幾種表面活性劑清洗金屬表面油污能力的比較

霍月青，牛金平（中國(guó)日用化學(xué)工業(yè)研究院，山西 太原，030001）

幾種表面活性劑清洗金屬表面油污能力的比較

霍月青，牛金平
（中國(guó)日用化學(xué)工業(yè)研究院，山西 太原，030001）

選取不同表面活性劑清洗金屬表面油污，從中選出了一種高效表面活性劑CY-2；將CY-2與不同陰、非離子表面活性劑進(jìn)行復(fù)配，篩選出一種高效、廉價(jià)金屬清洗用復(fù)配表面活性劑CR-4。通過(guò)比較界面張力和清洗效果發(fā)現(xiàn)，低界面張力表面活性劑不適于清洗與金屬表面接觸的油污，但可有效去除與金屬表面未接觸的油污。

表面活性劑；金屬清洗；界面張力

在金屬制品的加工、使用和維護(hù)過(guò)程中，需要清洗附著在其表面上的各種污物。根據(jù)待清洗污物的物理狀態(tài)，可分為液體污垢及固體污垢。其中礦物油（原油、煤焦油、燃料油）、動(dòng)物油、植物油等屬于液體污垢，塵土、炭黑、鐵銹等屬于固體污垢。固體污垢多被液體污垢所包裹，黏附于待清洗金屬表面，其本質(zhì)與液體污垢的情形基本相同。因此，針對(duì)金屬表面液態(tài)油污的清洗研究為大多數(shù)學(xué)者所關(guān)注［1，2］。

根據(jù)油污類型不同，通?？蛇x用化學(xué)堿洗、化學(xué)酸洗、有機(jī)溶劑清洗和水基清洗等幾種方式。化學(xué)堿洗及化學(xué)酸洗會(huì)對(duì)金屬表面造成不可逆轉(zhuǎn)的腐蝕，對(duì)環(huán)境造成污染，且對(duì)操作人員有一定的危險(xiǎn)性。有機(jī)溶劑清洗多采用汽油、煤油等，清洗過(guò)程中溶劑易揮發(fā)、易燃、易爆，安全性差。以表面活性劑為主體的水基清洗劑具有去污能力強(qiáng)、質(zhì)量穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)適用等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備的清洗以及石化設(shè)備、管線中沉積油垢的清洗［3］。趙焰壁等［4］等針對(duì)附著在金屬上的渣油，研制出陽(yáng)離子和非離子復(fù)配的表面活性劑配方，清洗作用良好。李會(huì)迪［5］利用復(fù)配型表面活性劑對(duì)換熱器管程中的油垢進(jìn)行清洗，在60℃時(shí)，除垢率可達(dá)95%。楊巖等［6］考察了可生物降解的表面活性劑對(duì)金屬表面油垢的清洗效果，結(jié)果表明復(fù)配型金屬清洗劑的清洗率可達(dá)98%，可應(yīng)用于金屬涂裝前處理中的清洗。

由于清洗對(duì)象不同，待清洗油垢的性質(zhì)也有所差別，需要針對(duì)特定的油污研發(fā)適宜的水基清洗用表面活性劑。原油在開(kāi)采及運(yùn)輸、加工等過(guò)程中，易黏附在平臺(tái)上難以清洗，黏附在換熱設(shè)備上造成換熱效果變差，且易產(chǎn)生安全事故。本文選取勝利油田孤東原油在室溫下老化制備的油污作為待清洗油垢，研究不同表面活性劑對(duì)金屬表面油污的清洗效果。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與儀器

直鏈烷基苯磺酸鈉（LAS），中輕化工股份有限公司，活性物含量大于99%；脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO-9），中輕日化科技有限公司；C6烷基二苯醚雙磺酸鹽（C6MADS），陶氏化學(xué)公司，活性物含量為45%；2-乙基己基硫酸鈉（C8AS），自制，活性物含量為25%；CY-1，自制，活性物含量為75%；CY-2，自制，活性物含量為25%；孤東原油，采自勝利油田孤東采油廠，密度為0.8136g/cm3；石油醚為分析純；實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

TX-500C界面張力儀，美國(guó)CNG公司，測(cè)量范圍：10-5～100mN/m；ES-120J電子分析天平，沈陽(yáng)龍騰電子有限公司，精度：0.1mg。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 洗油實(shí)驗(yàn)

稱取50g孤東原油于100mL燒杯中，加入20mL石油醚稀釋，攪拌均勻。將不銹鋼管下端浸入稀釋好的原油中，使其下端表面均勻鋪滿原油，置于通風(fēng)櫥中于室溫下老化17h；將老化后的樣品豎直置于30mL玻璃瓶中，取25mL表面活性劑溶液，用玻璃棒引流至玻璃瓶中，開(kāi)始計(jì)時(shí)；同時(shí)拍照記錄溶液與油樣的初始狀態(tài)，觀察不銹鋼管表面油膜的變化情況并拍照記錄。

1.2.2 界面張力的測(cè)定

表面活性劑水溶液/孤東原油間界面張力用旋轉(zhuǎn)滴法測(cè)定，油水未經(jīng)預(yù)平衡。

測(cè)定條件：旋轉(zhuǎn)速率3000r/min，溫度（30± 0.1）℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同表面活性劑對(duì)金屬表面油污的清洗效果

為了考察不同表面活性劑對(duì)原油的清洗效果，選取去離子水為空白對(duì)照組實(shí)驗(yàn)，并選取了六種單一表面活性劑及一種陰/陽(yáng)復(fù)配型表面活性劑（UST）進(jìn)行洗油實(shí)驗(yàn)。各表面活性劑溶液中活性物質(zhì)量濃度均為2g/L。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以看出，45min后，CY-1清洗效果最好，金屬管表面油膜強(qiáng)烈卷曲；LAS與CY-2洗滌效果相當(dāng)，油膜有少許卷曲；去離子水也對(duì)金屬管表面油膜有卷曲作用。6.5h后，LAS、AEO-9、CY-1、CY-2清洗效果明顯，其余樣品清洗效果不佳。其中，CY-2清洗效果最好；CY-1與LAS次之；AEO-9清洗效果優(yōu)于C6MADS；去離子水可使金屬管表面油膜產(chǎn)生少許卷曲；UST清洗效果不佳，只可清洗油膜外表面一層原油，對(duì)金屬表面原油基本無(wú)效，清洗后溶液呈淡黃色，溶液上層有少量浮油；C8AS對(duì)不銹鋼表面原油基本無(wú)清洗效果。綜上可知，CY-1洗油速度最快，CY-2清洗效果最好；此外，LAS、AEO-9也有良好的清洗效果。

為了探討不同表面活性劑清洗效果與界面張力間的關(guān)系，分別配制質(zhì)量濃度為2g/L的表面活性劑水溶液，測(cè)定各溶液與孤東原油在30℃下的界面張力。不同表面活性劑溶液/孤東原油間動(dòng)態(tài)界面張力如圖2所示。

由上圖可知，當(dāng)表面活性劑質(zhì)量濃度為2g/L時(shí)，LAS、AEO-9、C8AS、CY-1、CY-2與孤東原油間界面張力均大于1，C8AS與孤東原油間界面張力過(guò)高，難以測(cè)出，C6MADS與孤東原油間平衡界面張力略小于1，僅UST與孤東原油間界面張力較低，可達(dá)0.02mN/m。結(jié)合洗油實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，界面張力低時(shí)，表面活性劑可將原油分散成小油滴，表面活性劑的溶油能力強(qiáng)，但無(wú)法清洗與金屬表面直接接觸的原油，整體清洗效果欠佳。

圖1 不同表面活性劑對(duì)金屬表面油污的清洗效果

圖2 不同表面活性劑與孤東原油間的動(dòng)態(tài)界面張力

圖3 金屬表面油污清洗過(guò)程

界面張力降低是表面活性劑的兩親分子取代溶劑分子的結(jié)果。界面上富集的兩親分子越多，兩親分子與油相分子和水相分子間的作用越接近相等且絕對(duì)值越大，則界面張力就可能越低［7］。一般認(rèn)為［8］，洗滌劑和油污間界面張力越低，越能將固體表面的油污剝離下來(lái)，并將油污分散在清洗劑溶液中。但實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，與油污間界面張力低的表面活性劑易于清洗表層油污，對(duì)與金屬緊密接觸的油污效果不明顯。這是由于該種表面活性劑主要作用于油污與水之間，降低油/水界面張力，并通過(guò)乳化、增溶、分散等作用有效清除表層油污。

表面活性劑清洗金屬表面油污的過(guò)程如圖3所示。

設(shè)油污與金屬表面的接觸面積為單位值，則清洗過(guò)程中體系的自由能降低值（-ΔG）應(yīng)為：

式中，γAB為金屬與油污間界面自由能；γBC為表面活性劑溶液與油污間界面自由能；γAC為表面活性劑溶液與金屬界面自由能。

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，在恒溫恒壓條件下，W＞0的過(guò)程為自發(fā)過(guò)程。則γBC越大，γAC越小越有利于清洗金屬表面油污。因此，表面活性劑溶液與油污之間界面張力過(guò)低時(shí)，潤(rùn)濕過(guò)程難以發(fā)生，不利于洗油。由此可以推斷，與油污間界面張力低的表面活性劑不適用于清洗金屬表面油污，但可用于清洗厚重油污的表層污垢。

2.2 表面活性劑質(zhì)量濃度對(duì)金屬表面油污清洗效果的影響

由于C8AS對(duì)不銹鋼管表面原油清洗效果不佳，UST無(wú)法清洗金屬管表面油污，后續(xù)實(shí)驗(yàn)不再將其列入研究范圍。為了研究表面活性劑在低濃度下的洗油效果，考察了表面活性劑質(zhì)量濃度為0.1g/L、0.05g/L時(shí)LAS、AEO-9、C6MADS、CY-1、CY-2的洗油效果。結(jié)果分別如圖4、圖5所示。

圖4 不同表面活性劑對(duì)金屬表面原油的清洗效果

圖5 不同表面活性劑對(duì)金屬表面原油的清洗效果

由圖4、圖5可以看出，在表面活性劑質(zhì)量濃度為0.1g/L、0.05g/L時(shí)，LAS無(wú)法清洗金屬表面油污；C6MADS、CY-1對(duì)金屬表面油污清洗效果不佳；而AEO-9、CY-2在濃度低至0.05g/L時(shí)對(duì)金屬管表面原油仍具有良好的清洗效果。綜合各濃度下洗油實(shí)驗(yàn)結(jié)果，CY-2清洗效果最好。此外，當(dāng)表面活性劑濃度為0.1g/L時(shí)，CY-2的洗油速度及洗油效果均明顯優(yōu)于0.05g/L。

LAS在25℃時(shí)的臨界膠束濃度為3.2mmol/L，即約1g/L。表面活性劑的乳化、增溶等作用只有在臨界膠束濃度以上才出現(xiàn)。當(dāng)溶液濃度降至cmc以下時(shí)，表面活性劑的洗滌能力急劇下降。AEO-9結(jié)構(gòu)中含有EO基團(tuán)，大大降低了其cmc值，因此在低濃度下具有較好的使用效果。CY-1、CY-2與AEO-9類似，在低濃度下同樣具有良好的清洗效果。

2.3 CR系列復(fù)配表面活性劑對(duì)金屬表面油污的清洗效果

通過(guò)上述研究可以發(fā)現(xiàn)，CY-2在各濃度下均具有良好的洗油效果，但在低濃度時(shí)清洗效果略有降低，為了進(jìn)一步提高清洗效果，降低成本，選取了幾種陰離子及非離子表面活性劑與CY-2進(jìn)行復(fù)配，配方設(shè)計(jì)如表1所示。

考察了CR系列表面活性劑在總活性物質(zhì)量濃度分別為0.1g/L、0.05g/L時(shí)的洗油效果。結(jié)果如圖6、圖7所示。

表1 CR系列表面活性劑組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，wt%）

圖6 不同表面活性劑對(duì)金屬表面油污的清洗效果

圖7 不同表面活性劑對(duì)金屬表面油污的清洗效果

由上圖可知，CR-1、CR-2、CR-4較CY-2的清洗效果及清洗速度均有所提升。其中，CR-4清洗過(guò)后金屬管表面光亮、干凈，其清洗效果及清洗速度明顯優(yōu)于其他樣品。

3 結(jié)論

1）復(fù)配型表面活性劑CR-4可有效清洗不銹鋼管表面油污，且在活性物濃度低至0.05g/L時(shí)仍有良好的清洗效果；

2）與油污間界面張力低的表面活性劑不易潤(rùn)濕固體與油污接觸面，因而不適合用于清洗金屬表面油污，但可用于清洗厚重油污的表層污垢；

3）清洗不同油污所需表面活性劑不同，應(yīng)依據(jù)油污性質(zhì)，選擇適宜的表面活性劑。

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A Comparative Study on the Metal Cleaning Performance of Several Surfactants

Huo Yueqing， Niu Jinping
（China Research Institute of Daily Chemical Industry，Taiyuan，030001，China）

Metal cleaning performance of several surfactants was studied at room temperature. The results show that CY-2 is an efficient cleaner for Gudong crude oil. CR-4， a blend of CY-2， anionic and non-ionic surfactants， could efficiently remove oil from the metal surface. The interfacial tension was measured. It was found that surfactants with low interfacial tension are not suitble for the desorption of oil adsorbed on the metal surface， but can remove the oil not in contact with the metal surface directly.

surfactants；metal cleaning；interfacial tension

TQ423.99；TQ649.6

A

1672-2701（2016）05-46-06