|
在工業(yè)生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)工藝的設(shè)備和管線中會(huì)產(chǎn)生各種各樣的污垢，如結(jié)焦、油污垢、水垢、沉積物、腐蝕性的污垢等，這些污垢通常會(huì)導(dǎo)致設(shè)備和管線失效、裝置系統(tǒng)生產(chǎn)效率下降、能耗增加等，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生安全事故。
近年來，隨著新型合成工業(yè)的迅猛發(fā)展，新型的工業(yè)污垢也不斷涌現(xiàn)，而且其分子結(jié)構(gòu)組成日趨復(fù)雜；另外，工業(yè)污垢和不同洗滌對象之間的粘結(jié)機(jī)理和粘結(jié)形態(tài)，也往往取決于污垢種類及被清洗對象的結(jié)構(gòu)組成和表面物化性質(zhì)。出于環(huán)境保護(hù)的需要，目前對化學(xué)藥劑的可生物降解性及無毒無害性要求日益提高，因此，對化學(xué)清洗技術(shù)不斷提出了新的挑戰(zhàn)。
化學(xué)清洗是一門綜合技術(shù)，涉及到污垢形成和性能的研究、清洗劑及助劑的選擇配制、緩蝕劑的選用、清洗工藝技術(shù)、清洗設(shè)備的研制和利用、清洗過程檢測技術(shù)以及廢液處理等等。其中，清洗劑的選擇是決定清洗工作成敗關(guān)鍵的一環(huán)，它直接影響設(shè)備的清洗效果、除垢率、腐蝕率及經(jīng)濟(jì)效益等。
清洗劑主要由清洗主劑、緩蝕劑、表面活性劑三大組分構(gòu)成。表面活性劑由于其分子結(jié)構(gòu)中同時(shí)具有親水基和疏水基部分，在化學(xué)清洗中起著吸附、滲透、乳化、溶解、洗滌等作用，其在化學(xué)清洗中不僅僅作為輔助劑，而且可以作為主要組分而得到廣泛重視，尤其在酸洗、堿洗、緩蝕、除油、殺生等清洗過程中已經(jīng)發(fā)揮出越來越大的作用。
國內(nèi)外對表面活性劑在化學(xué)清洗中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究，本文將對表面活性劑在化學(xué)清洗中的應(yīng)用現(xiàn)狀及進(jìn)展作一簡要的評述。
1 表面活性劑概述
表面活性劑是指能顯著降低液體的表面張力和液液界面張力的物質(zhì)。它們的分子都由極性的親水基和非極性的憎水基兩部分組成。
親水部分常見的為羧基、硫酸酯、磺酸基、胺基、季銨基、羥基等，憎水部分則為長鏈烷烴和芳烴為代表的基團(tuán)。由于它們具有既親水又親油的兩親性質(zhì)，因而在化學(xué)清洗時(shí)可使清洗溶液表面性質(zhì)改變，使其具有較低的表面張力，較好的潤濕性與起泡性。
根據(jù)表面活性部分所帶電荷的不同可將表面活性劑分為陰離子型、陽離子型、非離子型與兩性型四大類。
2 表面活性劑在化學(xué)清洗劑中的作用機(jī)理
清洗主劑、緩蝕劑、表面活性劑是構(gòu)成化學(xué)清洗溶液的三大組成部分，表面活性劑特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)，決定了表面活性劑溶解在液體溶液中后，使得溶液的表面張力大大降低，提高了溶液的潤濕能力。特別當(dāng)溶液中表面活性劑的濃度達(dá)到臨界膠束CMC濃度時(shí)，溶液的表面張力、滲透壓、粘度、光學(xué)性質(zhì)等都有顯著變化。
表面活性劑在化學(xué)清洗過程中的潤濕、滲透、分散、乳化、增溶作用起到事半功倍的效果。概括起來，化學(xué)清洗中表面活性劑主要有兩種作用，一是利用膠束的溶解作用提高難溶性有機(jī)污染物的表觀濃度，即增溶作用；二是由于表面活性劑具有兩親基團(tuán)，能吸附或富集在油相與水相的界面上，使界面張力降低。
3 表面活性劑在化學(xué)清洗劑中的應(yīng)用
在選擇表面活性劑時(shí)，應(yīng)特別注意清洗劑、緩蝕劑、表面活性劑各組分的性質(zhì)及其相互作用的匹配性。
3.1 在緩蝕劑中的應(yīng)用
表面活性劑是能對緩蝕過程產(chǎn)生顯著作用的添加劑，能增加潤濕性、分散性與發(fā)泡性，促進(jìn)酸洗液同垢、銹的接觸，以及改變酸洗后基體金屬表面狀態(tài)，從而提高酸洗質(zhì)量。有的表面活性劑還具有一定的緩蝕性能，能得到比 使用單一緩蝕組分更好的效果。在緩蝕劑配方中一般添加的表面活性劑為陰離子型的C10~C18烷基或烷基苯磺酸鹽或烷基硫酸鹽，或?yàn)榉请x子型的高級醇、酚類的聚氧乙烯基化合物。但某些緩蝕劑中也會(huì)有陽離子型表面活性劑，如季銨鹽等。
有文獻(xiàn)報(bào)道，非離子表面活性劑Tween80在三種無機(jī)酸介質(zhì)（HCl、H2SO4、H3PO4）中對鋼都有較好的緩蝕作用；袁朗白等研究過陰離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉（DBSAS）和非離子表面活性劑聚乙二醇辛基苯基醚（OP）協(xié)同效應(yīng)對鋼的緩蝕效果，發(fā)現(xiàn)DBSAS和OP復(fù)配后對鋼產(chǎn)生明顯的緩蝕協(xié)同效果，且復(fù)配濃度范圍較寬。
3.2 在酸洗中的應(yīng)用
3.2.1 用作酸霧抑制劑
在酸洗中，鹽酸、硫酸或硝酸在與銹垢反應(yīng)的同時(shí)，不可避免會(huì)與金屬基體反應(yīng)、放熱，并產(chǎn)生大量酸霧。在酸洗液中加入表面活性劑，由于其憎水基的作用，在酸洗液的表面形成定向排列的不溶的線狀膜覆蓋層，并利用表面活性劑的發(fā)泡作用，可抑制酸霧揮發(fā)。當(dāng)然，一般酸洗液中往往加入緩蝕劑，能大大減少金屬的腐蝕速度，降低了析氫量，也即相應(yīng)減少了酸霧。
王瑞峰等研制了BSY型酸霧抑制劑，在金屬材料酸堿處理時(shí)能有效地抑制酸霧；長沙礦冶研究院袁交秋等研制了YJ-509酸霧抑制劑，抑霧效率可達(dá)92%以上。
3.2.2 用作酸洗除油二合一清洗
一般工業(yè)設(shè)備化學(xué)清洗中，如污垢有油脂成分，為保證酸洗質(zhì)量，首先要經(jīng)過堿洗再進(jìn)行酸洗。如在酸洗液中添加一定量的以非離子表面活性劑為主的除油劑，則可合并成一個(gè)工序。此外，一般固體清洗液大多以氨基磺酸為主要成分，并含有一定量的表面活性劑、硫脲及無機(jī)鹽等組分，使用時(shí)兌水。這種清洗劑不僅具有良好的除銹除垢緩蝕性能，還能同時(shí)去除油分。
梁國柱等研究開發(fā)的BH-6高效酸洗除油劑效果顯著，幾年來在國內(nèi)一百多家電鍍、噴涂廠中應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益；余存燁等采用復(fù)合無機(jī)酸加非離子表面活性劑及緩蝕劑的清洗液進(jìn)行噴淋循環(huán)清洗，也取得了滿意的效果。
3.3 在堿洗中的應(yīng)用
3.3.1 一般設(shè)備清洗
堿洗是以強(qiáng)堿性的化學(xué)藥劑作為清洗劑來疏松、乳化和分散金屬設(shè)備內(nèi)污垢的一類清洗方法。它往往作為酸洗的前處理，以除去系統(tǒng)與設(shè)備中的油脂或使硫酸鹽、硅酸鹽等難溶垢轉(zhuǎn)化，使酸洗易于進(jìn)行。常用堿洗藥劑有氫氧化鈉、碳酸鈉、磷酸鈉或硅酸鈉，同時(shí)添加表面活性劑，以便潤濕油脂與分散污垢，提高堿洗效果。
徐高揚(yáng)等發(fā)現(xiàn)在重堿洗水中加入添加劑NPE-10，可有效地降低重堿水含量和NaCl含量，既減少停爐次數(shù)，又提高了燃燒爐的生產(chǎn)能力；余存燁研究的設(shè)備酸洗前堿洗除油配方為：氫氧化鈉3%~5%、碳酸鈉2%~3%、三聚磷酸鈉4%~5%、水玻璃為1%~1.5%、十二烷基磺酸鈉2%~5%，80~90℃。
3.3.2 用于水基金屬清洗劑
水基金屬清洗劑是一類以表面活性劑為溶質(zhì)，水為溶劑，金屬硬表面為清洗對象的洗滌劑。它可代替汽油、煤油以節(jié)約能源，主要用于機(jī)械制造與修理、機(jī)械設(shè)備維修與保養(yǎng)等方面的金屬清洗。有時(shí)也可以作為石化設(shè)備一般油垢的清洗。水基清洗劑多以非離子型表面活性劑與陰離子型表面活性劑復(fù)配物為主體，再加多種輔加劑所組成的混和物。前者去污力大，具有良好的防銹、緩蝕能力，后者能提高并改進(jìn)清洗劑的綜合性能。
在選擇表面活性劑時(shí)，應(yīng)特別注意清洗劑、緩蝕劑、表面活性劑各組分的性質(zhì)及其相互作用的匹配性。
3.4 在絡(luò)合清洗中的應(yīng)用
絡(luò)合劑又稱螯合劑或配位體，它是利用各種絡(luò)合劑（含螯合劑）對各種成垢離子的絡(luò)合作用（配位作用）或螯合作用，使之生成可溶性的絡(luò)合物（配位化合物）而進(jìn)行清洗的。
在絡(luò)合劑清洗中往往加入表面活性劑，以促進(jìn)清洗過程。常用的無機(jī)絡(luò)合劑有三聚磷酸鈉等，常用的有機(jī)螯合劑有乙二胺四乙酸（EDTA），氮三乙酸（NTA）等。絡(luò)合劑清洗除用于冷卻水系統(tǒng)清洗外，目前在難溶垢的清洗中有較大發(fā)展。由于它能絡(luò)合或螯合各種難溶垢中的金屬離子，故清洗效率高。
武鋼燒結(jié)廠黃新發(fā)等人采用堿式絡(luò)合清洗法對溴機(jī)溶液腔進(jìn)行了清洗和預(yù)膜，達(dá)到了減輕腐蝕，延長溴機(jī)使用壽命的目的。
3.5 在重質(zhì)油垢、焦垢清洗中的應(yīng)用
石油煉制和石油化工裝置中，換熱設(shè)備和管線的重質(zhì)油垢與焦垢沉積嚴(yán)重，經(jīng)常需要清洗。采用有機(jī)溶劑毒性大，易燃易爆；而采用一般堿洗法，對重質(zhì)油垢與焦垢無效。
目前國內(nèi)外研制的重質(zhì)油垢清洗劑主要以復(fù)合型表面活性劑為主，由幾種非離子型表面活性劑和陰離子型表面活性劑的復(fù)配物、再加無機(jī)助洗劑與堿性物質(zhì)組成。復(fù)合表面活性劑不僅產(chǎn)生潤濕、滲透、乳化、分散、增溶與起泡效果，還具有吸收FeS2的作用，一般需在80℃以上加熱清洗。
王國泰等以表面活性劑、有機(jī)溶劑和水為原料，采用轉(zhuǎn)相乳化法研制了一種性能優(yōu)良的硬表面油垢清洗劑，能高效快速地去除各種硬表面（如廚房灶具、玻璃、瓷片等）上的油性污垢，特別是對各種金屬表面的油垢和焦垢十分有效。
3.6 冷卻水殺生劑中的應(yīng)用
在冷卻水系統(tǒng)中有微生物粘泥時(shí)，采用非氧化性殺生劑、同時(shí)加入低泡型非離子表面活性劑作分散劑與滲透劑，可增大藥劑的活性，同時(shí)促進(jìn)藥劑滲入細(xì)胞內(nèi)和真菌的粘液層內(nèi)。
另外季胺鹽類殺生劑也多有應(yīng)用，它是一些陽離子表面活性劑，最常用的是潔爾滅和新潔爾滅，它們均具有殺生力強(qiáng)、使用方便、毒性小和成本低的優(yōu)點(diǎn)。它們除具有剝離粘泥和除去水中臭味的功能外，還具有緩蝕作用。
此外，季胺鹽與二硫氰基甲烷復(fù)合的殺生劑，不但具有廣譜與增效的殺生作用，而且還能防止粘泥的生長。
4 表面活性劑對環(huán)境的危害
表面活性劑由于其獨(dú)特的性質(zhì)而廣泛應(yīng)用到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)部門，尤其在清洗行業(yè)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。但大量的表面活性劑通過多種途徑進(jìn)入生態(tài)環(huán)境，對環(huán)境造成 的危害也越來越嚴(yán)重。其中絕大部分的表面活性劑未經(jīng)妥善處理即排放到河流、海洋等自然水體中，嚴(yán)重影響周圍生態(tài)系統(tǒng)的平衡發(fā)展。
表面活性劑在低濃度下即產(chǎn)生大量泡沫，它的存在不僅影響了自然水體景觀的美感，且其生物毒性還直接威脅到水生動(dòng)植物的生存；另外由于水中表面活性劑的存在，其進(jìn)行的有氧生物降解消耗了大量的氧氣，使水中溶解氧量明顯降低，造成水質(zhì)惡化；還有一部分表面活性劑不僅具有抑制和殺死微生物的作用，而且還抑制其他有毒物質(zhì)的降解。
另一方面，大量水體中未能被降解的表面活性劑被土壤吸附以后，影響了土壤的某些性質(zhì)，顯著地降低了土壤對有機(jī)毒物的吸附作用，并改變了土壤中微生物的組成，造成了進(jìn)一步的污染。表面活性劑的污染已經(jīng)成為環(huán)境領(lǐng)域面臨的一個(gè)難題。因此，在表面活性劑的研究及應(yīng)用過程中，應(yīng)考慮到表面活性劑自身可能產(chǎn)生的危害和污染及在環(huán)境中遷移、轉(zhuǎn)化、累積效應(yīng)等方面的影響。
5 發(fā)展展望
隨著人們環(huán)保意識的日益加強(qiáng)，表面活性劑環(huán)境安全問題越來越受到重視，如關(guān)于表面活性劑是否對環(huán)境安全造成危害的討論、表面活性劑的生態(tài)學(xué)及毒性評估等。同時(shí)，還有許多人擔(dān)心隨著品種繁多的日化用品不斷成為人們的生活必需品，如牙膏、皂類、餐具洗滌劑、洗衣粉（劑）及各類化妝品等，每個(gè)人每天都會(huì)或多或少地?cái)z人一定量的表面活性劑。因此，對人體低毒無毒的、可生物降解的環(huán)保型綠色表面活性劑研制和開發(fā)的呼聲越來越高。
目前，表面活性劑的研究和生產(chǎn)利用正在向綠色化和功能化方向發(fā)展。具體表現(xiàn)在：
1）改良表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)，開發(fā)易生物降解的綠色表面活性劑。比如，以降解性能優(yōu)良的烯基磺酸鹽、氧化胺、聚氧乙烯非離子型以及冠醚類、淀粉基、氨基酸型高分子表面活性劑、兩性表面活性劑、生物表面活性劑來逐步取代烷基、芳基磺酸鹽、含苯環(huán)的聚氧乙烯烷基酚醚等難生物降解的表面活性劑。
2）設(shè)計(jì)和研發(fā)對人體溫和的表面活性劑，避免在表面活性劑的使用過程中，對人體皮膚和內(nèi)臟器官造成重大損害。
3）在表面活性劑的合成過程中，充分應(yīng)用表面活性劑之間的協(xié)同效應(yīng)，篩選和開發(fā)多功能的處理劑，擴(kuò)展清洗功能，降低處理劑成本。
4）在考慮表面活性劑的產(chǎn)品綠色化及原料綠色化的同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)表面活性劑的綠色化學(xué)合成工藝的開發(fā)研究。
文章來源：中國表面活性劑網(wǎng)
|