正交實驗研究表面活性物含量對瓶片清洗影響及測試

潘宏瑞，陳瑾影，王永杰，張礎銳，劉天祥，張天翔

(沈陽工業大學石油化工學院，遼寧 遼陽 111003)

近年來，廢棄塑料所引發的一系列問題受到社會各界的廣泛關注。廢棄塑料制品帶來的環境污染問題日漸突出。塑料清洗劑是一種專門清洗塑料表面的溶劑，一般作用于塑料處理前的清洗系統中[1]。但是，洗脫后產生的大量廢水具有較高的COD，無法直接排放，既造成水資源的浪費，又增加清洗成本[2-4]。目前，國內外的相關研究仍處于初始階段，因此研制對環境友好的塑料清洗劑成為大規模推廣運用的重中之重。對現有塑料清洗劑性能進行改進，保證清洗質量，提高清洗效率，無廢水產生，可循環利用。尤其對于高緯度寒冷地區，保證清洗劑在 -15 ℃ 時不凝固，能夠正常使用，落實大規模、可持續的綠色工業化生產，是本研究所要解決的主要問題。

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行復配研究，制備出一種環境友好型可回收循環利用塑料清洗劑。上述的丙酸、丙酸酯及水復合物余量采用的是生產丙酸乙酯、丙酸正丙酯后的副產物，是對工業廢料的二次利用，不僅做到回收廢料、大幅降低成本，還兼具抑菌、殺菌作用，減少了對環境的污染。通過正交實驗測試研究清洗劑中表面活性物的含量對瓶片清洗行為的影響，研制出最優的清洗劑配方。本研究已經初步實現工業化，具有顯著的社會效益和經濟效益，為新型清洗劑工業化奠定基礎，為其他清洗劑的復配提供理論指導。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

酯化反應工藝水、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(鄭州中揚化工產品有限公司)；鹽酸(上海試劑一廠)；酚酞(沈陽試劑廠)。試劑均為分析純，市售。

SHT型數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型電熱鼓風干燥箱(大連實驗設備廠)；800A型多功能粉碎機(永康市穗機制制造廠)；28-1型磁力加熱攪拌器(常州國華電器有限公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1 清洗劑制備方法

在電子分析天平上稱取 78 g 酯化反應工藝水，3 g 氫氧化鈉加入容積為 250 mL 的燒杯內，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pH值(8～9之間)，若pH值不合格則需補加氫氧化鈉。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pH值(8～9之間)。

1.2.2 清洗劑瓶片清洗階段的測試

1)瓶片的制備。本清洗實驗選用生活中常見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象，將收集來的塑料剪開，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 燒杯中加入磁力轉子，放入電子計價稱上稱量清零，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化清洗標準為參照)，放入數顯恒溫磁力攪拌電熱套加熱到 90 ℃(以磁力攪拌代替揉搓機)，時長設定為 5 min(工業化時長為 30 min，在本實驗中由于清洗物較少故縮短清洗時間)。

3)瓶片的清洗效果測試。清洗結束后放入清水中漂洗(本實驗以手工揉搓取代揉搓機)，取出被清洗的瓶片，室溫晾干，放在電熱鼓風干燥箱 200 ℃，干燥 20 min，取出后放在白色比色卡中與標準瓶片作對比。評價瓶片的熱穩定性，是否發黃。

4)清洗劑表面活性物含量的測試。測量第一次清洗過后的活性物含量以及pH。將清洗過后的清洗剩出液分層去掉固體雜質，如果清洗劑表面活性物含量低，可以補充表面活性劑。pH低，補充NaOH，再次循環清洗測試清洗效果，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 經過N次清洗廢水處理的實驗方法

稱取 50 mL 實驗產生廢水加入 100 mL 燒杯中，先加入2～5滴質量分數為 300 mg/kg 聚丙烯酰胺，后加入2～3滴質量分數為 300 mg/kg 硫酸鋁溶液。靜置 1 h 后，用漏斗過濾掉固體絮凝雜質，如遇油水分層應先用分液漏斗分層后再過濾，過濾后得到水的pH為中性時，可以重復利用。

2 結果與討論

2.1 單因素實驗

2.1.1 十二烷基苯磺酸對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，以質量分數為變量開展因素實驗。由最初實驗研制清洗劑的質量分數為依據：酯化反應工藝水 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%)。故對十二烷基苯磺酸的質量分數以11%用量為起點，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量分數為17%時，塑料清洗劑活性物含量最高。

圖2 十二烷基苯磺酸對塑料清洗劑活性物含量的影響

2.1.2 酯化反應工藝水對塑料清洗劑活性物含量的影響

酯化反應工藝水作為溶劑，對清洗劑的制備有著至關重要的作用。本實驗設置5組以3%用量為增量，從72%遞加到84%，觀察單因素實驗中酯化反應工藝水的最佳用量，如圖3所示。由圖3可知，酯化反應工藝水質量分數為78%時，塑料清洗劑活性物含量最高。

圖3 酯化反應工藝水對塑料清洗劑活性物含量的影響

2.1.3 氫氧化鈉對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范圍，本實驗設置5組以1%為增量，從1%遞加到3%，觀察單因素實驗中氫氧化鈉的最佳用量，如圖4所示。由圖4可知，氫氧化鈉質量分數為3%時，塑料清洗劑活性物含量最高。

圖4 氫氧化鈉對塑料清洗劑活性物含量的影響

2.2 正交實驗

選用以十二烷基苯磺酸、酯化反應工藝水、氫氧化鈉質量分數為影響塑料清洗劑活性物含量的主要因素，進行三因素三水平的正交實驗。正交實驗與水平數值選擇見表1，實驗結果與分析見表2。

表1 因素水平表

由表2得出，在該塑料清洗劑體系中，對實驗結果的影響因素由強到弱依次為氫氧化鈉、十二烷基苯磺酸、酯化反應工藝水。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(質量分數)十二烷基苯磺酸17%，酯化反應工藝水78%，氫氧化鈉3%。

表2 正交實驗結果與分析

2.3 重復性實驗

對第二組正交試驗進行重復性實驗。重復性實驗共分為三組，以酯化反應工藝水 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%)進行配置。

表3 重復性實驗結果

2.4 清洗實驗

清洗實驗是生產的塑料清洗劑在實際生產中的應用，以瓶片清洗為依據設置三組清洗實驗，工業清洗的流程有清水預洗、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，塑料清洗結束活性物含量如表4所示。

表4 清洗實驗結果

由表4可得：1)通過正交實驗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)通過觀察清洗過后的瓶片，看到其表面污垢大部分被去除，瓶片由原來的黑色變為乳白色，處理后的污水變渾濁并產生少量泡沫。

2.5 清洗劑穩定性實驗

為保證此種塑料清洗劑能夠在較大溫度區間保存，進行了穩定性測試，如表5所示。由表5可知，該塑料清洗劑穩定性良好，具有較強的市場前景。

表5 穩定性實驗結果

2.6 廢水處理實驗

通過廢水處理實驗，探究該塑料清洗劑處理后的廢水是否達到可排放標準和環保要求。通過加入聚丙烯酰胺以及硫酸鋁作為絮凝劑使廢水中的雜質沉淀，過濾觀察到處理后的廢水呈透明顏色，無異味，無懸浮顆粒，pH呈弱堿性。

3 結論

通過正交實驗測試表面活性物含量對瓶片清洗行為的影響，配制得到了環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(質量分數)：酯化反應工藝水(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%)。相較于傳統塑料清洗劑，該塑料清洗劑具有較強的油污去除能力，且本清洗劑可重復利用，無味，不產生廢水，不會造成環境危害。同時，該塑料清洗劑擁有較強的溫度適應能力，在低溫環境下不凝固，具有良好的流動性，抗硬水能力強，殺菌性能高，耐酸堿，利于工業化生產和大規模運用。