水作為清洗溶劑的特點

一、水

1.水分子的結構

水分子是由兩個氫原子和一個氧原子所組成的，三個原子排列成以兩個氫原子為底，以氧原子為頂的等腰三角形，如圖3-1。分子中正負電荷中心相互分離，其偶極矩μ很大，μ=6.14X10^-30C?m，因此水分子具有很強的極性。

圖3-1水分子的結構

圖P79頁

在具有強極性的水分子之間，由于H—0之間的電子云強烈地偏向電負性很大的氧原子，使氫原子核裸露，產生剩余價鍵，能與另一個水分子中的氧原子相結合，形成氫鍵，如圖3-2中虛線所示。

圖3-2水分子間氫鍵的形成示意圖

圖P79頁

2.水的性能特點

由于水分子有很強的極性，水分子之間又有氫鍵，因此，水在許多方面表現出很特殊的性質，比如沸點、比熱容、汽化熱、溶解性、表面張力等性質。

（1）水有優良的分散溶解能力強極性的水分子與離子型化合物或強極性化合物等強電解質分子接觸時，水分子和它們的離子或極性分子相互吸引，并由于質點的熱運動，使電解質分散、溶解或離解于水。溶解于水并電離的離子，又能與水分子結合，即發生水化作用，成為水合離子，分散于水中。水合過程是放熱過程，可使溶解于水溶液的離子穩定。因此，水是大多數無機酸、堿、鹽的良好的、成本低廉、應用極廣的溶劑和清洗介質。

水的極性分子和具有極性的有機化合物也有強烈的相互作用，水分子與分子中有強電負性元素的其他有機化合物分子，如醇、胺、有機酸、蛋白質等也會形成氫鍵，有利于這些有機物在水中的溶解，因此，水也可用于清洗某些有機化合物。

灰塵、土壤等是含無機鹽的混合物，在一定程度上也可分散于水中成懸浮液，部分溶解于水。

（2）水有較大的汽化熱和比熱容由表3-1和表3-2可見，水的汽化熱和比熱容比許多其他的溶劑大。溫度每升高1°C或降低1°C，水所吸收或放出的熱量比同質量的其他溶劑多，因此水是常用作冷卻、傳熱等的良好載體。

（3）水有接近于常溫的沸點和凝固點在0?100°C之間，水都是小粘度的液體，便于使用常規的方法控制清洗溫度，進行清洗作業。又由于0?100°C，接近常溫，便于在水蒸氣一液態水一固體冰三態和能量之間的轉換。

表3-1水和某些物質的汽化熱

表3-2水和某些物質的比熱容

圖P80頁

（4）水有適中的蒸氣壓有一定的蒸氣壓和揮發性，有利于清洗后表面干燥。水的蒸氣壓和溫度的關系見表3-3。

（5）水有不可燃燒性這是大多數非水溶劑所不具備的。

（6）水是無色、無毒、無臭、無味的液體。

（7）水有特殊的體積一溫度關系一般液體的體積，隨溫度升高而增加。但是，由于水分子間的氫鍵數和締合水分子數隨溫度變化而變化，因此4°C時其體積最小，密度最大，溫度低于或高于4°C時的密度變小。

3.水的局限性

作為清洗介質，水也存在一些不利于清洗的性質。

表3-3水的蒸氣壓

圖P81頁

（1）水是強極性分子，對非極性或極性小的污垢的溶解分散作用很差，因此單獨用水難以清洗油污、非極性高聚物等。

（2）水分子間的氫鍵的存在，使其分子間有很強的作用力，產生水分子之間的締合作用，使若干簡單的分子轉變為復雜的締合分子。因此，水有很大的表面張力，在25°C時，為71.96N/m；80°C時為62.6N/m；100°C時為58.8N/m。而其他液體的表面張力大多在20-50N/m之間。例如，在對應溫度下，乙醇的表面張力分別為24N/m，31N/m和30N/m。它在許多物質的表面就難于鋪展開，也就是滲透、濕潤性不良，這對于清洗是不利的。在用清洗液進行清洗的過程中，清洗液必須先濕潤物體的表面，再往內部滲透，才能進一步發揮溶解、分散、乳化和剝離等作用。以水為溶劑的某些清洗液是難于滲透到被清洗的整個表面的。當然應該也可以采用某些添加劑（比如表面活性劑）加以克服。

（3）地面和地下水中含有大量的各種鹽和其他雜質，例如鈣鹽、鎂鹽、鐵鹽等等，對清洗效果造成不良的影響。

4.水在工業清洗中的應用

（1）污垢溶劑

可以用水清洗帶極性的污垢，起到溶解、分散作用。包括可溶性無機鹽垢、塵垢、糖垢等。

（2）其他清洗添加劑的溶劑

工業清洗中的大部分清洗添加劑都是以水為溶劑的。例如，酸、堿、鹽、表面活性劑、螯合劑以及某些極性非水溶劑，都是以水為溶劑，配成溶液，用于清洗作業的。

（3）噴射介質

機械清洗中的高壓噴洗，主要是以水為施加壓力的介質，形成高壓噴水清洗技術。

（4）漂洗介質

在經過清洗液清洗后的材料或設備表面，有各種添加劑的殘留物附著，必須加以清除，以免被帶入生產系統內，污染生產原料或產品，或影響下一道工序一如涂刷、電鍍、焊接等的加工質量。為此進行嚴格的漂洗是十分必要的。水是最常用、最低廉的漂洗介質。有時還要求用高純度的水進行漂洗。

5.水中雜質對清洗的危害

（1）金屬離子的危害

①鈣、鎂離子的危害水中的鈣鎂離子對某些清洗劑的清洗效果有明顯的影響，尤其是影響某些表面活性劑清洗液的性能。例如，十二烷基苯磺酸鈉會與鈣鎂離子發生下列反應：

公式P82頁

鈣鎂離子和肥皂中的硬脂酸鈉反應，生成不溶解于水的硬脂酸鈣和硬脂酸鎂，而使肥皂喪失清洗作用：

2C??H??COONa+Ca2+=（C??H??COO）?Ca↓+2Na+

②鐵離子的危害鐵離子包括Fe3+和Fe2+，在中性和堿性水溶液中常以氫氧化亞鐵Fe（OH）?和氫氧化鐵Fe（OH）?的形式存在。當水中的鐵含量比較多時，被清洗的表面，尤其是紙張、纖維、織物等會被染上黃色。鐵的氫氧化物是以膠體狀態懸浮于溶液的，會絮凝、沉積于被清洗表面，而且難于除去。鐵離子能和堿性清洗劑中的磷酸根結合為難溶的磷酸鐵，粘附于被清洗表面，也比較難以清除。而且鐵的離子是鐵細菌的營養源，它的殘留，可能引起鐵細菌的繁殖。此外，三價鐵離子有比較強的氧化性，尤其在酸性清洗劑中，會加速某些金屬如Fe、Cu的腐蝕。例如：

2Fe3++3Cu=2Fe+3Cu2+

2Fe3++Fe=3Fe2+

③銅離子的危害在酸洗液中如果所含Cu2+的濃度比較大，在清洗中，也可能造成鐵、鋅和鋁等金屬的腐蝕：

Cu2++Fe=Cu+Fe2+

Cu2++Zn=Cu+Zn2+

3Cu2++2A1=3Cu+2Al3+

當銅離子的還原產物金屬銅沉積于被清洗的金屬表面時，在設備投入使用后，由于微陰極銅的存在，可能引起設備的穿孔。

④鋁離子的危害水中的鋁離子可與堿性溶液中的氫氧根結合為絮狀A1（OH）?沉淀，粘附于被清洗的表面；當清洗液中有磷酸根時，也生成粘附性很強的磷酸鋁附著于被清洗的表面。

（2）陰離子的危害

水中常常含有Cl-、OH-，CO?2-，HCO?-、PO?3-、HPO?2-、H?PO?、SO?2-，SiO?2-，HSiO?-等陰離子。

①堿度：水中能和強酸發生中和反應，即能接受H+的物質的總量稱為水的堿度。這類物包括：

強堿：氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈣等；

弱堿：氨等；

強堿弱酸鹽：碳酸鈉、碳酸氫鈉、磷酸氫二鈉、硅酸鈉等。

堿度有甲基橙堿度和酚釀堿度兩種測量和表示方法。

以酚酞為指示劑，用強酸滴定水樣至溶液的紅色消失為終點，所消耗酸的量為該水樣的酚酞堿度（P）。

以甲基橙為指示劑，用強酸滴定水樣至溶液的紅色消失為終點，所消耗酸的量為該水樣的甲基橙堿度（M），又稱為水的總堿度。

甲基橙堿度總是大于酚酞堿度。由甲基橙堿度（M）減去酚酞堿度（P），可以判斷水中的OH-、CO?2-、HCO?-等離子的相對含量。

用酸滴定至酚酞指示劑變色，水中發生的主要反應：

OH-+H+=H?O

CO?2-+H+=HCO?-

HCO?-+H+=H?CO?

由于把CO?2-滴定成HCO?-，和把HCO?-滴定成H?CO?所消耗的酸量一樣，而且OH-和HCO?-不會同時存在于同一溶液，因此，當酚酞堿度和甲基橙堿度相等時，表明水中只有OH-離子，不存在CO?2-和HCO?-離子。

如果甲基橙堿度是酚酞堿度的兩倍時，表明水中只有CO?2-離子。如果甲基橙堿度小于酚酞堿度的兩倍時，表明水中有OH-、CO?2-離子，不存在HCO?-。表3-4列出酚酞堿度和甲基橙堿度的相對大小與水中堿度組成的關系。

表3-4P和M的相對大小與堿度組成的關系

表格P84頁

水中的OH-、CO?2-和HCO?-都能和鈣鎂離子生成難溶的鹽垢。

②氯離子：清洗用水中含有氯離子，對于許多被清洗的金屬是有害的。氯離子會引起鈍態金屬的局部腐蝕。因為氯離子容易變形，發生離子極化，極化了的氯離子，有很強的穿透能力。在一定的條件下，氯離子破壞金屬的表面膜，引起孔腐蝕、縫隙腐蝕和應力腐蝕等局部腐蝕。因此，在清洗不銹鋼、鋁等易鈍化的金屬材料和設備時，用于配制清洗液和作為漂洗介質的水，應控制氯離子的含量。

但是，簡單地說氯離子腐蝕金屬是不妥的。因為氯離子并不具備氧化性，是不可能氧化和腐蝕任何金屬的。只有氧化劑與之共存時，氯離子才起到促進腐蝕的作用。工業清洗用的水中含有溶解氧，是氯離子能促進腐蝕，引起局部腐蝕的前提條件。如果水中沒有溶解氧，又不含其他的氧化劑，即使水中的氯離子濃度再大，也不會引起金屬的腐蝕。

水中所溶解的固體的總量稱為水的總溶固量。總溶固量代表水的總含鹽量，又稱為水的鹽度或礦化度。

淡水的總溶固量＜1000mg/L；

咸水的總溶固量1000~30000mg/L；

高鹽水的總溶固量＞30000mg/L。

（3）可溶性氣體的危害

①氧氣：在敞開于大氣中的水系統中，大約含有6?10mg/L的溶解氧。在水中不含有其他的氧化劑的情況下，氧的存在，是清洗液腐蝕金屬的基本原因。

②氨：在中性或堿性的清洗液中，氨的存在對不銹鋼、鋼鐵的腐蝕有一定的抑制作用；但是，在有氧化劑存在的條件下，氨會加速銅的腐蝕。因為，氨對銅離子有配合能力，從而加速銅的溶解。

③二氧化硫：二氧化硫在水中生成亞硫酸，對金屬有明顯的腐蝕作用。

④硫化氫：溶解于水和清洗液的硫化氫，在一定的條件下，可能促進鋼鐵的應力腐蝕、孔蝕等。

（4）油污的危害

含油污的水如果用于配表面活性劑清洗液，將消耗部分表面活性劑發生乳化。如果用于配制不能使油污乳化的清洗液，油污將污染被清洗表面。如果用其作為漂洗介質，漂洗已經清洗過的表面，將使已清洗的表面發生再污染。油污是細菌的營養源，能增加微生物的活性。因此用含油污的水配制的各種清洗液容易變質發臭。

（5）懸浮物的危害

水中的懸浮物指顆粒大于0.1μm的雜質，例如粘土、泥沙等。懸浮物的濃度用濁度表示，即水中微粒物體對光線透過時所發生的阻礙程度。通常以含1mg/L高嶺土或硅藻土的水的濁度規定為1mg/L。并以此為標準溶液，用比較法測定其他水樣的濁度。顯然，濁度大，水中的懸浮物含量多，對于清洗有不良的影響。尤其是漂洗用水中的懸浮物，會造成被清洗表面的再污染。

（6）有機物的危害

水中的有機物通常指腐殖質、纖維素、菌藻、病毒和人為加入的有機添加劑等。在一般的情況下，它們的影響比較小。但是，當清洗食品、醫藥、電子元件等時，必須嚴格凈化，否則會造成嚴重的污染

有機物的含量通常用化學需氧量（COD）和生物需氧量（BOD）表示。

①化學需氧量（COD）：在強酸性、加熱回流的條件下，用高猛酸鉀或碘酸鉀氧化水樣中的有機物，氧化劑的消耗量即為化學需氧量。

②生物耗氧量（BOD）：在一定的條件下使水樣中的有機物在微生物的作用下進行生物氧化，在一定的時間內所消耗的溶解氧的量為生物耗氧量。

水的COD和BOD越大，水中有機物的含量越高。