几种表面活性剂清洗金属表面油污能力的比较

霍月青，牛金平（中国日用化学工业研究院，山西 太原，030001）

几种表面活性剂清洗金属表面油污能力的比较

霍月青，牛金平
（中国日用化学工业研究院，山西 太原，030001）

选取不同表面活性剂清洗金属表面油污，从中选出了一种高效表面活性剂CY-2；将CY-2与不同阴、非离子表面活性剂进行复配，筛选出一种高效、廉价金属清洗用复配表面活性剂CR-4。通过比较界面张力和清洗效果发现，低界面张力表面活性剂不适于清洗与金属表面接触的油污，但可有效去除与金属表面未接触的油污。

表面活性剂；金属清洗；界面张力

在金属制品的加工、使用和维护过程中，需要清洗附着在其表面上的各种污物。根据待清洗污物的物理状态，可分为液体污垢及固体污垢。其中矿物油（原油、煤焦油、燃料油）、动物油、植物油等属于液体污垢，尘土、炭黑、铁锈等属于固体污垢。固体污垢多被液体污垢所包裹，黏附于待清洗金属表面，其本质与液体污垢的情形基本相同。因此，针对金属表面液态油污的清洗研究为大多数学者所关注［1，2］。

根据油污类型不同，通常可选用化学碱洗、化学酸洗、有机溶剂清洗和水基清洗等几种方式。化学碱洗及化学酸洗会对金属表面造成不可逆转的腐蚀，对环境造成污染，且对操作人员有一定的危险性。有机溶剂清洗多采用汽油、煤油等，清洗过程中溶剂易挥发、易燃、易爆，安全性差。以表面活性剂为主体的水基清洗剂具有去污能力强、质量稳定、经济适用等优点，已被广泛应用于机械设备的清洗以及石化设备、管线中沉积油垢的清洗［3］。赵焰壁等［4］等针对附着在金属上的渣油，研制出阳离子和非离子复配的表面活性剂配方，清洗作用良好。李会迪［5］利用复配型表面活性剂对换热器管程中的油垢进行清洗，在60℃时，除垢率可达95%。杨岩等［6］考察了可生物降解的表面活性剂对金属表面油垢的清洗效果，结果表明复配型金属清洗剂的清洗率可达98%，可应用于金属涂装前处理中的清洗。

由于清洗对象不同，待清洗油垢的性质也有所差别，需要针对特定的油污研发适宜的水基清洗用表面活性剂。原油在开采及运输、加工等过程中，易黏附在平台上难以清洗，黏附在换热设备上造成换热效果变差，且易产生安全事故。本文选取胜利油田孤东原油在室温下老化制备的油污作为待清洗油垢，研究不同表面活性剂对金属表面油污的清洗效果。

1 实验

1.1 材料与仪器

直链烷基苯磺酸钠（LAS），中轻化工股份有限公司，活性物含量大于99%；脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO-9），中轻日化科技有限公司；C6烷基二苯醚双磺酸盐（C6MADS），陶氏化学公司，活性物含量为45%；2-乙基己基硫酸钠（C8AS），自制，活性物含量为25%；CY-1，自制，活性物含量为75%；CY-2，自制，活性物含量为25%；孤东原油，采自胜利油田孤东采油厂，密度为0.8136g/cm3；石油醚为分析纯；实验用水为去离子水。

TX-500C界面张力仪，美国CNG公司，测量范围：10-5～100mN/m；ES-120J电子分析天平，沈阳龙腾电子有限公司，精度：0.1mg。

1.2 实验方法

1.2.1 洗油实验

称取50g孤东原油于100mL烧杯中，加入20mL石油醚稀释，搅拌均匀。将不锈钢管下端浸入稀释好的原油中，使其下端表面均匀铺满原油，置于通风橱中于室温下老化17h；将老化后的样品竖直置于30mL玻璃瓶中，取25mL表面活性剂溶液，用玻璃棒引流至玻璃瓶中，开始计时；同时拍照记录溶液与油样的初始状态，观察不锈钢管表面油膜的变化情况并拍照记录。

1.2.2 界面张力的测定

表面活性剂水溶液/孤东原油间界面张力用旋转滴法测定，油水未经预平衡。

测定条件：旋转速率3000r/min，温度（30± 0.1）℃。

2 结果与讨论

2.1 不同表面活性剂对金属表面油污的清洗效果

为了考察不同表面活性剂对原油的清洗效果，选取去离子水为空白对照组实验，并选取了六种单一表面活性剂及一种阴/阳复配型表面活性剂（UST）进行洗油实验。各表面活性剂溶液中活性物质量浓度均为2g/L。实验结果如图1所示。

由图1可以看出，45min后，CY-1清洗效果最好，金属管表面油膜强烈卷曲；LAS与CY-2洗涤效果相当，油膜有少许卷曲；去离子水也对金属管表面油膜有卷曲作用。6.5h后，LAS、AEO-9、CY-1、CY-2清洗效果明显，其余样品清洗效果不佳。其中，CY-2清洗效果最好；CY-1与LAS次之；AEO-9清洗效果优于C6MADS；去离子水可使金属管表面油膜产生少许卷曲；UST清洗效果不佳，只可清洗油膜外表面一层原油，对金属表面原油基本无效，清洗后溶液呈淡黄色，溶液上层有少量浮油；C8AS对不锈钢表面原油基本无清洗效果。综上可知，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。

为了探讨不同表面活性剂清洗效果与界面张力间的关系，分别配制质量浓度为2g/L的表面活性剂水溶液，测定各溶液与孤东原油在30℃下的界面张力。不同表面活性剂溶液/孤东原油间动态界面张力如图2所示。

由上图可知，当表面活性剂质量浓度为2g/L时，LAS、AEO-9、C8AS、CY-1、CY-2与孤东原油间界面张力均大于1，C8AS与孤东原油间界面张力过高，难以测出，C6MADS与孤东原油间平衡界面张力略小于1，仅UST与孤东原油间界面张力较低，可达0.02mN/m。结合洗油实验结果发现，界面张力低时，表面活性剂可将原油分散成小油滴，表面活性剂的溶油能力强，但无法清洗与金属表面直接接触的原油，整体清洗效果欠佳。

图1 不同表面活性剂对金属表面油污的清洗效果

图2 不同表面活性剂与孤东原油间的动态界面张力

图3 金属表面油污清洗过程

界面张力降低是表面活性剂的两亲分子取代溶剂分子的结果。界面上富集的两亲分子越多，两亲分子与油相分子和水相分子间的作用越接近相等且绝对值越大，则界面张力就可能越低［7］。一般认为［8］，洗涤剂和油污间界面张力越低，越能将固体表面的油污剥离下来，并将油污分散在清洗剂溶液中。但实验研究发现，与油污间界面张力低的表面活性剂易于清洗表层油污，对与金属紧密接触的油污效果不明显。这是由于该种表面活性剂主要作用于油污与水之间，降低油/水界面张力，并通过乳化、增溶、分散等作用有效清除表层油污。

表面活性剂清洗金属表面油污的过程如图3所示。

设油污与金属表面的接触面积为单位值，则清洗过程中体系的自由能降低值（-ΔG）应为：

式中，γAB为金属与油污间界面自由能；γBC为表面活性剂溶液与油污间界面自由能；γAC为表面活性剂溶液与金属界面自由能。

根据热力学第二定律，在恒温恒压条件下，W＞0的过程为自发过程。则γBC越大，γAC越小越有利于清洗金属表面油污。因此，表面活性剂溶液与油污之间界面张力过低时，润湿过程难以发生，不利于洗油。由此可以推断，与油污间界面张力低的表面活性剂不适用于清洗金属表面油污，但可用于清洗厚重油污的表层污垢。

2.2 表面活性剂质量浓度对金属表面油污清洗效果的影响

由于C8AS对不锈钢管表面原油清洗效果不佳，UST无法清洗金属管表面油污，后续实验不再将其列入研究范围。为了研究表面活性剂在低浓度下的洗油效果，考察了表面活性剂质量浓度为0.1g/L、0.05g/L时LAS、AEO-9、C6MADS、CY-1、CY-2的洗油效果。结果分别如图4、图5所示。

图4 不同表面活性剂对金属表面原油的清洗效果

图5 不同表面活性剂对金属表面原油的清洗效果

由图4、图5可以看出，在表面活性剂质量浓度为0.1g/L、0.05g/L时，LAS无法清洗金属表面油污；C6MADS、CY-1对金属表面油污清洗效果不佳；而AEO-9、CY-2在浓度低至0.05g/L时对金属管表面原油仍具有良好的清洗效果。综合各浓度下洗油实验结果，CY-2清洗效果最好。此外，当表面活性剂浓度为0.1g/L时，CY-2的洗油速度及洗油效果均明显优于0.05g/L。

LAS在25℃时的临界胶束浓度为3.2mmol/L，即约1g/L。表面活性剂的乳化、增溶等作用只有在临界胶束浓度以上才出现。当溶液浓度降至cmc以下时，表面活性剂的洗涤能力急剧下降。AEO-9结构中含有EO基团，大大降低了其cmc值，因此在低浓度下具有较好的使用效果。CY-1、CY-2与AEO-9类似，在低浓度下同样具有良好的清洗效果。

2.3 CR系列复配表面活性剂对金属表面油污的清洗效果

通过上述研究可以发现，CY-2在各浓度下均具有良好的洗油效果，但在低浓度时清洗效果略有降低，为了进一步提高清洗效果，降低成本，选取了几种阴离子及非离子表面活性剂与CY-2进行复配，配方设计如表1所示。

考察了CR系列表面活性剂在总活性物质量浓度分别为0.1g/L、0.05g/L时的洗油效果。结果如图6、图7所示。

表1 CR系列表面活性剂组成（质量分数，wt%）

图6 不同表面活性剂对金属表面油污的清洗效果

图7 不同表面活性剂对金属表面油污的清洗效果

由上图可知，CR-1、CR-2、CR-4较CY-2的清洗效果及清洗速度均有所提升。其中，CR-4清洗过后金属管表面光亮、干净，其清洗效果及清洗速度明显优于其他样品。

3 结论

1）复配型表面活性剂CR-4可有效清洗不锈钢管表面油污，且在活性物浓度低至0.05g/L时仍有良好的清洗效果；

2）与油污间界面张力低的表面活性剂不易润湿固体与油污接触面，因而不适合用于清洗金属表面油污，但可用于清洗厚重油污的表层污垢；

3）清洗不同油污所需表面活性剂不同，应依据油污性质，选择适宜的表面活性剂。

［1］ 邱文革，陈树森. 表面活性剂在金属加工中的应用［M］. 北京：化学工业出版社，2003：119-121.

［2］ 李高峰. 低泡表面活性剂及其在工业清洗中的应用［J］. 清洗世界，2015，31（7）：28-32.

［3］ 陈红梅. 金属表面高效水基原油清洗剂的研制［D］.辽宁师范大学，2012.

［4］ 赵艳璧. 金属表面渣油清洗剂的研制［D］. 沈阳：辽宁师范大学，2012.

［5］ 李会迪. 管壳式原油换热器化学清洗试验研究［D］. 大庆：大庆石油学院，2010.

［6］ 杨岩， 李翀， 钟金环. 环保型金属清洗剂的研制及其清洗效果［J］. 材料保护，2011，44（7）：61-63.

［7］ 郭东红，李森，袁建国. 表面活性剂的驱油机理与应用［J］. 精细石油化工进展，2002，3（7）：36-41.

［8］ 郑晓宇，马玉华，吴肇亮. 含阴/非双子表面活性剂的金属清洗剂的性能研究［J］. 金属热处理，2006，31（9）：95-97.

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