Щелочное обезжиривание поверхности металла

Метод основан на том, что жиры животного и растительного происхождения в щелочных растворах расщепляются по эфирным связям, образуя растворимые в воде мыла, а сами щелочи сильно понижают поверхностное натяжение растворов (повышают смачиваемость поверхности). Минеральные жиры (нефтяные масла) не участвуют в реакциях омыления, но при определенных условиях под воздействием щелочных растворов могут образовывать водные эмульсии, и это облегчает их последующее отделение от поверхности металла. Введение в щелочные растворы поверхностно-активных веществ (ПАВ) усиливает их эмульгирующее действие и тем самым влияние на отложения на основе минеральных масел. Щелочное обезжиривание к тому же производят при повышенной температуре. Под воздействием горячего щелочного раствора, содержащего эмульгаторы и вещества, понижающие межфазное натяжение на границе раствор-жир и раствор-металл, происходит разрыв жировой пленки, уменьшение ее толщины, образование отдельных капель масла и отрыв их от поверхности металла. При этом одновременно отделяются также мелкие механические загрязнения.
Обезжиривающие щелочные растворы обычно содержат два- четыре щелочных компонента (источники щелочности), поверхностно-активные агенты, кондиционеры воды, ингибиторы коррозии. В качестве щелочных компонентов применяются едкая щелочь, амины, кальцинированная сода, фосфаты и силикаты. Щелочь и соли щелочных металлов омыляют растительные и животные жиры и являются резервом для нейтрализации кислотных загрязнений. Фосфаты умягчают воду, способствуют диспергированию образующихся нерастворимых фосфорнокислых солей кальция и магния и препятствуют их повторному осаждению на поверхность металла. Силикаты в наибольшей степени способствуют эмульгированию отделившихся загрязнений. По уровню поддержания рН мы можем сравнить их, рассмотрев таблицу 6.1.
Таблица 6.1. РН веществ-поставщиков щелочности для обезжиривающих составов.
Вещество |
рН |
|
1 % |
0,1 % |
|
Едкий натр (сода каустическая) |
12,40 |
12,06 |
Едкий калий, поташ |
12,45 |
12,02 |
Карбонат натрия (сода) |
11,05 |
10,82 |
Карбонат калия |
11,15 |
10,73 |
Фосфат натрия, трехзамещенный (безводный) |
11,75 |
11,43 |
Пирофосфат калия, тетразамещенный |
10,08 |
- |
Недостатки и преимущества различных источников щелочности представлены в таблице 6.2.
Таблица 6.2. Роль различных поставщиков щелочности в процессе обезжиривания.
Компонент |
Вклад в процесс |
Отрицательные свойства |
Каустические обезжириватели |
||
Сильные щелочи |
Низкая стоимость |
Коррозионная активность |
Высокощелочные обезжириватели |
||
Амины |
Работают как ПАВ и детергенты |
Более дорогие |
Карбонаты |
Детергентность, удержание масел в объеме, низкая стоимость |
Приемлемы по стоимости |
Гидроксиды |
Эффективны по стоимости |
Коррозионноактивны |
Фосфаты |
Детергентность, секвестация, ингибирование |
Ограничения по экологичности сбросов |
Силикаты |
Детергентность, ингибирование |
Осадки, ограниченное использование |
Низкощелочные обезжириватели |
||
Амины |
Детергентность, ингибирование, секвестация |
Более дорогие |
Бораты |
Ингибирование |
Ограниченный эффект |
Сульфаты |
Наполнитель |
Ограниченное использование |
Однако преимущество щелочных растворов, связанное с быстрым превращением в мыла растительных и животных жиров и эффективным эмульгированием минеральных масел, понижением межфазного натяжения, является и их недостатком. Щелочные растворы проникают глубоко под коррозионные слои, в дефекты сварного шва и другие места; силикаты могут образовывать на поверхности металла тонкие пленки. Поэтому после стадии обезжиривания щелочными растворами обязательно требуется промывка. Отсюда - проблема переработки больших объемов разбавленных сточных вод, что делает подготовку поверхности значительно более громоздким процессом.
Механизм щелочного обезжиривания – в реальности это комбинация пяти отдельных химических и физических механизмов:
- Сапонификация (омыление)
- Диспергирование или дефлокуляция
- Эмульгирование
- Секвестрация
- Хелация
Эти механизмы обычно работают одновременно в синергизме друг с другом, и первые четыре механизма присутствуют в различной степени в каждом щелочном обезжириватели.
В зависимости от типа обезжиривателя, условий работы и характеристик загрязнений какой либо один метод может быть доминирующим в цикле очистки.
Процесс обезжиривания обеспечивается тремя типами веществ.
Во-первых, это вещества щелочного характера.
Во-вторых, это вещества, способные при гидролизе как поддерживать необходимый уровень щелочности, так и обеспечивать изоляцию отделенных от поверхности частиц, не допуская их обратного высаживания на поверхность (секвестанты).
В-третьих, это поверхностно-активные вещества, которые заметно понижают поверхностное натяжение раствора (с 72 до 25-40 дин/см), что позволяет раствору быстро проникать в глубь поверхностного загрязнения.
Рассмотрим отдельно роль каждого механизма в отдельности.
Уже говорилось, что щелочные компоненты нужны для того, чтобы омылять (сапонировать) растительные жиры и масла.
Одним из наиболее важных свойств обезжиривающего раствора является щелочность (табл. 6.3). При обезжиривании щелочность играет важную роль в омылении и нейтрализации жиров, масел и жирных кислот.
Сила основания зависит от концентрации гидроксильных ионов (свободная щелочность). При обезжиривании железа и стали щелочность должна быть более высокой.
Щелочи – со свободной щелочностью, но не имеют ни резервной щелочности, ни буферных свойств.
Свободная щелочность других щелочных компонентов (солей угольной, кремниевой и фосфорной кислот) значительно меньше (она получается в результате их диссоциации), но эти соли отличаются значительным буферным эффектом, так как при гидролизе соли дают свободную щелочь и свободную кислоту.
Na3PO4 + H2O → Na2HPO4 + NaOH
Na2SiO3 + 2H2О → SiO2*H2O + 2NaOH
С помощью комбинации соответствующих веществ можно получить растворы с очень ограниченными интервалами рН.
Но, обладая меньшей щелочностью, щелочные соли обладают комплексами других полезных свойств.
Так, силикаты усиливают диспергирующую способность химических обезжиривающих композиций.
Фосфаты обладают отличным диспергирующим и размягчающим действием по отношению к плотному осадку и осажденным известковым мылам. Особенно ярко выражена изолирующая способность по отношению к кальцию и некоторым ионам тяжелых металлов. Изолирующая способность увеличивается с увеличением степени конденсации, а также гидролитического распада до ортофосфата, особенно быстрого в щелочном растворе.
Хотя фосфаты сами по себе не являются ПАВ, они усиливают действие смачивателей и ПАВ. Так, например, поверхностное натяжение алкилсульфонатов уменьшается примерно на 25% при добавлении 5-10 г/л конденсированных фосфатов.
Применение первичных и вторичных фосфатов позволяет регулировать рН до более низких величин.
Следующий класс соединений, широко используемый в обезжиривающих композициях – это поверхностно активные вещества (ПАВ). Простейшим представителем поверхностно- активных веществ являются обычные мыла. Это соли высших жирных кислот, натриевые, калиевые, аммонийные и триэтаноламинные, достаточно хорошо растворимые в воде. Свойства мыл показаны в таблице 6.4.
Щелочные мыла получают омылением жиров и нейтрализацией жирных кислот. Известковые мыла получают реакцией щелочных мыл с ионами щелочноземельных металлов (жесткая вода, известковая масса). Металлсодержащие масла получают реакцией щелочных мыл с ионами металлов вследствие выпадения в осадок последних.
Таблица 6.3. Величины рН 1%-ных технических растворов фосфатов (n – степень конденсации).
Соль |
Формула |
Степень конденсации |
рН |
тринатрийфосфат |
Na3PO4 |
1 |
12,0 |
Динатрийгидрофосфат |
Na2HPO4 |
1 |
9,2 |
Натрийдигидрофосфат |
NaH2PO4 |
1 |
4,5 |
Тетрапирофосфат |
Na4H2PO7 |
2 |
10,4 |
Динатрийпирофосфат |
(NaPO3)n |
2 |
4,3 |
Триполифосфат |
Na5P3O10 |
3 |
10,1 |
Триметафосфат |
(NaPO3)3 |
3 |
5,0 |
Тетраметафосфат |
(NaPO3)4 |
4 |
6,1 |
Соль Грехема-Калгона |
(NaPO3)n |
До 450 |
6,2 |
Таблица 6.4. Виды мыл
Катион |
Вид мыла |
Свойства |
Растворимость |
Na, K, амины |
Щелочные мыла |
Поверхностно-активные |
Водорастворимые |
Ca, Mg, Sr, Ba |
Известковые мыла |
Диспергирующиеся |
Водонерастворимые |
Al, Zn, Cr, Cu |
Металлсодержащие |
Недиспергирующиеся |
Водонерастворимые |
- Оцинкование металлоконструкций
- Металлопрокат – листы рулонные и листовые
- Дефекты горячего цинкования из-за неправильного выбора стали
- Разливка стали и ее ликвация
- Горелки для ванн нагрева расплава