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簡談酸性與堿性金屬清洗劑

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文章出處:未知責任編輯:admin作者:admin 人氣:發表時間:2019-03-22 15:36

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酸性清洗劑

金屬表面的污垢多種多樣,有油溶性的,也有水溶性的,有金屬銹垢,還有水垢、塵垢等。酸性清洗主要用于清洗金屬表面的無機鹽垢、堿性氧化物和氫氧化物等。常用的酸有無機酸,也有有機酸,其中以鹽酸和硫酸應用最多。

 

在酸洗過程中,酸不僅能溶解污垢,而且也能對無機鹽垢產生作用。酸對無機鹽的作用有兩種,一方面使無機鹽的組成發生變化,一部分轉變為可溶性鹽,如碳酸鈣、碳酸鎂在鹽酸作用下轉化為氯化鈣和氯化鎂。另一部分轉化為新的難溶鹽,但在短時間內組成的新的難溶鹽是分散的,易被清洗掉。如用硫酸清洗碳酸鹽垢生成新的硫酸鹽沉淀:

CaC03+H2S04=CaS04↓+C02↑+H20

MgC03+H2804=MgS04↓+C02↑+H20

 

另一方面,磷酸、檸檬酸等的酸根離子中有多個配位原子,可與二價金屬離子結合成螯合物。酸對金屬銹垢的作用主要是通過酸堿中和反應,使其轉化為易溶于水的鹽。因為金屬銹垢主要是金屬氧化物和氫氧化物。如果酸根對金屬離子具有配合作用,也有利于金屬氧化物的溶解。

 

酸性清洗劑的組成

酸性清洗劑的主要成分是酸,如鹽酸、硫酸、硝酸、氫氟酸、磷酸、氨基磺酸、檸檬酸、乙酸、羥基乙酸、草酸等。最常用的是HCl和H2SO4。為了改善清洗效果,縮短清洗時間,減少酸對被清洗對象的損傷和對環境的污染,還常常添加緩蝕劑、濕潤劑、消泡劑、抑酸霧劑和增厚劑等。這些添加劑中許多都是表面活性劑。

 

(1)酸洗液常用酸

 

①鹽酸 鹽酸是重要的三大強酸之一,是最常用的酸洗介質。在能滿足清洗的基本技術要求的情況下,鹽酸是首選的酸洗介質。常用于碳鋼、銅和銅合金及許多非金屬設備,如換熱器、反應設備、鍋爐、采暖系統等的清洗。鹽酸廉價,清洗效率高,操作危險性小。缺點是鹽酸易揮發,酸霧對人員、設備等的損害較大。另外,鹽酸含有大量氯離子,容易引起鈍性金屬的局部腐蝕,引起奧氏體不銹鋼的應力腐蝕開裂等,不適合于不銹鋼、鋁材的清洗。

②硫酸 硫酸是工業上常用的強酸之一,但在工業清洗中,凡能采用鹽酸的場合,一般不使用硫酸。硫酸一般用于清洗不銹鋼、鋁合金等特殊設備。

③硝酸 硝酸是氧化性酸,不論濃度大小,都具有氧化性,能使鐵、鋁、鉻等易氧化的金屬鈍化。濃硝酸的氧化性更強。另外,硝酸的氧化性有利于把污垢中的許多有機物氧化、分解,使許多難溶的金屬氧化物和鹽溶解,而且溶解速度快。硝酸的缺點是不穩定,遇光和熱分解放出二氧化氮,對人體和環境污染嚴重。硝酸一般應用于不適合使用鹽酸清洗的可鈍化金屬材料,例如鋁、不銹鋼等。

④氫氟酸(HF) 氫氟酸屬弱酸,對基體金屬的損傷較小,但也有一定的腐蝕性。氟化氫對鐵皮等氧化物的溶解速度大,清洗效率高,特別是對硅垢有良好的溶解能力,即使在低溫時,氫氟酸也能溶解硅垢,這是其他酸所不具備的,因此,氫氟酸主要應用于清除硅垢。一般氫氟酸常和鹽酸、硫酸、硝酸和氟氫化銨等混合使用。

⑤磷酸 磷酸的酸性比硫酸、硝酸、鹽酸弱,磷酸鹽除了鉀鹽、鈉鹽和銨鹽以外,大多數難溶于水,影響清洗效果,而且磷酸價格比較高,因此只在對清洗厚的工件有特殊要求時才考慮使用磷酸。

⑥氨基磺酸(NH2S030H) 氨基磺酸由尿素和發煙硫酸或氯磺酸作用制得,無色無臭,毒性也較小。用做清洗介質具有如下特點:

a.為一元固體酸,便于運輸;

b.對金屬的腐蝕性較小,適合于多種金屬材料的清洗,是惟一可用于清洗鍍鋅金屬的酸;

c.對多數金屬鹽的溶解度大,清洗后的產物大多可溶于水;

d.可以和鈣鹽、鎂鹽發生激烈反應,而且所生成的堿土金屬的氨基磺酸鹽在水中能很好地溶解,所以能很好清除水垢;

e.對鐵銹的溶解速度較??;

f.價格比較高。

⑦檸檬酸 檸檬酸是工業清洗中應用最多的有機酸,在化學清洗用酸中,用量僅次于鹽酸。檸檬酸可以溶解鐵和銅的銹垢,一方面因為其離解的氫離子能和堿性氫氧化物作用。另一方面,檸檬酸具有對金屬離子的絡合作用,促進金屬氧化物溶解。檸檬酸根對金屬離子具有配合能力。在檸檬酸洗中,當酸洗液中的鐵離子濃度太大,pH值大于4時,可能生成檸檬酸鐵的沉淀,影響清洗效果,使用時需注意。

 

檸檬酸的價格較高,因此在一般清洗中盡量首選其他酸洗液。檸檬酸主要用于清洗造價比較高的設備表面的氧化物垢,也能溶解碳酸鹽水垢。

另外,在酸洗液中應用的有機酸還有乙酸、乙二胺四乙酸、草酸、羥基乙酸、有機膦酸等,它們也都各有其特點。

 

(2)酸洗液用表面活性劑

在酸洗過程中金屬表面的氧化皮被溶解,同時金屬基體也會被溶解腐蝕,且由于材料表面難溶氧化物的存在,從而形成疤痕狀的點腐蝕,積聚的氫氣擴散到金屬內部會造成嚴重的氫脆現象。為提高酸洗效果,即加速氧化層的溶解,延緩酸對基體的腐蝕,抑制氫原子向基體的擴散,金屬酸洗液中常常加入少量表面活性劑,這是因為加入的表面活性劑會在金屬表面形成一層薄膜,起到一定的緩蝕作用。另外,在酸洗過程中會產生大量酸霧,既影響工人健康又污染環境,還會嚴重腐蝕廠房和設備,為消除或減輕這種危害,可加入抑酸霧劑。抑酸霧劑通常由非離子表面活性劑、羧酸鹽等多種表面活性劑復配而成。其抑霧的機理是表面活性劑分子在溶液表面定向排列,形成單分子表面膜,降低了界面上的蒸氣分壓,抑制了酸霧的產生。常用的bc%c1">抑制劑有十二烷基硫酸鈉、0P乳化劑和尿素等。加入十二烷基硫酸鈉和0P乳化劑對加溫硫酸洗滌,在室溫下用鹽酸退鋅、鎘時所產生的氣體起抑制作用;尿素主要抑制硝酸酸洗時所產生的氮氧化物,如N0和N02。根據表面活性劑在酸洗中所起的作用,常稱為緩蝕劑、抑霧劑或緩蝕抑霧劑。目前國內外研制生產的酸洗緩蝕劑品種較多,有適用于鹽酸的、硫酸的,也有通用的。這些產品通常由硫脲及衍生物、烷基酚聚氧乙烯醚、咪唑啉等多種表面活性劑復配而成,其中有可加速去除氧化皮和污垢的成分;有可在金屬表面形成一層薄膜以防止過度腐蝕和氫原子滲入基體的成分;有利用表面活性劑分子疏水基和親水基在液面定向排列,形成表面膜及雙電層液膜的成分;以及利用發泡作用來抑制酸霧揮發的成分等。如某型號的復配型緩蝕劑為土黃色液體,可溶于酸,溶于水,具有芳香味苦,毒性小??墑視糜詬痔?、銅、鋁等多種材料以及鹽酸、硫酸、氫氟酸及各種有機酸的酸洗,其緩蝕、抑霧效果明顯,能防氫脆,提高材料酸洗后的機械強度,而且使金屬表面光滑平整。

 

(3)其他助劑

 

①緩蝕劑 酸洗液會對金屬表面產生一定的腐蝕,所以酸洗液中也應添加適量的緩蝕劑。酸洗液中常用的緩蝕劑一般是含有0、N、S元素的無機或有機化合物。如烏洛托品、醛一胺縮合物、硫脲及其衍生物、吡啶及其衍生物等。鹽酸中常用的緩蝕劑為烏洛托品,硫酸中常用的緩蝕劑有若丁(即含磷二甲基硫脲、NaCl、糊精、皂角粉組成的混合物)、硫脲、吡啶衍生物等。

②濕潤劑 濕潤劑能排斥固體表面所吸附的氣體,加快液體于固體表面的接觸。主要是非離子表面活性劑和磺酸鹽型陰離子表面活性劑。如平平加、0P乳化劑、Tween80等。

③消泡劑 主要有硅油、Span類非離子表面活性劑、低分子醇等。

④增厚劑 用以增加酸洗介質的稠度,以延長酸洗介質與被清洗表面的作用時間。

 

 

堿性金屬清洗劑

在金屬清洗劑中,堿性清洗劑比酸性清洗劑使用得更廣泛,可以單獨使用,也可以和其他清洗劑交替或混合使用。主要用于清除油脂垢,也用于清除無機鹽、金屬氧化物、有機涂層和蛋白質污垢等。

堿性金屬清洗劑對動植物油脂的去除能力很強,而對礦物性油垢較難去除。為了提高堿性清洗劑的去污能力,常加入少量表面活性劑。采用堿性清洗劑除銹、除垢比采用酸性清洗劑除銹、除垢成本高,速度也慢。但是除對兩性金屬(Al、Zn、Sn)的設備以外,堿性清洗不會造成金屬的嚴重腐蝕,不會引起工件尺寸的明顯改變。

 

堿性金屬洗滌劑的清洗作用

(1)動植物油脂垢的清洗 利用堿類的脫脂洗滌能力去除衣物上的油污,早在肥皂出現之前已被人類應用,如用草木灰(主要成分是碳酸鉀等堿性物質)洗衣物。堿性洗滌劑對油脂性污垢的清洗特別有效。因為它一方面可以使油脂發生皂化,轉變為水溶性的脂肪酸皂;另一方面,動植物油脂中常含有游離脂肪酸,堿可將其中和成脂肪酸皂。脂肪酸皂是一種表面活性劑,可以促進油性污垢的乳化和分散。

動植物油脂的主要化學成分是高碳脂肪酸三甘油酯,同時含有30%左右游離脂肪酸,它們和堿作用的化學方程式如下:

 

(2)礦物性油垢的清洗 礦物性油垢和動植物油脂都被稱為油陛污垢,但它們的結構完全不同??笪鎘偷牡湫徒峁故潛ズ土刺?,為非極性物質,分子中沒有羧基、磺酸基等極性基團存在,因此也成膠粒,這些膠粒對油性污垢有一定的乳化、分散和吸附作用。所以在堿性洗滌液中加入硅酸鹽、聚磷酸鹽這類堿性物質,可促進礦物性油污的去除。

(3)無機鹽垢的清洗 一些難溶于酸和水的無機鹽垢,例如硫酸鈣、硅酸鈣等,和某些堿性清洗劑作用,可以轉化為疏松的易溶于酸的新鹽,以便進一步用酸洗清除。

Caso4+Na2CO3=CaCO3↓+Na2SO4

CaSiO3+Na2CO3=CaCO3↓+NaSio3

(4)金屬銹垢的清洗 含有金屬離子螯合劑的堿性清洗劑,由于螯合劑對金屬離子的螯合作用,也具有一定的溶解金屬氧化物垢章的能力。另一方面,對于兩性金屬氧化物或氫氧化物,例如氧化鋁?氧化鋅?氫氧化鋅?氫氧化鋁等,利用強堿性的清洗液,能使之發生如下反應而溶解?   

ZnO+2NaOH=Na2Zn02+H20

Zn(OH)2+2NaoH——Na2Zn02+H20

(5)有機涂層的清洗 利用強堿的作用,可使待清除的有機涂膜膨脹,松軟,進而清除。

(6)蛋白質污垢的清洗 堿性清洗劑對蛋白質污垢去除也有一定效果。一方面表現為稀的堿性水溶液對蛋白質有很強的溶解分散作用。這是因為有的蛋白質在水中有一定的溶解性。由于組成蛋白質的氨基酸分子中含有羧基等酸性基團和氨基等堿性基團。當二者的數量不等時,在蛋白質分子中就會有過剩的酸性基團或堿性基團。正是這些氨基和羧基的存在,使得蛋白質分子可與酸和堿發生反應。當蛋白質分子上的羧基與堿發生反應后,會使蛋白質分子帶有負電,帶負電的蛋白質分子之間相互排斥,降低了它們分子之間的作用力而增加了水溶性。另一方面,在加熱情況下,用較強的堿性清洗劑處理蛋白質污垢時,會促進蛋白質大分子的水解,生成水溶性小分子氨基酸而溶解。例如頭發這類難溶性蛋白質在5%的氫氧化鈉水溶液中就會溶解。

 

值得注意的是,金屬表面對堿有一定親和力,易于形成堿的表面覆蓋膜,不易被沖洗干凈,必要條件下,可將物件浸入稀酸溶液中中和堿,再用水進行沖洗。

 

堿性金屬清洗劑的組成

堿性清洗液主要由堿性物質組成,而且常是多種堿并用。常用的堿性化合物有氫氧化鈉、碳酸鈉、碳酸氫鈉、硅酸鈉及各種磷酸鹽等。氫氧化鈉是強堿,它可以中和酸性污垢,可以使動植物油脂皂化,也可以使一些難溶鹽轉化而易于酸洗,如:

 

MgS04+2NaOH=Mg(0H)2+Na2S04

CaS04+2NaOH——Ca(OH)2+Na2S04

 

但由于其堿性強,對人體和金屬的腐蝕作用也強,使用時需注意。碳酸鈉是強堿弱酸鹽,水解后呈堿性,它的堿性比氫氧化鈉要弱。碳酸氫鈉是碳酸鈉的酸式鹽,堿性更弱。它們可使油脂疏松、分散、乳化和皂化,從而起到清洗的作用。硅酸鈉水解后堿性接近氫氧化鈉溶液,它不僅可使油脂污垢皂化,而且硅酸鈉水解的硅酸以膠狀形式存在,對污垢有一定的分散和穩定作用。磷酸鹽中最簡單的是磷酸鈉,磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉是磷酸鈉的酸式鹽,此外常用的還有三聚磷酸鈉、焦磷酸鈉等,它們的水溶液呈堿性,有一定的去污能力,更主要的是磷酸鹽有顯著的分散作用,能把顆粒大的污垢很好地分散,另外,磷酸鹽對金屬離子還有一定的螯合作用。

 

除堿性物質外,堿性清洗劑往往還添加少量的表面活性劑。表面活性劑的主要作用就是降低表面張力,乳化、分散污垢,從而顯著提高清洗效率。另一方面,在堿性清洗劑中,大量的無機鹽組分能降低表面活性劑的臨界膠束濃度(cmc),從而提高其表面活性。非離子表面活性劑(如烷基酚聚氧乙烯醚、聚醚等)具有良好的潤濕和滲透能力,加入少量非離子表面活性劑可提高堿性成分對油性污垢、水垢和銹垢的潤濕和滲透能力。另外,還添加少量螯合劑、有機溶劑等。堿性清洗劑的配方隨被清洗材料的種類、污垢的組成、對清洗質量和速度的要求以及清洗條件的不同而不同。

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