流程工業(yè)常用清洗劑淺析

師紀(jì)偉

(上海森松制藥設(shè)備工程有限公司，上海 201323)

好的工業(yè)清洗劑必須根據(jù)實(shí)際要清除的污垢來(lái)選擇配制。標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)清潔劑，或針對(duì)乳制品、食品或者制藥行業(yè)設(shè)計(jì)出來(lái)的工業(yè)清潔劑，對(duì)其它細(xì)分行業(yè)和生產(chǎn)工藝來(lái)說(shuō)可能都不是最好的選擇。不同行業(yè)和不同產(chǎn)品都需要有特定的清洗工藝和流程及與之相匹配的清洗劑。

1 工業(yè)清洗過(guò)程的重要因素

清洗是一個(gè)基于化學(xué)和物理原理的復(fù)雜過(guò)程。清洗的首要任務(wù)是將污垢從物體表面分離。污垢可以通過(guò)范德華力、靜電效應(yīng)和力學(xué)黏附三種物理作用的組合附著到表面。在清洗過(guò)程中，必須通過(guò)提供反作用力來(lái)抑制污垢黏附力。這些作用力的影響因素可被歸納為以下4個(gè)基本參數(shù)：①清洗溫度；②清洗時(shí)間；③清洗動(dòng)力學(xué)；④清潔劑的化學(xué)活性。

清洗過(guò)程的4個(gè)基本參數(shù)都是相互影響的。減少或增加這些組成因素中的任何一個(gè)，將改變其他3個(gè)因素的平衡。但是所有4個(gè)參數(shù)都是必需的，如果只遺漏其中一個(gè)，則清潔作用無(wú)法達(dá)到最佳效果，甚至不會(huì)發(fā)生。

2 工業(yè)污垢對(duì)清潔劑原料選擇的影響

清洗劑的化學(xué)活性必須要根據(jù)清除的特定污垢來(lái)選擇。時(shí)間、溫度和動(dòng)力學(xué)3個(gè)因素也會(huì)影響清潔劑的選擇。這是一種基于直接化學(xué)反應(yīng)以及解吸、分散、乳化和溶解等物理原理的復(fù)雜現(xiàn)象。清洗劑的化學(xué)活性越高，所需濃度越低。

由于種類(lèi)繁多的原料，制定通用的清潔劑配方來(lái)清潔任何生產(chǎn)系統(tǒng)都是不可能的。更為常見(jiàn)的是，針對(duì)某一個(gè)單獨(dú)的清潔問(wèn)題，需要花費(fèi)大量的時(shí)間、精力、經(jīng)驗(yàn)及大量的實(shí)驗(yàn)去發(fā)現(xiàn)具體的解決方法，包括清洗劑的配方選擇及工藝參數(shù)等。

3 典型清洗劑的分類(lèi)

清潔劑可按多種形式進(jìn)行分類(lèi)，如其物理性狀或者用途進(jìn)行分類(lèi)。通常情況下，經(jīng)常把清潔劑按照其酸堿度進(jìn)行分類(lèi)。大多數(shù)工業(yè)清潔劑或者是堿性的或者是酸性的。中性產(chǎn)品主要用于手動(dòng)清潔、敏感性表面，或作為輔助添加劑加入堿性或酸性清潔劑。

3.1 酸性清洗劑

無(wú)機(jī)污垢大都比較容易溶于酸性溶液。酸性清潔劑可能會(huì)由于多種原因而被限制使用，包括對(duì)設(shè)備的腐蝕、與其他清潔成分的兼容性和對(duì)環(huán)境的影響等都應(yīng)被考慮。在去除無(wú)機(jī)污垢時(shí)，特別是水垢，通常還會(huì)使用由多種酸按特定比例配制成的混合物，這種混合特也經(jīng)常被稱(chēng)為酸性除垢劑。在清除對(duì)酸性物質(zhì)敏感的物體表面時(shí)，還會(huì)增加緩蝕劑，以減少酸性物質(zhì)對(duì)物體表面的腐蝕。

3.2 堿性清洗劑

強(qiáng)堿可以和有機(jī)物的官能團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，并且將有機(jī)污垢轉(zhuǎn)變成為一種可溶于水的化合物，或者改變污垢化學(xué)或者物理的性質(zhì)使之能較容易的去除。另外，有些清潔劑在堿性環(huán)境中會(huì)表現(xiàn)出更高的效力，尤其在處理有機(jī)殘?jiān)鼤r(shí)，會(huì)經(jīng)常使用氫氧化鈉。在一些情況下，如配置一個(gè)強(qiáng)堿性且包含其他清潔成分的高濃度產(chǎn)品時(shí)，用價(jià)格更貴的氫氧化鉀也是有優(yōu)勢(shì)的，因?yàn)闅溲趸涍€可以提高堿性清潔劑的低溫穩(wěn)定性。

但是，無(wú)論是氫氧化鈉還是氫氧化鉀，本身單獨(dú)使用并不能成為一種很好的清潔劑，因?yàn)樗鼈冇幸韵氯秉c(diǎn)：1)會(huì)沉淀水的硬度；2)污垢懸浮能力非常有限；3)污垢滲透力不足；4)與有機(jī)污垢(如蛋白質(zhì))的反應(yīng)會(huì)形成高泡沫性的物質(zhì)；5)對(duì)礦物殘?jiān)鼰o(wú)清洗作用；6)對(duì)脂肪物質(zhì)的去除力不足。

針對(duì)每一種污垢，通常會(huì)有一種最佳濃度用于快速去除。太高的濃度實(shí)際上會(huì)對(duì)清潔能力產(chǎn)生負(fù)面效果，太低的濃度亦然。因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致清洗劑和污垢之間發(fā)生不想要的反應(yīng)，如凝固、凝膠化和硬化等，這使污垢更加難以去除。

3.3 中性清潔劑

在通常情況下，中性清潔劑通常指pH值為6～10間的溫和性清潔劑。這些清潔劑的清潔效力取決于表面活性劑的去垢性，表面活性劑由所謂助洗劑來(lái)支持。對(duì)于需要控制泡沫的應(yīng)用場(chǎng)合，會(huì)經(jīng)常使用消沫劑。這樣的產(chǎn)品對(duì)于疏水性污垢和油脂非常有效，但對(duì)其它的有機(jī)物像蛋白質(zhì)可能會(huì)構(gòu)成問(wèn)題。為了克服這個(gè)問(wèn)題，可以用中性的含酶的清潔劑去處理蛋白質(zhì)和其他的有機(jī)物。在實(shí)際工程應(yīng)用中，中性清潔劑經(jīng)常用于切向過(guò)濾過(guò)程中對(duì)酸堿敏感的濾膜的清洗。

4 清潔劑的主要成分及其作用

4.1 表面活性劑

表面活性劑包含了疏水基和親水基兩種物理極性基團(tuán)。按表面活性劑的活性基團(tuán)的離子特性可將表面活性劑分為陰離子表面活性劑、陽(yáng)離子表面活性劑和兩性表面活性劑。一般情況下，只使用非離子和陰離子表面活性劑作為清洗劑的組分，而陽(yáng)離子和兩性表面活性劑由于其殺菌作用被用于配制消毒劑。

如果液體中含有疏水性微粒，如油滴，分子疏水部分附著在油滴周?chē)?。?dāng)液滴完全被表面活性劑分子封閉包圍時(shí)，油滴隨后可以在水中乳化并分散。通過(guò)這個(gè)過(guò)程，水被轉(zhuǎn)化成一種能夠“溶解”疏水物質(zhì)的“溶劑”，如脂肪和油。

表面活性劑在清潔過(guò)程中會(huì)起到除乳化疏水性污垢的之外的其它有益作用。它們還能降低水的表面張力。表面張力是由水分子對(duì)其他分子的吸引力引起的。在液體中，一個(gè)水分子被其他水分子包圍，但表面的水分子在其中一個(gè)方面沒(méi)有相鄰的分子互相吸引，這就產(chǎn)生了對(duì)液體中其他部分分子更強(qiáng)的吸引力，從而形成球狀液滴。在清洗過(guò)程中，液滴的形成是一種不希望出現(xiàn)的現(xiàn)象，因?yàn)榍逑匆簯?yīng)該均勻地分布在整個(gè)表面上，只有這樣才能這使得與清洗液表面和待去除污垢的接觸面積最大。表面活性劑可以抵消清洗液的表面張力。表面張力的降低使清洗液滲入待清洗表面的裂縫和小凹陷中。清洗液的表面張力越低，滲透性越好。

但是降低表面張力的能力和清潔能力之間沒(méi)有直接關(guān)系。盡管一些表面活性劑顯著降低了表面張力，但它們實(shí)際上顯示出的清潔效果很小。表面活性劑的清潔性能在很大程度上取決于膠束的大小和濃度以及對(duì)污垢和水的親和力。

4.2 螯合劑

金屬原子或離子與含有兩個(gè)或兩個(gè)以上配位原子的配位體作用，生成具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的絡(luò)合物，該絡(luò)合物叫做螯合物。能生成螯合物的這種配體物質(zhì)叫螯合劑，也稱(chēng)為絡(luò)合劑。在堿性清洗液中，水的硬度對(duì)清洗液的效率有不利影響，尤其是對(duì)表面活性劑。此外，堿性清洗液對(duì)礦物沉淀和污垢中的無(wú)機(jī)成分清洗效果很小。另一方面，如果用適合無(wú)機(jī)污垢去除的酸性清潔劑替代，則有機(jī)污垢不能有效去除。在堿性清洗劑中加入螯合劑，可以大大提高對(duì)無(wú)機(jī)污垢的清洗效果和清洗劑的綜合性能。在堿性溶液中，螯合劑能以強(qiáng)絡(luò)合鍵結(jié)合金屬離子，從而將離子從其他物質(zhì)中分離出來(lái)。

工業(yè)清潔劑中的典型螯合劑是EDTA、NTA和葡萄糖酸鹽。EDTA是鈣離子和鎂離子最常用的螯合劑，可以與多種金屬離子形成很強(qiáng)的螯合鍵。然而在處理大量無(wú)機(jī)污垢或較厚的積垢時(shí)，含有螯合劑的堿性洗滌劑的清洗效果不如酸性洗滌劑。螯合劑的作用速度不夠快。在這種情況下，則建議在堿性清洗后進(jìn)行額外的酸洗步驟。

在清洗劑中使用螯合劑無(wú)法解決的一個(gè)問(wèn)題是堿性清洗，特別是熱堿性清洗后，在清洗循環(huán)中會(huì)形成水垢。在沖洗周期中，設(shè)備表面的剩余清洗液薄膜被稀釋?zhuān)瑥亩档退谐煞值臐舛?。由于沖洗水總是很硬(除非使用軟化水或除霧水)，螯合劑的作用很快就會(huì)大大降低。另外待清潔的表面在清潔溫度和殘余堿度下足夠長(zhǎng)的時(shí)間，將導(dǎo)致水硬度沉淀。

多價(jià)螯合劑通過(guò)防止晶體的生長(zhǎng)，如形成水垢的方解石晶體，來(lái)有效地防止沉積物的形成。多價(jià)螯合劑有聚磷酸鹽和磷酸鹽等。聚丙烯酸酯也可以起到類(lèi)似的效果，但起作用的原理略有不同，它們通過(guò)分散水硬度晶體防止水垢的形成。在沖洗周期中，水硬度繼續(xù)沉淀，但沒(méi)有形成方解石晶體。沉淀物本身是一種細(xì)小的粉末狀殘留物，這種細(xì)而輕的粉末不會(huì)留下任何堅(jiān)硬的沉積物，在清洗過(guò)程中會(huì)很容易被沖走。

4.3 消泡劑

在工業(yè)清洗過(guò)程中，應(yīng)避免產(chǎn)生泡沫，原因是泡沫殘留物很難沖洗掉，這使得沖洗時(shí)間大大增加，沖洗水消耗量也很高。且泡沫的形成也會(huì)影響液位控制設(shè)備，并會(huì)造成離心泵發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。

泡沫是由發(fā)泡表面活性劑、生產(chǎn)殘留物或清潔劑與污垢之間的反應(yīng)產(chǎn)生的。消泡劑可以用來(lái)緩解這個(gè)問(wèn)題，它們主要是疏水性物質(zhì)，作用于清洗液的界面區(qū)域，防止泡沫的形成。然而缺點(diǎn)也是因?yàn)槠涫杷?，因?yàn)樗鼈儾蝗苡谒茈y沖洗，以致其很難整合到更清潔的配方中。作為消泡劑使用的典型物質(zhì)有：石蠟油、硅酮、脂肪酸和具有很短EO或PO鏈的脂肪醇等。

4.4 氧化劑

氧化劑，如過(guò)氧化物和次氯酸鹽，有助于分解碳化殘?jiān)筒蝗苄愿叻肿踊衔?。它們還可以破壞染料或脫色劑從而達(dá)到漂白效果。在考慮將此類(lèi)化學(xué)品作為清潔增強(qiáng)劑添加到清潔溶液中時(shí)，應(yīng)特別注意到其對(duì)接觸材料的氧化腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

盡管次氯酸鹽非常有效，但它們對(duì)某些材料也具有很強(qiáng)的腐蝕性，可對(duì)不銹鋼造成點(diǎn)蝕，并腐蝕橡膠和塑料等密封材料。過(guò)氧化氫顯示出良好的清洗效果，且一般情況下對(duì)設(shè)備的腐蝕有限。

4.5 緩蝕劑

由有色金屬、鍍錫或鍍鋅鋼、低碳鋼或鋁組成的生產(chǎn)設(shè)備需要特殊的緩蝕劑。緩蝕劑的選擇取決于許多參數(shù)，例如要保護(hù)的基質(zhì)、洗滌劑的性質(zhì)和溶液的pH值。通常使用硅酸鹽、改性碳水化合物和磷酸鹽。

5 常見(jiàn)清潔劑成分的環(huán)境效應(yīng)

在開(kāi)發(fā)清潔劑時(shí)，不僅要考慮其有效性，還要考慮其對(duì)環(huán)境的影響，特別是產(chǎn)品的毒性。也正是由此原因，行業(yè)內(nèi)也為此而放棄使用某些化學(xué)產(chǎn)品。

磷酸鹽和硝酸鹽是藻類(lèi)等植物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，因此有助于水體富營(yíng)養(yǎng)化。然而，它們可以通過(guò)特定工藝處理過(guò)程在污水處理廠中被大量清除。

硫酸鹽也會(huì)增加水的含鹽量，在好氧條件下，由于高濃度硫酸鹽會(huì)對(duì)混凝土造成腐蝕損害。在厭氧條件下，在硫酸鹽濃度較低的情況下，也可能由于硫化氫的形成而引起混凝土腐蝕。

次氯酸鹽特別特別是次氯酸鈉，雖然作為清潔增強(qiáng)劑非常有效，但由于其形成可吸附的有機(jī)鹵素化合物而日益受到關(guān)注。一般情況下，應(yīng)對(duì)清潔劑中使用的表面活性劑的可生物降解性有最低要求，使得它們可以在在污水處理廠和水道中可生物降解。

6 清潔劑選擇建議

流程工業(yè)中使用的原料、制造工藝和制造設(shè)備的多樣性意味著選擇最合適的清洗劑可能非常復(fù)雜。一般需在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中使用不同潛在配方規(guī)格對(duì)待清除的污垢樣品進(jìn)行試驗(yàn)。

以下建議僅作為清潔試驗(yàn)配方的一般性建議：

1)水/油乳液的清洗：堿和表面活性劑。

2)丙烯酸聚合物殘留物的清洗：堿、螯合劑和氧化劑。

3)含氧化鋅殘留物的清潔：堿、螯合劑和表面活性劑。

4)含色素污垢的清潔：堿、螯合劑和氧化劑。

7 結(jié)語(yǔ)

流程工業(yè)中，生產(chǎn)設(shè)備的清洗關(guān)系到整個(gè)生產(chǎn)工藝的生產(chǎn)效率、質(zhì)量保證、環(huán)境保護(hù)甚至操作安全。做為清洗工藝中主要影響因素之一，清洗劑的選擇至關(guān)重要。清洗劑的選擇應(yīng)全在面了解生產(chǎn)工藝中待清洗污垢的類(lèi)型和組成，并根據(jù)已有的清洗過(guò)程知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)綜合分析評(píng)估后，選擇出多種潛在的配方和工藝參數(shù)；還要經(jīng)過(guò)多次實(shí)際實(shí)驗(yàn)并評(píng)估完善后最終確定，而且在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，還要收集實(shí)際數(shù)據(jù)并持續(xù)改近提高，最終才能達(dá)到令人滿意的效果。