材料表面化学处理清洗原理

1、化学清洗对于-些高温或不断浓缩的系统如锅炉、冷却水系统等，不论采用何种水处理措施，都只能把 结垢速度控制在允许范圉内，而不能彻底杜绝结垢隐患。血系统一旦结了水垢、污垢，不但降 低了热效率，给系统的女全、正常运行带來隐患，并且使得水处理剂无法及时到达金屈表而而 失效，加速了金属腐蚀的速度。因此及时地去除水系统中的各类污垢，不仅仅是节能、安全的 需耍，也是延长设备使用寿命的需要。去除污垢主要有机械除垢、电了除垢和化学清洗三种方 式。机械除垢有使用手锤、扁铲、钢丝刷和机械刮管器等进行人工除垢，这种方式劳动强度 大，除垢效果差，且容易损伤金属表面，只用于小型锅炉或小世的其它设备，对于大型系统， 特别是

2、复杂的管路系统，机械除垢就无法发挥作用。电子除垢主要用于温度不是很高的循环水 系统，对水垢去除效呆较好，但对微生物垢、泥垢等去除效呆差。并且脱落的水垢呈块状，容 易堵塞管径较细的管道。化学清洗是一种最有效的除垢手段，只要清洗剂选择得当，清洗方式 得当，对各类污垢都有极强的去除能力，口-不论何种组成的系统，都能找到一种合适的化学清 洗方式。至于対金属的腐蚀，只要清洗剂、缓蚀剂选用得当，可以控制到很小的程度，远远小 丁机械除垢对金屈的损伤。下而对化学清洗作一简要介绍。第一节酸性清洗酸性清洗是利用清洗剂在水中离解出h+,使锈垢、水垢与h+反应而溶解。主要的化学溶解反 应如f：meo+2h+二me2+

3、h20meco3 + 2h+二ie2+h20+c02 t式中me2+泛抬金属离了。在上述垢层的溶解过程中，h+离子起主耍的作用。但除此之外，酸 根的存在对水垢和锈垢的溶解也有一定的影响，有时还是关键性的。比如f-离子的存在可使 水垢屮的si02发生化学溶解，而别的酸根则不行，某些有机酸根的络合作用，可提高水垢的 溶解度，减少块状水垢脱落的量。不同种类的酸h+离子的离解度也不同，一般來说，无机酸 离解度校大，酸性强，能在低温、常温下清洗，但腐蚀性也强；有机酸离解度饺小，酸性弱， 常须加温清洗，但腐蚀也较弱。所以说，不同种类的酸具有不同的溶解特性，不同成分的垢层 就要考虑选择不同的酸作清洗液，以趋

4、更加合理。酸性清洗由于溶垢速度快，溶垢能力强，而 得到广泛应用，特别在清洗一些垢层较厚的锅炉、热交换器时，具有其它清洗方法不可取代的 优越性。1.1、常用酸洗剂1、盐酸盐酸是一种强酸，山于人多数金屈的盐酸盐易溶于水，因此盐酸的溶垢能力较强， 能快速溶解铁锈、铜锈、铝锈、碳酸盐水垢，但盐酸对不少金属材料有极强的腐蚀性，必须添 加合适的缓蚀剂。盐酸屮氯离子的存在，既有促进金属腐蚀产物快速活性溶解的有利一面，又 有导致钝性材料钝化膜局部破坏诱发小孔腐蚀的不利一曲。普通不锈钢和铝及合金材料属于靠 表而产牛的氧化物钝化膜的保护才稳定的钝化材料，一旦钝化膜破坏，材料就会遭到严重腐 蚀。对于普通不锈钢和铝材

5、来说，c1-离了是能局部破坏钝化膜的活性离了，是造成小孔腐蚀 的主要因索。因而不宜选用盐酸作为清洗不锈钢和铝材表面污垢的清洗液。2、硫酸浓硫酸具有强氧化性，能使铁钝化，但不具备溶垢的作用，清洗时硫酸的浓度一般 在15%以下，已不具有氧化性。由于一些硫酸盐的溶解度不大，因此硫酸的溶锈、溶垢速度 相对要小一些。但稀硫酸是不挥发的，清洗现场不会产生酸雾，町通过升温的方法來捉高清洗 速度，所以在去除氧化铁一类的垢物时，经常使用硫酸作淸洗剂。3、硝酸 硝酸盐溶解度较大，因此硝酸对铁锈、铜锈、各类污垢都有较好的去除作川，特别 在清除不锈钢表血的污垢时,由于硝酸具有氧化性，可使不锈钢自钝化,几乎不对不锈钢造

6、成 腐蚀。但硝酸对低碳钢有强烈的腐蚀性，必须选用可靠的缓蚀剂。4、磷酸 磷酸钙的溶解度较小，很少用磷酸來清洗水垢，但在某些特定的条件下，如高温、 高湿度，磷酸能与金屈离子形成可溶于水的配位化介物，或把铁锈直接转为有保护作用的磷化 膜。所以磷酸只在某些特定条件下使用。5、緘氟酸氢氟酸是一种弱酸，但有很强的溶解氧化铁的能力，这主要是由丁氟离子的特殊 作用。氢氟酸同时也是溶解硅的唯一有效的酸洗剂。6、姐基磺酸 氨基磺酸是一种弱酸，与碳酸盐和氢氧化物等类的水垢，反应比较强烈，对钙 盐的溶解度非常大，但是，对铁等氧化物的溶解能力较弱。同时氨基磺酸是唯一可用作镀锌金 属表面清洗的酸。7、柠檬酸柠檬酸的最大

7、优点是水垢反应后生成的柠檬酸钙络离了溶解度比较人，不易形成 沉淀，若淸洗液中加入氨，即使在碱性范围内也能使铁垢溶解，生成稳定性很好的柠檬酸亚铁 钱络合物。8、轻基乙酸轻基乙酸的酸性较强，对锈垢有很好的去除能力，几乎不业于盐酸，但对金属 的腐蚀性要远远低于盐酸。1.2、酸洗缓蚀剂的选择及应用由于酸洗剂对金属都冇或大或小的腐蚀性，因此只有在添加高效酸洗缓蚀剂的条件下，才能进 行酸性清洗。缓蚀剂的缓蚀机理有以下儿种：1、吸附理论吸附理论认为缓蚀剂z所以能缓蚀，能保护金属不受腐蚀，是因为缓蚀剂在金属表血形成了能 起隔离作用的吸附层。多数有机缓蚀剂其分子的结构是山两部分组成，一部分是容易被金屈吸 附的极

8、性基;另一部分是非极性基（疏水基或亲油基）。当缓蚀剂加入腐蚀性介质中时，缓蚀 剂的极性分子基团被金属表面通过物理的化学的吸附作用，使缓蚀剂被吸附在金属的表面，于 是金属表面的电荷状态和界面性质以及自由能态都会改变，使能量处于稳定化，使腐蚀速度减 慢。另一方而菲极性基团定向排列于金屈表而，形成了一层疏水性的保护膜，阻碍腐蚀介质与金 属表面接触，也阻碍了腐蚀电荷和金属离了的移动从而也使腐蚀速度减小，起保护金属不受腐 蚀介质的腐蚀。缓蚀剂的吸附作用分物理吸附和化学吸附两种，物理吸附是由缓蚀剂离了与金 屈表而电荷产生静电吸引力和范徳华力所引起的，这种吸附速度快速，但也容易脱吸，即反应 是对逆的；化学吸

9、附是由中性缓蚀剂分子与金属形成配位键所致，这种化学吸附吸附力强，一 旦吸附形成是不容易脱吸的，即反应是不对逆的，化学吸附作用比物理吸附作用要强烈得多， 但吸附速度比物理吸附速度要慢得多。2、电化学理论电化学的观点认为腐蚀反应是-对共饥反应。电化学反应体系中加入缓蚀剂即在金属与腐蚀介 质中加入电化学反应的阻滞剂，使腐蚀电流叨显减小。氧化熨缓蚀剂是对阳极过程起阻滞作用 的缓蚀剂，对町钝化的金属，缓蚀率很高，但当浓度不足时缓蚀效果不但不好，有时还会增人 腐蚀率。对阴极过程起阻滞作用的缓蚀剂能使阴极过程变慢或使阴极的有效而积变小，从而降 低腐蚀速度。这种缓蚀剂即使添加量不足也不会加速腐蚀。3、成膜理论

10、成膜理论认为缓蚀剂能有效地保护金属免受腐蚀是因为缓蚀剂均金属作用在金属农血生成了一 层足以隔断腐蚀的难溶的坚实的保护膜，即缓蚀剂膜。缓蚀剂膜町分为氧化性膜、沉淀性膜和 吸附性膜三种类型。1.3、漂洗酸洗结束后，金属表面上的水垢及保护膜均被除掉，金属表面的铁原了裸厳出來，从化学上來 说，此时这种原子是非當活泼的，容易被氧化生成二次铁锈，使钝化处理及钝化膜的质量受到 影响。为此，在钝化处理前，须采用一适当的力式把被酸洗的金屈表面漂洗干净。常用的漂洗 方法有以下几种：1、水压法 用除氧水顶出系统内的清洗废液，防止空气进入系统。或者一边补充水，一边排 水，控制补水、排水速度一致。2、充氮气法 充氮气法

11、是用氮气顶出清洗废液，再用除氧水泵入系统进行全血清洗。3、加药漂洗清洗废液排放后，用柠檬酸和缓蚀剂、氨水在弱酸性条件下漂洗，然后在此漂 洗液中加入氨水，将ph调到9. 0-10.0,直接加钝化剂钝化。也要用三聚磷酸钠、磷酸，在 ph2. 5-3.5,温度15°c,循环漂洗2小时,向此漂洗液中直接加氨水调ph至9. 5-10.0,温度 升至75-80°c,循环钝化24小时。1.4、钝化钝化的原理是通过钝化剂作用，在钢铁表面形成一薄层保护膜，使金属免遭腐蚀。1、亚硝酸钠亚硝酸钠的钝化效果较好，但钝化废液会造成环境的污染，因此限制了它的使用。2、磷酸钠钝化 磷酸盐钝化效果虽然稍差

12、，但废液污染较轻，所以使用较广。3、联氨钝化由于联氨钝化对温度要求较高，一般只用于中、高压锅炉酸洗后的钝化。1.5、预膜1、预膜的口的对于中央空调系统或人型工业冷却水系统，水量较人，这类系统若清洗后进行钝化处理，钝化 剂的消耗量较大，费用较高，同时大量钝化废液的排放也给环境带來污染。况.11这类系统在日 常运行时往往加约处理，腐蚀速度较慢。因此这类系统清洗后若不封存，可不经钝化，百接经 预膜处理后进入日常运行。预膜的冃的，是让清洗后尤其是酸洗后处于活化状态下的新鲜金属 农面上，或其保护膜曾遭到重大损伤的金属表面上，在投入止常运行之前预先生成一层完整而 耐蚀的保护膜。实践证明，若先用高浓度的缓蚀

13、剂进行预膜，然后用低浓度的缓蚀剂进行口常 运行（正常运行），比不经预膜而盲接用高浓度的缓蚀剂运行要经济得多，乂比盲接用低浓度 缓蚀剂运行去控制腐蚀要有效得多。2、预膜方案的分类根据预膜时使用的药剂配方组成与日常运行时使用的药剂配方组成z间是否有直接的联系，循 环水系统中金属冷却的预膜方案可以分为以下两大类。专用配方预膜方案这种方案所用的预膜配方的性能一般都较好，但它们的组成与该冷却 水系统今后运行时所用配方的组成之间并无直接的联系。常用的专用预膜方案有： 珞酸盐一聚磷酸盐一锌盐预炭方案 六偏磷酸盐一锌盐预膜方案 三聚磷酸盐一锌盐预膜力案提高浓度的预膜方案这种预膜方案的特点是预膜配方的组成与正常

14、运行配方的组成z间 有着密切的联系。在预膜阶段，将该循环水系统今后日常运行时配方的浓度提高若干倍（通常 是24倍）作为预膜的配方，在预脫浓度下运行一段时间（通常是几天或1一2周）。然后， 把配方的浓度降低到日常运行浓度运行。这种方案由于操作和管理比较简单，所以得到广泛的 应用。3、预膜的时机新的系统清洗z后，投入日常运行z前；旧的系统清洗后，尤其是酸清洗之后；冷却水系统出现了低ph值漂移但被复原到控制的ph值z后；系统在检修后随即进行开车时。第二节碱性清洗2.1、碱洗的冃的1、新设备投入使用前的碱洗某些新安装的设备如锅炉、化工装置等在投入使用前，首先要 进行碱洗，以清除设备在制造和安装过程中由

15、制造厂涂覆在内部的防锈剂及安装时沾染的油 污等附看物。这类油脂在设备投入使用后，易溶解在介质屮污染产品，或者在高温部位产牛-结 碳。2、酸洗而的碱洗 因为油脂成份妨碍酸洗过程中清洗液与水垢的接触，所以酸洗曲用碱洗去 除被淸洗金属衣血的汕脂和部分硅化物，改善被淸洗衣血润湿性和松动某些致密的垢层，给f 一步酸洗创造有利条件。3、垢类转化碱洗 对于不能用酸洗去掉的碘质水垢（如硫酸盐垢、硅酸盐等），通过在较高 温度下，与碱液作用发生转化反应，使老垢疏松或脱落。4、油垢的去除 对于一些盛油容器、输油管道、有油泄漏的冷却水系统等结有油垢的系统， 无法用酸络合剂彻底去除污垢，采用碱加表而活性剂、分散剂的方法

16、淸洗效果较佳。2.2、碱洗除垢原理1、对油脂的皂化作用碱洗剂在水中电离或水解后能产生游离01离子，oil-离子能与汕脂性竣酸化合物发生皂化反 应，生产可溶于水的皂类。此皂类具有表面活性作丿tj,并对难溶性矿物质有乳化作丿ii。2、对硅酸盐的溶解作用氢氧化钠或碱性药剂水解后生成的氢氧化钠与难溶的硅酸盐垢发生反应，生成川溶性的硅酸 钠，反应式如下：cas i o3+2naoh-* na2s i o3+ca（oh）2随着碱洗温度的升高，上述反应愈容易进行。3、对硫酸盐垢的转化作用磷酸钠和碳酸钠溶液可电离出pw3-和c032-：na3po4->3na-hpo43-na2co3 ->2na+

17、»co32-硫酸盐垢或硅酸盐垢址然是难溶化合物，但它们仍冇少量的溶解，在溶液中也存在着下列溶解 平衡：casod（固）ca2+so42-casio3（固）ca2+sio32-结呆，使坚彼致密的casod和casio3不断地转化成松软的ca3（po4）2和caco3水渣。这样， 由丁部分盐垢的这种转型，可以使垢层出现细微的裂缝，进而垢层出现松动和脱落。2.3、常用碱洗药剂1、氢氧化钠(naoh)氢氧化钠俗名烧碱、火碱、苛性钠等。工业胡氢氧化钠含有少量氯化钠和碳酸钠，是口色不透 明固体。市售产品有块状、片状、粒状和棒状，统称固碱。固碱吸湿性很强，易溶于水，同吋 强烈放热，尤其在酸性溶液中

18、放热反应更为强烈。如果敞口放置在空气中，由于吸收空气中的 水蒸汽最后完全潮解形成溶液。并口-容易从空气小吸收二氧化碳而逐渐变成碳酸钠。因此，固 碱必须贮存在密闭的诙罐、塑料桶或玻璃瓶中。贮于玻璃瓶中的氢氧化钠，无论是固碱，液碱 或溶液都耍用橡皮塞或软木塞盖严，但不用玻璃塞，以防止氢氧化钠与玻璃中的二氧化硅反应 生成粘结性很强的硅酸钠使玻璃瓶与盖粘住难以开启。2、碳酸钠(na2co3)碳酸钠俗名纯碱、苏打等。市售有-白色粉末状的无水碳酸钠和含有结晶水的无色透明块状十水 碳酸钠na2co3. 10h20o碳酸钠是一种盐类，将它溶于水中，由于发生水解反应而呈碱性，其 反应式如卜：na2co3 + h

19、20naoh+nahc03故屈册碱性。纯碳酸钠水溶液的ph值在13-14之间。3、磷酸钠(na3p04)磷酸钠易溶于水，同吋发生水解：na3p04 + h20na2hpo4+naoh在水溶液屮儿乎全部水解为磷酸缄二钠和氯氧化钠，所以溶液具有较强碱件，其溶解度受温度 影响较大。第三节 络合物、聚电解质清洗3.1、络合物、聚电解质清洗的特点1、腐蚀程度小虽然现在的酸洗缓蚀剂缓蚀效果较好，但人部分效果好的缓蚀剂都具有一定程度上的专一性， 即只针对某儿种酸某儿种金属有缓蚀性。被清洗系统由多种金属组成时，若缓蚀剂选用不当， 后果不堪设想。更何况缓蚀剂的缓蚀效果受酸洗剂浓度的限制,若操作人员经验不丰富，加

20、酸 或加缓蚀剂的方法不适当，造成局部酸浓度过高或局部缓蚀剂浓度偏低，都会使这些部位的金 属遭受严重腐蚀。碱性清洗虽对铁、铜等金属无腐蚀，但対铝、锌等金属有很大的腐蚀性，且 在强碱性环境下很难找到一种有效的针对铝、锌的缓蚀剂。所以对有大量镀锌管、铝换热器的 循环冷却水系统，进行碱洗是不适当的。螯合剂、聚电解质清洗人都在屮性或微酸性、微碱性 的条件下清洗，绝大部分螯合剂、聚电解质为有机物，其中许多还是金属很好的缓蚀剂或钝化 剂，因此螯合剂、聚电解质清洗是一种最安全的清洗方式。2、可以不停产清洗酸洗、碱洗时，由于pllffl不在系统正常运行的pii范围内，若不停产会给正常生产带來隐患； 况口大屋酸洗药剂、碱洗药剂的加入及