潘宏瑞，陳瑾影，王永杰，張礎(chǔ)銳，劉天祥，張?zhí)煜?/p>

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)石油化工學(xué)院，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

近年來(lái)，廢棄塑料所引發(fā)的一系列問(wèn)題受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。廢棄塑料制品帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題日漸突出。塑料清洗劑是一種專(zhuān)門(mén)清洗塑料表面的溶劑，一般作用于塑料處理前的清洗系統(tǒng)中[1]。但是，洗脫后產(chǎn)生的大量廢水具有較高的COD，無(wú)法直接排放，既造成水資源的浪費(fèi)，又增加清洗成本[2-4]。目前，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究仍處于初始階段，因此研制對(duì)環(huán)境友好的塑料清洗劑成為大規(guī)模推廣運(yùn)用的重中之重。對(duì)現(xiàn)有塑料清洗劑性能進(jìn)行改進(jìn)，保證清洗質(zhì)量，提高清洗效率，無(wú)廢水產(chǎn)生，可循環(huán)利用。尤其對(duì)于高緯度寒冷地區(qū)，保證清洗劑在 -15 ℃ 時(shí)不凝固，能夠正常使用，落實(shí)大規(guī)模、可持續(xù)的綠色工業(yè)化生產(chǎn)，是本研究所要解決的主要問(wèn)題。

本研究采用水溶性混合法，利用十二烷基苯磺酸鈉、氫氧化鈉、丙酸、丙酸(丙)酯及水復(fù)合物余量等主要原料與硫酸鈉、甲醇鈉、壬基酚聚氧乙烯醚(NP-10)、滲透劑T、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉、消泡劑等輔助原料進(jìn)行復(fù)配研究，制備出一種環(huán)境友好型可回收循環(huán)利用塑料清洗劑。上述的丙酸、丙酸酯及水復(fù)合物余量采用的是生產(chǎn)丙酸乙酯、丙酸正丙酯后的副產(chǎn)物，是對(duì)工業(yè)廢料的二次利用，不僅做到回收廢料、大幅降低成本，還兼具抑菌、殺菌作用，減少了對(duì)環(huán)境的污染。通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究清洗劑中表面活性物的含量對(duì)瓶片清洗行為的影響，研制出最優(yōu)的清洗劑配方。本研究已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，為新型清洗劑工業(yè)化奠定基礎(chǔ)，為其他清洗劑的復(fù)配提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

酯化反應(yīng)工藝水、甲醇鈉(遼寧港隆化工有限公司)；氫氧化鈉(天津市瑞金特化學(xué)品有限公司)；十二烷基苯磺酸、硫酸鈉、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉、NP-10、滲透劑、消泡劑(鄭州中揚(yáng)化工產(chǎn)品有限公司)；鹽酸(上海試劑一廠)；酚酞(沈陽(yáng)試劑廠)。試劑均為分析純，市售。

SHT型數(shù)顯恒溫磁力攪拌電熱套(山東華魯電熱儀器有限公司)；FV2004B型電子分析天平(上海佑科儀器有限公司)；Nicolet5700紅外光譜儀；GC9790Ⅱ氣相色譜工作站；DGF702-1型電熱鼓風(fēng)干燥箱(大連實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠)；800A型多功能粉碎機(jī)(永康市穗機(jī)制制造廠)；28-1型磁力加熱攪拌器(常州國(guó)華電器有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 清洗劑制備方法

在電子分析天平上稱取 78 g 酯化反應(yīng)工藝水，3 g 氫氧化鈉加入容積為 250 mL 的燒杯內(nèi)，用磁力攪拌器攪拌 1 min ，加入十二烷基苯磺酸 17 g，攪拌中和1～2 min，取樣測(cè)pH值(8～9之間)，若pH值不合格則需補(bǔ)加氫氧化鈉。加 2 g 硫酸鈉及 1 g 甲醇鈉，攪拌1～2 min，攪拌均勻，至全部混合。加 6 g 脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉，1 g NP-10，1 g 滲透劑T及少許消泡劑，攪拌1～2 min，攪拌均勻，至全部混合。測(cè)pH值(8～9之間)。

1.2.2 清洗劑瓶片清洗階段的測(cè)試

1)瓶片的制備。本清洗實(shí)驗(yàn)選用生活中常見(jiàn)白色包裝的乳制品飲料瓶以及透明包裝的油壺瓶作為清洗對(duì)象，將收集來(lái)的塑料剪開(kāi)，選取其中平整的部位剪成1×1 cm 的塑料小碎片。

2)瓶片的清洗。在 500 mL 燒杯中加入磁力轉(zhuǎn)子，放入電子計(jì)價(jià)稱上稱量清零，向燒杯中加入 10 g 塑料瓶片，100 g 水，1 g 樣品清洗劑及 1 g 氫氧化鈉(所加入的含量以工業(yè)化清洗標(biāo)準(zhǔn)為參照)，放入數(shù)顯恒溫磁力攪拌電熱套加熱到 90 ℃(以磁力攪拌代替揉搓機(jī))，時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為 5 min(工業(yè)化時(shí)長(zhǎng)為 30 min，在本實(shí)驗(yàn)中由于清洗物較少故縮短清洗時(shí)間)。

3)瓶片的清洗效果測(cè)試。清洗結(jié)束后放入清水中漂洗(本實(shí)驗(yàn)以手工揉搓取代揉搓機(jī))，取出被清洗的瓶片，室溫晾干，放在電熱鼓風(fēng)干燥箱 200 ℃，干燥 20 min，取出后放在白色比色卡中與標(biāo)準(zhǔn)瓶片作對(duì)比。評(píng)價(jià)瓶片的熱穩(wěn)定性，是否發(fā)黃。

4)清洗劑表面活性物含量的測(cè)試。測(cè)量第一次清洗過(guò)后的活性物含量以及pH。將清洗過(guò)后的清洗剩出液分層去掉固體雜質(zhì)，如果清洗劑表面活性物含量低，可以補(bǔ)充表面活性劑。pH低，補(bǔ)充N(xiāo)aOH，再次循環(huán)清洗測(cè)試清洗效果，步驟與上述相同，如圖1所示。

圖1 清洗瓶片工藝流程圖

1.2.3 經(jīng)過(guò)N次清洗廢水處理的實(shí)驗(yàn)方法

稱取 50 mL 實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生廢水加入 100 mL 燒杯中，先加入2～5滴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 300 mg/kg 聚丙烯酰胺，后加入2～3滴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 300 mg/kg 硫酸鋁溶液。靜置 1 h 后，用漏斗過(guò)濾掉固體絮凝雜質(zhì)，如遇油水分層應(yīng)先用分液漏斗分層后再過(guò)濾，過(guò)濾后得到水的pH為中性時(shí)，可以重復(fù)利用。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 十二烷基苯磺酸對(duì)塑料清洗劑活性物的影響

十二烷基苯磺酸是清洗劑中的主要成分，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為變量開(kāi)展因素實(shí)驗(yàn)。由最初實(shí)驗(yàn)研制清洗劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為依據(jù)：酯化反應(yīng)工藝水 78 g(78%)、氫氧化鈉 3 g(3%)、十二烷基苯磺酸 17 g(17%)、硫酸鈉 0.2 g(0.2%)、甲醇鈉 1 g(1%)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉 0.6 g(0.6%)、NP-10 0.1 g(0.1%)、滲透劑 0.1 g(0.1%)。故對(duì)十二烷基苯磺酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以11%用量為起點(diǎn)，每次增加3%的量，共5組，其他組分不變。圖2給出了十二烷基苯磺酸含量對(duì)塑料清洗劑活性物含量的影響。由圖2可知，十二烷基苯磺酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17%時(shí)，塑料清洗劑活性物含量最高。

圖2 十二烷基苯磺酸對(duì)塑料清洗劑活性物含量的影響

2.1.2 酯化反應(yīng)工藝水對(duì)塑料清洗劑活性物含量的影響

酯化反應(yīng)工藝水作為溶劑，對(duì)清洗劑的制備有著至關(guān)重要的作用。本實(shí)驗(yàn)設(shè)置5組以3%用量為增量，從72%遞加到84%，觀察單因素實(shí)驗(yàn)中酯化反應(yīng)工藝水的最佳用量，如圖3所示。由圖3可知，酯化反應(yīng)工藝水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為78%時(shí)，塑料清洗劑活性物含量最高。

圖3 酯化反應(yīng)工藝水對(duì)塑料清洗劑活性物含量的影響

2.1.3 氫氧化鈉對(duì)塑料清洗劑活性物含量的影響

氫氧化鈉作為堿性清潔劑被廣泛用于工業(yè)范圍，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置5組以1%為增量，從1%遞加到3%，觀察單因素實(shí)驗(yàn)中氫氧化鈉的最佳用量，如圖4所示。由圖4可知，氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，塑料清洗劑活性物含量最高。

圖4 氫氧化鈉對(duì)塑料清洗劑活性物含量的影響

2.2 正交實(shí)驗(yàn)

選用以十二烷基苯磺酸、酯化反應(yīng)工藝水、氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為影響塑料清洗劑活性物含量的主要因素，進(jìn)行三因素三水平的正交實(shí)驗(yàn)。正交實(shí)驗(yàn)與水平數(shù)值選擇見(jiàn)表1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析見(jiàn)表2。

表1 因素水平表

由表2得出，在該塑料清洗劑體系中，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響因素由強(qiáng)到弱依次為氫氧化鈉、十二烷基苯磺酸、酯化反應(yīng)工藝水。其中塑料清洗劑活性物含量最高的為第二組，即清洗劑中含有(質(zhì)量分?jǐn)?shù))十二烷基苯磺酸17%，酯化反應(yīng)工藝水78%，氫氧化鈉3%。

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

對(duì)第二組正交試驗(yàn)進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。重復(fù)性實(shí)驗(yàn)共分為三組，以酯化反應(yīng)工藝水 78 g(78%)、氫氧化鈉 3 g(3%)、十二烷基苯磺酸 17 g(17%)、硫酸鈉 0.2 g(0.2%)、甲醇鈉 1 g(1%)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉 0.6 g(0.6%)、NP-100.1 g(0.1%)、滲透劑 0.1 g(0.1%)進(jìn)行配置。

表3 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.4 清洗實(shí)驗(yàn)

清洗實(shí)驗(yàn)是生產(chǎn)的塑料清洗劑在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，以瓶片清洗為依據(jù)設(shè)置三組清洗實(shí)驗(yàn)，工業(yè)清洗的流程有清水預(yù)洗、加熱攪拌、二次加熱攪拌、漂洗、二次漂洗、清水漂洗、甩干等步驟，塑料清洗結(jié)束活性物含量如表4所示。

表4 清洗實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表4可得：1)通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)所得塑料清洗劑在清洗前及之后的表面活性較高，因此清洗效果較佳。2)溫度升高水分蒸發(fā)使得活性物含量升高，使得清洗劑更容易被多次利用。3)通過(guò)觀察清洗過(guò)后的瓶片，看到其表面污垢大部分被去除，瓶片由原來(lái)的黑色變?yōu)槿榘咨幚砗蟮奈鬯儨啙岵a(chǎn)生少量泡沫。

2.5 清洗劑穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

為保證此種塑料清洗劑能夠在較大溫度區(qū)間保存，進(jìn)行了穩(wěn)定性測(cè)試，如表5所示。由表5可知，該塑料清洗劑穩(wěn)定性良好，具有較強(qiáng)的市場(chǎng)前景。

表5 穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.6 廢水處理實(shí)驗(yàn)

通過(guò)廢水處理實(shí)驗(yàn)，探究該塑料清洗劑處理后的廢水是否達(dá)到可排放標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)保要求。通過(guò)加入聚丙烯酰胺以及硫酸鋁作為絮凝劑使廢水中的雜質(zhì)沉淀，過(guò)濾觀察到處理后的廢水呈透明顏色，無(wú)異味，無(wú)懸浮顆粒，pH呈弱堿性。

3 結(jié)論

通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)測(cè)試表面活性物含量對(duì)瓶片清洗行為的影響，配制得到了環(huán)保友好型塑料清洗劑。確定了該塑料清洗劑各組分的最佳配比為(質(zhì)量分?jǐn)?shù))：酯化反應(yīng)工藝水(78%)、氫氧化鈉(3%)、十二烷基苯磺酸(17%)、硫酸鈉(0.2%)、甲醇鈉(1%)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉(0.6%)、壬基酚聚氧乙烯醚(0.1%)、滲透劑T(0.1%)。相較于傳統(tǒng)塑料清洗劑，該塑料清洗劑具有較強(qiáng)的油污去除能力，且本清洗劑可重復(fù)利用，無(wú)味，不產(chǎn)生廢水，不會(huì)造成環(huán)境危害。同時(shí)，該塑料清洗劑擁有較強(qiáng)的溫度適應(yīng)能力，在低溫環(huán)境下不凝固，具有良好的流動(dòng)性，抗硬水能力強(qiáng)，殺菌性能高，耐酸堿，利于工業(yè)化生產(chǎn)和大規(guī)模運(yùn)用。