表面活性剂在化学清洗中的应用及未来的绿色发展

技术型男

2022-12-29 15:02

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在工业生产过程中，生产工艺的设备和管线中会产生各种各样的污垢，如结焦、油污垢、水垢、沉积物、腐蚀性的污垢等，这些污垢通常会导致设备和管线失效、装置系统生产效率下降、能耗增加等，严重时甚至发生安全事故。

近年来，随着新型合成工业的迅猛发展，新型的工业污垢也不断涌现，而且其分子结构组成日趋复杂；另外，工业污垢和不同洗涤对象之间的粘结机理和粘结形态，也往往取决于污垢种类及被清洗对象的结构组成和表面物化性质。出于环境保护的需要，目前对化学药剂的可生物降解性及无毒无害性要求日益提高，因此，对化学清洗技术不断提出了新的挑战。

化学清洗是一门综合技术，涉及到污垢形成和性能的研究、清洗剂及助剂的选择配制、缓蚀剂的选用、清洗工艺技术、清洗设备的研制和利用、清洗过程检测技术以及废液处理等等。其中，清洗剂的选择是决定清洗工作成败关键的一环，它直接影响设备的清洗效果、除垢率、腐蚀率及经济效益等。

清洗剂主要由清洗主剂、缓蚀剂、表面活性剂三大组分构成。表面活性剂由于其分子结构中同时具有亲水基和疏水基部分，在化学清洗中起着吸附、渗透、乳化、溶解、洗涤等作用，其在化学清洗中不仅仅作为辅助剂，而且可以作为主要组分而得到广泛重视，尤其在酸洗、碱洗、缓蚀、除油、杀生等清洗过程中已经发挥出越来越大的作用。

国内外对表面活性剂在化学清洗中的应用进行了大量的研究，本文将对表面活性剂在化学清洗中的应用现状及进展作一简要的评述。

1 表面活性剂概述

表面活性剂是指能显著降低液体的表面张力和液液界面张力的物质。它们的分子都由极性的亲水基和非极性的憎水基两部分组成。

亲水部分常见的为羧基、硫酸酯、磺酸基、胺基、季铵基、羟基等，憎水部分则为长链烷烃和芳烃为代表的基团。由于它们具有既亲水又亲油的两亲性质，因而在化学清洗时可使清洗溶液表面性质改变，使其具有较低的表面张力，较好的润湿性与起泡性。

根据表面活性部分所带电荷的不同可将表面活性剂分为阴离子型、阳离子型、非离子型与两性型四大类。

2 表面活性剂在化学清洗剂中的作用机理

清洗主剂、缓蚀剂、表面活性剂是构成化学清洗溶液的三大组成部分，表面活性剂特殊的化学结构，决定了表面活性剂溶解在液体溶液中后，使得溶液的表面张力大大降低，提高了溶液的润湿能力。特别当溶液中表面活性剂的浓度达到临界胶束CMC浓度时，溶液的表面张力、渗透压、粘度、光学性质等都有显著变化。

表面活性剂在化学清洗过程中的润湿、渗透、分散、乳化、增溶作用起到事半功倍的效果。概括起来，化学清洗中表面活性剂主要有两种作用，一是利用胶束的溶解作用提高难溶性有机污染物的表观浓度，即增溶作用；二是由于表面活性剂具有两亲基团，能吸附或富集在油相与水相的界面上，使界面张力降低。

3 表面活性剂在化学清洗剂中的应用

在选择表面活性剂时，应特别注意清洗剂、缓蚀剂、表面活性剂各组分的性质及其相互作用的匹配性。

3.1 在缓蚀剂中的应用

表面活性剂是能对缓蚀过程产生显著作用的添加剂，能增加润湿性、分散性与发泡性，促进酸洗液同垢、锈的接触，以及改变酸洗后基体金属表面状态，从而提高酸洗质量。有的表面活性剂还具有一定的缓蚀性能，能得到比使用单一缓蚀组分更好的效果。在缓蚀剂配方中一般添加的表面活性剂为阴离子型的C10~C18烷基或烷基苯磺酸盐或烷基硫酸盐，或为非离子型的高级醇、酚类的聚氧乙烯基化合物。但某些缓蚀剂中也会有阳离子型表面活性剂，如季铵盐等。

有文献报道，非离子表面活性剂Tween80在三种无机酸介质（HCl、H2SO4、H3PO4）中对钢都有较好的缓蚀作用；袁朗白等研究过阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠（DBSAS）和非离子表面活性剂聚乙二醇辛基苯基醚（OP）协同效应对钢的缓蚀效果，发现DBSAS和OP复配后对钢产生明显的缓蚀协同效果，且复配浓度范围较宽。

3.2 在酸洗中的应用

3.2.1 用作酸雾抑制剂

在酸洗中，盐酸、硫酸或硝酸在与锈垢反应的同时，不可避免会与金属基体反应、放热，并产生大量酸雾。在酸洗液中加入表面活性剂，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线状膜覆盖层，并利用表面活性剂的发泡作用，可抑制酸雾挥发。当然，一般酸洗液中往往加入缓蚀剂，能大大减少金属的腐蚀速度，降低了析氢量，也即相应减少了酸雾。

王瑞峰等研制了BSY型酸雾抑制剂，在金属材料酸碱处理时能有效地抑制酸雾；长沙矿冶研究院袁交秋等研制了YJ-509酸雾抑制剂，抑雾效率可达92%以上。

3.2.2 用作酸洗除油二合一清洗

一般工业设备化学清洗中，如污垢有油脂成分，为保证酸洗质量，首先要经过碱洗再进行酸洗。如在酸洗液中添加一定量的以非离子表面活性剂为主的除油剂，则可合并成一个工序。此外，一般固体清洗液大多以氨基磺酸为主要成分，并含有一定量的表面活性剂、硫脲及无机盐等组分，使用时兑水。这种清洗剂不仅具有良好的除锈除垢缓蚀性能，还能同时去除油分。

梁国柱等研究开发的BH-6高效酸洗除油剂效果显著，几年来在国内一百多家电镀、喷涂厂中应用，取得了良好的经济效益和社会效益；余存烨等采用复合无机酸加非离子表面活性剂及缓蚀剂的清洗液进行喷淋循环清洗，也取得了满意的效果。

3.3 在碱洗中的应用

3.3.1 一般设备清洗

碱洗是以强碱性的化学药剂作为清洗剂来疏松、乳化和分散金属设备内污垢的一类清洗方法。它往往作为酸洗的前处理，以除去系统与设备中的油脂或使硫酸盐、硅酸盐等难溶垢转化，使酸洗易于进行。常用碱洗药剂有氢氧化钠、碳酸钠、磷酸钠或硅酸钠，同时添加表面活性剂，以便润湿油脂与分散污垢，提高碱洗效果。

徐高扬等发现在重碱洗水中加入添加剂NPE-10，可有效地降低重碱水含量和NaCl含量，既减少停炉次数，又提高了燃烧炉的生产能力；余存烨研究的设备酸洗前碱洗除油配方为：氢氧化钠3%~5%、碳酸钠2%~3%、三聚磷酸钠4%~5%、水玻璃为1%~1.5%、十二烷基磺酸钠2%~5%，80~90℃。

3.3.2 用于水基金属清洗剂

水基金属清洗剂是一类以表面活性剂为溶质，水为溶剂，金属硬表面为清洗对象的洗涤剂。它可代替汽油、煤油以节约能源，主要用于机械制造与修理、机械设备维修与保养等方面的金属清洗。有时也可以作为石化设备一般油垢的清洗。水基清洗剂多以非离子型表面活性剂与阴离子型表面活性剂复配物为主体，再加多种辅加剂所组成的混和物。前者去污力大，具有良好的防锈、缓蚀能力，后者能提高并改进清洗剂的综合性能。

在选择表面活性剂时，应特别注意清洗剂、缓蚀剂、表面活性剂各组分的性质及其相互作用的匹配性。

3.4 在络合清洗中的应用

络合剂又称螯合剂或配位体，它是利用各种络合剂（含螯合剂）对各种成垢离子的络合作用（配位作用）或螯合作用，使之生成可溶性的络合物（配位化合物）而进行清洗的。

在络合剂清洗中往往加入表面活性剂，以促进清洗过程。常用的无机络合剂有三聚磷酸钠等，常用的有机螯合剂有乙二胺四乙酸（EDTA），氮三乙酸（NTA）等。络合剂清洗除用于冷却水系统清洗外，目前在难溶垢的清洗中有较大发展。由于它能络合或螯合各种难溶垢中的金属离子，故清洗效率高。

武钢烧结厂黄新发等人采用碱式络合清洗法对溴机溶液腔进行了清洗和预膜，达到了减轻腐蚀，延长溴机使用寿命的目的。

3.5 在重质油垢、焦垢清洗中的应用

石油炼制和石油化工装置中，换热设备和管线的重质油垢与焦垢沉积严重，经常需要清洗。采用有机溶剂毒性大，易燃易爆；而采用一般碱洗法，对重质油垢与焦垢无效。

目前国内外研制的重质油垢清洗剂主要以复合型表面活性剂为主，由几种非离子型表面活性剂和阴离子型表面活性剂的复配物、再加无机助洗剂与碱性物质组成。复合表面活性剂不仅产生润湿、渗透、乳化、分散、增溶与起泡效果，还具有吸收FeS2的作用，一般需在80℃以上加热清洗。

王国泰等以表面活性剂、有机溶剂和水为原料，采用转相乳化法研制了一种性能优良的硬表面油垢清洗剂，能高效快速地去除各种硬表面（如厨房灶具、玻璃、瓷片等）上的油性污垢，特别是对各种金属表面的油垢和焦垢十分有效。

3.6 冷却水杀生剂中的应用

在冷却水系统中有微生物粘泥时，采用非氧化性杀生剂、同时加入低泡型非离子表面活性剂作分散剂与渗透剂，可增大药剂的活性，同时促进药剂渗入细胞内和真菌的粘液层内。

另外季胺盐类杀生剂也多有应用，它是一些阳离子表面活性剂，最常用的是洁尔灭和新洁尔灭，它们均具有杀生力强、使用方便、毒性小和成本低的优点。它们除具有剥离粘泥和除去水中臭味的功能外，还具有缓蚀作用。

此外，季胺盐与二硫氰基甲烷复合的杀生剂，不但具有广谱与增效的杀生作用，而且还能防止粘泥的生长。

4 表面活性剂对环境的危害

表面活性剂由于其独特的性质而广泛应用到工农业生产的各个部门，尤其在清洗行业中发挥着举足轻重的作用。但大量的表面活性剂通过多种途径进入生态环境，对环境造成的危害也越来越严重。其中绝大部分的表面活性剂未经妥善处理即排放到河流、海洋等自然水体中，严重影响周围生态系统的平衡发展。

表面活性剂在低浓度下即产生大量泡沫，它的存在不仅影响了自然水体景观的美感，且其生物毒性还直接威胁到水生动植物的生存；另外由于水中表面活性剂的存在，其进行的有氧生物降解消耗了大量的氧气，使水中溶解氧量明显降低，造成水质恶化；还有一部分表面活性剂不仅具有抑制和杀死微生物的作用，而且还抑制其他有毒物质的降解。

另一方面，大量水体中未能被降解的表面活性剂被土壤吸附以后，影响了土壤的某些性质，显著地降低了土壤对有机毒物的吸附作用，并改变了土壤中微生物的组成，造成了进一步的污染。表面活性剂的污染已经成为环境领域面临的一个难题。因此，在表面活性剂的研究及应用过程中，应考虑到表面活性剂自身可能产生的危害和污染及在环境中迁移、转化、累积效应等方面的影响。

5 发展展望

随着人们环保意识的日益加强，表面活性剂环境安全问题越来越受到重视，如关于表面活性剂是否对环境安全造成危害的讨论、表面活性剂的生态学及毒性评估等。同时，还有许多人担心随着品种繁多的日化用品不断成为人们的生活必需品，如牙膏、皂类、餐具洗涤剂、洗衣粉（剂）及各类化妆品等，每个人每天都会或多或少地摄入一定量的表面活性剂。因此，对人体低毒无毒的、可生物降解的环保型绿色表面活性剂研制和开发的呼声越来越高。

目前，表面活性剂的研究和生产利用正在向绿色化和功能化方向发展。具体表现在：

1）改良表面活性剂的分子结构，开发易生物降解的绿色表面活性剂。比如，以降解性能优良的烯基磺酸盐、氧化胺、聚氧乙烯非离子型以及冠醚类、淀粉基、氨基酸型高分子表面活性剂、两性表面活性剂、生物表面活性剂来逐步取代烷基、芳基磺酸盐、含苯环的聚氧乙烯烷基酚醚等难生物降解的表面活性剂。

2）设计和研发对人体温和的表面活性剂，避免在表面活性剂的使用过程中，对人体皮肤和内脏器官造成重大损害。

3）在表面活性剂的合成过程中，充分应用表面活性剂之间的协同效应，筛选和开发多功能的处理剂，扩展清洗功能，降低处理剂成本。

4）在考虑表面活性剂的产品绿色化及原料绿色化的同时，应加强表面活性剂的绿色化学合成工艺的开发研究。

关键词：表面活性剂

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