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物理洗滌技術的研究現狀與發展趨勢
來源:氫分子產業網 發表時間:2017-3-30 19:44:32 閱讀:4578

 

一、 物理洗滌誕生的背景
化學洗滌劑已成為人們離不開的生活必需品。不管是家居還是在飯店,我們都可以看到化學洗滌劑的蹤跡。這些被包裝得多彩多姿的化學洗滌劑,每天通過皮膚接觸或殘留等方式進入人體,給人類健康造成潛在的危害,給水環境帶來嚴重的污染。日本消費者聯盟經過20多年的調查以及消費者的傷害報告,大聲疾呼:“化學洗滌劑不能再用了!”

化學洗滌劑大多是石油垃圾開發的副產品。由于它溶于水、造價低、洗滌性能好,所以一經發現,很快被人們所接受。化學洗滌劑在使用時會沾在皮膚上,大約有0.5%滲入血液,皮膚上若有傷口則滲透力提高10倍。進入人體內的化學洗滌劑毒素可使血液中鈣離子濃度下降,血液酸化,容易疲倦,還使肝臟的排毒功能降低,使原本該排出體外的毒素淤積在體內,積少成多,使人們免疫力下降,肝細胞病變加劇,容易誘發癌癥。

中央電視臺曾報道,洗潔精存在"燒手"和毒副作用等問題,不僅對皮膚有刺激性,而且用于洗滌蔬菜、水果和餐具時殘留的烷基苯磺酸鹽對人體也有害,必須用大量的水進行沖洗才能去除有害物質。這些有害物質長時間累積,嚴重時會導致女性流產,胎兒畸形,惡病纏身!吉林電視臺曾經做過一個調查,工作人員挑選了市場上的9種洗潔精,并用它們分別清洗餐具,在用自來水沖洗12遍后,檢測發現仍有0.03%的殘留。

近年來,歐美國家一些研究機構還發現,洗滌劑類化學品或其分解產物烷基酚可使一些鳥類及哺乳動物的個體出現生殖器官變小,或使成熟個體的雄性動物出現卵巢等雌性化的現象,某些洗滌助劑對人體有潛在致畸、致癌等遺傳毒理學效應。研究人員還用家用洗滌劑對魚進行急性毒性試驗表明,在洗滌劑用量遠遠低于日常家庭用量的情況下,5種洗滌劑對魚類有不同程度的影響,并且發現這5種洗滌劑在存放一定時間后,其毒性亦沒有發生明顯下降。這意味著,含有家用洗滌劑的生活污水不經任何處理就排放到水體中,可能會對魚類造成一定的影響。

1970年,日本琵琶湖等封閉水域出現了水藻瘋長、魚類死亡現象,經分析和研究表明,是由于水中磷酸鹽含量超過正常值,水體富營養化。80年代以后,我國湖泊、水庫等水域也普遍受到磷、氮等物質的污染,污染狀況令人擔憂。我國許多湖泊,如長春的南湖、濟南大明湖、南京玄武湖、武漢的東湖、江蘇的太湖、安徽的巢湖、杭州西湖和昆明的滇池等都出現了嚴重的富營養化,水體中磷元素含量大大超標。在一些近海海域,因為水體中氮、磷含量嚴重超標,使一些浮游生物呈爆發性繁殖,具有紅色素的浮游生物聚集使海水變為淡紅色,稱為"赤潮"現象。水體富營養化使水域生態系統遭到破壞,魚類、貝類大量死亡,不僅嚴重影響工業用水和居民用水,還極大的影響了養殖業和人類正常生活。

針對化學洗滌劑存在的這些影響健康和環境污染的問題,很多科學家和企業也一直在尋求解決辦法,期望通過減少洗滌劑的有害成分或采用植物提取劑與活性劑合成等方式,減少對人體和環境的危害。但化學洗滌劑合成過程中離不開表面活性劑等化學性物質,這個研究方向只是減少了化學洗滌劑的用量,卻不能徹底解決化學洗滌劑污染的問題。也有科學家通過改良陶瓷表面自由能,制成易潔抗菌的陶瓷餐具從而實現其表面抗污和自潔性能,也取得了成功并獲得了較好的經濟和社會效益。可見,科學家和企業一直在尋找解決辦法,不論是減少化學洗滌劑用量,還是研發具有易潔功能的餐具,都是為了減少化學洗滌劑對身體健康的危害和對水環境的污染。

物理洗滌概念早就有之,但一直停留在用水正常沖洗表面污物的范圍。2016年初,日本、韓國等國家提出油切洗滌的概念,從而開啟了新的物理洗滌方式萌芽。2016年下半年,山東木齊研發團隊受國外企業委托,并結合了大量自潔技術成果,研發出了具有改善水清洗功能的油切材料,并率先提出了 “物理洗滌” 新概念,既利用天然礦物等功能材料的特性,通過改善水的分子團大小和表面張力,實現水洗去油污的綠色洗滌方式。山東木齊研發的油切材料技術已申報國家發明專利并制定了企業標準。現已迭代到了第3+代油切材料技術。

二、 物理洗滌技術原理
物理洗滌技術主要是改善了水分子團大小和表面張力,提高水的PH值等技術指標。清洗時在餐具表面迅速形成的一層超級親水膜,并利用親水膜的皂化效應和納米微泡乳化效應實現水洗去油污功能。

物理洗滌遠可以追溯到古代,人們常用的是植物皂角清洗,還有近代的堿性蘇打粉清洗材料,再到現代的磁化技術和油切技術。物理洗滌一直伴隨著我們,只是市場已被化學洗滌壟斷了,從而讓人們忽略了物理洗滌。現在,隨著油切技術材料的研發成功和不斷創新迭代,水洗效果的顯著以及人們健康環保意識的提升,物理洗滌再次進入了人們視野,并瞬間引起了極大的關注和熱情。也正是在這個特定的時代,迫切需求的綠色環保洗滌方式為物理洗滌提供了契機。

油切技術材料是山東木齊研發的最新物理洗滌材料,取得了SGS和復旦大學分析測試中心等權威機構的檢測認證。市場現有的油切顆粒球是利用天然礦物材料復合加工制成顆粒球,利用顆粒球表面的自由能激活震蕩水分子團,降低水的表面張力,提高水的滲透和溶解力,使水在餐具表面快速形成一層超級親水膜,該親水膜快速切入油污與餐具界面,讓油污快速脫離餐具表面。油切球具有較高的表面自由能,見表1。


當水流經油切顆粒球后,在其表面自由能的作用下,水的表面張力可從72×10-3 N•m-1降低到60×10-3 N•m-1。同時經過油切球表面自由能的激活震蕩,不但能活化水分子,使水分子不容易締合,而且還能活化其它高分子團聚液體(如油酸、脂肪酸、氨基酸等)。通過測量在陶瓷餐具表面形成超級親水膜的接觸角,發現其具有超級親水性,如圖1所示。

在餐具表面形成的超級親水膜,根據兩相系統的界面張力公式,水和油的表面張力降低,則油/水界面張力減低,從而提高清洗效果。通常情況下,油滴在水中的接觸角越大,油滴越容易被水沖去,經過放大的油滴在水的作用下脫離餐具表面的現象見圖2。

將表面帶有油滴的陶瓷餐具浸入木齊研發的第3+代油切球處理的水中后,在3s內表面油滴的運動狀態及油滴接觸角變化情況如上圖2所示。從圖中我們可以看到,當試樣剛放入水中時,餐具表面的油滴在親水膜浮力作用下開始產生聚合成球體的趨勢,與此同時,水迅速的在表面鋪展形成超級親水膜,進入到原來油滴與餐具的固液界面之間,并迫使油滴聚合;隨著水不斷地進入到油滴與餐具界面之間,油滴與餐具之間的接觸面積不斷減小,這直接導致了油滴與餐具之間的作用力逐漸變小,油滴開始加速形成球形,油滴的上浮趨勢越來越強烈,上浮速度越來越快。隨著水的沖力及洗碗布的擦洗,餐具表面的油污很容易被沖洗掉。

三、 物理洗滌清洗性能檢測
1、油切顆粒球的指標檢測
油切顆粒球作為最新一代物理洗滌技術材料由山東木齊研發成功。產品上市后用于油切洗滌器等產品,清洗效果比較理想。現已成為眾多油切器廠家的首選。油切顆粒球產品檢測從外形、PH值、核磁共振頻率和易潔性等幾個指標進行檢測。其中外形和PH值為出廠檢測指標,核磁共振和易潔性為型式檢驗指標。因為物理洗滌是新興的產業,還沒有行業或國家標準。現在執行的是企業標準,具體檢測見表2。

2、油切顆粒球的性能檢測
(1)浸泡水指標試驗
將50g油切球放入到500mL純凈水中,對不同時間段的pH值和TDS值進行測試,測試結果見表3。pH測試儀用上海三信儀表廠生產的SX711型便攜式pH測試筆。TDS測試用導電固體顆粒TDS測試儀MP515(韓國公司生產)。

(2)安全性檢測
經SGS權威機構按《生活飲用衛生規范》19項指標檢測,除了PH值對照提高1.42外,其它指標均符合要求。而PH值得提高正是顆粒球的功能指標之一。

(3)核磁共振檢測
委托復旦大學分析測試中心對油切顆粒材料進行了核磁共振檢測。油切球浸泡的水,O17核磁共振半峰寬頻率為48Hz,呈小分子團狀態具有較強的活性。

(4)與水的接觸角
通過測量經過油切球的水在餐具表面上的接觸角小于10°,該水具有超級親水性。

2、易清洗性能的檢測方法
為了更好的驗證油切顆粒改善水的去油污性能,我們借鑒了國家標準《日用瓷器易潔性檢測方法》里的重量檢測法,該國家標準筆者作為起草人全程參與了標準制訂工作。


應用重量法測試清洗性,將定量油污涂抹于待檢餐具試片上,靜置一定時間后,用水沖洗,干燥后稱量,計算試片表面單位面積的油污殘余量,測試結果見表2,其中S1、S2、S3為油切顆粒處理的水,S4為普通水。測試前將陶瓷試片(50 mm×50 mm×8mm)用無水乙醇和蒸餾水依次在超聲波清洗器中清洗10 min,取出后用蒸餾水再沖洗5 min,在烘箱中以110 ℃烘干至恒重,取出后放置干燥器中冷卻。按照以下測試步驟進行測試:
① 測量烘干后的試片重量,記為W0。
② 用膠頭滴管均勻地將24-30滴色拉油滴于試片工作面上,靜置10 min使油穩定鋪展。
③ 將涂有色拉油的試片置于45°角的試片托上,用20-25 ℃的蒸餾水進行沖洗,出水口直徑1.5 cm,出水口至試片沖洗端高度為30 cm,流量為 50 ml/s,沖洗時間為1 min。
④ 將沖洗后的試片置于110 ℃烘箱內烘干至恒重,取出后放置干燥器中冷卻,稱試片重量并記為W1。

式中:
A——試片表面單位面積油污殘余量,單位為克每平方米(g/m2);
        W0——預處理后試片重量,單位為克(g);
        W1——試驗清洗后試片重量,單位為克(g);
        S——試片工作面積,單位為平方厘米(cm2)。
經過測試,與國家標準《日用瓷器易潔性檢測方法》易潔性指標對比發現,油切顆粒處理后的親水清洗性能非常好,見表4。

四、物理洗滌材料的種類
物理洗滌技術和材料主要有皂角、堿粉、磁化技術和油切技術等。化學洗滌劑出現前,人們就是用皂角和堿粉進行清洗餐具和衣物。磁化技術也有企業在用,是利用磁力線將大水分子團切割變小,利用小分子團水的滲透力和溶解力實現物理去油污。磁化技術功能比較單一,清洗油污效果不是很理想,市場化進程緩慢。
最新物理洗滌“油切技術”是將多種功能礦物材料復合并經高溫燒制而成。目前市場上油切洗滌器的用料區別很大,有的選用堿性陶瓷球、活化陶瓷球,也有的選擇自由能油切顆粒等。筆者將這幾種材料的性能和優缺點總結了一下,見表5。產品用料的選擇是由企業和消費者共同決定的,作為物理洗滌產業發展的見證者,筆者也強烈呼吁不要選擇低端的堿性陶瓷球,不僅效果不理想,安全也沒有保障。既然是安全環保的新洗滌方式,就應選擇優質的油切顆粒球,共同維護物理洗滌產業的健康發展。

來源:中國物理洗滌網

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