綠色清洗新技術(shù)

文/ 張功臣

綠色清洗新技術(shù)

文/ 張功臣

金屬腐蝕是由于環(huán)境引起的金屬材料的退化——金屬腐蝕導(dǎo)致的直接后果是工程材料使用壽命的縮短，金屬腐蝕會導(dǎo)致材料性能退化。制藥行業(yè)紅銹如圖1所示,作為金屬腐蝕最主要的直接產(chǎn)物，會直接導(dǎo)致部件的損壞，如管道的滲漏、膜片上附著的紅色異物、濾芯上因吸附紅銹而導(dǎo)致的堵塞等。

除銹的原理

紅銹屬于顆粒物污垢。通常情況下，清洗系統(tǒng)由清洗介質(zhì)、污物和被清洗物三部分組成。清洗介質(zhì)是指水或以水為溶劑的清洗劑，如純化水、注射用水、堿液和酸液等；污物是指希望從被清洗物表面去除的異物，包括有機(jī)物、無機(jī)物和微生物等；被清洗物是指待清洗的對象，如配液罐體、輸送泵和管閥件等。清洗的基本原理是指向被清洗物的表面污物施加熱能、機(jī)械能和化學(xué)能，通過溶解作用、熱作用、機(jī)械作用、界面活性作用和化學(xué)作用等機(jī)理的相互作用，在一定時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)被清洗物的有效清洗如圖2所示。

圖1 紅銹

圖2 清洗的原理

圖3 TACT模型

溫度（Temperature）、機(jī)械作用（Mechanical Action）、化學(xué)作用（Chemical Action）和時(shí)間（Time）是清洗過程中的四個(gè)基本要素，在清洗技術(shù)領(lǐng)域稱為TACT模型如圖3所示。溫度是指清洗用水與清洗液所需的溫度，清洗溫度與污物的類型和粘固程度有關(guān)；機(jī)械作用主要通過流速、流量和壓力來實(shí)現(xiàn)；化學(xué)作用與選擇的清洗劑類型和濃度有關(guān)；時(shí)間是指與被清洗表面的充分接觸與作用時(shí)間。為實(shí)現(xiàn)設(shè)備的有效清洗，上述四要素相互影響且互為補(bǔ)充，當(dāng)某一個(gè)要素不足時(shí)，可通過增強(qiáng)其它要素的形式加以彌補(bǔ)。詳細(xì)的理論公式如下：

CR：清洗標(biāo)準(zhǔn)（可接受的清

本文作者系制藥工程行業(yè)專家。洗結(jié)果）

圖4 檸檬酸除銹與鈍化效果圖

圖5 硝酸除銹效果圖

Ti： 時(shí)間（清洗過程的充分接觸與作用時(shí)間）

A： 機(jī)械作用（清洗過程的流速、流量與壓力）

C： 化學(xué)作用（清洗劑類型和濃度）

Te： 溫度（清洗用水與清洗液的溫度）

除銹試劑的選擇

除銹前，企業(yè)需選擇合適的堿性試劑將紅銹表面的油漬或生物膜等進(jìn)行清除，常用的試劑包括NaOH、CIP100及其它一些堿性試劑。

除銹的本質(zhì)是鐵銹與酸性試劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，紅銹的去除主要依靠化學(xué)除銹法，制藥行業(yè)傳統(tǒng)使用的除銹試劑包括檸檬酸、硝酸、硫酸和氫氟酸等。

檸檬酸常用于較出色的不銹鋼管道焊接完成后的鈍化作業(yè)，有些制藥企業(yè)用檸檬酸作為系統(tǒng)周期性除銹的清洗試劑，即使是在高溫下進(jìn)行清洗，其除銹效果也相對較差，如圖4所示是某制藥企業(yè)采用檸檬酸進(jìn)行除銹與鈍化后的離心泵泵腔圖片，從圖中可以看出，離心泵泵腔內(nèi)還是存在較為嚴(yán)重的一類紅銹，說明除銹效果并不理想。

硝酸屬于強(qiáng)酸，具有很強(qiáng)的不穩(wěn)定性、強(qiáng)氧化性，并具有較強(qiáng)的腐蝕性。使用硝酸進(jìn)行除銹處理后的不銹鋼管道內(nèi)壁一般無金屬光色，色澤發(fā)烏如圖5所示，如果硝酸配制濃度不當(dāng)或時(shí)間控制不當(dāng)，還有可能對不銹鋼表面產(chǎn)生侵蝕，導(dǎo)致紅銹現(xiàn)象更加嚴(yán)重。另外，接觸硝酸本身也存在較大的安全隱患。同硝酸蒸氣接觸有很大危險(xiǎn)性。硝酸液及硝酸蒸氣對皮膚和粘膜有強(qiáng)刺激和腐蝕作用。

硫酸除銹的化學(xué)機(jī)理同硝酸是一樣的，其危險(xiǎn)性高于硝酸，而且還具有更強(qiáng)的氧化性，因此，較少用于潔凈管道的除銹作業(yè)。

圖6 氫氟酸除銹效果圖

圖7 CIP200的除銹效果圖

氫氟酸主要用于腐蝕程度已經(jīng)很高的三類紅銹。理論上低濃度的氫氟酸是一種弱酸。但由于氟是最活潑的非金屬，氧化能力強(qiáng)，而且氫氟酸中的氟離子的半徑很小，這導(dǎo)致它有很強(qiáng)的滲透性，致密的氧化物也不能阻止它的滲透。故采用氫氟酸去除過紅銹的表面粗糙度非常高，且其并不具備能力，如果單一使用氫氟酸對潔凈管道進(jìn)行除銹處理而無任何后續(xù)鈍化程序，潔凈管道表面將受到嚴(yán)重腐蝕，表面粗糙度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出行業(yè)規(guī)范如圖6所示。

ASME BPE中明確提出使用磷酸及混合物做為除銹試劑，對二、三類紅銹均具有明顯除銹效果。CIP200等專用酸性除清洗試劑是一種典型的以磷酸為主要成分的高效除銹試劑，其成分組成包含表面活性劑、分散劑、磷酸和檸檬酸，其中磷酸主要發(fā)揮除銹功能，而檸檬酸主要發(fā)揮鈍化功能。如圖7所示是采用CIP100去除生物膜、CIP200試劑進(jìn)行除銹后的照片，從圖中可以看出，管道內(nèi)壁金屬表面光澤明亮，沒有出現(xiàn)類似硝酸或氫氟酸除銹后帶來的腐蝕坑。除銹作業(yè)后的含磷廢水需通過專業(yè)廢水處理設(shè)施或廢水站進(jìn)行降解處理，達(dá)到國家規(guī)定的排放濃度。

1. FORCE Technology：Rouging of Stainless Steel in WFI Systems Examples and Present Understanding，2007：11

2. PHARMACEUTICAL ENGINEERING：Online Rouge Monitoring，A Science-Based Technology to Measure Rouge Rates，2011：18

3. The American Society of Mechanical Engineers. ASME BPE，2012: 15.

4. STERIS LABORATORY REPORT #3217：LABORATORY DEROUGING OF SIMULATED ROUGE USING CIP 200，1999：8/99

5. STERIS LABORATORY REPORT #3228：THE EFFECT OF CIP 200@ ON PASSIVATION OF 316 STAINLESS STEEL，1999：7/99