第3章 除垢

3.1 概述

3.1.1 污垢分類

污垢是預處理工藝中必然要面對的問題，故弄清其產生原因及特點至關重要。在清洗過程中，從清洗材質表面去除的雜質統稱為污垢。不同情況下污垢的種類存在很大的差別，情況很復雜，只能對具體情況作具體分析，因此有必要對污垢進行分類研究，污垢分類有很多種方法。

1.根據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，這種膜可能是固態的，也可能是半固態或流態的。

（3）無定形污垢 如塊狀或各種不規則形狀的污垢，它們既不是分散的細小顆粒，也不是以連續成膜狀態存在。

（4）溶解狀態的污垢 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程的微觀機理有很大差別，如固體顆粒狀態的污垢與液體膜狀污垢在物體表面的解離分散去除機理就大不相同。

2.根據污垢的化學組成分類

按這種分類方法可把污垢分為無機物和有機物兩大類，見表3-1。

表3-1 根據污垢的化學組成分類

（1）無機污垢 如水垢、銹垢、泥垢，從化學成分上看，它們多屬于金屬或非金屬的氧化物及水化物或無機鹽類。常見無機污垢的成分（XRD分析）見表3-2。

表3-2 常見無機污垢的成分

（2）有機污垢 食物殘渣中的淀粉、糖、奶漬、肉汁、動植物油跡，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、有機高分子化合物或其他類型的有機化合物。

通常所說的油垢，實際上可能是兩類性質完全不同的有機物。

一類是礦物油包括潤滑油、石蠟等，它們屬于有機物的烴類，是石油分餾的產品，含有20～30個碳原子。除了可燃之外，它們可以說是化學穩定性很好的有機物。

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

不同化學成分的污垢使用不同方法去除。一般情況下，無機污垢常采用酸堿等化學試劑使其溶解而去除，而有機污垢則經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機物和蔗糖等有機物。

（2）親油性污垢 如油脂、礦物油、樹脂等有機物。

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溶劑溶解，或用表面活性劑溶液乳化分散加以去除。

4.根據在物體表面存在的狀態分類

污垢與物體表面的結合狀態是多種多樣的，由于結合作用力種類的不同使結合牢固程度不同，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 這種形態存在的外來污垢，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鍵的結合。當污垢分子靠吸附作用結合于物體表面時，特別是污垢以薄膜狀態緊密結合于表面時，這種結合力是很強的。與表面直接接觸的污垢分子層由于存在這種強烈的吸附作用，通常的清洗方法很難把它們去掉。而且以這種狀態存在的污垢顆粒越小，與物體表面的吸附力也越強，在超精密工業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克服污垢粒子對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 當污垢粒子與物體表面帶有相反電荷時，它就會依靠靜電吸引力吸附到物體表面，有時污垢粒子與物體表面帶有相同的負電荷，但物體表面存在帶正電荷的金屬陽離子，此時靠金屬陽離子的中間作用，污垢粒子也會依靠靜電吸引力間接吸附于物體表面。許多導電性能差的物體表面在空氣中放置時往往會帶上電荷，而帶電的污垢粒子就會靠靜電吸引力吸附到此物體表面。當將這類物體浸沒在水中時，由于水有很大的介電常數會使污垢與物體表面之間的靜電吸引力大為減弱，此時這類污垢就容易從表面解離。

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

（4）在物體表面形成的變質層污垢 金屬在潮濕空氣中放置會生銹產生銹垢，銹垢不是來自外界環境，而是物體與周圍環境中物質發生化學反應在表面形成的變質層。這種污垢的特點是在污垢變質層與物質基體之間往往存在一個明確的分界面，因此可用酸、堿等化學試劑或用機械方法把變質層污垢從物體表面除去。

（5）滲入物體表面內部的污垢 如衣物表面的液體污垢，不僅在衣物表面擴散潤濕，同時也會向衣物纖維內部滲透擴散。這種滲入物體內部的污垢清除時會遇到更大的困難。

（6）刺破物體表面而楔入內部的堅硬污垢 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過程中車輪與鐵軌摩擦產生的鐵粉所刺破。

通常把上述前三種情況稱為附著污垢，這種污垢來自環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，因此清除這種污垢要認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.根據引起污垢沉積的主要機理分類

（1）析晶污垢 如CaCO₃、CaSO₄和MgSiO₃等負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；或流動條件下呈過飽和的流動溶液中的溶解無機鹽沉析在換熱面上的結晶體。當流體是冷卻水或蒸發設備中的液體時，這種污垢即成為水垢或銹垢。超過25%的污垢問題與析晶污垢有關。

（2）化學反應污垢 高溫下某些有機物或無機物發生反應、聚合或焦化而產生的固體沉積在換熱面上；或在換熱面上進行化學反應而產生污垢。換熱面材料不參加反應，但可作為化學反應的一種催化劑。例如，在石油加工過程中，碳氫化合物的裂解和聚合反應，若含有少量雜質，則可能發生鏈反應，從而導致表面沉積物形成。

（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腐蝕換熱面材料產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 未經處理的海水、河水或湖水中的藻類等產生的沉積，這是由微生物體和有機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冷換熱面上凝固而形成的污垢。例如，當水溫低于凝固點時水在換熱面上凝固成冰。溫度分布的均勻與否對這種污垢影響很大。

需要指出的是，在實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生成幾種類型的污垢并相互影響。另外，在應用上述分類時，常常會遇到這樣一些困難，如在溶液結晶的情況下，常常分不清固態粒子是直接沉積在換熱面上，還是析晶先在主流中發生，然后晶體粒子沉積到換熱面上或者兩者同時發生。如果是第一種情況，則應歸入析晶污垢；如果是第二種情況，則毫無疑問應歸入微粒污垢。

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備用，垢樣質量應不少于5～10g。污垢定性分析見表3-3，表中各個樣品的分析均為取小塊固體垢樣置于小燒杯中進行的。化學分析、X射線、光電子能譜、次級離子質譜等均可定量分析污垢的化學組分。

表3-3 污垢定性分析

（續）