溶气微泡无化学脱脂金属表面油污——从除油率、腐蚀控制到荧光机理

论文来源:Pan Li, JiaHao Wang, ZhengHao Liao, Yoshikatsu Ueda, Kiyoshi Yoshikawa, GuoXing Zhang. Microbubbles for Effective Cleaning of Metal Surfaces Without Chemical AgentsJ. Langmuir, 2022, 38(2): 769-776. DOI: 10.1021/acs.langmuir.1c02769(同济大学环境科学与工程学院/污染控制与资源化国重;京都大学可持续人类圈研究所/先进能源研究所;上海挑战纺织;NSFC 51978489、国家重点研发2020YFC1908703资助)

核心亮点:Nano LF1500溶气/水力空化产空气微泡、空气30 mL/min、溶气罐0.45 MPa、LA-960测25/40/60℃模态直径35/---/38 μm、浓度1.2×10⁶→4.5×10⁵ particles/mL+ASTM1045碳钢/SUS304不锈钢50×25×3 mm、P180打磨RA≈0.8 μm、SAE20机油双面1750 mm²、初始油20±2 mg+25℃15 min纯水12.5%、SDS 8 mmol/L 26.9%、微泡67.7%、超声88.0%;微泡最优15 min碳钢78.5%、不锈钢49.8%,无泡仅6.5%/9.9%+3 min超声+微泡85.5% vs 超声单独69.0%+荧光Coumarin 153(Ex 423 nm/Em 530 nm)证油膜分裂上移+拟二级动力学1/2/3 m/min速率常数3.12/5.04/7.91 min⁻¹量级+正交(不锈钢)时间>水力速度>温度+40℃以上碳钢锈蚀,Na₂CO₃调pH 8/10可抑锈并提效至80.1%/81.1%。

一、研究背景与技术痛点

金属零部件在航空、家电、汽车、电子、轨交等装配前均需脱脂。传统路线两条:表面活性剂浸泡/喷淋,产生大量含表面活性剂废水;超声空化物理清洗较绿,但高能耗、空化冲击可能损伤膜/半导体等精密件,且易把油打成稳定乳化液,后续破乳、调pH、加药或蒸发都抬高成本。

微细气泡(fine bubble,ISO 20480-1:2017定义<100 μm,含1--100 μm微泡与<1 μm纳米泡)具上升慢、比表面大、界面疏水、常带负电、可伴生自由基等特性,已在有机污染物降解、砂土/膜清洗、浮选、灭菌、生物过程强化中应用。 本文把溶气微泡用于碳钢/不锈钢矿物油脱脂,目标不是替代所有超声场景,而是建立"无表面活性剂、低乳化、可水循环"的浸泡式脱脂参数与机理。

二、实验设计

1. 微泡发生与表征

  • 设备:Nano LF1500 微纳米气泡发生器(上海行恒科技),泵+溶气罐,水力空化/加压溶气释放;
  • 运行:循环烧杯水,空气进料30 mL/min,溶气压力0.45 MPa;
  • 粒径/数浓度:HORIBA LA-960激光粒度仪,25/40/60℃测定;文中说明LA-960对<11.6 μm颗粒给出0 particles/mL,因此报告值主要代表微泡段而非纳米泡;
  • 结果:25℃模态直径35 μm、数浓度1.2×10⁶ particles/mL;40℃模态未列明;60℃模态38 μm、数浓度4.5×10⁵ particles/mL,升温使泡径略增、数浓度下降。

2. 试片与涂油

  • 材质:ASTM1045碳钢、SUS304不锈钢,50×25×3 mm;
  • 前处理:P180砂纸打磨,整面粗糙度RA≈0.8 μm;酒精冲洗,称干重m₀;
  • 涂油:浸入SAE20机油深度35 mm,双面着色面积1750 mm²(35×25×2),刮边后称m₁,初始油重m₁−m₀控制在20.0±2.0 mg;
  • 接触角:不锈钢84°、碳钢102°,碳钢更疏水,直接影响微泡附着与脱脂率。

3. 脱脂与变量

  • 装置:1000 mL烧杯+摆动机构+LF1500循环;超声耦合另用40 kHz、200 W超声槽,不摆动;
  • 温度:25/40/60℃(工业脱脂常50--80℃,本文为节能取低中温);
  • 摆动水力速度:默认2 m/min,变量1/2/3 m/min,模拟产线浸洗传送剪切;
  • 时间:3/15 min为主,动力学延长取样;超声对照3--33 min;
  • pH:纯水约中性,Na₂CO₃调8/10,HCl调低pH作腐蚀对照;
  • 效率:R(%)=(m₁−m₂)/(m₁−m₀)×100,m₂为60℃烘干60 min后称重;每组6平行。

4. 荧光与机理观察

  • Coumarin 153染油,Ex 423 nm、Em 530 nm,相机前加滤光片反射UV、透过荧光;
  • 观察纯水/微泡下油膜时空变化,结合高速视频与显微镜看锈斑、油滴上移、泡聚并。

三、核心结果与数据分析

1. 方法对照(25℃、15 min、摆动2 m/min)

  • 纯水:12.5%;
  • 纯水+SDS 8 mmol/L:26.9%;
  • 微泡水:67.7%;
  • 超声(无微泡、不摆动):88.0%;
  • 废液浊度:超声3 min 9.28 NTU,微泡3 min 7.85 NTU------微泡除油略低于超声,但乳化更轻,油层浮于水面可撇除回收。

2. 温度、材质与最优15 min

  • 25℃15 min:碳钢67.7%、不锈钢27.4%;无微泡对照碳钢6.5%、不锈钢9.9%;
  • 3 m/min、25℃15 min最优:碳钢78.5%、不锈钢49.8%;
  • 升到60℃:碳钢降至35.2%,不锈钢升至37.0%且二者差异不显著(P=0.699);
  • 原因分两层:油黏度随温降、本应更易脱除;但碳钢在40/60℃微泡水15 min出现棕锈,微泡曝气提高DO(40℃纯水饱和DO约6.40 mg/L,微泡水8.54 mg/L),泡附着金属+油膜被移除后裸钢多氧接触,锈蚀增重抵消油重差,表观除油率下降。

3. pH与腐蚀控制

  • pH 7:25→60℃碳钢67.7%→35.2%;
  • pH 8 Na₂CO₃:25→60℃70.2%→80.1%;
  • pH 10:25→60℃69.3%→81.1%;
  • 25℃三pH无显著差异(P=0.907);40/60℃碱性显著优于中性,且15 min后仅少量锈斑。
  • 机制边界:本文油为石蜡基矿物油,不以皂化除油;碱性碳酸钠主要作碳钢缓蚀/降低DO腐蚀,不替代表面活性剂乳化。高矿化或含氯清洗剂、氮气氛微泡抑锈可作为后续工程变量。

4. 水力速度与动力学

25℃、不同摆动速度15 min碳钢除油:1 m/min 54.6%、2 m/min 67.7%、3 m/min 78.5%;无微泡2 m/min仅12.5%。

把"微泡无油数浓度"视作近似常数、"单位面积残油"作反应物,建立简化速率:

  • d w_oil/dt = -k w_MBs^m w_oil^n
  • 取n≈2、a=w_MBs^m,积分得 1/w_oil = 1/w₀ + k a t,R=1−1/(1+0.02kat)×100%

1/2/3 m/min拟合k分别为3.12、5.04、7.91(a=1归一),说明水力剪切提高微泡--油膜碰撞频率、促进携油泡脱离。 间歇(摆1 min/静1 min共15 min)并不优于连续摆动,静态吸附/聚并贡献可忽略,工程可按连续输送设计。

5. 不锈钢正交变量重要性

对SUS304做温度×时间×摆动正交:时间第一、水力速度第二、温度第三。 与碳钢不同点在于不锈钢本底除油率较低(疏水性弱于碳钢、油--金属附着形态不同),故微泡附着优势相对小;产线若以不锈钢为主,应优先延浸洗时间、再调输送速度,而不是单靠升温。

6. 超声+微泡耦合

  • 3 min:超声单独69.0%,微泡单独较低,超声+微泡85.5%;
  • 33 min:超声95.0%,微泡单独87.7%,差距收窄;
  • 荧光显示:微泡组油膜呈条带状分散、油随泡上移;超声组油被空化涡旋打散并在空化泡周围富集;联合组超声促使微泡快速聚并成大泡上浮,油更集中向水面迁移。短期效率提升明显,长时趋近微泡单独极限,但联合产乳化高于纯微泡。

四、机理归纳:三段式微泡脱脂模型

  1. 接触附着:微泡经水力空化进入液箱,因油膜疏水、微泡界面疏水/负电,随机碰撞后附着油膜;碳钢接触角102°>不锈钢84°,附着概率更高;
  2. 油相转移:附着后油从金属面转附微泡气液界面,荧光下油膜由连续膜变为枝状液滴并向试片上缘迁移;微泡总比表面越大,可承载油越多;
  3. 聚并上浮脱离:微泡携油沿金属面上升,小泡聚并成大泡,浮力增大后脱离金属,油随泡到水面形成可撇除油层;不返回金属面,因而比超声更不易形成稳定乳化。

补充物理属性:微泡大比表面、慢上升、负ζ、可能局域自由基,对氧化型污物有附加作用;但本文矿物油脱脂的主控是"疏水附着+气浮携油",不应把自由基写成主要除油机制。

五、讨论与定位

  • 方法边界:LF1500按溶气微泡运行,LA-960设置对<11.6 μm不计数,因此"空气微泡高达10⁶ particles/mL"应理解为微泡段浓度,不等同全纳米泡浓度;若后续要纳米泡主导,需要NTA/ZetaView另测<1 μm组分。
  • 局限一:仅SAE20矿物油,未测动物/植物油脂、切削复合油、固体颗粒混合污垢;碱性对矿物油无皂化,对植物油场景参数要重调。
  • 局限二:试片RA≈0.8 μm单一粗糙度,实际冲压/机加工件粗糙度跨度高,深孔、螺纹、装配死角微泡到达性未评。
  • 局限三:15 min除油率碳钢78.5%、不锈钢49.8%,较超声终态低;高洁净度产线可微泡预脱脂+短超声精洗,而不是完全替代超声。
  • 局限四:腐蚀仅用Na₂CO₃pH与DO对照,未做氮微泡、缓蚀剂复配、长期循环水腐蚀速率;碳钢连续产线必须补腐蚀与泡沫浮渣处理。
  • 工程启示:LF1500溶气微泡适合作为浸泡式脱脂槽循环单元,空气源、0.45 MPa溶气、25--40℃、弱碱性碳酸钠、输送2--3 m/min;水面设撇油器回收油层,滤液循环降低水耗。对不锈钢可延至15 min以上或微泡+低功率超声3--5 min补强;高温碳钢必须控pH/控DO,否则锈重抵消除油。

六、总结表

维度 本文结果
论文 Langmuir 2022, 38(2):769-776;DOI 10.1021/acs.langmuir.1c02769
设备 Nano LF1500溶气/水力空化;空气30 mL/min;溶气0.45 MPa;LA-960测粒
微泡 25℃模态35 μm、1.2×10⁶ particles/mL;60℃模态38 μm、4.5×10⁵ particles/mL(LA-960<11.6 μm计0)
试片 ASTM1045碳钢、SUS304不锈钢,50×25×3 mm,RA≈0.8 μm,SAE20,双面1750 mm²,油20±2 mg
对照15min/25℃ 纯水12.5%、SDS 8mmol/L 26.9%、微泡67.7%、超声88.0%
最优15min 3m/min碳钢78.5%、不锈钢49.8%;无泡6.5%/9.9%
温度腐蚀 碳钢25→60℃微泡67.7%→35.2%(锈);不锈钢27.4%→37.0%
pH缓蚀 pH8/10、60℃碳钢80.1%/81.1%;中性仅35.2%
动力学 拟二级;1/2/3m/min k=3.12/5.04/7.91(a=1归一)
正交(不锈钢) 时间>水力速度>温度
超声耦合 3min超声+微泡85.5% vs 超声69.0%;33min超声95.0%、微泡87.7%
乳化 3min浊度微泡7.85NTU、超声9.28NTU;油层浮面可撇除

该工作给出一条"LF1500溶气空气微泡+浸泡摆动+弱碱缓蚀"的金属无化学脱脂路线:借微泡疏水界面把SAE20油膜从碳钢/不锈钢表面剥移,25℃15min纯微泡达67.7%,3m/min优化15min碳钢78.5%、不锈钢49.8%,联合40kHz/200W超声3min可到85.5%;其价值不在绝对超过超声,而在低乳化、水面撇油、水循环,以及用Na₂CO₃控pH抑制40℃以上碳钢锈蚀。代价是不锈钢本底除油率偏低、高温碳钢腐蚀、LA-960未覆盖纳米泡段,精密件深度油污仍需超声/溶剂补充。


发布说明:

本内容为对一篇开放获取(CC BY 4.0)学术论文的翻译与解读,旨在进行知识分享与技术交流,不涉及任何商业用途。所有科学观点均归原作者所有。

相关推荐
林伽一4 小时前
林伽一 · AI科技周报 | 2026年10月第2周
人工智能·科技
Teable任意门互动5 小时前
优锘科技北京客户管理数字化落地案例|HAP明道云搭建客户管理平台-任意门互动科技(HAP 官方实施服务商)
大数据·人工智能·科技·信息可视化·信息与通信
慢云智慧空间11 小时前
从智能终端到空间AI,慢云科技如何重新定义智慧人居?
人工智能·python·科技
瀚香生物科技1 天前
苯并呋咱:2,1,3-苯并噁二唑骨架的结构、合成与荧光衍生化应用
科技
Mr.朱鹏1 天前
科技周报(第2026-10-10期):GPT6与安全
科技·安全·chatgpt
YangYang9YangYan1 天前
2027 届秋招求职|金融科技背景,反欺诈岗位面试案例题考点拆解
科技·面试·金融
嵌入式er1 天前
禾赛科技-一面
科技
wp123_11 天前
圆盘拨动电位器机电转换原理,国内外产品性能与成本比拼
人工智能·科技·硬件工程
实点科技1 天前
实点科技IO-Link在锂电自动化物流线上的应用
科技·自动化
南京瑞源生物2 天前
遗传转化实验词典
科技·生物技术·南京瑞源生物·遗传转化·农业科技