3.1化學(xué)清洗劑的定義
化學(xué)清洗劑是用于去除污垢的化學(xué)制劑?；瘜W(xué)清洗是利用清洗劑對(duì)污垢進(jìn)行軟化、溶解，或向污垢內(nèi)部滲透、減小污垢顆粒間的結(jié)合力，更重要的是減小污垢與基體間的結(jié)合力，使污垢溶解或松散脫落而去除的過(guò)程,其目的是去除污垢，使基體重新獲得良好的性能。
3.2污垢
污垢是不受基材表面(或內(nèi)部)歡迎且降低了基材使用功能或改變了基材的清潔形象的沉積物。
污垢的種類(lèi)有以下幾種。
(1)根據(jù)污垢的形狀分類(lèi)。
①顆粒狀污垢如固體顆粒、 微生物顆粒等。
②膜狀污垢如油脂、高分子化合物或無(wú)機(jī)沉淀物在基材表面形成的膜狀物質(zhì)，這種膜可以是固態(tài)的，也可能是半固態(tài)的。有些污垢介于顆粒與膜狀之間，還有的以懸浮狀分散于溶劑之中。
(2)根據(jù)污垢的化學(xué)組成分類(lèi)列按這種分類(lèi)方法可把污垢分為無(wú)機(jī)物和有機(jī)物兩類(lèi)。
①無(wú)機(jī)污垢， 如水垢、銹垢、泥垢，從化學(xué)成分上看，它們多屬于金。屬或非金屬氧化物及水化物或無(wú)機(jī)鹽類(lèi)。
a.硫酸鹽有硫酸鈣、 硫酸鎂(CaSO?、MgSO?)，由于硫酸鈣不溶解于普通常用的酸，所以不能用酸(如鹽酸或硝酸)直接進(jìn)行清洗。但是硫酸鈣的溶度積大于碳酸鈣的溶度積，所以有足量碳酸根存在的情況下，硫酸鹽(例如硫酸鈣)可以轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的碳酸鹽，之后再用鹽酸等進(jìn)行清洗。所以含大量硫酸鹽垢的鍋爐需要先進(jìn)行堿煮( 堿液中含碳酸鈉)，之后再進(jìn)行酸洗。
b.碳酸鹽以碳酸鈣、碳酸鎂(CaCO?、MgCO?) 為主，碳酸鹽垢在酸洗時(shí)比較容易被溶解而去除。
c.磷酸鹽有磷酸鈣 [Ca(PO?)?]，這種鹽垢含量不高。水熱轉(zhuǎn)換器的水體中含磷酸根較少，一部分來(lái)自酸洗助劑，所以在用磷酸鹽作清洗助劑時(shí)不應(yīng)過(guò)量。
d.硅酸鹽有硅酸鈣、硅酸鎂(CaSiO?、 MgSiO?),硅酸鹽不容易被常用的酸(HCI、H?SO?等)所溶解，只有氫氟酸對(duì)硅酸鹽垢具有特殊的溶解清洗功能。
e.氧化物水垢中除了含有大量無(wú)機(jī)鹽類(lèi)以外，還有較大量的氧化物 (如FeO、Fe?O?、 Fe?O?等)。
f.氫氧化物有Mg(OH)?、Fe(OH)?、Fe(OH)?等。
上述氧化物或氫氧化物都可以用酸進(jìn)行溶解清除。
a.無(wú)機(jī)鹽污垢生成的機(jī)理坐無(wú)機(jī)鹽污垢都是難溶鹽，當(dāng)離子濃度的乘積(離子積)大于其溶度積時(shí)就會(huì)生成沉淀。以碳酸鈣為例:
Ca²＋CO?²¯＝CaCO? ↓
當(dāng)C(Ca²)c(CO?²¯)＞Ksp(CaCO?)=2.8×10¯?時(shí)，就會(huì)有碳酸鈣沉淀生成。因?yàn)殡y溶鹽的溶度積都很小，所以，即使用除鹽水(其中離子的濃度都很低)也難免生成這些沉淀(無(wú)機(jī)污垢)。氫氧化物沉淀的機(jī)理類(lèi)似，以氫氧化鎂沉淀為例:
Mg²＋2OH¯=Mg(OH)? ↓
當(dāng)(Mg²)C²(OH¯)＞Ksp[Mg(OH)?]=1.8×10¯¹¹時(shí)，就會(huì)有氫氧化鎂沉淀生成。
b.氧化物污垢生成的機(jī)理普氧化物污垢來(lái)源于金屬的腐蝕，以鐵基體為例，鐵與酸直接作用能發(fā)生化學(xué)腐蝕。
Fe+2H=Fe²＋H? ↑ (條件：酸性液體）
鐵在溶液中還可以發(fā)生 電化學(xué)腐蝕(析氫腐蝕、吸氧腐蝕)。
析氫腐蝕(陽(yáng)極) Fe-Fe2t +2e¯
(陰極)2H+2e=H? ↑ (條件：酸性液體）
吸氧腐蝕(陽(yáng)極) Fe=Fe²+2e¯
(陰極)O?+2H?O+4e¯= 4OH¯ (條件:中性液體，氧氣分壓較高)析氫腐蝕和吸氧腐蝕彼此是相互伴隨發(fā)生的，條件不同時(shí)，以某一種腐蝕為主。無(wú)論是化學(xué)腐蝕還是電化學(xué)腐蝕，其腐蝕產(chǎn)物都是生成二價(jià)鐵離子(Fe²+)，設(shè)Fe²+的濃度為10¯?mol/L時(shí)，在中性溶液中即可生成氫氧化亞鐵沉淀。
Fe2+ +20H-_ =Fe(OH)2↓ 或Fe2+ + 2H20 =Fe(OH)2 ↓+ 2HFe(OH)2極為活潑，很容易被水中的氧所氧化。
4Fe(OH)?+O?+2H?2O＝4Fe(OH)?↓
Fe(OH)?和Fe(OH)?會(huì)生成膠體，受熱會(huì)失水而轉(zhuǎn)化成鐵的氧化物FeO、Fe?O?、Fe?O?。
②有機(jī)污垢(可統(tǒng)稱(chēng)油垢)(如動(dòng)、植物油，包括動(dòng)物脂肪和植物油，它們屬于有機(jī)酯類(lèi)，是飽和或不飽和高級(jí)脂肪酸甘油酯的混合物。它們與礦物油的區(qū)別是動(dòng)植物油在堿性條件下可以皂化;礦物油，包括機(jī)器油、潤(rùn)滑油等，它們屬于有機(jī)物的烴類(lèi)，是石油分餾的產(chǎn)品。礦物油一般易燃，但其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。
一般情況下， 無(wú)機(jī)污垢常采用酸或堿等化學(xué)試劑使其溶解而去除，而有機(jī)污垢則經(jīng)常利用氧化分解或乳化分散的方法從基體表面去除。
(3)根據(jù)污垢的親水性和親油性分類(lèi)
① 親水性污垢可溶于水的污垢是極性物質(zhì)， 如食鹽等無(wú)機(jī)物或蔗糖等有機(jī)物，這些污垢通常用水基清洗劑加以去除。
②親油性污垢親油性污垢是非極性或弱極性物質(zhì)，如油脂、礦物油、樹(shù)脂等有機(jī)物，它們一般不溶于水。親油性污垢可以利用有機(jī)溶劑進(jìn)行溶解，也可以用表面活性劑溶液對(duì)其進(jìn)行乳化、分散加以去除
(4)根據(jù)與基體表面的結(jié)合力分類(lèi) 污垢與基體表面結(jié)合狀態(tài)是多樣的。由于結(jié)合力種類(lèi)的不同使基體與污垢結(jié)合牢固程度不同，因此，從基體表面去除污垢的難易程度也不同。
①污垢與基體靠分子間力結(jié) 單純靠重力作用，沉降在基體表面而堆積的污垢與基體表面上的附著力(包括分子間力和氫鍵)很弱，較容易從基體表面上去除，如車(chē)體表面上附著的塵土、淤泥顆粒等。
②污垢粒子靠靜電引力(離子鍵)附著在基體表面 當(dāng)污垢粒子與基體表面帶有相反電荷時(shí)，污垢粒子會(huì)依靠靜電引力吸附于基體表面。許多導(dǎo)電性能差的物質(zhì)在空氣中放置時(shí)往往會(huì)帶上電荷，而帶電的污垢粒子就會(huì)靠靜電引力吸附到此基體表面。當(dāng)把這類(lèi)基體浸沒(méi)在水中時(shí)，因?yàn)樗哂泻軓?qiáng)的極性，會(huì)使污垢與基體表面之間的靜電引力大為減弱，這類(lèi)污垢較容易去除。
③污垢與基體之間形成共價(jià)鍵 當(dāng)污垢分子與基體表面形成共價(jià)鍵時(shí)，特別是污垢以薄膜狀態(tài)與基體表面緊密結(jié)合時(shí)，其結(jié)合力很強(qiáng)。另外，過(guò)渡金屬基體分子多數(shù)有未充滿的d軌道，可以與含有孤對(duì)電子的污垢分子形成絡(luò)合鍵而形成吸附層。此時(shí)，需要采用一些特定的方法或工藝將污垢清除。又如，金屬在潮濕空氣中放置時(shí)，基體與環(huán)境中物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生銹。鐵銹可用酸、堿等化學(xué)試劑或用物理的機(jī)械方法除去。
④滲入基體表面內(nèi)部的污如纖維表面的液體污垢，不僅在纖維表面擴(kuò)散潤(rùn)濕，同時(shí)也會(huì)向纖維內(nèi)部滲透擴(kuò)散。這種滲入基體內(nèi)部的污垢清除時(shí)會(huì)遇到更大困難在去除此類(lèi)污垢時(shí)又要盡量避免損傷基體表面
事實(shí)上，污垢與基體之間的結(jié)合力往往是幾種力的共同作用。
3.3化學(xué)清洗劑的作用原理
3.3.1可溶性污垢的去除
(1) 可溶性無(wú)機(jī)污垢對(duì)于這類(lèi)污垢可以用水進(jìn)行溶解或軟化、剝離，將污垢去除。例如，某些可溶于水的鹽或灰塵等，可用水進(jìn)行溶解或沖刷去除。
(2)可溶性油類(lèi)污垢可用有機(jī)溶劑(醇、酮、醚或汽油、柴油等)對(duì)一些油類(lèi)污垢進(jìn)行溶解去除。例如一些植物油或合成有機(jī)物的污跡屬于此類(lèi)污垢。
3.3.2不溶性污垢的去除
(1) 不溶性無(wú)機(jī)污垢對(duì)某些堅(jiān)硬的無(wú)機(jī)鹽固體沉淀污垢，例如鍋爐內(nèi)壁不溶于水的水垢(CaCO?、MgCO?)等，可以用鹽酸水溶液將其溶解去除(當(dāng)然在除垢處理時(shí)需考慮防止鍋爐基體受到腐蝕，要用緩蝕劑)。鹽酸去除水垢CaCO?的化學(xué)反應(yīng)式如下所示。
CaCO?+2HCI→CaCl? +CO?↑+H?O
(2)不溶性有機(jī)污垢許多工業(yè)污垢可溶解于有機(jī)溶劑，但有機(jī)溶劑(如苯或丙酮等)易于揮發(fā)并污染環(huán)境、影響操作者的健康，同時(shí)有機(jī)溶劑的成本相對(duì)較高，所以往往用水基清洗劑對(duì)一些有機(jī)污垢進(jìn)行去除。水基清洗劑包含有清洗主劑和助劑等組分。肥皂或洗滌劑可以認(rèn)為是常用的民用水基清洗劑，工業(yè)水基清洗劑的配方及其應(yīng)用是本書(shū)的論述重點(diǎn)。
3.3.3.水基清洗劑清除油污的原理
用水基清洗劑清除不溶性油污的原理如下。清洗劑中的主要成分是表面活性劑，表面活性劑是能夠大大降低溶波表面張力的物質(zhì)，其物質(zhì)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是具有雙親性(既含有極性的親水基團(tuán)，又含有親油的非極性基團(tuán))，如C??H??COONa中的一COO¯ 是極性(親水)基團(tuán)，C??H??一是非極性(親油)基因。此類(lèi)物質(zhì)可以用“火柴”形象地描述其結(jié)構(gòu)特征。一o,其直線表示非極性基團(tuán)，圓環(huán)表示極性基團(tuán)。表面活性劑在水中的分散情況如圖1-1所示。
由于其非極性基團(tuán)受到溶劑(極性的水分子)的排斥，所以在其濃度很低時(shí)就會(huì)相對(duì)整齊地布滿水的表面，其濃度繼續(xù)增加時(shí)，才會(huì)分散在水溶液之中，形成膠束。如圖1-2和圖1-3所示。
排布在水溶液表面的表面活性劑分子使得水溶液的表面張力大大地降低，這對(duì)于剝離油污、使其脫離基體表面至關(guān)重要。水體中的膠束對(duì)油污還具有“增溶”作用，如圖1-3所示。
圖1-4解釋了表面活性劑在清洗固體表面油污的作用原理。水平直線之下(A)為固相基體，圓弧內(nèi)(B)表示附著在基體表面的油污，圓弧上方。(C)表示水溶液。
σA-B表示基體(A)與油污(B)之間的界面張力; σA-C表示基體(A)與水溶液(C)之間的界面張力; σB_c表示油污(B)與水溶液(C) 之間的界面張力。
設(shè)三個(gè)界面張力平衡于O點(diǎn)，則有σA-B=σA-C + σB-Ccosθ。(1-1)
即 COSθ=σA-B¯σA-C/σB-C
θ角越小[如圖1-4 (a)所示];則油污越趨于鋪展，油污與基體的結(jié)合面越大，結(jié)合得也越牢，越不容易清除，當(dāng)θ角趨于0°時(shí)，稱(chēng)為全鋪展，油污附著最牢;
θ角大于90° [如圖1-4 (b)所示]時(shí)，稱(chēng)為非鋪展?fàn)顟B(tài)，油污與基體的結(jié)合力較小，θ角越接近180°，污垢就越容易被清除。
對(duì)于特定的基體和油污而言，σA-B是相對(duì)固定的，σB-Ccosθ 一項(xiàng)受影響也相對(duì)較小，而σA-C受溶液(C)的性質(zhì)變化影響較大。當(dāng)向水溶液中加入表面活性劑，可以大大降低σA-C。從式(1-1)可以看出，降低σA-C有利于增大θ角，有利于油污的去除。清洗劑有助于去除油污就是因?yàn)槠渲泻斜砻婊钚詣纱蟠蠼档?sigma;A-C利于去污。當(dāng)然化學(xué)清洗劑中除含有表面活性劑之外，還含有一些助劑。
(2).jpg "化學(xué)清洗劑")
.jpg "圖1-1 表面活性劑在水中的分散情況")
.jpg "圖1-2 膠束示意圖")
.jpg "圖1-3 膠束的增溶作用示意圖")
.jpg "圖1-4 液體在固體表面潤(rùn)濕狀態(tài)示意圖")
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