环氧乙烷
定义
环氧乙烷是一种由 2 个碳原子和 1 个氧原子构成三元环的环状醚，分子式 C2H4O，摩尔质量 44.05 g/mol，CAS 登记号 75-21-8。[2] 从结构上看，它属于内醚，即二元醇分子内脱水缩合形成的醚，是这一类别中最简单的代表物。[1] 常温常压下它是带醚样刺激性气味的无色气体，低温下可凝为无色透明液体，沸点约 10.4 ℃，可与水混溶，也易溶于多数有机溶剂。[3][2] 由于沸点低、蒸气压高，30 ℃ 时蒸气压可达 141 kPa，其蒸气穿透能力较强。[3]
原理
环氧乙烷的化学性质活泼，三元环张力大，容易在亲核试剂进攻下开环，与醇、胺、酸、水等含活泼氢的化合物发生加成反应，生成乙氧基化产物。[5] 与醇缩合可制得非离子型表面活性剂，与氨或胺反应得到乙醇胺类产品，与大量水反应则生成乙二醇。[5][4] 它还能还原硝酸银，受热易聚合，在有金属盐类或氧存在时可发生分解。[3]
目前工业上采用银催化剂使乙烯与氧气在气相中反应，主反应生成环氧乙烷，副反应生成二氧化碳和水：$C_2H_4 + \tfrac{1}{2}O_2 \rightarrow C_2H_4O$，$C_2H_4 + 3O_2 \rightarrow 2CO_2 + 2H_2O$。提高催化剂选择性可使同样乙烯进料得到更多环氧乙烷、更少二氧化碳。[6] 反应温度通常在 250～290 ℃、压力约 2 MPa；产物经水吸收、汽提和精制后得到环氧乙烷产品。[4][7]
作灭菌剂时，环氧乙烷作为烷基化剂与微生物蛋白质、DNA 中的活泼氢基团反应，使酶和遗传物质失去活性，从而杀灭细菌及其芽孢、霉菌和真菌。[8] 因其沸点低、蒸气压高，气体能穿透包装与多孔材料，故适用于不耐高温或湿热的产品。[3]
发展历程
1859 年，A. Wurtz 用氢氧化钾处理乙烯氯醇，首次制得环氧乙烷和氯化钾。[2] 1914 年，巴斯夫建成第一家环氧乙烷生产装置，采用氯醇法工艺，以氢氧化钙代替氢氧化钾。[2] 此后，以银为催化剂的乙烯直接氧化法逐步取代氯醇法，成为目前工业生产中唯一采用的路线。[2]
在消毒灭菌方面，1936 年研究者发现环氧乙烷与二氧化碳的混合气体可杀灭害虫和细菌，1938 年美国化学家 Lloyd Hall 取得用该气体保存香料的专利。[3][1] 中国自 20 世纪 60 年代起以氯醇法生产环氧乙烷，早期小规模装置技术落后，已于 1993 年下半年淘汰。[3] 至 2022 年，中国石化以自主开发的高选择性银催化剂为核心建成 1 套年产 20 万吨的精环氧乙烷装置。[9]
应用
绝大部分环氧乙烷被用作化工原料，其中最大去向是生产乙二醇，约占全球产量的六成；乙二醇进一步用于制造聚酯纤维、聚酯树脂和汽车防冻液。[10][11] 由环氧乙烷水合制乙二醇通常在 150～200 ℃、2～2.5 MPa 条件下进行，反应同时副产二甘醇、三甘醇等低聚物。[4] 为减少副产物，也有先让环氧乙烷与二氧化碳生成碳酸乙烯酯、再水解得到乙二醇的工艺路线。[11]
其余环氧乙烷用于生产乙氧基化合物、乙醇胺、乙二醇醚、羟乙基纤维素、氯化胆碱等下游产品，并用于制造非离子表面活性剂、合成洗涤剂、抗冻剂、增塑剂、润滑剂等，涉及纺织、印染、医药、农药、造纸、汽车、石油炼制等行业。[3][10] 环氧乙烷直接消费的量相对较少，但其中消毒灭菌用途较为重要。[3]
在医疗领域，环氧乙烷是主要的低温化学灭菌剂之一，常用于一次性注射器、输液器、导管、敷料、手术衣及精密仪器的灭菌，通常以环氧乙烷与二氧化碳按 90:10 比例配成的混合气体使用。[3] 它也被用作粮食、干蛋粉等食品和纺织品的熏蒸剂，以及农业上的杀菌杀虫剂。[1][2]
局限
环氧乙烷易燃易爆，空气中可爆范围很宽，资料记载其体积分数在 3%～100% 区间内均可能发生爆炸，因此运输和储存条件要求严格，产品具有较强地域性。[4][3] 它还具有毒性、刺激性和致敏性，被列为一类致癌物，吸入可致中毒，并对眼、皮肤和呼吸道产生刺激。[3][12]
作为灭菌剂，其残留问题是主要限制。灭菌后器械材料中会吸附环氧乙烷，并可能生成 2-氯乙醇、乙二醇等副产物，须经解析和检测方可放行。[13] 依据 GB/T 16886.7—2015 及同等采用的 ISO 10993-7，残留限量按器械与人体接触时间的长短分级，接触时间越长要求越严格。[12] 由于残留量以顶空气相色谱法测定，对多孔、胶原类等特殊材质器械，标准方法并非普遍适用，需另行优化。[14]
在生产环节，乙烯直接氧化法虽为主流，但主反应伴随生成二氧化碳的副反应，需依靠高选择性银催化剂提高收率，催化剂性能直接决定原料消耗与碳排放水平。[6] 此外，空气中环氧乙烷的安全浓度如何设定，在环境保护与工业界之间存在较大分歧。[2]
参见
参考资料
- [科普中国]-内醚 - 版权归原作者所有，如有侵权，请联系我们 [引用日期2026-10-29]
- 每周分子 | Molecule of the Week [引用日期2026-10-29]
- 环氧乙烷 [引用日期2026-10-29]
- 环氧乙烷和乙二醇 [引用日期2026-10-29]
- CN107849496B(PDF) [引用日期2026-10-29]
- 乙烯氧化生产环氧乙烷高性能银催化剂技术 [引用日期2026-10-29]
- Espacenet [引用日期2026-10-29]
- 医疗器械环氧乙烷残留检测标准与项目解析 [引用日期2026-10-29]
- 20万吨/年精环氧乙烷成套技术－国务院国有资产监督管理委员会 [引用日期2026-10-29]
- [0005] 环氧乙烷是一种重要的有机化工原料 [引用日期2026-10-29]
- c5py00263j [引用日期2026-10-29]
- 环氧乙烷残留测定方法 [引用日期2026-10-29]
- 环氧乙烷残留量测定实验 [引用日期2026-10-29]
- 植入式脑神经外科医疗器械产品环氧乙烷残留检测方法的研究 [引用日期2026-10-29]