第3章 除垢

3.1 概述

3.1.1 污垢分類

污垢是預(yù)處理工藝中必然要面對(duì)的問(wèn)題，故弄清其產(chǎn)生原因及特點(diǎn)至關(guān)重要。在清洗過(guò)程中，從清洗材質(zhì)表面去除的雜質(zhì)統(tǒng)稱為污垢。不同情況下污垢的種類存在很大的差別，情況很復(fù)雜，只能對(duì)具體情況作具體分析，因此有必要對(duì)污垢進(jìn)行分類研究，污垢分類有很多種方法。

1.根據(jù)污垢存在的形狀分類

（1）顆粒狀污垢 如固體顆粒、微生物顆粒等以分散顆粒狀態(tài)存在的污垢。

（2）覆蓋膜狀污垢 如油脂和高分子化合物在物體表面形成的膜狀物質(zhì)，這種膜可能是固態(tài)的，也可能是半固態(tài)或流態(tài)的。

（3）無(wú)定形污垢 如塊狀或各種不規(guī)則形狀的污垢，它們既不是分散的細(xì)小顆粒，也不是以連續(xù)成膜狀態(tài)存在。

（4）溶解狀態(tài)的污垢 如以分子形式分散于水或其他溶劑中的污垢。

以不同形狀存在的污垢去除過(guò)程的微觀機(jī)理有很大差別，如固體顆粒狀態(tài)的污垢與液體膜狀污垢在物體表面的解離分散去除機(jī)理就大不相同。

2.根據(jù)污垢的化學(xué)組成分類

按這種分類方法可把污垢分為無(wú)機(jī)物和有機(jī)物兩大類，見(jiàn)表3-1。

表3-1 根據(jù)污垢的化學(xué)組成分類

（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的氧化物及水化物或無(wú)機(jī)鹽類。常見(jiàn)無(wú)機(jī)污垢的成分（XRD分析）見(jiàn)表3-2。

表3-2 常見(jiàn)無(wú)機(jī)污垢的成分

（2）有機(jī)污垢 食物殘?jiān)械牡矸邸⑻恰⒛虧n、肉汁、動(dòng)植物油跡，衣物上沾染的血污色素、礦物油等，從成分上看它們分別屬于碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)、有機(jī)高分子化合物或其他類型的有機(jī)化合物。

通常所說(shuō)的油垢，實(shí)際上可能是兩類性質(zhì)完全不同的有機(jī)物。

一類是礦物油包括潤(rùn)滑油、石蠟等，它們屬于有機(jī)物的烴類，是石油分餾的產(chǎn)品，含有20～30個(gè)碳原子。除了可燃之外，它們可以說(shuō)是化學(xué)穩(wěn)定性很好的有機(jī)物。

另一類是油脂，包括動(dòng)物脂肪和植物油。它們屬于有機(jī)物酯類，是飽和或不飽和高級(jí)脂肪酸的甘油酯的混合物。它們與礦物油的區(qū)別是在堿性條件下可以發(fā)生皂化。

不同化學(xué)成分的污垢使用不同方法去除。一般情況下，無(wú)機(jī)污垢常采用酸堿等化學(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物體表面去除。

3.根據(jù)污垢的親水性和親油性分類

（1）親水性污垢 如可溶于水的食鹽等無(wú)機(jī)物和蔗糖等有機(jī)物。

（2）親油性污垢 如油脂、礦物油、樹(shù)脂等有機(jī)物。

親水性污垢通常用水作溶劑加以去除，親油性污垢則利用有機(jī)溶劑溶解，或用表面活性劑溶液乳化分散加以去除。

4.根據(jù)在物體表面存在的狀態(tài)分類

污垢與物體表面的結(jié)合狀態(tài)是多種多樣的，由于結(jié)合作用力種類的不同使結(jié)合牢固程度不同，因此從物體表面去除污垢的難易也不同。

（1）單純靠重力作用在物體表面沉降而堆積的污垢 這種形態(tài)存在的外來(lái)污垢，在物體表面上的附著力很弱，較容易從物體表面上去除，如衣物或家具表面上附著的粗大塵土顆粒。

（2）靠吸附作用結(jié)合于物體表面的污垢 在這種情況下，污垢分子與物體表面的分子間存在著吸附作用力，這種吸附力既可能是分子間的范德華作用力，也可能是分子間的氫鍵作用或分子間形成共價(jià)鍵的結(jié)合。當(dāng)污垢分子靠吸附作用結(jié)合于物體表面時(shí)，特別是污垢以薄膜狀態(tài)緊密結(jié)合于表面時(shí)，這種結(jié)合力是很強(qiáng)的。與表面直接接觸的污垢分子層由于存在這種強(qiáng)烈的吸附作用，通常的清洗方法很難把它們?nèi)サ簟６乙赃@種狀態(tài)存在的污垢顆粒越小，與物體表面的吸附力也越強(qiáng)，在超精密工業(yè)清洗中要求把這類微小的污垢粒子也清除掉，因此要采用一些特殊的方法來(lái)克服污垢粒子對(duì)物體表面的吸附作用。

（3）靠靜電吸引力附著在物體表面的污垢 當(dāng)污垢粒子與物體表面帶有相反電荷時(shí)，它就會(huì)依靠靜電吸引力吸附到物體表面，有時(shí)污垢粒子與物體表面帶有相同的負(fù)電荷，但物體表面存在帶正電荷的金屬陽(yáng)離子，此時(shí)靠金屬陽(yáng)離子的中間作用，污垢粒子也會(huì)依靠靜電吸引力間接吸附于物體表面。許多導(dǎo)電性能差的物體表面在空氣中放置時(shí)往往會(huì)帶上電荷，而帶電的污垢粒子就會(huì)靠靜電吸引力吸附到此物體表面。當(dāng)將這類物體浸沒(méi)在水中時(shí)，由于水有很大的介電常數(shù)會(huì)使污垢與物體表面之間的靜電吸引力大為減弱，此時(shí)這類污垢就容易從表面解離。

這類由導(dǎo)電性差的材料組成的物體在溶液中加以清洗之后，如果放置在空氣環(huán)境中令其干燥，很可能又會(huì)被帶電的塵埃顆粒污染。為避免發(fā)生這種情況，在超精密工業(yè)清洗工藝中，這類物體在清洗處理之后都是放置在十分清潔的無(wú)塵室中進(jìn)行干燥的。

（4）在物體表面形成的變質(zhì)層污垢 金屬在潮濕空氣中放置會(huì)生銹產(chǎn)生銹垢，銹垢不是來(lái)自外界環(huán)境，而是物體與周圍環(huán)境中物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)在表面形成的變質(zhì)層。這種污垢的特點(diǎn)是在污垢變質(zhì)層與物質(zhì)基體之間往往存在一個(gè)明確的分界面，因此可用酸、堿等化學(xué)試劑或用機(jī)械方法把變質(zhì)層污垢從物體表面除去。

（5）滲入物體表面內(nèi)部的污垢 如衣物表面的液體污垢，不僅在衣物表面擴(kuò)散潤(rùn)濕，同時(shí)也會(huì)向衣物纖維內(nèi)部滲透擴(kuò)散。這種滲入物體內(nèi)部的污垢清除時(shí)會(huì)遇到更大的困難。

（6）刺破物體表面而楔入內(nèi)部的堅(jiān)硬污垢 如金屬切削碎屑和研磨粉楔入物體表面，火車車廂的表面涂層被火車行進(jìn)過(guò)程中車輪與鐵軌摩擦產(chǎn)生的鐵粉所刺破。

通常把上述前三種情況稱為附著污垢，這種污垢來(lái)自環(huán)境并且與物體表面存在一明確的分界面，這種污垢的清除一般不會(huì)造成物體表面的損傷。而把后三種情況稱為污染污垢，由于污染污垢與物體已連成一體并深入到物體表面之內(nèi)，因此清除這種污垢要認(rèn)真選擇合適的清洗方法，既要去除污垢，又要盡量避免損傷表面。

5.根據(jù)引起污垢沉積的主要機(jī)理分類

（1）析晶污垢 如CaCO₃、CaSO₄和MgSiO₃等負(fù)溶解性鹽溶液因受熱而使表面溶解度降低，隨鹽類析出沉積；或流動(dòng)條件下呈過(guò)飽和的流動(dòng)溶液中的溶解無(wú)機(jī)鹽沉析在換熱面上的結(jié)晶體。當(dāng)流體是冷卻水或蒸發(fā)設(shè)備中的液體時(shí)，這種污垢即成為水垢或銹垢。超過(guò)25%的污垢問(wèn)題與析晶污垢有關(guān)。

（2）化學(xué)反應(yīng)污垢 高溫下某些有機(jī)物或無(wú)機(jī)物發(fā)生反應(yīng)、聚合或焦化而產(chǎn)生的固體沉積在換熱面上；或在換熱面上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生污垢。換熱面材料不參加反應(yīng)，但可作為化學(xué)反應(yīng)的一種催化劑。例如，在石油加工過(guò)程中，碳?xì)浠衔锏牧呀夂途酆戏磻?yīng)，若含有少量雜質(zhì)，則可能發(fā)生鏈反應(yīng)，從而導(dǎo)致表面沉積物形成。

（3）微粒污垢 懸浮于流體中的固體微粒在換熱面上的積聚。這種污垢也包括較大固體微粒在水平換熱面上因重力作用的沉淀層，即所謂沉淀污垢和其他膠體微粒的沉積。

（4）腐蝕污垢 具有腐蝕性的流體或者流體中含有的腐蝕性雜質(zhì)腐蝕換熱面材料產(chǎn)生的腐蝕物積聚所形成的污垢。通常，腐蝕程度取決于流體的成分、溫度及被處理流體的pH值。

（5）生物污垢 未經(jīng)處理的海水、河水或湖水中的藻類等產(chǎn)生的沉積，這是由微生物體和有機(jī)物體附著于換熱面上而形成的污垢。

（6）凝固污垢 這是指清潔液體或多組分溶液的低溶解度組分在過(guò)冷換熱面上凝固而形成的污垢。例如，當(dāng)水溫低于凝固點(diǎn)時(shí)水在換熱面上凝固成冰。溫度分布的均勻與否對(duì)這種污垢影響很大。

需要指出的是，在實(shí)際換熱面上形成的污垢，常常是各種污垢類型混合在一起的，如析晶污垢和腐蝕污垢，就常常是混合而共存于同一換熱面的，并且換熱面上往往同時(shí)生成幾種類型的污垢并相互影響。另外，在應(yīng)用上述分類時(shí)，常常會(huì)遇到這樣一些困難，如在溶液結(jié)晶的情況下，常常分不清固態(tài)粒子是直接沉積在換熱面上，還是析晶先在主流中發(fā)生，然后晶體粒子沉積到換熱面上或者兩者同時(shí)發(fā)生。如果是第一種情況，則應(yīng)歸入析晶污垢；如果是第二種情況，則毫無(wú)疑問(wèn)應(yīng)歸入微粒污垢。

3.1.2 污垢分析

分析污垢的目的是確定污垢的類別（定性分析）及化學(xué)組成（定量分析），以便確定除垢方案。從有代表性的部位取樣后封于容器內(nèi)備用，垢樣質(zhì)量應(yīng)不少于5～10g。污垢定性分析見(jiàn)表3-3，表中各個(gè)樣品的分析均為取小塊固體垢樣置于小燒杯中進(jìn)行的。化學(xué)分析、X射線、光電子能譜、次級(jí)離子質(zhì)譜等均可定量分析污垢的化學(xué)組分。

表3-3 污垢定性分析

（續(xù)）