高铁列车集便器专用清洗剂的研制及应用

李先伟，刘德东，李 健，陈志超，张 渤，李 琦，杨 静

(1.中国铁路济南局集团有限公司 青岛动车段，山东 青岛 266031；2.济南铁路物资工业集团有限公司 济南铁路科技开发中心，山东 济南 250023；3.山东科技大学 化学与环境工程学院，山东 青岛 266590)

1 概述

随着高速铁路技术的不断成熟和发展，我国已建成世界上最大规模的高速铁路网络，20 000 km的运行里程，每天运行4 200多列高速列车，远超世界其他国家的总和[1]。高速铁路已经成为我国客运的主力，占铁路总量1/6的里程，运量达到60%以上[1]。中国高铁网络仍然以每年2 000 km的速度延伸，预计到2025年，长度将达到3.8万km，网络覆盖进一步扩大，路网结构更加优化，骨干作用更加显著[2]。

伴随高速铁路的发展，高铁设施的清洗与防护问题越来越得到重视，其中高铁列车集便器的清洗和维护是其中的重要环节[3-5]。一般情况下，高铁列车集便器每年需用清洗剂彻底清洗2～3次，最初的集便器清洗剂是从国外引进的弱酸性清洗剂，一般主要由4%柠檬酸或草酸组成，但在清洗过程中需浸泡24 h才能达到良好效果。由于高铁列车使用频率高、车次密集、停靠时间短，实际清洗作业时间受列车出入库时间的限制，集便器的清洗要尽可能在短时间内完成，目前清洗剂的清洗效率不能充分满足现场作业需求。 针对高铁列车集便器清洗作业要求，设计开发一种新型、高效、环保的集便器清洗剂已是当务之急。

2 高铁列车集便器专用清洗剂的研制

2.1 专用清洗剂的技术方案

日常生活中使用的抽水马桶通常是陶瓷的，耐腐蚀性较好，而高铁列车集便器的材质与之不同，洗手盆选用304型不锈钢，厚度1.2 mm；下排管道选用316L型不锈钢，厚度2 mm；集污箱选用304型不锈钢，厚度4 mm；管道接头密封件采用三元乙丙橡胶(EPDM)。因此，设计高铁列车集便器专用清洗剂的配方时，在保证清洗效果的同时，必须充分考虑清洗剂对集便器材质的腐蚀性。

为此，首先根据集便器的主要污垢组成确定采用酸性清洗剂，选用多种对金属和橡胶腐蚀性较小的酸性物质复配，利用其特有的化学性质，快速分解尿碱等污垢；为了加快清洗速度，防止污垢再附着，配方中加入络合剂；为了最大程度减小清洗剂对金属和橡胶的腐蚀性，配方中加入了优选的缓蚀剂；为了除去集便器的不愉快气味，配方中特意加入芳香剂成分。利用单因素实验、正交试验等实验方法，通过测试专用清洗剂的去污力、对304钢的腐蚀性、对三元乙丙橡胶的腐蚀性等性能，研制出高铁列车集便器专用清洗剂的最佳配方。该配方由多种污垢分解剂、络合剂、缓蚀剂、芳香剂等组成，能够快速分解尿碱等污垢，并且对集便器材质无腐蚀性，具有高效、环保、清洁、除味等特点。

2.2 专用清洗剂的原理及使用方法

人尿长时间放置，因尿中酸碱度变化而产生沉淀物。人尿多为酸性，但因其中的尿素(尿素酶的作用)渐次分解而生氨或氢氧化铵，尿的酸性经过中性而终成碱性，于是便相应地产生沉淀。在酸性环境沉淀的有尿酸、尿酸盐、硫酸钙、磷酸氢钙，有时还有几种氨基酸；在碱性环境沉淀的有碳酸钙、磷酸镁铵、磷酸钙、磷酸镁、尿酸铵、草酸钙等，因而人尿的沉淀物组成是复杂的，但主要成分是磷酸钙、草酸钙。

对集便器中污垢的去除主要包括润湿、吸附、溶解、悬浮和去污5个过程，清洗剂种类可以分为碱性、中性、酸性3种。碱性清洗剂的清洗机理一般是中和、碱化、碱的螯合作用；中性清洗剂的清洗机理一般是表面活性剂的乳化、分散和增溶作用；而酸性清洗剂的清洗机理是通过化学反应溶解污垢，进而分散在溶液中去除。

研发的高铁列车集便器专用清洗剂为酸性清洗剂，主要由多种对金属腐蚀性小，对人体皮肤刺激性小的污垢分解剂、络合剂、缓蚀剂、香精等复配而成，不仅可以快速去除顽固的尿垢，而且能够有效杀灭藏匿在污垢中的细菌繁殖体、芽胞、病毒、结核杆菌和真菌等微生物，并且对集便器的不锈钢材料、橡胶垫圈等腐蚀性很小。清洗剂的工作原理为污垢清洁剂中的氢离子可以与尿垢中碳酸钙、磷酸镁铵、磷酸钙、磷酸镁、尿酸铵、草酸钙等不溶性成分发生化学反应，使之变为可溶性的钙盐和镁盐被水冲走；络合剂可以加速分解反应的进行；香精起到遮盖异味的作用。

涉及的主要化学反应方程式如下：

CaC2O4+2H+= Ca2++H2C2O4

Ca3(PO4)2+3H+= 3Ca2++H3PO4

Mg3(PO4)2+3H+= 3Mg2++H3PO4

在使用时，一般将该种清洗剂直接倒入移动式清洗车中，采用电泵循环打压、过滤、再循环的方式清洗。

2.3 专用清洗剂的主要技术指标

2.3.1 去污力

(1)测试方法。专用清洗剂去污力测试方法参照《食品工具和工业设备用酸性清洗剂》(QBT 4313—2012)[6]进行。清洗剂的去污力计算如公式(1)所示。

(1)

式中：D为去污力，%；m0为附垢前烧杯质量，g；m1为附垢后烧杯质量，g；m2为清洗后烧杯质量，g。

(2)测试结果与分析。专用清洗剂去污率的测试结果如表1所示。

表1 专用清洗剂的去污情况

由表1可以看出，3次平行试验的去污率为92.11%，去污效果较好，满足《食品工具和工业设备用酸性清洗剂》(QBT 4313—2012)对去污率的要求。

2.3.2 不锈钢腐蚀性

(1)测试方法。不锈钢腐蚀性测试方法参照《金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法》(JB/T 7901—1999)[7]进行，测试时间为72 h。不锈钢腐蚀速率按照公式(2)计算。

(2)

式中：R为腐蚀速率，mm/a；m0为试验前试样质量，g；m1为试验后试样质量，g；S为试样总表面积，cm2；T为试验时间，h；D为材料密度，kg/m3(不锈钢SUS304密度为7.93 g/cm3)。

(2)测试结果与分析。专用清洗剂腐蚀率的测试结果如表2所示。

表2 清洗剂对不锈钢的腐蚀情况

由表2可知，专用清洗剂对304不锈钢腐蚀速率的3次平行试验的平均值为0.008 25 mm/a。因此，专用清洗剂对304不锈钢的腐蚀极低，不会对高铁列车集便器的材质造成损坏。

2.3.3 三元乙丙橡胶腐蚀性

(1)测试方法。清洗剂对三元乙丙橡胶腐蚀性的测试方法参照《硫化橡胶或热塑性橡胶耐液体试验方法》(GB/T 1690—2010)[8]进行。三元乙丙橡胶在专用清洗剂浸泡24 h后的质量变化率按照公式(3)计算。

(3)

式中：Δm为三元乙丙橡胶在专用清洗剂浸泡24 h后的质量变化率，%；m0为三元乙丙橡胶浸泡前的质量，g；m1为三元乙丙橡胶在清洗剂中浸泡后的质量，g。

(2)测试结果与分析。三元乙丙橡胶在专用清洗剂浸泡24 h后的质量变化情况如表3所示。

表3 三元乙丙橡胶浸泡后的质量变化

由表3可知，三元乙丙橡胶在专用清洗剂浸泡24 h后表面几乎没有发生改变，3次平行试验的质量变化率平均值仅为0.343 0%。因此，专用清洗剂对三元乙丙橡胶的腐蚀性极低，不会对高铁列车集便器的材质造成损坏。

3 现场试验情况及效果

为检测高铁列车集便器专用清洗剂的效果，研发人员于2017年8月至2018年3月在青岛动车段济南动车所选取累计运行超过40万km的CRH380动车组进行了多次使用。通过专用清洗机和动车组集便器、污物箱相连形成一个回路，通过循环过滤，在常温下对真空集便器进行清洗。

在冲洗前首先对卫生间蝶阀后的管路0 cm、10 cm、20 cm位置处内部情况进行拍照取样，经过冲洗设备冲洗60 min后，再次对上述3个位置进行拍照，通过前后对比验证集便器冲洗的效果。现场实验效果如图1所示。

图1 高铁列车集便器专用清洗剂清洗前后效果图

由图1(a)冲洗前卫生间蝶阀后的管路0 cm、10 cm、20 cm位置处内部情况可以看出，清洗前管路中存留了大量的污垢，由图1(b)清洗1 h后集便器管路0 cm、10 cm、20 cm位置处内部情况可见，管路中积存污垢基本被清洗干净，露出自然的金属光泽。可见，专用清洗剂清洗效果较好，能够满足高铁列车集便器清洗要求。

4 结束语

目前我国适用于高铁列车集便器的清洗剂产品种类少，性能也不够完善，特别是清洗作业时间普遍较长，不能充分满足实际需要。研制的高铁列车集便器专用清洗剂在清洗效率、清洗效果和使用安全性等方面的性能更加优良，在保证清洗效果的前提下，有效缩短清洗时间，解决目前由于列车停靠时间短而无法高效清洗集便器的问题，该专用清洗剂具有良好的应用前景。未来，随着我国高速铁路的发展，对高铁列车集便器清洗效率的要求会更为严格，更加安全、环保、高效专用集便器清洗剂的开发是研究发展的方向。