添加表面活性剂对微泡洗净的影响

2018-06-19岳霄

中国洗涤用品工业 2018年6期

在水系洗净体系中，占据主流的是使用浓度略高于临界胶束浓度（cmc）和高浓度的表面活性剂溶液进行洗净的方法。但是，洗涤废液会污染水质，因此，减少洗净过程中的表面活性剂使用量是大势所趋。

最近几年出现了一种新型微泡洗净技术。它不使用任何表面活性剂，是利用直径小于50mm的微泡或精细气泡的洗净技术。迄今为止，已经有研究报告称，新型微泡洗净技术对除去亚克力板表面附着的油性物质、除去机械部件上附着的脂质，以及亚克力圆管内壁附着的猪油的去除均有效果。另一方面，对于湿式人工污布的清洗，微泡水与蒸馏水的洗净力等同，微泡洗净没有效果。由此看来，微泡洗净的效果因具体事例而异。

另外，有很多研究报告认为：表面活性剂对气泡直径变化和气泡稳定性等气泡行为有影响。例如，添加的表面活性剂浓度低于cmc，溶液中的气泡直径会变小，气泡上升速度降低，气泡稳定性提高。还有报告认为，应防止气泡的合并。这些研究报告都是以低于cmc的低浓度表面活性剂展开的探讨，即使是低浓度的表面活性剂，也被认为对气泡行为有影响。

另一方面，以前采用的微泡洗净很少有添加表面活性剂的报道。据推测，利用微泡去除污垢的洗净机理，是由于气泡吸附在疏水性污垢上，通过将污垢带入气液表面而除去。因此，添加表面活性剂能使气泡直径减小，增大气液界面的面积，从而提高了微泡洗净的效果。

鉴于以上原因，日本横滨国立大学的研究小组研究了低于cmc的低浓度表面活性剂溶液中微泡的洗净性，并对此时的气泡行为一并展开探讨。

1 实验

1.1 试剂

本研究使用的表面活性剂有3种：阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS，和光纯药生物化学）、阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB，Nacalai特级试剂）、非离子表面活性剂聚氧乙烯（十二）月桂醇醚（AE，L-12P，日本东邦化学工业）3种表面活性剂。表面活性剂溶液调制使用的溶剂全部是自来水（硬度约35mg/kg，由碳酸钙换算而来）。模型污垢是牛脂（日本纯正化学公司），其他试剂使用和光纯药的特级试剂。

1.2 实验装置

图1是本实验测定气泡直径及洗净试验用的装置概略图。微泡发生装置上安装了可调式流量计，微泡吹出口装有亚克力制的测定槽。液相为自来水或表面活性剂溶液，气相为大气。

1.3 气泡直径的测定

图1 洗净试验装置概略图

微泡发生装置工作5min，彻底排除管道中的空气后，用数码显微镜VHX-100（Keyence公司）对通过测定槽的微泡动画进行摄影。该动画用视频捕捉器VGA2USB Pro（Epiphan公司）将动画文件（分辨率1600×1200）导入，测定焦点重合的气泡直径。重复同样的操作，直至测定的气泡数合计达到300个。

1.4 气泡消失时间的测定

用烧杯采集刚从微泡发生装置出来的微泡水，目视观察微泡消失的时间。表面活性剂的添加浓度设定为10mg/L。

1.5 静态表面张力的测定

在20℃下，用表面张力自动测定仪EZ-Pi（Kibbron公司）测定表面活性剂溶液的静态表面张力。

1.6 微泡洗净试验

以2-丙醇作为溶剂，在玻璃管（长6.0cm，外径0.7mm，内径0.5mm）中滴下浓度为0.1%（w/v）的牛脂溶液200mL。然后，在室温下干燥一晚上，待2-丙醇完全挥发掉后，用于下一步的洗净试验。

在管道的一端连接玻璃管进行洗净试验。洗净溶液是自来水和各种设定浓度的表面活性剂溶液。考虑到洗净溶液会再次附着到玻璃管壁，因而不能循环使用玻璃管。洗净条件为水温（20±1.5）℃，洗净时间3min，流量3.5L/min。为了检测微泡的洗净效果，在没有产生微泡的条件下也做了同样的洗净试验。洗净后的玻璃管，用流动的自来水冲洗管内10s，放在室温下干燥。

1.7 浸渍试验

浸渍试验是为了检测各种表面活性剂对牛脂的影响。与微泡洗净试验的操作一样，将附着牛脂的玻璃管加至用自来水溶解的表面活性剂溶液（浓度为cmc）10mL的试验管中，在20℃下浸渍5min或30min。然后，与洗净试验一样，用流动的自来水冲洗玻璃管内部10s，于室温下自然干燥。

1.8 洗净性试验

将玻璃管放入盛有10mL 2-丙醇的试验管中，于48℃下振荡20min，抽出牛脂。然后，从试验管中取出玻璃管，在牛脂的最大吸收波长225nm处，测定抽出液的吸光度。实验前，预先用已知浓度的牛脂溶液制成检量线，由该检量线计算出牛脂的附着量，根据下式求出牛脂的去除率（R）。

在这里，QS代表洗净前的牛脂附着量，QW代表洗净后的牛脂残留量。

2 结果与讨论

2.1 表面活性剂对气泡行为的影响

2.1.1 表面活性剂对气泡直径的影响

图2是自来水中产生的气泡直径分布图。图2中的平均气泡直径为40.17mm，标准偏差为8.43mm。结果很明显，本研究产生的微泡呈现多分散性。

另外，添加各种表面活性剂时的平均气泡直径与静态表面张力如图3所示。从图3可以看出，由静态表面张力求得SDS的cmc约为1000mg/L，CTAB的cmc约为260mg/L，AE的cmc约为60mg/L。另外，随着表面活性剂浓度的增加，静态表面张力降低，平均气泡直径变小。这表明，表面张力降低，进入溶液中的空气更容易以气泡形式存在。当cmc分别为SDS：50mg/L、CTAB：50mg/L、AE：10mg/L时，气泡直径基本为一定值。因此，本研究认为浓度高于cmc时，无法预测微泡的洗净效果是否有所提高。另外，AE与其他表面活性剂相比，低浓度下的平均气泡直径大幅减小，这可能是由于AE的表面活性作用最强。

图2 自来水中产生的气泡直径分布图

图3 表面活性剂对表面张力和微泡直径的影响

2.1.2 表面活性剂对气泡稳定性的影响

表1是添加各种表面活性剂时的气泡消失时间。从表1看到，所有表面活性剂中气泡消失时间均为自来水中的2倍。此外，并未发现因表面活性剂种类不同，气泡消失时间出现大的差异。以上结果表明，添加表面活性剂不仅能减小气泡直径，还能提高溶液中气泡的稳定性。

表1 自来水和表面活性剂溶液中的气泡寿命

2.2 表面活性剂对微泡洗净性的影响

2.2.1 阴离子表面活性剂（SDS）的影响

图4是各浓度SDS溶液去除牛脂的洗净试验结果。用微泡洗净的过程中，随SDS浓度升高，牛脂的去除率增加，平均气泡直径最小的SDS浓度50mg/L条件下的去除率提高15.4%，为微泡单体去除率的1.3倍。因此，添加SDS后微泡泡径变小，增大了气液界面面积，提高了牛脂的去除率。

图4 各浓度SDS溶液去除牛脂的洗净试验结果

另一方面，比较微泡平均气泡直径基本相同的SDS浓度50、100、250mg/L，SDS浓度为250mg/L时的牛脂去除率大幅提高。这很可能是由于在该浓度条件下，SDS在微泡表面的吸附呈饱和状态，牛脂及玻璃管上的SDS吸附量增加使牛脂的附着力降低，在液流等机械力的作用下，牛脂变得容易被去除。为此，在SDS浓度250mg/L的条件下，牛脂去除与微泡的疏水性吸附无关，因此，很难说微泡对牛脂具有洗净效果。

由此可知，添加浓度低于cmc浓度1/20即50mg/L的SDS，能够提高微泡洗净性。

2.2.2 非离子表面活性剂（AE）的影响

图5是各浓度AE溶液的牛脂洗净试验结果。微泡洗净中，AE与SDS一样，随浓度增高牛脂的去除率增加。平均气泡直径降至最小的AE浓度为50mg/L，在该条件下牛脂的去除率为22.4%，是微泡单体去除率的1.9倍。

图5 各浓度AE溶液的牛脂洗净试验结果

比较AE浓度从10mg/L增加至50mg/L的牛脂去除率发现，不用微泡洗净的牛脂去除率为一定值，而用微泡洗净的牛脂去除率增加。当AE浓度从10mg/L增加至50mg/L，静态表面张力随之减小，表面活性剂浓度增加产生的表面活性作用基本不会对牛脂的洗净性产生影响。因此，可以确认微泡直径减小有利于提高洗净性。

不过，本研究比较了AE浓度10mg/L与50mg/L的微泡洗净去除率，认为由AE浓度增加引起的牛脂去除率比例很小，在AE浓度为10mg/L时，即可有效提高微泡的牛脂去除率。另外，所有AE浓度条件下的微泡洗净均能提高牛脂的去除率。

2.2.3 阳离子表面活性剂（CTAB）的影响

各浓度CTAB溶液的牛脂洗净试验结果如图6所示。试验结果表明，随CTAB浓度的增加，微泡的牛脂去除率增加。因此，与其他表面活性剂同样，CTAB也是通过减小微泡直径提高牛脂洗净性的。

图6 各浓度AE溶液的牛脂洗净试验结果

另一方面，在用微泡洗净时，添加CTAB却降低了牛脂的去除率。此外，添加低浓度CTAB下的牛脂去除率与不用微泡时的去除率差别很大。因此，CTAB吸附到微泡表面，减少了对牛脂的吸附量，导致微泡洗净的牛脂去除率降低。

以上结果表明，微泡洗净中添加CTAB时，CTAB与牛脂的反应性比微泡的气泡直径对洗净性的影响更大。

2.2.4 各种表面活性剂对牛脂洗净性的影响

为了调查添加CTAB时，提高牛脂去除率的要因，本研究用各种表面活性剂溶液实施了浸渍试验，试验结果如图7。牛脂的去除率按照从大到小的顺序如下：添加CTAB（浸渍30min，去除率最高，为52.6%；浸渍5min，去除率为30.6%）＞SDS＞AE。此外，在取出浸渍试验后的玻璃管的CTAB溶液中，确认存在固体状的牛脂（图8），因此可以认为CTAB浸透至固体与基质之间，从而剥离去除了牛脂。

由于CTAB浸透至污垢与基质之间的浸透作用极大，因而认为这是它对牛脂去除率最高的原因。