使它失去发色功能而达漂白的目的。 过氧化钠 过氧化钠与水反应或在酸性情况下生成H2O2 ，H2O2在过氧化钠漂白时起漂白作用，其化学反应如下所示，但是要注意漂白过程中产生出的强碱对被漂白物质有腐蚀作用。 2Na2O2 + 2H2O = H2O2 + 2NaOH Na2O2 + H2SO4 = H2O2 + Na2SO4过碳酸钠 过碳酸钠溶于水时, 分解生成过氧化氢和纯碱( 碳酸钠) . 其反应式如下: 2Na2CO33H2O2 = 2Na2CO3 + 3 H2O2 溶解后溶液呈碱性,有利于过氧化氢发生进一步分解生成活性氧O。过碳酸钠干粉的活性氧含量相当于30%浓度的双氧水。 过硼酸钠 过硼酸钠在水溶液中以过硼酸钠阴离子(B2O8H42）存在，B2O8H42水解形成起漂白作用的H2O2。由于过硼酸钠是盐，因此它的结构极其稳定，能与其他大多数洗涤剂中的成分共存。当洗涤温度大于60时，含过硼酸钠的洗涤剂漂白效果很明显，但当洗涤温度小于60时，过硼酸钠在水溶液中释放活性氧的速度很慢，其漂白效果不明显，需加入漂白激活剂。 过氧乙酸 过氧乙酸是一种典型的有机过氧化物, 具有强氧化性, 易分解， 在过热的条件下或遇金属杂质分解更快，甚至有可能会发生爆炸6.在漂白过程中，CH3COOOH会发生以下分解：CH3COOOH CH3COOH + O （1）CH3COOOH CH3CO+ OOH （2）CH3COOOHH+ M2+ CH3COO+ OH + M3+ （3） 其中释放出的O或过羟基自由基可以与色素反应，从而起到漂白的作用。此外，在加工过程中，微量金属离子如铜、铁离子的存在会加速过氧乙酸的分解78,分解所产生的自由基又进一步导致过氧乙酸的分解。可以增加过氧乙酸的漂白能力。 过氧化苯甲酰 过氧化苯甲酰与面粉内的类胡萝卜素发生一系列复杂的氧化反应，使类胡萝卜素的共轭双键被破坏，面粉中色素减小，达到面粉增白的目的。同时生成苯甲酸，苯甲酸进入人体后,经9 h15 h 与甘氨酸化合成马尿酸从尿液中排出,不在肌体内积蓄。但如果过量食用会对肝脏造成伤害,使人产生恶心、头晕、神经衰弱等中毒现象。而且,面粉中过量添加过氧化苯甲酰,也会破坏面粉的营养成分。因而在欧盟等发达国家已将过氧化苯甲酰禁止作为食品添加剂使用。在我国的食品添加剂使用卫生标准GB2766 - 86中规定,过氧化苯甲酰在小麦粉中的最大使用量为60ppm ,即0.6 gkg - 1 ,为限制性食品添加剂。 （2）次氯酸钠类漂白剂的漂白原理 次氯酸类漂白剂的漂白原理与过氧化氢类漂白剂类似，次氯酸类漂白剂经过反应生成有氧化性的次氯酸。次氯酸具有强氧化性，可将有色的有机物中的发色基团氧化或与其不饱和键发生加成反应从而使之变成稳定的无色物质，即褪色。但要注意的是，此类漂白剂对环境的污染比较大，但又由于其价格低廉，效果良好，所以在日常中仍被大规模使用。氯水 次氯酸不稳定, 见光易分解: 2HClO=2HCl+O2所以久置氯水见光变成很稀的盐酸是没有漂白作用的。通常所说的氯水是指新制氯水，其主要成分为：Cl2、HClO、H2O、H+、Cl-、ClO - 和极少量的OH -等。新制氯水具有漂白作用, 其漂白实质是次氯酸的作用。次氯酸很不稳定,分解生成氯化氢和O: HClO HCl + O【4】O的氧化能力很强, 能破坏有机色素结构而达到漂白的目的。 漂白粉、84消毒液 漂白粉，84消毒液是目前市面上常见的次氯酸类漂白剂。漂白粉是将Cl2的通入石灰乳中而制得，其主要成分次氯酸钙，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钠，次氯酸钠同样可以与CO2、H2O或者酸作用生成HClO。 Ca(ClO)2 + CO2 + H2O = 2HClO + CaCO3 Ca(ClO)2 + 2HCl = CaCl2 + 2HClO NaClO + HCl = NaCl + HClO (3)二氧化氯的漂白原理二氧化氯的漂白主要是通过ClO2 放出活性氧O，对木素生色基团的一系列氧化作用来实现的4。在不同的介质中，二氧化氯的氧化能力是不同的。在酸性介质中5： ClO2 + 4H+ + 5e- Cl- + 2H2O由此可见，1分子ClO2得到5个电子，最终被还原成负1价的Cl-。用氯气或次氯酸盐漂白时，反应式如下： Cl2 + 2e- 2Cl- ClO2 + 2e- Cl- 即1分子氯气在反应过程中仅得到2个电子1分子次氯酸盐也是到2个电子。这样，1mol二氧化氯的氧化能力是1mol氯气或次氯酸盐的2.5 倍。具有同等氧化能力的二氧化氯所含的氯离子远远少于氯气,因此,漂白过程中可能生成有机氯化物的概率就大大降低。在碱性介质中：ClO2 + e- ClO2-每个氯离子仅得到一个电子，ClO2的漂白能力只发挥1/5，故ClO2漂白般控制在弱酸的条件下进行。 （4）臭氧的漂白原理臭氧是一种强氧化剂, 用作纸浆的漂白剂，能有效脱除木质素, 提高纸浆的白度。据文献报道，1976年, 克拉兹尔、克劳斯和莱启尔在国际纸浆漂白会议上提出了臭氧与木质素和木质素模型物反应的机理, 认为O3 与木质素反应时在C3 和C4 处开环, 生成高极性结构, 使生色团失去“生色”能力【4】。 臭氧亦能与木质素的未饱和双键反应, 生成的过氧化氢可用来漂白纸浆3: 3.2.2 还原型漂白剂漂白原理 （1） 连二亚硫酸钠 在纸浆漂白中，连二亚硫酸钠是有代表性的还原剂。为了提高漂白效率，一般配合其他助剂一起使用。连二亚硫酸钠漂白废纸浆时，发生如下反应： Na2S2O4 + H2 O + 纸浆 漂白浆 + NaHSO3 + H2OS2O42-根中三价硫被氧化成HS03-四价硫，纸浆主要是利用此还原反应还原醌，a、不饱和醛及酮这些发色基团，使纸浆被漂白10。此外连二亚硫酸钠能漂白多种染料，是良好的脱色剂，可以用来漂白彩色办公废纸脱墨浆。又因是还原漂白，所以对纸浆得率没什么损失。研究和生产实践表明，用保险粉漂白，提高纸浆白度的同时，对纸浆纤维强度和成纸的不透明度没有什么负作用，而H202或含氯漂白剂都会存在不同程度的负作用。在碱性介质中,连二亚硫酸钠也可发生如下反应： Na2S2O4 + 2NaOH = 2Na2 SO3 + H2产生的单质氢可与色素中的双键发生加成作用而起到漂白的效果。 （2） 吊白块 吊白块又称雕白粉(或印染助剂雕白块)。化学名称为次硫酸氢钠甲醛或甲醛合次硫酸氢钠。化学式为HOCH2SO2-Na + ,也写做NaHSO2HCHO2H2O 。它是连二亚硫酸钠与甲醛的加成化合物，加和过程如下： Na2S2O4 + 2HCHO + 4H2O = NaHSO2 HCHO2H2O + NaHSO3HCHOH2O吊白块为半透明白色结晶或小块，易溶于水。高温下具有极强的还原性，有漂白作用。 吊白块漂白时起主要作用的是连二亚硫酸钠。作用机理如下：有些不法商家使用吊白块作食品脱色剂，吊白块固体在酸性环境中120时将会分解生成甲醛、二氧化硫和硫化氢等有毒气体。吊白块水溶液在60以上就开始分解出有害物质。甲醛气体可由呼吸道吸入，液体可由消化道吸收，在很多组织内，特别是肝脏和红细胞内被迅速氧化为甲酸，这个过程可引起组织损害。甲醛在体内还可以还原为甲醇，对视神经有破坏作用。甲醛也具有凝固蛋白质，使蛋白质变性的特点，故添加次硫酸氢钠甲醛(吊白块)的食品组织因蛋白质变性而呈均匀交错的“凝胶”结构，使食品外观和口感得到改善显得有弹性，更耐咀嚼。研究表明，甲醛易与细胞亲核物质反应形成加合物，并引起DNA蛋白质交联，造成DNA复制过程中某些重要基因丢失，导致DNA损伤，长期接触甲醛者中，鼻腔或鼻咽部发生肿瘤的机率增大。3.3 其它类型漂白剂的漂白原理 （1）二氧化硫的漂白原理 SO2溶于水后生成的亚硫酸跟有机物质直接结合成无色的化合物。如将SO2通入微酸性的品红溶液里，溶液颜色由红色变为无色，这是亚硫酸直接和有机物质结合的结果。品红的结构里有一个“生色团”，该生色团遇到亚硫酸后生成不稳定的无色化合物,改变了生色团的结构。无色化合物不稳定,遇热时又分解为“生色团”。所以二氧化硫使品红溶液褪色后，加热又能恢复成原色。可以用如下化学方程式表示9：常用二氧化硫漂白纸张，编织品（如草帽等）。但需注意的是二氧化硫漂白的缺点：污染环境，效果不持久。 （2）二氧化硫脲的漂白原理 二氧化硫脲（FAS）既不是氧化剂也不是还原剂，本身不具备氧化或还原能力，只有与NaOH反应后才能形成具有较高还原电位的亚磺酸，才具有较高的漂白能力。但NaOH加入量过多时，含机械浆较多的脱墨浆就有泛黄的危险。FAS对温度的依赖性很强，只有在合适的温度下才能使其不稳定的同分异构体转变成亚磺酸和尿素，达到最大的还原负电位，具有最佳的漂白脱色能力。FAS作为一种新型的纸浆漂白剂，其优点：使用操作方便，漂白效果好；废水无污染，可直接排入农田；FAS的还原电位比连二亚硫酸盐的高，它能破坏连二亚硫酸盐不能反应的生色团，能彻底破坏偶氮染料，减少醌结构的数量；适合纸浆中染料的脱色；特别适合二段漂白的后段漂白，漂白时的最佳pH值为碱性，过氧化氢漂白后，不用调节pH值。但残留的H2O2会消耗FAS而使其漂白效率下降，FAS的价格高，且FAS水溶液中易降解，FAS的碱性漂液需在使用前的最短时间内制成，越快使用越好。4 结语漂白剂在我们的生活和生产中应用极为广泛，因此了解其漂白原理是非常必要的。它为我们选择合适的漂白剂提供理论依据，对漂白剂的选择一般是根据其漂白效果、成本高低以及对环境的污染等