正交實(shí)驗(yàn)研究表面活性物含量對(duì)瓶片清洗影響及測試

潘宏瑞，陳瑾影，王永杰，張礎(chǔ)銳，劉天祥，張?zhí)煜?/p>

(沈陽工業(yè)大學(xué)石油化工學(xué)院，遼寧 遼陽 111003)

近年來，廢棄塑料所引發(fā)的一系列問題受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。廢棄塑料制品帶來的環(huán)境污染問題日漸突出。塑料清洗劑是一種專門清洗塑料表面的溶劑，一般作用于塑料處理前的清洗系統(tǒng)中[1]。但是，洗脫后產(chǎn)生的大量廢水具有較高的COD，無法直接排放，既造成水資源的浪費(fèi)，又增加清洗成本[2-4]。目前，國內(nèi)外的相關(guān)研究仍處于初始階段，因此研制對(duì)環(huán)境友好的塑料清洗劑成為大規(guī)模推廣運(yùn)用的重中之重。對(duì)現(xiàn)有塑料清洗劑性能進(jìn)行改進(jìn)，保證清洗質(zhì)量，提高清洗效率，無廢水產(chǎn)生，可循環(huán)利用。尤其對(duì)于高緯度寒冷地區(qū)，保證清洗劑在 -15 ℃ 時(shí)不凝固，能夠正常使用，落實(shí)大規(guī)模、可持續(xù)的綠色工業(yè)化生產(chǎn)，是本研究所要解決的主要問題。

本研究采用水溶性混合法，利用十二烷基苯磺酸鈉、氫氧化鈉、丙酸、丙酸(丙)酯及水復(fù)合物余量等主要原料與硫酸鈉、甲醇鈉、壬基酚聚氧乙烯醚(NP-10)、滲透劑T、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉、消泡劑等輔助原料進(jìn)行復(fù)配研究，制備出一種環(huán)境友好型可回收循環(huán)利用塑料清洗劑。上述的丙酸、丙酸酯及水復(fù)合物余量采用的是生產(chǎn)丙酸乙酯、丙酸正丙酯后的副產(chǎn)物，是對(duì)工業(yè)廢料的二次利用，不僅做到回收廢料、大幅降低成本，還兼具抑菌、殺菌作用，減少了對(duì)環(huán)境的污染。通過正交實(shí)驗(yàn)測試研究清洗劑中表面活性物的含量對(duì)瓶片清洗行為的影響，研制出最優(yōu)的清洗劑配方。本研究已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，為新型清洗劑工業(yè)化奠定基礎(chǔ)，為其他清洗劑的復(fù)配提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

酯化反應(yīng)工藝水、甲醇鈉(遼寧港隆化工有限公司)；氫氧化鈉(天津市瑞金特化學(xué)品有限公司)；十二烷基苯磺酸、硫酸鈉、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉、NP-10、滲透劑、消泡劑(鄭州中揚(yáng)化工產(chǎn)品有限公司)；鹽酸(上海試劑一廠)；酚酞(沈陽試劑廠)。試劑均為分析純，市售。

SHT型數(shù)顯恒溫磁力攪拌電熱套(山東華魯電熱儀器有限公司)；FV2004B型電子分析天平(上海佑科儀器有限公司)；Nicolet5700紅外光譜儀；GC9790Ⅱ氣相色譜工作站；DGF702-1型電熱鼓風(fēng)干燥箱(大連實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠)；800A型多功能粉碎機(jī)(永康市穗機(jī)制制造廠)；28-1型磁力加熱攪拌器(常州國華電器有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 清洗劑制備方法

在電子分析天平上稱取 78 g 酯化反應(yīng)工藝水，3 g 氫氧化鈉加入容積為 250 mL 的燒杯內(nèi)，用磁力攪拌器攪拌 1 min ，加入十二烷基苯磺酸 17 g，攪拌中和1～2 min，取樣測pH值(8～9之間)，若pH值不合格則需補(bǔ)加氫氧化鈉。加 2 g 硫酸鈉及 1 g 甲醇鈉，攪拌1～2 min，攪拌均勻，至全部混合。加 6 g 脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉，1 g NP-10，1 g 滲透劑T及少許消泡劑，攪拌1～2 min，攪拌均勻，至全部混合。測pH值(8～9之間)。

1.2.2 清洗劑瓶片清洗階段的測試

1)瓶片的制備。本清洗實(shí)驗(yàn)選用生活中常見白色包裝的乳制品飲料瓶以及透明包裝的油壺瓶作為清洗對(duì)象，將收集來的塑料剪開，選取其中平整的部位剪成1×1 cm 的塑料小碎片。

2)瓶片的清洗。在 500 mL 燒杯中加入磁力轉(zhuǎn)子，放入電子計(jì)價(jià)稱上稱量清零，向燒杯中加入 10 g 塑料瓶片，100 g 水，1 g 樣品清洗劑及 1 g 氫氧化鈉(所加入的含量以工業(yè)化清洗標(biāo)準(zhǔn)為參照)，放入數(shù)顯恒溫磁力攪拌電熱套加熱到 90 ℃(以磁力攪拌代替揉搓機(jī))，時(shí)長設(shè)定為 5 min(工業(yè)化時(shí)長為 30 min，在本實(shí)驗(yàn)中由于清洗物較少故縮短清洗時(shí)間)。

3)瓶片的清洗效果測試。清洗結(jié)束后放入清水中漂洗(本實(shí)驗(yàn)以手工揉搓取代揉搓機(jī))，取出被清洗的瓶片，室溫晾干，放在電熱鼓風(fēng)干燥箱 200 ℃，干燥 20 min，取出后放在白色比色卡中與標(biāo)準(zhǔn)瓶片作對(duì)比。評(píng)價(jià)瓶片的熱穩(wěn)定性，是否發(fā)黃。

4)清洗劑表面活性物含量的測試。測量第一次清洗過后的活性物含量以及pH。將清洗過后的清洗剩出液分層去掉固體雜質(zhì)，如果清洗劑表面活性物含量低，可以補(bǔ)充表面活性劑。pH低，補(bǔ)充NaOH，再次循環(huán)清洗測試清洗效果，步驟與上述相同，如圖1所示。

圖1 清洗瓶片工藝流程圖

1.2.3 經(jīng)過N次清洗廢水處理的實(shí)驗(yàn)方法

稱取 50 mL 實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生廢水加入 100 mL 燒杯中，先加入2～5滴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 300 mg/kg 聚丙烯酰胺，后加入2～3滴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 300 mg/kg 硫酸鋁溶液。靜置 1 h 后，用漏斗過濾掉固體絮凝雜質(zhì)，如遇油水分層應(yīng)先用分液漏斗分層后再過濾，過濾后得到水的pH為中性時(shí)，可以重復(fù)利用。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 十二烷基苯磺酸對(duì)塑料清洗劑活性物的影響

十二烷基苯磺酸是清洗劑中的主要成分，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為變量開展因素實(shí)驗(yàn)。由最初實(shí)驗(yàn)研制清洗劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為依據(jù)：酯化反應(yīng)工藝水 78 g(78%)、氫氧化鈉 3 g(3%)、十二烷基苯磺酸 17 g(17%)、硫酸鈉 0.2 g(0.2%)、甲醇鈉 1 g(1%)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉 0.6 g(0.6%)、NP-10 0.1 g(0.1%)、滲透劑 0.1 g(0.1%)。故對(duì)十二烷基苯磺酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以11%用量為起點(diǎn)，每次增加3%的量，共5組，其他組分不變。圖2給出了十二烷基苯磺酸含量對(duì)塑料清洗劑活性物含量的影響。由圖2可知，十二烷基苯磺酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17%時(shí)，塑料清洗劑活性物含量最高。

圖2 十二烷基苯磺酸對(duì)塑料清洗劑活性物含量的影響

2.1.2 酯化反應(yīng)工藝水對(duì)塑料清洗劑活性物含量的影響

酯化反應(yīng)工藝水作為溶劑，對(duì)清洗劑的制備有著至關(guān)重要的作用。本實(shí)驗(yàn)設(shè)置5組以3%用量為增量，從72%遞加到84%，觀察單因素實(shí)驗(yàn)中酯化反應(yīng)工藝水的最佳用量，如圖3所示。由圖3可知，酯化反應(yīng)工藝水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為78%時(shí)，塑料清洗劑活性物含量最高。

圖3 酯化反應(yīng)工藝水對(duì)塑料清洗劑活性物含量的影響

2.1.3 氫氧化鈉對(duì)塑料清洗劑活性物含量的影響

氫氧化鈉作為堿性清潔劑被廣泛用于工業(yè)范圍，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置5組以1%為增量，從1%遞加到3%，觀察單因素實(shí)驗(yàn)中氫氧化鈉的最佳用量，如圖4所示。由圖4可知，氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，塑料清洗劑活性物含量最高。

圖4 氫氧化鈉對(duì)塑料清洗劑活性物含量的影響

2.2 正交實(shí)驗(yàn)

選用以十二烷基苯磺酸、酯化反應(yīng)工藝水、氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為影響塑料清洗劑活性物含量的主要因素，進(jìn)行三因素三水平的正交實(shí)驗(yàn)。正交實(shí)驗(yàn)與水平數(shù)值選擇見表1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析見表2。

表1 因素水平表

由表2得出，在該塑料清洗劑體系中，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響因素由強(qiáng)到弱依次為氫氧化鈉、十二烷基苯磺酸、酯化反應(yīng)工藝水。其中塑料清洗劑活性物含量最高的為第二組，即清洗劑中含有(質(zhì)量分?jǐn)?shù))十二烷基苯磺酸17%，酯化反應(yīng)工藝水78%，氫氧化鈉3%。

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

對(duì)第二組正交試驗(yàn)進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。重復(fù)性實(shí)驗(yàn)共分為三組，以酯化反應(yīng)工藝水 78 g(78%)、氫氧化鈉 3 g(3%)、十二烷基苯磺酸 17 g(17%)、硫酸鈉 0.2 g(0.2%)、甲醇鈉 1 g(1%)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉 0.6 g(0.6%)、NP-100.1 g(0.1%)、滲透劑 0.1 g(0.1%)進(jìn)行配置。

表3 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.4 清洗實(shí)驗(yàn)

清洗實(shí)驗(yàn)是生產(chǎn)的塑料清洗劑在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，以瓶片清洗為依據(jù)設(shè)置三組清洗實(shí)驗(yàn)，工業(yè)清洗的流程有清水預(yù)洗、加熱攪拌、二次加熱攪拌、漂洗、二次漂洗、清水漂洗、甩干等步驟，塑料清洗結(jié)束活性物含量如表4所示。

表4 清洗實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表4可得：1)通過正交實(shí)驗(yàn)所得塑料清洗劑在清洗前及之后的表面活性較高，因此清洗效果較佳。2)溫度升高水分蒸發(fā)使得活性物含量升高，使得清洗劑更容易被多次利用。3)通過觀察清洗過后的瓶片，看到其表面污垢大部分被去除，瓶片由原來的黑色變?yōu)槿榘咨幚砗蟮奈鬯儨啙岵a(chǎn)生少量泡沫。

2.5 清洗劑穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

為保證此種塑料清洗劑能夠在較大溫度區(qū)間保存，進(jìn)行了穩(wěn)定性測試，如表5所示。由表5可知，該塑料清洗劑穩(wěn)定性良好，具有較強(qiáng)的市場前景。

表5 穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.6 廢水處理實(shí)驗(yàn)

通過廢水處理實(shí)驗(yàn)，探究該塑料清洗劑處理后的廢水是否達(dá)到可排放標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)保要求。通過加入聚丙烯酰胺以及硫酸鋁作為絮凝劑使廢水中的雜質(zhì)沉淀，過濾觀察到處理后的廢水呈透明顏色，無異味，無懸浮顆粒，pH呈弱堿性。

3 結(jié)論

通過正交實(shí)驗(yàn)測試表面活性物含量對(duì)瓶片清洗行為的影響，配制得到了環(huán)保友好型塑料清洗劑。確定了該塑料清洗劑各組分的最佳配比為(質(zhì)量分?jǐn)?shù))：酯化反應(yīng)工藝水(78%)、氫氧化鈉(3%)、十二烷基苯磺酸(17%)、硫酸鈉(0.2%)、甲醇鈉(1%)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉(0.6%)、壬基酚聚氧乙烯醚(0.1%)、滲透劑T(0.1%)。相較于傳統(tǒng)塑料清洗劑，該塑料清洗劑具有較強(qiáng)的油污去除能力，且本清洗劑可重復(fù)利用，無味，不產(chǎn)生廢水，不會(huì)造成環(huán)境危害。同時(shí)，該塑料清洗劑擁有較強(qiáng)的溫度適應(yīng)能力，在低溫環(huán)境下不凝固，具有良好的流動(dòng)性，抗硬水能力強(qiáng)，殺菌性能高，耐酸堿，利于工業(yè)化生產(chǎn)和大規(guī)模運(yùn)用。