流程工业常用清洗剂浅析

师纪伟

(上海森松制药设备工程有限公司，上海 201323)

好的工业清洗剂必须根据实际要清除的污垢来选择配制。标准的商业清洁剂，或针对乳制品、食品或者制药行业设计出来的工业清洁剂，对其它细分行业和生产工艺来说可能都不是最好的选择。不同行业和不同产品都需要有特定的清洗工艺和流程及与之相匹配的清洗剂。

1 工业清洗过程的重要因素

清洗是一个基于化学和物理原理的复杂过程。清洗的首要任务是将污垢从物体表面分离。污垢可以通过范德华力、静电效应和力学黏附三种物理作用的组合附着到表面。在清洗过程中，必须通过提供反作用力来抑制污垢黏附力。这些作用力的影响因素可被归纳为以下4个基本参数：①清洗温度；②清洗时间；③清洗动力学；④清洁剂的化学活性。

清洗过程的4个基本参数都是相互影响的。减少或增加这些组成因素中的任何一个，将改变其他3个因素的平衡。但是所有4个参数都是必需的，如果只遗漏其中一个，则清洁作用无法达到最佳效果，甚至不会发生。

2 工业污垢对清洁剂原料选择的影响

清洗剂的化学活性必须要根据清除的特定污垢来选择。时间、温度和动力学3个因素也会影响清洁剂的选择。这是一种基于直接化学反应以及解吸、分散、乳化和溶解等物理原理的复杂现象。清洗剂的化学活性越高，所需浓度越低。

由于种类繁多的原料，制定通用的清洁剂配方来清洁任何生产系统都是不可能的。更为常见的是，针对某一个单独的清洁问题，需要花费大量的时间、精力、经验及大量的实验去发现具体的解决方法，包括清洗剂的配方选择及工艺参数等。

3 典型清洗剂的分类

清洁剂可按多种形式进行分类，如其物理性状或者用途进行分类。通常情况下，经常把清洁剂按照其酸碱度进行分类。大多数工业清洁剂或者是碱性的或者是酸性的。中性产品主要用于手动清洁、敏感性表面，或作为辅助添加剂加入碱性或酸性清洁剂。

3.1 酸性清洗剂

无机污垢大都比较容易溶于酸性溶液。酸性清洁剂可能会由于多种原因而被限制使用，包括对设备的腐蚀、与其他清洁成分的兼容性和对环境的影响等都应被考虑。在去除无机污垢时，特别是水垢，通常还会使用由多种酸按特定比例配制成的混合物，这种混合特也经常被称为酸性除垢剂。在清除对酸性物质敏感的物体表面时，还会增加缓蚀剂，以减少酸性物质对物体表面的腐蚀。

3.2 碱性清洗剂

强碱可以和有机物的官能团发生反应，并且将有机污垢转变成为一种可溶于水的化合物，或者改变污垢化学或者物理的性质使之能较容易的去除。另外，有些清洁剂在碱性环境中会表现出更高的效力，尤其在处理有机残渣时，会经常使用氢氧化钠。在一些情况下，如配置一个强碱性且包含其他清洁成分的高浓度产品时，用价格更贵的氢氧化钾也是有优势的，因为氢氧化钾还可以提高碱性清洁剂的低温稳定性。

但是，无论是氢氧化钠还是氢氧化钾，本身单独使用并不能成为一种很好的清洁剂，因为它们有以下缺点：1)会沉淀水的硬度；2)污垢悬浮能力非常有限；3)污垢渗透力不足；4)与有机污垢(如蛋白质)的反应会形成高泡沫性的物质；5)对矿物残渣无清洗作用；6)对脂肪物质的去除力不足。

针对每一种污垢，通常会有一种最佳浓度用于快速去除。太高的浓度实际上会对清洁能力产生负面效果，太低的浓度亦然。因为这会导致清洗剂和污垢之间发生不想要的反应，如凝固、凝胶化和硬化等，这使污垢更加难以去除。

3.3 中性清洁剂

在通常情况下，中性清洁剂通常指pH值为6～10间的温和性清洁剂。这些清洁剂的清洁效力取决于表面活性剂的去垢性，表面活性剂由所谓助洗剂来支持。对于需要控制泡沫的应用场合，会经常使用消沫剂。这样的产品对于疏水性污垢和油脂非常有效，但对其它的有机物像蛋白质可能会构成问题。为了克服这个问题，可以用中性的含酶的清洁剂去处理蛋白质和其他的有机物。在实际工程应用中，中性清洁剂经常用于切向过滤过程中对酸碱敏感的滤膜的清洗。

4 清洁剂的主要成分及其作用

4.1 表面活性剂

表面活性剂包含了疏水基和亲水基两种物理极性基团。按表面活性剂的活性基团的离子特性可将表面活性剂分为阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂和两性表面活性剂。一般情况下，只使用非离子和阴离子表面活性剂作为清洗剂的组分，而阳离子和两性表面活性剂由于其杀菌作用被用于配制消毒剂。

如果液体中含有疏水性微粒，如油滴，分子疏水部分附着在油滴周围。当液滴完全被表面活性剂分子封闭包围时，油滴随后可以在水中乳化并分散。通过这个过程，水被转化成一种能够“溶解”疏水物质的“溶剂”，如脂肪和油。

表面活性剂在清洁过程中会起到除乳化疏水性污垢的之外的其它有益作用。它们还能降低水的表面张力。表面张力是由水分子对其他分子的吸引力引起的。在液体中，一个水分子被其他水分子包围，但表面的水分子在其中一个方面没有相邻的分子互相吸引，这就产生了对液体中其他部分分子更强的吸引力，从而形成球状液滴。在清洗过程中，液滴的形成是一种不希望出现的现象，因为清洗液应该均匀地分布在整个表面上，只有这样才能这使得与清洗液表面和待去除污垢的接触面积最大。表面活性剂可以抵消清洗液的表面张力。表面张力的降低使清洗液渗入待清洗表面的裂缝和小凹陷中。清洗液的表面张力越低，渗透性越好。

但是降低表面张力的能力和清洁能力之间没有直接关系。尽管一些表面活性剂显著降低了表面张力，但它们实际上显示出的清洁效果很小。表面活性剂的清洁性能在很大程度上取决于胶束的大小和浓度以及对污垢和水的亲和力。

4.2 螯合剂

金属原子或离子与含有两个或两个以上配位原子的配位体作用，生成具有环状结构的络合物，该络合物叫做螯合物。能生成螯合物的这种配体物质叫螯合剂，也称为络合剂。在碱性清洗液中，水的硬度对清洗液的效率有不利影响，尤其是对表面活性剂。此外，碱性清洗液对矿物沉淀和污垢中的无机成分清洗效果很小。另一方面，如果用适合无机污垢去除的酸性清洁剂替代，则有机污垢不能有效去除。在碱性清洗剂中加入螯合剂，可以大大提高对无机污垢的清洗效果和清洗剂的综合性能。在碱性溶液中，螯合剂能以强络合键结合金属离子，从而将离子从其他物质中分离出来。

工业清洁剂中的典型螯合剂是EDTA、NTA和葡萄糖酸盐。EDTA是钙离子和镁离子最常用的螯合剂，可以与多种金属离子形成很强的螯合键。然而在处理大量无机污垢或较厚的积垢时，含有螯合剂的碱性洗涤剂的清洗效果不如酸性洗涤剂。螯合剂的作用速度不够快。在这种情况下，则建议在碱性清洗后进行额外的酸洗步骤。

在清洗剂中使用螯合剂无法解决的一个问题是碱性清洗，特别是热碱性清洗后，在清洗循环中会形成水垢。在冲洗周期中，设备表面的剩余清洗液薄膜被稀释，从而降低所含所有成分的浓度。由于冲洗水总是很硬(除非使用软化水或除雾水)，螯合剂的作用很快就会大大降低。另外待清洁的表面在清洁温度和残余碱度下足够长的时间，将导致水硬度沉淀。

多价螯合剂通过防止晶体的生长，如形成水垢的方解石晶体，来有效地防止沉积物的形成。多价螯合剂有聚磷酸盐和磷酸盐等。聚丙烯酸酯也可以起到类似的效果，但起作用的原理略有不同，它们通过分散水硬度晶体防止水垢的形成。在冲洗周期中，水硬度继续沉淀，但没有形成方解石晶体。沉淀物本身是一种细小的粉末状残留物，这种细而轻的粉末不会留下任何坚硬的沉积物，在清洗过程中会很容易被冲走。

4.3 消泡剂

在工业清洗过程中，应避免产生泡沫，原因是泡沫残留物很难冲洗掉，这使得冲洗时间大大增加，冲洗水消耗量也很高。且泡沫的形成也会影响液位控制设备，并会造成离心泵发生气蚀现象。

泡沫是由发泡表面活性剂、生产残留物或清洁剂与污垢之间的反应产生的。消泡剂可以用来缓解这个问题，它们主要是疏水性物质，作用于清洗液的界面区域，防止泡沫的形成。然而缺点也是因为其疏水性，因为它们不溶于水很难冲洗，以致其很难整合到更清洁的配方中。作为消泡剂使用的典型物质有：石蜡油、硅酮、脂肪酸和具有很短EO或PO链的脂肪醇等。

4.4 氧化剂

氧化剂，如过氧化物和次氯酸盐，有助于分解碳化残渣和不溶性高分子化合物。它们还可以破坏染料或脱色剂从而达到漂白效果。在考虑将此类化学品作为清洁增强剂添加到清洁溶液中时，应特别注意到其对接触材料的氧化腐蚀的风险。

尽管次氯酸盐非常有效，但它们对某些材料也具有很强的腐蚀性，可对不锈钢造成点蚀，并腐蚀橡胶和塑料等密封材料。过氧化氢显示出良好的清洗效果，且一般情况下对设备的腐蚀有限。

4.5 缓蚀剂

由有色金属、镀锡或镀锌钢、低碳钢或铝组成的生产设备需要特殊的缓蚀剂。缓蚀剂的选择取决于许多参数，例如要保护的基质、洗涤剂的性质和溶液的pH值。通常使用硅酸盐、改性碳水化合物和磷酸盐。

5 常见清洁剂成分的环境效应

在开发清洁剂时，不仅要考虑其有效性，还要考虑其对环境的影响，特别是产品的毒性。也正是由此原因，行业内也为此而放弃使用某些化学产品。

磷酸盐和硝酸盐是藻类等植物的营养物质，因此有助于水体富营养化。然而，它们可以通过特定工艺处理过程在污水处理厂中被大量清除。

硫酸盐也会增加水的含盐量，在好氧条件下，由于高浓度硫酸盐会对混凝土造成腐蚀损害。在厌氧条件下，在硫酸盐浓度较低的情况下，也可能由于硫化氢的形成而引起混凝土腐蚀。

次氯酸盐特别特别是次氯酸钠，虽然作为清洁增强剂非常有效，但由于其形成可吸附的有机卤素化合物而日益受到关注。一般情况下，应对清洁剂中使用的表面活性剂的可生物降解性有最低要求，使得它们可以在在污水处理厂和水道中可生物降解。

6 清洁剂选择建议

流程工业中使用的原料、制造工艺和制造设备的多样性意味着选择最合适的清洗剂可能非常复杂。一般需在实验室试验中使用不同潜在配方规格对待清除的污垢样品进行试验。

以下建议仅作为清洁试验配方的一般性建议：

1)水/油乳液的清洗：碱和表面活性剂。

2)丙烯酸聚合物残留物的清洗：碱、螯合剂和氧化剂。

3)含氧化锌残留物的清洁：碱、螯合剂和表面活性剂。

4)含色素污垢的清洁：碱、螯合剂和氧化剂。

7 结语

流程工业中，生产设备的清洗关系到整个生产工艺的生产效率、质量保证、环境保护甚至操作安全。做为清洗工艺中主要影响因素之一，清洗剂的选择至关重要。清洗剂的选择应全在面了解生产工艺中待清洗污垢的类型和组成，并根据已有的清洗过程知识和经验，经过综合分析评估后，选择出多种潜在的配方和工艺参数；还要经过多次实际实验并评估完善后最终确定，而且在实际生产过程中，还要收集实际数据并持续改近提高，最终才能达到令人满意的效果。