Hướng dẫn thiết kế công thức chất tẩy rửa công nghiệp

Giới thiệu

Làm sạch công nghiệp, như tên gọi, là quá trình sử dụng các tác động vật lý, hóa học hoặc sinh học để loại bỏ các chất gây ô nhiễm (đất) khỏi bề mặt chất nền. Mục đích cuối cùng là khôi phục bề mặt về trạng thái ban đầu.

Sự thành công của vệ sinh công nghiệp chủ yếu bị ảnh hưởng bởi ba yếu tố chính: công nghệ làm sạch, thiết bị làm sạch và chất tẩy rửa.

Công nghệ làm sạch sơ cấp

Công nghệ làm sạch thường được phân thành ba loại:

1. Làm sạch bằng hóa chất: Điều này bao gồm các phương pháp phổ biến như rửa axit, rửa kiềm và làm sạch bằng dung môi. Những phương pháp này thường yêu cầu thiết bị làm sạch hoạt động song song với các tác nhân hóa học. Trong làm sạch công nghiệp thông thường, đây vẫn là phương pháp chiếm ưu thế do chi phí thấp, tốc độ và sự tiện lợi.

2. Làm sạch vật lý: Điều này bao gồm phun nước áp suất cao, nhiễu loạn không khí, làm sạch siêu âm, làm sạch xung điện, phun nổ, phun cát, làm sạch đá khô và cạo cơ học. Những phương pháp này dựa vào thiết bị kết hợp với nước hoặc các hạt rắn. Mặc dù hiệu quả cao nhưng thiết bị thường đắt tiền và chi phí vận hành tương đối cao.

3. Làm sạch sinh học: Điều này liên quan đến việc sử dụng các hoạt động xúc tác của vi sinh vật. Nó thường được sử dụng để làm sạch hàng dệt và đường ống. Tuy nhiên, phạm vi ứng dụng của nó còn hạn chế vì nó đòi hỏi hoạt tính xúc tác đặc hiệu từ các enzyme sinh học.

Phân loại chất tẩy rửa công nghiệp

Có nhiều cách phân loại chất tẩy rửa công nghiệp khác nhau. Các loại phổ biến bao gồm chất tẩy rửa gốc nước, chất bán lỏng và chất tẩy rửa gốc dung môi. Do nhận thức về môi trường ngày càng tăng, chất tẩy rửa gốc dung môi đang dần được thay thế, cho phép chất tẩy rửa gốc nước chiếm nhiều không gian thị trường hơn. Dựa trên độ pH, chất tẩy rửa gốc nước được chia thành các loại có tính kiềm, axit và trung tính.

Ngành công nghiệp đang hướng tới các giải pháp xanh, hiệu quả, tiết kiệm năng lượng và kinh tế. Quá trình chuyển đổi này đặt ra các yêu cầu cụ thể cho chất tẩy rửa hiện đại:

• Thay thế dung môi truyền thống bằng hệ thống gốc nước.

• Xây dựng các sản phẩm không chứa phốt phát, ít nitơ đến không chứa nitơ và không chứa kim loại nặng hoặc các chất có hại cho môi trường.

• Phát triển các công thức đậm đặc để giảm chi phí vận chuyển.

• Đảm bảo sự tiện lợi, lý tưởng để sử dụng ở nhiệt độ môi trường xung quanh.

• Duy trì chi phí sản xuất thấp để giảm chi phí của người dùng cuối.

Nguyên tắc thiết kế công thức gốc nước

Trước khi thiết kế công thức chất tẩy rửa, chúng ta phải phân loại các chất gây ô nhiễm dựa trên phương pháp rửa phù hợp.

Các loại chất gây ô nhiễm phổ biến:

1. Các chất gây ô nhiễm hòa tan trong dung dịch axit, kiềm hoặc enzyme: Những chất này dễ dàng được loại bỏ. Chúng ta có thể chọn các axit, kiềm hoặc enzyme cụ thể để chuẩn bị các giải pháp loại bỏ trực tiếp.

2. Chất gây ô nhiễm hòa tan trong nước: Ví dụ bao gồm muối hòa tan, đường và tinh bột. Những chất này có thể được hòa tan và mang đi bằng cách ngâm trong nước, siêu âm hoặc phun.

3. Các chất gây ô nhiễm phân tán trong nước: Ví dụ bao gồm xi măng, thạch cao, vôi và bụi. Những điều này đòi hỏi lực cơ học của thiết bị làm sạch kết hợp với chất phân tán và chất thẩm thấu hòa tan trong nước để làm ướt, phân tán và lơ lửng chúng trong nước.

4. Đất không hòa tan: Ví dụ bao gồm dầu và sáp. Chúng đòi hỏi lực bên ngoài, chất phụ gia và chất hoạt động bề mặt để trải qua quá trình nhũ hóa, xà phòng hóa hoặc phân tán. Điều này cho phép đất tách ra khỏi chất nền và tạo thành chất lỏng phân tán có thể bị cuốn trôi.

Trong thực tế, đất hiếm khi tồn tại một cách cô lập. Chúng thường được trộn lẫn với nhau và bám dính trên bề mặt hoặc sâu bên trong lớp nền. Các yếu tố môi trường cũng có thể gây ra quá trình lên men, phân hủy hoặc nấm mốc, tạo ra các chất ô nhiễm phức tạp. Bất kể liên kết là lực hóa học phản ứng hay lực dính vật lý, quy trình làm sạch phải tuân theo bốn bước quan trọng: Hòa tan, Làm ướt, Nhũ hóa/Phân tán và Chelation.

1. Logic thiết kế chất tẩy rửa gốc nước

1.1 Lựa chọn hệ thống

Các hệ thống làm sạch dựa trên nước thông thường được phân thành ba loại: trung tính, axit và kiềm.

• Chất tẩy rửa trung tính: Được sử dụng chủ yếu cho các bề mặt không chịu được axit hoặc kiềm. Quá trình này dựa vào tác dụng hiệp đồng của chất phụ gia và chất hoạt động bề mặt.

• Làm sạch bằng axit: Thường được sử dụng để loại bỏ rỉ sét và cặn kim loại. Có ít chất phụ gia hơn cho điều kiện axit. Nó dựa vào phản ứng giữa axit và rỉ sét/cặn để bong tróc đất. Chất hoạt động bề mặt sau đó nhũ hóa và phân tán các mảnh vụn. Các axit phổ biến bao gồm nitric, hydrochloric, sulfuric, photphoric, citric, oxalic, acetic, metansulfonic, dodecylbenzensulfonic và axit boric.

• Làm sạch bằng kiềm: Được sử dụng rộng rãi nhất trong môi trường công nghiệp. Vì chất kiềm có thể trải qua quá trình xà phòng hóa với dầu thực vật để tạo thành xà phòng ưa nước nên chúng rất lý tưởng để loại bỏ dầu mỡ. Các chất kiềm thông thường bao gồm NaOH, KOH, natri cacbonat, nước amoniac và rượu amin.

1.2 Lựa chọn phụ gia

Trong vệ sinh công nghiệp, các chất phụ gia giúp nâng cao hiệu quả làm sạch được gọi là chất hỗ trợ hay chất hỗ trợ. Chúng bao gồm các chất phân tán chelat, chất ức chế ăn mòn, chất khử bọt, chất bảo quản, enzyme và chất ổn định pH.

Các danh mục phổ biến bao gồm:

• Chất phân tán chelat: Phốt phát (Sodium pyrophosphate, STPP, v.v.), phosphonate hữu cơ (ATMP, HEDP, v.v.), amin rượu (TEA, DEA, MEA, v.v.), aminocarboxylate (NTA, EDTA, v.v.), hydroxycarboxylates (citrate, tartrate, gluconate, v.v.) và các dẫn xuất axit polyacrylic.

• Chất ức chế ăn mòn: Các loại màng oxy hóa (cromat, nitrit, v.v.), các loại màng kết tủa (phốt phát, cacbonat, v.v.) và các loại màng hấp phụ (silicat, amin hữu cơ, imidazolines, triazole, v.v.).

• Chất khử bọt: Chất khử bọt gốc silicone, silicone biến tính polyether và chất khử bọt không chứa silicone.

1.3 Lựa chọn chất hoạt động bề mặt

Chất hoạt động bề mặt đóng vai trò quan trọng trong việc làm sạch công nghiệp. Chúng làm giảm sức căng bề mặt của hệ thống và cải thiện khả năng thẩm thấu của sản phẩm. Điều này cho phép chất tẩy rửa nhanh chóng thấm sâu vào đất. Hơn nữa, chất hoạt động bề mặt còn cung cấp khả năng phân tán và nhũ hóa cho dầu được loại bỏ.

Các loại chất hoạt động bề mặt phổ biến bao gồm:

• Không ion: Alkylphenol ethoxylat (sê-ri NP/OP/TX), ethoxylat rượu béo (sê-ri AEO), ethoxylat rượu đồng phân (sê-ri XL/XP/TO), ethoxylat rượu thứ cấp (sê-ri SAEO), copolyme khối EO/PO (sê-ri PE/RPE), ethoxylat axit béo methyl ester (FMEE), ethoxylat axit béo (EL), ethoxylat amin béo (AC), acetylenic diol ethoxylat, và Chuỗi alkyl polyglycoside (APG).

• Anion: Sulfonate (LAS, AOS, SAS, OT, MES, v.v.), sunfat (K12, AES, v.v.), este photphat (alkyl photphat, photphat ete rượu, photphat alkylphenol ete) và carboxylat (muối axit béo).

• Cationic: Muối amoni bậc bốn (1631, 1231, v.v.).

• Chất lưỡng tính: Betaines (BS, CAB, v.v.), axit amin, oxit amin (OB, v.v.) và imidazolines.

Khi chọn chất hoạt động bề mặt, chúng tôi thường đánh giá bốn thông số quan trọng dựa trên cấu trúc phân tử của chúng: Sức căng bề mặt, Giá trị HLB, CMC (Nồng độ Micelle tới hạn) và Điểm đục (hoặc Điểm Krafft).

• Sức căng bề mặt: Việc thêm chất hoạt động bề mặt sẽ làm giảm sức căng bề mặt của chất tẩy rửa. Các chất hoạt động bề mặt thông thường có thể giảm nó xuống khoảng 30 mN/m. Vì sức căng bề mặt đại diện cho lực co lại của bề mặt chất lỏng, giá trị thấp hơn cho phép chất tẩy rửa lan rộng dễ dàng hơn trên bề mặt và làm ướt bề mặt rắn tốt hơn.

• Giá trị HLB: Điều này thể hiện sự cân bằng ưa nước-lipophilic. HLB cao hơn biểu thị tính ưa nước tốt hơn, trong khi giá trị thấp hơn biểu thị tính ưa nước kém hơn.

  • HLB 1–6: Đặc tính ưa mỡ chiếm ưu thế; được sử dụng làm chất khử bọt hoặc chất hỗ trợ nhũ hóa W/O.

  • HLB 7–9: Tính chất cân bằng; thường được sử dụng làm chất làm ướt và thẩm thấu.

  • HLB > 10: Tính ưa nước chiếm ưu thế; thường được sử dụng làm chất nhũ hóa trong làm sạch.

• CMC: Nồng độ Micelle tới hạn là nồng độ thấp nhất mà tại đó các phân tử chất hoạt động bề mặt liên kết để tạo thành các mixen. Bên dưới CMC, các phân tử tồn tại ở trạng thái tự do và sức căng bề mặt giảm khi nồng độ tăng. Khi đạt đến CMC, sức căng bề mặt sẽ đạt mức tối thiểu. Việc tăng nồng độ hơn nữa chỉ làm tăng mật độ mixen, tăng cường khả năng hòa tan dầu.

• Điểm đục (Điểm Krafft): Đối với chất hoạt động bề mặt ion, độ hòa tan tăng mạnh ở nhiệt độ cụ thể gọi là điểm Krafft. Vì vậy, chất hoạt động bề mặt ion nên được sử dụng ở nhiệt độ trên điểm Krafft của chúng. Chất hoạt động bề mặt không ion hoạt động ngược lại; độ hòa tan của chúng giảm mạnh khi nhiệt độ tăng, gây ra độ đục hoặc lượng mưa. Nhiệt độ này là Cloud Point. Các chất hoạt động bề mặt không chứa ion thường nên được sử dụng ở dưới hoặc gần điểm vẩn đục của chúng.

Ví dụ ứng dụng

Nghiên cứu điển hình: Thiết kế công thức tẩy nhờn bằng hợp kim nhôm

Thiết lập hệ thống:
Đối với các hệ thống tẩy dầu mỡ công nghiệp, hệ thống kiềm (chẳng hạn như Natri Hydroxide) được ưu tiên vì các chất béo dễ xà phòng hóa hơn trong điều kiện kiềm.

Có nhiều chất trợ chất khác nhau dành cho hệ thống kiềm, bao gồm natri gluconate, natri silicat, STPP và EDTA-2Na. tuy nhiên, khi làm sạch hợp kim nhôm, ăn mòn là mối quan tâm hàng đầu. Nhôm là kim loại lưỡng tính, bị ăn mòn trong môi trường axit và kiềm. Vì thế:

1. Hàm lượng kiềm phải được kiểm soát chặt chẽ.

2. Phải lựa chọn hệ thống ức chế ăn mòn phù hợp.

Lựa chọn chất hoạt động bề mặt:
Cốt lõi của việc tẩy nhờn nằm ở việc lựa chọn chất hoạt động bề mặt dựa trên bốn thông số chính:

• Sức căng bề mặt: Hầu hết các chất hoạt động bề mặt đều có thể đáp ứng yêu cầu không quá 30 mN/m.

• Giá trị HLB: Cần có giá trị lớn hơn 10. Nếu sử dụng ethoxylat cồn đồng phân hóa làm chất hoạt động bề mặt chính thì số lượng EO (Ethylene Oxide) phải từ 5 trở lên.

• Nhiệt độ & Điểm đục: Khi làm sạch bằng siêu âm, nhiệt độ có thể đạt tới khoảng 50°C. Do đó, chất hoạt động bề mặt có điểm đục trên 50°C là cần thiết, yêu cầu số lượng EO từ 7 trở lên.

• Dễ sử dụng: Nói chung, giá trị EO cao hơn dẫn đến điểm đông đặc cao hơn. Để thuận tiện, nhiệt độ đông đặc lý tưởng nhất là không vượt quá 30°C. Điều này đảm bảo chất hoạt động bề mặt vẫn ở trạng thái lỏng ở nhiệt độ phòng để đạt hiệu quả tối đa. Do đó, phạm vi EO từ 7 đến 12 được chọn cho chất hoạt động bề mặt chính.

Sức mạnh tổng hợp và sự thâm nhập:
Trong khi các chất hoạt động bề mặt sơ cấp mang lại khả năng nhũ hóa và tẩy rửa tuyệt vời, khả năng làm ướt và thẩm thấu của chúng yếu đi khi số lượng EO tăng lên (do tính ưa nước cao hơn). Vì vậy, cần có chất thấm ướt cho hỗn hợp. Các chất hoạt động bề mặt có HLB từ 7–9 là lý tưởng cho việc này. Đối với ete rượu, số lượng EO thường được chọn từ 4 đến 6.

Cân nhắc cấu trúc lipophilic:

• Chuỗi thẳng: Khả năng nhũ hóa mạnh hơn.

• Chuỗi phân nhánh: Sức mạnh thâm nhập vượt trội.

• Kích thước phân tử: Cấu trúc lớn hơn cản trở sự xâm nhập, trong khi cấu trúc quá nhỏ có thể làm mất hoạt động bề mặt.
  Do đó, các chất hoạt động bề mặt có chuỗi ưa mỡ từ 8 đến 10 nguyên tử cacbon thường được ưa thích làm chất thẩm thấu.

Thành phần công thức cuối cùng:

• Natri Hydroxit: 1–2%

• Natri silicat: 2–3%

• Natri Gluconate: 1–2%

• EDTA-2Na: 1–2%

• Chất thẩm thấu QH-7: 0,1–0,5%

• Lutensol TO-8: 3–5%

• Chất ức chế ăn mòn FS-11: 0,1–0,5%

• Chất bảo quản/diệt khuẩn: Khi cần thiết

• Nước: Cân bằng

Quy trình làm sạch:
Pha loãng 10–20 lần. Sử dụng để làm sạch ngâm ở nhiệt độ phòng (nên hỗ trợ siêu âm để có kết quả tốt nhất).