流程工業常用清洗劑淺析

師紀偉

(上海森松制藥設備工程有限公司，上海 201323)

好的工業清洗劑必須根據實際要清除的污垢來選擇配制。標準的商業清潔劑，或針對乳制品、食品或者制藥行業設計出來的工業清潔劑，對其它細分行業和生產工藝來說可能都不是最好的選擇。不同行業和不同產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 工業清洗過程的重要因素

清洗是一個基于化學和物理原理的復雜過程。清洗的首要任務是將污垢從物體表面分離。污垢可以通過范德華力、靜電效應和力學黏附三種物理作用的組合附著到表面。在清洗過程中，必須通過提供反作用力來抑制污垢黏附力。這些作用力的影響因素可被歸納為以下4個基本參數：①清洗溫度；②清洗時間；③清洗動力學；④清潔劑的化學活性。

清洗過程的4個基本參數都是相互影響的。減少或增加這些組成因素中的任何一個，將改變其他3個因素的平衡。但是所有4個參數都是必需的，如果只遺漏其中一個，則清潔作用無法達到最佳效果，甚至不會發生。

2 工業污垢對清潔劑原料選擇的影響

清洗劑的化學活性必須要根據清除的特定污垢來選擇。時間、溫度和動力學3個因素也會影響清潔劑的選擇。這是一種基于直接化學反應以及解吸、分散、乳化和溶解等物理原理的復雜現象。清洗劑的化學活性越高，所需濃度越低。

由于種類繁多的原料，制定通用的清潔劑配方來清潔任何生產系統都是不可能的。更為常見的是，針對某一個單獨的清潔問題，需要花費大量的時間、精力、經驗及大量的實驗去發現具體的解決方法，包括清洗劑的配方選擇及工藝參數等。

3 典型清洗劑的分類

清潔劑可按多種形式進行分類，如其物理性狀或者用途進行分類。通常情況下，經常把清潔劑按照其酸堿度進行分類。大多數工業清潔劑或者是堿性的或者是酸性的。中性產品主要用于手動清潔、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

無機污垢大都比較容易溶于酸性溶液。酸性清潔劑可能會由于多種原因而被限制使用，包括對設備的腐蝕、與其他清潔成分的兼容性和對環境的影響等都應被考慮。在去除無機污垢時，特別是水垢，通常還會使用由多種酸按特定比例配制成的混合物，這種混合特也經常被稱為酸性除垢劑。在清除對酸性物質敏感的物體表面時，還會增加緩蝕劑，以減少酸性物質對物體表面的腐蝕。

3.2 堿性清洗劑

強堿可以和有機物的官能團發生反應，并且將有機污垢轉變成為一種可溶于水的化合物，或者改變污垢化學或者物理的性質使之能較容易的去除。另外，有些清潔劑在堿性環境中會表現出更高的效力，尤其在處理有機殘渣時，會經常使用氫氧化鈉。在一些情況下，如配置一個強堿性且包含其他清潔成分的高濃度產品時，用價格更貴的氫氧化鉀也是有優勢的，因為氫氧化鉀還可以提高堿性清潔劑的低溫穩定性。

但是，無論是氫氧化鈉還是氫氧化鉀，本身單獨使用并不能成為一種很好的清潔劑，因為它們有以下缺點：1)會沉淀水的硬度；2)污垢懸浮能力非常有限；3)污垢滲透力不足；4)與有機污垢(如蛋白質)的反應會形成高泡沫性的物質；5)對礦物殘渣無清洗作用；6)對脂肪物質的去除力不足。

針對每一種污垢，通常會有一種最佳濃度用于快速去除。太高的濃度實際上會對清潔能力產生負面效果，太低的濃度亦然。因為這會導致清洗劑和污垢之間發生不想要的反應，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支持。對于需要控制泡沫的應用場合，會經常使用消沫劑。這樣的產品對于疏水性污垢和油脂非常有效，但對其它的有機物像蛋白質可能會構成問題。為了克服這個問題，可以用中性的含酶的清潔劑去處理蛋白質和其他的有機物。在實際工程應用中，中性清潔劑經常用于切向過濾過程中對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。按表面活性劑的活性基團的離子特性可將表面活性劑分為陰離子表面活性劑、陽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圍。當液滴完全被表面活性劑分子封閉包圍時，油滴隨后可以在水中乳化并分散。通過這個過程，水被轉化成一種能夠“溶解”疏水物質的“溶劑”，如脂肪和油。

表面活性劑在清潔過程中會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其他分子的吸引力引起的。在液體中，一個水分子被其他水分子包圍，但表面的水分子在其中一個方面沒有相鄰的分子互相吸引，這就產生了對液體中其他部分分子更強的吸引力，從而形成球狀液滴。在清洗過程中，液滴的形成是一種不希望出現的現象，因為清洗液應該均勻地分布在整個表面上，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有直接關系。盡管一些表面活性劑顯著降低了表面張力，但它們實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或兩個以上配位原子的配位體作用，生成具有環狀結構的絡合物，該絡合物叫做螯合物。能生成螯合物的這種配體物質叫螯合劑，也稱為絡合劑。在堿性清洗液中，水的硬度對清洗液的效率有不利影響，尤其是對表面活性劑。此外，堿性清洗液對礦物沉淀和污垢中的無機成分清洗效果很小。另一方面，如果用適合無機污垢去除的酸性清潔劑替代，則有機污垢不能有效去除。在堿性清洗劑中加入螯合劑，可以大大提高對無機污垢的清洗效果和清洗劑的綜合性能。在堿性溶液中，螯合劑能以強絡合鍵結合金屬離子，從而將離子從其他物質中分離出來。

工業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的螯合鍵。然而在處理大量無機污垢或較厚的積垢時，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行額外的酸洗步驟。

在清洗劑中使用螯合劑無法解決的一個問題是堿性清洗，特別是熱堿性清洗后，在清洗循環中會形成水垢。在沖洗周期中，設備表面的剩余清洗液薄膜被稀釋，從而降低所含所有成分的濃度。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的時間，將導致水硬度沉淀。

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

4.3 消泡劑

在工業清洗過程中，應避免產生泡沫，原因是泡沫殘留物很難沖洗掉，這使得沖洗時間大大增加，沖洗水消耗量也很高。且泡沫的形成也會影響液位控制設備，并會造成離心泵發生氣蝕現象。

泡沫是由發泡表面活性劑、生產殘留物或清潔劑與污垢之間的反應產生的。消泡劑可以用來緩解這個問題，它們主要是疏水性物質，作用于清洗液的界面區域，防止泡沫的形成。然而缺點也是因為其疏水性，因為它們不溶于水很難沖洗，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，如過氧化物和次氯酸鹽，有助于分解碳化殘渣和不溶性高分子化合物。它們還可以破壞染料或脫色劑從而達到漂白效果。在考慮將此類化學品作為清潔增強劑添加到清潔溶液中時，應特別注意到其對接觸材料的氧化腐蝕的風險。

盡管次氯酸鹽非常有效，但它們對某些材料也具有很強的腐蝕性，可對不銹鋼造成點蝕，并腐蝕橡膠和塑料等密封材料。過氧化氫顯示出良好的清洗效果，且一般情況下對設備的腐蝕有限。

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設備需要特殊的緩蝕劑。緩蝕劑的選擇取決于許多參數，例如要保護的基質、洗滌劑的性質和溶液的pH值。通常使用硅酸鹽、改性碳水化合物和磷酸鹽。

5 常見清潔劑成分的環境效應

在開發清潔劑時，不僅要考慮其有效性，還要考慮其對環境的影響，特別是產品的毒性。也正是由此原因，行業內也為此而放棄使用某些化學產品。

磷酸鹽和硝酸鹽是藻類等植物的營養物質，因此有助于水體富營養化。然而，它們可以通過特定工藝處理過程在污水處理廠中被大量清除。

硫酸鹽也會增加水的含鹽量，在好氧條件下，由于高濃度硫酸鹽會對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，雖然作為清潔增強劑非常有效，但由于其形成可吸附的有機鹵素化合物而日益受到關注。一般情況下，應對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

流程工業中使用的原料、制造工藝和制造設備的多樣性意味著選擇最合適的清洗劑可能非常復雜。一般需在實驗室試驗中使用不同潛在配方規格對待清除的污垢樣品進行試驗。

以下建議僅作為清潔試驗配方的一般性建議：

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 結語

流程工業中，生產設備的清洗關系到整個生產工藝的生產效率、質量保證、環境保護甚至操作安全。做為清洗工藝中主要影響因素之一，清洗劑的選擇至關重要。清洗劑的選擇應全在面了解生產工藝中待清洗污垢的類型和組成，并根據已有的清洗過程知識和經驗，經過綜合分析評估后，選擇出多種潛在的配方和工藝參數；還要經過多次實際實驗并評估完善后最終確定，而且在實際生產過程中，還要收集實際數據并持續改近提高，最終才能達到令人滿意的效果。