高鐵列車集便器專用清洗劑的研制及應(yīng)用

李先偉，劉德東，李 健，陳志超，張 渤，李 琦，楊 靜

(1.中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司 青島動(dòng)車段，山東 青島 266031；2.濟(jì)南鐵路物資工業(yè)集團(tuán)有限公司 濟(jì)南鐵路科技開發(fā)中心，山東 濟(jì)南 250023；3.山東科技大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590)

1 概述

隨著高速鐵路技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，我國(guó)已建成世界上最大規(guī)模的高速鐵路網(wǎng)絡(luò)，20 000 km的運(yùn)行里程，每天運(yùn)行4 200多列高速列車，遠(yuǎn)超世界其他國(guó)家的總和[1]。高速鐵路已經(jīng)成為我國(guó)客運(yùn)的主力，占鐵路總量1/6的里程，運(yùn)量達(dá)到60%以上[1]。中國(guó)高鐵網(wǎng)絡(luò)仍然以每年2 000 km的速度延伸，預(yù)計(jì)到2025年，長(zhǎng)度將達(dá)到3.8萬km，網(wǎng)絡(luò)覆蓋進(jìn)一步擴(kuò)大，路網(wǎng)結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，骨干作用更加顯著[2]。

伴隨高速鐵路的發(fā)展，高鐵設(shè)施的清洗與防護(hù)問題越來越得到重視，其中高鐵列車集便器的清洗和維護(hù)是其中的重要環(huán)節(jié)[3-5]。一般情況下，高鐵列車集便器每年需用清洗劑徹底清洗2～3次，最初的集便器清洗劑是從國(guó)外引進(jìn)的弱酸性清洗劑，一般主要由4%檸檬酸或草酸組成，但在清洗過程中需浸泡24 h才能達(dá)到良好效果。由于高鐵列車使用頻率高、車次密集、?？繒r(shí)間短，實(shí)際清洗作業(yè)時(shí)間受列車出入庫(kù)時(shí)間的限制，集便器的清洗要盡可能在短時(shí)間內(nèi)完成，目前清洗劑的清洗效率不能充分滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需求。 針對(duì)高鐵列車集便器清洗作業(yè)要求，設(shè)計(jì)開發(fā)一種新型、高效、環(huán)保的集便器清洗劑已是當(dāng)務(wù)之急。

2 高鐵列車集便器專用清洗劑的研制

2.1 專用清洗劑的技術(shù)方案

日常生活中使用的抽水馬桶通常是陶瓷的，耐腐蝕性較好，而高鐵列車集便器的材質(zhì)與之不同，洗手盆選用304型不銹鋼，厚度1.2 mm；下排管道選用316L型不銹鋼，厚度2 mm；集污箱選用304型不銹鋼，厚度4 mm；管道接頭密封件采用三元乙丙橡膠(EPDM)。因此，設(shè)計(jì)高鐵列車集便器專用清洗劑的配方時(shí)，在保證清洗效果的同時(shí)，必須充分考慮清洗劑對(duì)集便器材質(zhì)的腐蝕性。

為此，首先根據(jù)集便器的主要污垢組成確定采用酸性清洗劑，選用多種對(duì)金屬和橡膠腐蝕性較小的酸性物質(zhì)復(fù)配，利用其特有的化學(xué)性質(zhì)，快速分解尿堿等污垢；為了加快清洗速度，防止污垢再附著，配方中加入絡(luò)合劑；為了最大程度減小清洗劑對(duì)金屬和橡膠的腐蝕性，配方中加入了優(yōu)選的緩蝕劑；為了除去集便器的不愉快氣味，配方中特意加入芳香劑成分。利用單因素實(shí)驗(yàn)、正交試驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)方法，通過測(cè)試專用清洗劑的去污力、對(duì)304鋼的腐蝕性、對(duì)三元乙丙橡膠的腐蝕性等性能，研制出高鐵列車集便器專用清洗劑的最佳配方。該配方由多種污垢分解劑、絡(luò)合劑、緩蝕劑、芳香劑等組成，能夠快速分解尿堿等污垢，并且對(duì)集便器材質(zhì)無腐蝕性，具有高效、環(huán)保、清潔、除味等特點(diǎn)。

2.2 專用清洗劑的原理及使用方法

人尿長(zhǎng)時(shí)間放置，因尿中酸堿度變化而產(chǎn)生沉淀物。人尿多為酸性，但因其中的尿素(尿素酶的作用)漸次分解而生氨或氫氧化銨，尿的酸性經(jīng)過中性而終成堿性，于是便相應(yīng)地產(chǎn)生沉淀。在酸性環(huán)境沉淀的有尿酸、尿酸鹽、硫酸鈣、磷酸氫鈣，有時(shí)還有幾種氨基酸；在堿性環(huán)境沉淀的有碳酸鈣、磷酸鎂銨、磷酸鈣、磷酸鎂、尿酸銨、草酸鈣等，因而人尿的沉淀物組成是復(fù)雜的，但主要成分是磷酸鈣、草酸鈣。

對(duì)集便器中污垢的去除主要包括潤(rùn)濕、吸附、溶解、懸浮和去污5個(gè)過程，清洗劑種類可以分為堿性、中性、酸性3種。堿性清洗劑的清洗機(jī)理一般是中和、堿化、堿的螯合作用；中性清洗劑的清洗機(jī)理一般是表面活性劑的乳化、分散和增溶作用；而酸性清洗劑的清洗機(jī)理是通過化學(xué)反應(yīng)溶解污垢，進(jìn)而分散在溶液中去除。

研發(fā)的高鐵列車集便器專用清洗劑為酸性清洗劑，主要由多種對(duì)金屬腐蝕性小，對(duì)人體皮膚刺激性小的污垢分解劑、絡(luò)合劑、緩蝕劑、香精等復(fù)配而成，不僅可以快速去除頑固的尿垢，而且能夠有效殺滅藏匿在污垢中的細(xì)菌繁殖體、芽胞、病毒、結(jié)核桿菌和真菌等微生物，并且對(duì)集便器的不銹鋼材料、橡膠墊圈等腐蝕性很小。清洗劑的工作原理為污垢清潔劑中的氫離子可以與尿垢中碳酸鈣、磷酸鎂銨、磷酸鈣、磷酸鎂、尿酸銨、草酸鈣等不溶性成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使之變?yōu)榭扇苄缘拟}鹽和鎂鹽被水沖走；絡(luò)合劑可以加速分解反應(yīng)的進(jìn)行；香精起到遮蓋異味的作用。

涉及的主要化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

CaC2O4+2H+= Ca2++H2C2O4

Ca3(PO4)2+3H+= 3Ca2++H3PO4

Mg3(PO4)2+3H+= 3Mg2++H3PO4

在使用時(shí)，一般將該種清洗劑直接倒入移動(dòng)式清洗車中，采用電泵循環(huán)打壓、過濾、再循環(huán)的方式清洗。

2.3 專用清洗劑的主要技術(shù)指標(biāo)

2.3.1 去污力

(1)測(cè)試方法。專用清洗劑去污力測(cè)試方法參照《食品工具和工業(yè)設(shè)備用酸性清洗劑》(QBT 4313—2012)[6]進(jìn)行。清洗劑的去污力計(jì)算如公式(1)所示。

(1)

式中：D為去污力，%；m0為附垢前燒杯質(zhì)量，g；m1為附垢后燒杯質(zhì)量，g；m2為清洗后燒杯質(zhì)量，g。

(2)測(cè)試結(jié)果與分析。專用清洗劑去污率的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 專用清洗劑的去污情況

由表1可以看出，3次平行試驗(yàn)的去污率為92.11%，去污效果較好，滿足《食品工具和工業(yè)設(shè)備用酸性清洗劑》(QBT 4313—2012)對(duì)去污率的要求。

2.3.2 不銹鋼腐蝕性

(1)測(cè)試方法。不銹鋼腐蝕性測(cè)試方法參照《金屬材料實(shí)驗(yàn)室均勻腐蝕全浸試驗(yàn)方法》(JB/T 7901—1999)[7]進(jìn)行，測(cè)試時(shí)間為72 h。不銹鋼腐蝕速率按照公式(2)計(jì)算。

(2)

式中：R為腐蝕速率，mm/a；m0為試驗(yàn)前試樣質(zhì)量，g；m1為試驗(yàn)后試樣質(zhì)量，g；S為試樣總表面積，cm2；T為試驗(yàn)時(shí)間，h；D為材料密度，kg/m3(不銹鋼SUS304密度為7.93 g/cm3)。

(2)測(cè)試結(jié)果與分析。專用清洗劑腐蝕率的測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 清洗劑對(duì)不銹鋼的腐蝕情況

由表2可知，專用清洗劑對(duì)304不銹鋼腐蝕速率的3次平行試驗(yàn)的平均值為0.008 25 mm/a。因此，專用清洗劑對(duì)304不銹鋼的腐蝕極低，不會(huì)對(duì)高鐵列車集便器的材質(zhì)造成損壞。

2.3.3 三元乙丙橡膠腐蝕性

(1)測(cè)試方法。清洗劑對(duì)三元乙丙橡膠腐蝕性的測(cè)試方法參照《硫化橡膠或熱塑性橡膠耐液體試驗(yàn)方法》(GB/T 1690—2010)[8]進(jìn)行。三元乙丙橡膠在專用清洗劑浸泡24 h后的質(zhì)量變化率按照公式(3)計(jì)算。

(3)

式中：Δm為三元乙丙橡膠在專用清洗劑浸泡24 h后的質(zhì)量變化率，%；m0為三元乙丙橡膠浸泡前的質(zhì)量，g；m1為三元乙丙橡膠在清洗劑中浸泡后的質(zhì)量，g。

(2)測(cè)試結(jié)果與分析。三元乙丙橡膠在專用清洗劑浸泡24 h后的質(zhì)量變化情況如表3所示。

表3 三元乙丙橡膠浸泡后的質(zhì)量變化

由表3可知，三元乙丙橡膠在專用清洗劑浸泡24 h后表面幾乎沒有發(fā)生改變，3次平行試驗(yàn)的質(zhì)量變化率平均值僅為0.343 0%。因此，專用清洗劑對(duì)三元乙丙橡膠的腐蝕性極低，不會(huì)對(duì)高鐵列車集便器的材質(zhì)造成損壞。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況及效果

為檢測(cè)高鐵列車集便器專用清洗劑的效果，研發(fā)人員于2017年8月至2018年3月在青島動(dòng)車段濟(jì)南動(dòng)車所選取累計(jì)運(yùn)行超過40萬km的CRH380動(dòng)車組進(jìn)行了多次使用。通過專用清洗機(jī)和動(dòng)車組集便器、污物箱相連形成一個(gè)回路，通過循環(huán)過濾，在常溫下對(duì)真空集便器進(jìn)行清洗。

在沖洗前首先對(duì)衛(wèi)生間蝶閥后的管路0 cm、10 cm、20 cm位置處內(nèi)部情況進(jìn)行拍照取樣，經(jīng)過沖洗設(shè)備沖洗60 min后，再次對(duì)上述3個(gè)位置進(jìn)行拍照，通過前后對(duì)比驗(yàn)證集便器沖洗的效果。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)效果如圖1所示。

圖1 高鐵列車集便器專用清洗劑清洗前后效果圖

由圖1(a)沖洗前衛(wèi)生間蝶閥后的管路0 cm、10 cm、20 cm位置處內(nèi)部情況可以看出，清洗前管路中存留了大量的污垢，由圖1(b)清洗1 h后集便器管路0 cm、10 cm、20 cm位置處內(nèi)部情況可見，管路中積存污垢基本被清洗干凈，露出自然的金屬光澤。可見，專用清洗劑清洗效果較好，能夠滿足高鐵列車集便器清洗要求。

4 結(jié)束語

目前我國(guó)適用于高鐵列車集便器的清洗劑產(chǎn)品種類少，性能也不夠完善，特別是清洗作業(yè)時(shí)間普遍較長(zhǎng)，不能充分滿足實(shí)際需要。研制的高鐵列車集便器專用清洗劑在清洗效率、清洗效果和使用安全性等方面的性能更加優(yōu)良，在保證清洗效果的前提下，有效縮短清洗時(shí)間，解決目前由于列車停靠時(shí)間短而無法高效清洗集便器的問題，該專用清洗劑具有良好的應(yīng)用前景。未來，隨著我國(guó)高速鐵路的發(fā)展，對(duì)高鐵列車集便器清洗效率的要求會(huì)更為嚴(yán)格，更加安全、環(huán)保、高效專用集便器清洗劑的開發(fā)是研究發(fā)展的方向。