材料表面化学处理清洗原理

化学清洗

对于一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围内，而不能彻底杜绝结垢隐患。而系统一旦结了水垢、污垢，不但降低了热效率，给系统的安全、正常运行带来隐患，并且使得水处理剂无法及时到达金属表面而失效，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、安全的需要，也是延长设备使用寿命的需要。去除污垢主要有机械除垢、电子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型的其它设备，对于大型系统，特别是复杂的管路系统，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，对水垢去除效果较好，但对微生物垢、泥垢等去除效果差。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，且不论何种组成的系统，都能找到一种合适的化学清洗方式。至于对金属的腐蚀，只要清洗剂、缓蚀剂选用得当，可以控制到很小的程度，远远小于机械除垢对金属的损伤。下面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下：

MeO＋2H+=Me2+＋H2O MeCO3＋2H+=Me2+＋H2O＋CO2↑

式中Me2+泛指金属离子。在上述垢层的溶解过程中，H+离子起主要的作用。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中的SiO2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，一般来说，无机酸离解度较大，酸性强，能在低温、常温下清洗，但腐蚀性也强；有机酸离解度较小，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，由于大多数金属的盐酸盐易溶于水，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。盐酸中氯离子的存在，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面。普通不锈钢和铝及合金材料属于靠表面产生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来说，Cl-离子是能局部破坏钝化膜的活性离子，是造成小孔腐蚀的主要因素。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，可通过升温的方法来提高清洗速度，所以在去除氧化铁一类的垢物时，经常使用硫酸作清洗剂。

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用，特别在清除不锈钢表面的污垢时，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，很少用磷酸来清洗水垢，但在某些特定的条件下，如高温、高湿度，磷酸能与金属离子形成可溶于水的配位化合物，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、氢氟酸氢氟酸是一种弱酸，但有很强的溶解氧化铁的能力，这主要是由于氟离子的特殊作用。氢氟酸同时也是溶解硅的唯一有效的酸洗剂。

6、氨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优点是水垢反应后生成的柠檬酸钙络离子溶解度比较大，不易形成沉淀，若清洗液中加入氨，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铵络合物。

8、羟基乙酸羟基乙酸的酸性较强，对锈垢有很好的去除能力，几乎不亚于盐酸，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有或大或小的腐蚀性，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几种：

1、吸附理论

吸附理论认为缓蚀剂之所以能缓蚀，能保护金属不受腐蚀，是因为缓蚀剂在金属表面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由两部分组成,一部分是容易被金属吸附的极性基;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。另一方面非极性基团定向排列于金属表面,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子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子与金属表面电荷产生静电吸引力和范德华力所引起的，这种吸附速度快速，但也容易脱吸，即反应是可逆的；化学吸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，即反应是不可逆的，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一对共轭反应。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，使腐蚀电流明显减小。氧化型缓蚀剂是对阳极过程起阻滞作用的缓蚀剂，对可钝化的金属，缓蚀率很高，但当浓度不足时缓蚀效果不但不好，有时还会增大腐蚀率。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面积变小，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

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与金属作用在金属表面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。缓蚀剂膜可分为氧化性膜、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，金属表面的铁原子裸露出来，从化学上来说，此时这种原子是非常活泼的，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，须采用一适当的方式把被酸洗的金属表面漂洗干净。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、充氮气法充氮气法是用氮气顶出清洗废液，再用除氧水泵入系统进行全面清洗。

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℃，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℃，循环钝化2－4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。