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物理洗涤技术的研究现状与发展趋势
来源:中国氢分子产业网 发表时间:2017-3-30 19:44:32 阅读:3543

 

一、 物理洗涤诞生的背景
化学洗涤剂已成为人们离不开的生活必需品。不管是家居还是在饭店,我们都可以看到化学洗涤剂的踪迹。这些被包装得多彩多姿的化学洗涤剂,每天通过皮肤接触或残留等方式进入人体,给人类健康造成潜在的危害,给水环境带来严重的污染。日本消费者联盟经过20多年的调查以及消费者的伤害报告,大声疾呼:“化学洗涤剂不能再用了!”

化学洗涤剂大多是石油垃圾开发的副产品。由于它溶于水、造价低、洗涤性能好,所以一经发现,很快被人们所接受。化学洗涤剂在使用时会沾在皮肤上,大约有0.5%渗入血液,皮肤上若有伤口则渗透力提高10倍。进入人体内的化学洗涤剂毒素可使血液中钙离子浓度下降,血液酸化,容易疲倦,还使肝脏的排毒功能降低,使原本该排出体外的毒素淤积在体内,积少成多,使人们免疫力下降,肝细胞病变加剧,容易诱发癌症。

中央电视台曾报道,洗洁精存在"烧手"和毒副作用等问题,不仅对皮肤有刺激性,而且用于洗涤蔬菜、水果和餐具时残留的烷基苯磺酸盐对人体也有害,必须用大量的水进行冲洗才能去除有害物质。这些有害物质长时间累积,严重时会导致女性流产,胎儿畸形,恶病缠身!吉林电视台曾经做过一个调查,工作人员挑选了市场上的9种洗洁精,并用它们分别清洗餐具,在用自来水冲洗12遍后,检测发现仍有0.03%的残留。

近年来,欧美国家一些研究机构还发现,洗涤剂类化学品或其分解产物烷基酚可使一些鸟类及哺乳动物的个体出现生殖器官变小,或使成熟个体的雄性动物出现卵巢等雌性化的现象,某些洗涤助剂对人体有潜在致畸、致癌等遗传毒理学效应。研究人员还用家用洗涤剂对鱼进行急性毒性试验表明,在洗涤剂用量远远低于日常家庭用量的情况下,5种洗涤剂对鱼类有不同程度的影响,并且发现这5种洗涤剂在存放一定时间后,其毒性亦没有发生明显下降。这意味着,含有家用洗涤剂的生活污水不经任何处理就排放到水体中,可能会对鱼类造成一定的影响。

1970年,日本琵琶湖等封闭水域出现了水藻疯长、鱼类死亡现象,经分析和研究表明,是由于水中磷酸盐含量超过正常值,水体富营养化。80年代以后,我国湖泊、水库等水域也普遍受到磷、氮等物质的污染,污染状况令人担忧。我国许多湖泊,如长春的南湖、济南大明湖、南京玄武湖、武汉的东湖、江苏的太湖、安徽的巢湖、杭州西湖和昆明的滇池等都出现了严重的富营养化,水体中磷元素含量大大超标。在一些近海海域,因为水体中氮、磷含量严重超标,使一些浮游生物呈爆发性繁殖,具有红色素的浮游生物聚集使海水变为淡红色,称为"赤潮"现象。水体富营养化使水域生态系统遭到破坏,鱼类、贝类大量死亡,不仅严重影响工业用水和居民用水,还极大的影响了养殖业和人类正常生活。

针对化学洗涤剂存在的这些影响健康和环境污染的问题,很多科学家和企业也一直在寻求解决办法,期望通过减少洗涤剂的有害成分或采用植物提取剂与活性剂合成等方式,减少对人体和环境的危害。但化学洗涤剂合成过程中离不开表面活性剂等化学性物质,这个研究方向只是减少了化学洗涤剂的用量,却不能彻底解决化学洗涤剂污染的问题。也有科学家通过改良陶瓷表面自由能,制成易洁抗菌的陶瓷餐具从而实现其表面抗污和自洁性能,也取得了成功并获得了较好的经济和社会效益。可见,科学家和企业一直在寻找解决办法,不论是减少化学洗涤剂用量,还是研发具有易洁功能的餐具,都是为了减少化学洗涤剂对身体健康的危害和对水环境的污染。

物理洗涤概念早就有之,但一直停留在用水正常冲洗表面污物的范围。2016年初,日本、韩国等国家提出油切洗涤的概念,从而开启了新的物理洗涤方式萌芽。2016年下半年,山东木齐研发团队受国外企业委托,并结合了大量自洁技术成果,研发出了具有改善水清洗功能的油切材料,并率先提出了 “物理洗涤” 新概念,既利用天然矿物等功能材料的特性,通过改善水的分子团大小和表面张力,实现水洗去油污的绿色洗涤方式。山东木齐研发的油切材料技术已申报国家发明专利并制定了企业标准。现已迭代到了第3+代油切材料技术。

二、 物理洗涤技术原理
物理洗涤技术主要是改善了水分子团大小和表面张力,提高水的PH值等技术指标。清洗时在餐具表面迅速形成的一层超级亲水膜,并利用亲水膜的皂化效应和纳米微泡乳化效应实现水洗去油污功能。

物理洗涤远可以追溯到古代,人们常用的是植物皂角清洗,还有近代的碱性苏打粉清洗材料,再到现代的磁化技术和油切技术。物理洗涤一直伴随着我们,只是市场已被化学洗涤垄断了,从而让人们忽略了物理洗涤。现在,随着油切技术材料的研发成功和不断创新迭代,水洗效果的显著以及人们健康环保意识的提升,物理洗涤再次进入了人们视野,并瞬间引起了极大的关注和热情。也正是在这个特定的时代,迫切需求的绿色环保洗涤方式为物理洗涤提供了契机。

油切技术材料是山东木齐研发的最新物理洗涤材料,取得了SGS和复旦大学分析测试中心等权威机构的检测认证。市场现有的油切颗粒球是利用天然矿物材料复合加工制成颗粒球,利用颗粒球表面的自由能激活震荡水分子团,降低水的表面张力,提高水的渗透和溶解力,使水在餐具表面快速形成一层超级亲水膜,该亲水膜快速切入油污与餐具界面,让油污快速脱离餐具表面。油切球具有较高的表面自由能,见表1。


当水流经油切颗粒球后,在其表面自由能的作用下,水的表面张力可从72×10-3 N•m-1降低到60×10-3 N•m-1。同时经过油切球表面自由能的激活震荡,不但能活化水分子,使水分子不容易缔合,而且还能活化其它高分子团聚液体(如油酸、脂肪酸、氨基酸等)。通过测量在陶瓷餐具表面形成超级亲水膜的接触角,发现其具有超级亲水性,如图1所示。

在餐具表面形成的超级亲水膜,根据两相系统的界面张力公式,水和油的表面张力降低,则油/水界面张力减低,从而提高清洗效果。通常情况下,油滴在水中的接触角越大,油滴越容易被水冲去,经过放大的油滴在水的作用下脱离餐具表面的现象见图2。

将表面带有油滴的陶瓷餐具浸入木齐研发的第3+代油切球处理的水中后,在3s内表面油滴的运动状态及油滴接触角变化情况如上图2所示。从图中我们可以看到,当试样刚放入水中时,餐具表面的油滴在亲水膜浮力作用下开始产生聚合成球体的趋势,与此同时,水迅速的在表面铺展形成超级亲水膜,进入到原来油滴与餐具的固液界面之间,并迫使油滴聚合;随着水不断地进入到油滴与餐具界面之间,油滴与餐具之间的接触面积不断减小,这直接导致了油滴与餐具之间的作用力逐渐变小,油滴开始加速形成球形,油滴的上浮趋势越来越强烈,上浮速度越来越快。随着水的冲力及洗碗布的擦洗,餐具表面的油污很容易被冲洗掉。

三、 物理洗涤清洗性能检测
1、油切颗粒球的指标检测
油切颗粒球作为最新一代物理洗涤技术材料由山东木齐研发成功。产品上市后用于油切洗涤器等产品,清洗效果比较理想。现已成为众多油切器厂家的首选。油切颗粒球产品检测从外形、PH值、核磁共振频率和易洁性等几个指标进行检测。其中外形和PH值为出厂检测指标,核磁共振和易洁性为型式检验指标。因为物理洗涤是新兴的产业,还没有行业或国家标准。现在执行的是企业标准,具体检测见表2。

2、油切颗粒球的性能检测
(1)浸泡水指标试验
将50g油切球放入到500mL纯净水中,对不同时间段的pH值和TDS值进行测试,测试结果见表3。pH测试仪用上海三信仪表厂生产的SX711型便携式pH测试笔。TDS测试用导电固体颗粒TDS测试仪MP515(韩国公司生产)。

(2)安全性检测
经SGS权威机构按《生活饮用卫生规范》19项指标检测,除了PH值对照提高1.42外,其它指标均符合要求。而PH值得提高正是颗粒球的功能指标之一。

(3)核磁共振检测
委托复旦大学分析测试中心对油切颗粒材料进行了核磁共振检测。油切球浸泡的水,O17核磁共振半峰宽频率为48Hz,呈小分子团状态具有较强的活性。

(4)与水的接触角
通过测量经过油切球的水在餐具表面上的接触角小于10°,该水具有超级亲水性。

2、易清洗性能的检测方法
为了更好的验证油切颗粒改善水的去油污性能,我们借鉴了国家标准《日用瓷器易洁性检测方法》里的重量检测法,该国家标准笔者作为起草人全程参与了标准制订工作。


应用重量法测试清洗性,将定量油污涂抹于待检餐具试片上,静置一定时间后,用水冲洗,干燥后称量,计算试片表面单位面积的油污残余量,测试结果见表2,其中S1、S2、S3为油切颗粒处理的水,S4为普通水。测试前将陶瓷试片(50 mm×50 mm×8mm)用无水乙醇和蒸馏水依次在超声波清洗器中清洗10 min,取出后用蒸馏水再冲洗5 min,在烘箱中以110 ℃烘干至恒重,取出后放置干燥器中冷却。按照以下测试步骤进行测试:
① 测量烘干后的试片重量,记为W0。
② 用胶头滴管均匀地将24-30滴色拉油滴于试片工作面上,静置10 min使油稳定铺展。
③ 将涂有色拉油的试片置于45°角的试片托上,用20-25 ℃的蒸馏水进行冲洗,出水口直径1.5 cm,出水口至试片冲洗端高度为30 cm,流量为 50 ml/s,冲洗时间为1 min。
④ 将冲洗后的试片置于110 ℃烘箱内烘干至恒重,取出后放置干燥器中冷却,称试片重量并记为W1。

式中:
A——试片表面单位面积油污残余量,单位为克每平方米(g/m2);
        W0——预处理后试片重量,单位为克(g);
        W1——试验清洗后试片重量,单位为克(g);
        S——试片工作面积,单位为平方厘米(cm2)。
经过测试,与国家标准《日用瓷器易洁性检测方法》易洁性指标对比发现,油切颗粒处理后的亲水清洗性能非常好,见表4。

四、物理洗涤材料的种类
物理洗涤技术和材料主要有皂角、碱粉、磁化技术和油切技术等。化学洗涤剂出现前,人们就是用皂角和碱粉进行清洗餐具和衣物。磁化技术也有企业在用,是利用磁力线将大水分子团切割变小,利用小分子团水的渗透力和溶解力实现物理去油污。磁化技术功能比较单一,清洗油污效果不是很理想,市场化进程缓慢。
最新物理洗涤“油切技术”是将多种功能矿物材料复合并经高温烧制而成。目前市场上油切洗涤器的用料区别很大,有的选用碱性陶瓷球、活化陶瓷球,也有的选择自由能油切颗粒等。笔者将这几种材料的性能和优缺点总结了一下,见表5。产品用料的选择是由企业和消费者共同决定的,作为物理洗涤产业发展的见证者,笔者也强烈呼吁不要选择低端的碱性陶瓷球,不仅效果不理想,安全也没有保障。既然是安全环保的新洗涤方式,就应选择优质的油切颗粒球,共同维护物理洗涤产业的健康发展。

来源:中国物理洗涤网

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