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简谈酸性与碱性金属清洗剂

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文章出处:未知责任编辑:admin作者:admin 人气:发表时间:2019-03-22 15:36

简谈酸性与碱性金属清洗剂

酸性清洗剂

金属表面的污垢多种多样,有油溶性的,也有水溶性的,有金属锈垢,还有水垢、尘垢等。酸性清洗主要用于清洗金属表面的无机盐垢、碱性氧化物和氢氧化物等。常用的酸有无机酸,也有有机酸,其中以盐酸和硫酸应用最多。

 

在酸洗过程中,酸不仅能溶解污垢,而且也能对无机盐垢产生作用。酸对无机盐的作用有两种,一方面使无机盐的组成发生变化,一部分转变为可溶性盐,如碳酸钙、碳酸镁在盐酸作用下转化为氯化钙和氯化镁。另一部分转化为新的难溶盐,但在短时间内组成的新的难溶盐是分散的,易被清洗掉。如用硫酸清洗碳酸盐垢生成新的硫酸盐沉淀:

CaC03+H2S04=CaS04↓+C02↑+H20

MgC03+H2804=MgS04↓+C02↑+H20

 

另一方面,磷酸、柠檬酸等的酸根离子中有多个配位原子,可与二价金属离子结合成螯合物。酸对金属锈垢的作用主要是通过酸碱中和反应,使其转化为易溶于水的盐。因为金属锈垢主要是金属氧化物和氢氧化物。如果酸根对金属离子具有配合作用,也有利于金属氧化物的溶解。

 

酸性清洗剂的组成

酸性清洗剂的主要成分是酸,如盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸、磷酸、氨基磺酸、柠檬酸、乙酸、羟基乙酸、草酸等。最常用的是HCl和H2SO4。为了改善清洗效果,缩短清洗时间,减少酸对被清洗对象的损伤和对环境的污染,还常常添加缓蚀剂、湿润剂、消泡剂、抑酸雾剂和增厚剂等。这些添加剂中许多都是表面活性剂。

 

(1)酸洗液常用酸

 

①盐酸 盐酸是重要的三大强酸之一,是最常用的酸洗介质。在能满足清洗的基本技术要求的情况下,盐酸是首选的酸洗介质。常用于碳钢、铜和铜合金及许多非金属设备,如换热器、反应设备、锅炉、采暖系统等的清洗。盐酸廉价,清洗效率高,操作危险性小。缺点是盐酸易挥发,酸雾对人员、设备等的损害较大。另外,盐酸含有大量氯离子,容易引起钝性金属的局部腐蚀,引起奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂等,不适合于不锈钢、铝材的清洗。

②硫酸 硫酸是工业上常用的强酸之一,但在工业清洗中,凡能采用盐酸的场合,一般不使用硫酸。硫酸一般用于清洗不锈钢、铝合金等特殊设备。

③硝酸 硝酸是氧化性酸,不论浓度大小,都具有氧化性,能使铁、铝、铬等易氧化的金属钝化。浓硝酸的氧化性更强。另外,硝酸的氧化性有利于把污垢中的许多有机物氧化、分解,使许多难溶的金属氧化物和盐溶解,而且溶解速度快。硝酸的缺点是不稳定,遇光和热分解放出二氧化氮,对人体和环境污染严重。硝酸一般应用于不适合使用盐酸清洗的可钝化金属材料,例如铝、不锈钢等。

④氢氟酸(HF) 氢氟酸属弱酸,对基体金属的损伤较小,但也有一定的腐蚀性。氟化氢对铁皮等氧化物的溶解速度大,清洗效率高,特别是对硅垢有良好的溶解能力,即使在低温时,氢氟酸也能溶解硅垢,这是其他酸所不具备的,因此,氢氟酸主要应用于清除硅垢。一般氢氟酸常和盐酸、硫酸、硝酸和氟氢化铵等混合使用。

⑤磷酸 磷酸的酸性比硫酸、硝酸、盐酸弱,磷酸盐除了钾盐、钠盐和铵盐以外,大多数难溶于水,影响清洗效果,而且磷酸价格比较高,因此只在对清洗厚的工件有特殊要求时才考虑使用磷酸。

⑥氨基磺酸(NH2S030H) 氨基磺酸由尿素和发烟硫酸或氯磺酸作用制得,无色无臭,毒性也较小。用做清洗介质具有如下特点:

a.为一元固体酸,便于运输;

b.对金属的腐蚀性较小,适合于多种金属材料的清洗,是惟一可用于清洗镀锌金属的酸;

c.对多数金属盐的溶解度大,清洗后的产物大多可溶于水;

d.可以和钙盐、镁盐发生激烈反应,而且所生成的碱土金属的氨基磺酸盐在水中能很好地溶解,所以能很好清除水垢;

e.对铁锈的溶解速度较小;

f.价格比较高。

⑦柠檬酸 柠檬酸是工业清洗中应用最多的有机酸,在化学清洗用酸中,用量仅次于盐酸。柠檬酸可以溶解铁和铜的锈垢,一方面因为其离解的氢离子能和碱性氢氧化物作用。另一方面,柠檬酸具有对金属离子的络合作用,促进金属氧化物溶解。柠檬酸根对金属离子具有配合能力。在柠檬酸洗中,当酸洗液中的铁离子浓度太大,pH值大于4时,可能生成柠檬酸铁的沉淀,影响清洗效果,使用时需注意。

 

柠檬酸的价格较高,因此在一般清洗中尽量首选其他酸洗液。柠檬酸主要用于清洗造价比较高的设备表面的氧化物垢,也能溶解碳酸盐水垢。

另外,在酸洗液中应用的有机酸还有乙酸、乙二胺四乙酸、草酸、羟基乙酸、有机膦酸等,它们也都各有其特点。

 

(2)酸洗液用表面活性剂

在酸洗过程中金属表面的氧化皮被溶解,同时金属基体也会被溶解腐蚀,且由于材料表面难溶氧化物的存在,从而形成疤痕状的点腐蚀,积聚的氢气扩散到金属内部会造成严重的氢脆现象。为提高酸洗效果,即加速氧化层的溶解,延缓酸对基体的腐蚀,抑制氢原子向基体的扩散,金属酸洗液中常常加入少量表面活性剂,这是因为加入的表面活性剂会在金属表面形成一层薄膜,起到一定的缓蚀作用。另外,在酸洗过程中会产生大量酸雾,既影响工人健康又污染环境,还会严重腐蚀厂房和设备,为消除或减轻这种危害,可加入抑酸雾剂。抑酸雾剂通常由非离子表面活性剂、羧酸盐等多种表面活性剂复配而成。其抑雾的机理是表面活性剂分子在溶液表面定向排列,形成单分子表面膜,降低了界面上的蒸气分压,抑制了酸雾的产生。常用的bc%c1">抑制剂有十二烷基硫酸钠、0P乳化剂和尿素等。加入十二烷基硫酸钠和0P乳化剂对加温硫酸洗涤,在室温下用盐酸退锌、镉时所产生的气体起抑制作用;尿素主要抑制硝酸酸洗时所产生的氮氧化物,如N0和N02。根据表面活性剂在酸洗中所起的作用,常称为缓蚀剂、抑雾剂或缓蚀抑雾剂。目前国内外研制生产的酸洗缓蚀剂品种较多,有适用于盐酸的、硫酸的,也有通用的。这些产品通常由硫脲及衍生物、烷基酚聚氧乙烯醚、咪唑啉等多种表面活性剂复配而成,其中有可加速去除氧化皮和污垢的成分;有可在金属表面形成一层薄膜以防止过度腐蚀和氢原子渗入基体的成分;有利用表面活性剂分子疏水基和亲水基在液面定向排列,形成表面膜及双电层液膜的成分;以及利用发泡作用来抑制酸雾挥发的成分等。如某型号的复配型缓蚀剂为土黄色液体,可溶于酸,溶于水,具有芳香味苦,毒性小。可适用于钢铁、铜、铝等多种材料以及盐酸、硫酸、氢氟酸及各种有机酸的酸洗,其缓蚀、抑雾效果明显,能防氢脆,提高材料酸洗后的机械强度,而且使金属表面光滑平整。

 

(3)其他助剂

 

①缓蚀剂 酸洗液会对金属表面产生一定的腐蚀,所以酸洗液中也应添加适量的缓蚀剂。酸洗液中常用的缓蚀剂一般是含有0、N、S元素的无机或有机化合物。如乌洛托品、醛一胺缩合物、硫脲及其衍生物、吡啶及其衍生物等。盐酸中常用的缓蚀剂为乌洛托品,硫酸中常用的缓蚀剂有若丁(即含磷二甲基硫脲、NaCl、糊精、皂角粉组成的混合物)、硫脲、吡啶衍生物等。

②湿润剂 湿润剂能排斥固体表面所吸附的气体,加快液体于固体表面的接触。主要是非离子表面活性剂和磺酸盐型阴离子表面活性剂。如平平加、0P乳化剂、Tween80等。

③消泡剂 主要有硅油、Span类非离子表面活性剂、低分子醇等。

④增厚剂 用以增加酸洗介质的稠度,以延长酸洗介质与被清洗表面的作用时间。

 

 

碱性金属清洗剂

在金属清洗剂中,碱性清洗剂比酸性清洗剂使用得更广泛,可以单独使用,也可以和其他清洗剂交替或混合使用。主要用于清除油脂垢,也用于清除无机盐、金属氧化物、有机涂层和蛋白质污垢等。

碱性金属清洗剂对动植物油脂的去除能力很强,而对矿物性油垢较难去除。为了提高碱性清洗剂的去污能力,常加入少量表面活性剂。采用碱性清洗剂除锈、除垢比采用酸性清洗剂除锈、除垢成本高,速度也慢。但是除对两性金属(Al、Zn、Sn)的设备以外,碱性清洗不会造成金属的严重腐蚀,不会引起工件尺寸的明显改变。

 

碱性金属洗涤剂的清洗作用

(1)动植物油脂垢的清洗 利用碱类的脱脂洗涤能力去除衣物上的油污,早在肥皂出现之前已被人类应用,如用草木灰(主要成分是碳酸钾等碱性物质)洗衣物。碱性洗涤剂对油脂性污垢的清洗特别有效。因为它一方面可以使油脂发生皂化,转变为水溶性的脂肪酸皂;另一方面,动植物油脂中常含有游离脂肪酸,碱可将其中和成脂肪酸皂。脂肪酸皂是一种表面活性剂,可以促进油性污垢的乳化和分散。

动植物油脂的主要化学成分是高碳脂肪酸三甘油酯,同时含有30%左右游离脂肪酸,它们和碱作用的化学方程式如下:

 

(2)矿物性油垢的清洗 矿物性油垢和动植物油脂都被称为油陛污垢,但它们的结构完全不同。矿物油的典型结构是饱和链烃,为非极性物质,分子中没有羧基、磺酸基等极性基团存在,因此也成胶粒,这些胶粒对油性污垢有一定的乳化、分散和吸附作用。所以在碱性洗涤液中加入硅酸盐、聚磷酸盐这类碱性物质,可促进矿物性油污的去除。

(3)无机盐垢的清洗 一些难溶于酸和水的无机盐垢,例如硫酸钙、硅酸钙等,和某些碱性清洗剂作用,可以转化为疏松的易溶于酸的新盐,以便进一步用酸洗清除。

Caso4+Na2CO3=CaCO3↓+Na2SO4

CaSiO3+Na2CO3=CaCO3↓+NaSio3

(4)金属锈垢的清洗 含有金属离子螯合剂的碱性清洗剂,由于螯合剂对金属离子的螯合作用,也具有一定的溶解金属氧化物垢章的能力。另一方面,对于两性金属氧化物或氢氧化物,例如氧化铝、氧化锌、氢氧化锌、氢氧化铝等,利用强碱性的清洗液,能使之发生如下反应而溶解。   

ZnO+2NaOH=Na2Zn02+H20

Zn(OH)2+2NaoH——Na2Zn02+H20

(5)有机涂层的清洗 利用强碱的作用,可使待清除的有机涂膜膨胀,松软,进而清除。

(6)蛋白质污垢的清洗 碱性清洗剂对蛋白质污垢去除也有一定效果。一方面表现为稀的碱性水溶液对蛋白质有很强的溶解分散作用。这是因为有的蛋白质在水中有一定的溶解性。由于组成蛋白质的氨基酸分子中含有羧基等酸性基团和氨基等碱性基团。当二者的数量不等时,在蛋白质分子中就会有过剩的酸性基团或碱性基团。正是这些氨基和羧基的存在,使得蛋白质分子可与酸和碱发生反应。当蛋白质分子上的羧基与碱发生反应后,会使蛋白质分子带有负电,带负电的蛋白质分子之间相互排斥,降低了它们分子之间的作用力而增加了水溶性。另一方面,在加热情况下,用较强的碱性清洗剂处理蛋白质污垢时,会促进蛋白质大分子的水解,生成水溶性小分子氨基酸而溶解。例如头发这类难溶性蛋白质在5%的氢氧化钠水溶液中就会溶解。

 

值得注意的是,金属表面对碱有一定亲和力,易于形成碱的表面覆盖膜,不易被冲洗干净,必要条件下,可将物件浸入稀酸溶液中中和碱,再用水进行冲洗。

 

碱性金属清洗剂的组成

碱性清洗液主要由碱性物质组成,而且常是多种碱并用。常用的碱性化合物有氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、硅酸钠及各种磷酸盐等。氢氧化钠是强碱,它可以中和酸性污垢,可以使动植物油脂皂化,也可以使一些难溶盐转化而易于酸洗,如:

 

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

CaS04+2NaOH——Ca(OH)2+Na2S04

 

但由于其碱性强,对人体和金属的腐蚀作用也强,使用时需注意。碳酸钠是强碱弱酸盐,水解后呈碱性,它的碱性比氢氧化钠要弱。碳酸氢钠是碳酸钠的酸式盐,碱性更弱。它们可使油脂疏松、分散、乳化和皂化,从而起到清洗的作用。硅酸钠水解后碱性接近氢氧化钠溶液,它不仅可使油脂污垢皂化,而且硅酸钠水解的硅酸以胶状形式存在,对污垢有一定的分散和稳定作用。磷酸盐中最简单的是磷酸钠,磷酸氢二钠、磷酸二氢钠是磷酸钠的酸式盐,此外常用的还有三聚磷酸钠、焦磷酸钠等,它们的水溶液呈碱性,有一定的去污能力,更主要的是磷酸盐有显著的分散作用,能把颗粒大的污垢很好地分散,另外,磷酸盐对金属离子还有一定的螯合作用。

 

除碱性物质外,碱性清洗剂往往还添加少量的表面活性剂。表面活性剂的主要作用就是降低表面张力,乳化、分散污垢,从而显著提高清洗效率。另一方面,在碱性清洗剂中,大量的无机盐组分能降低表面活性剂的临界胶束浓度(cmc),从而提高其表面活性。非离子表面活性剂(如烷基酚聚氧乙烯醚、聚醚等)具有良好的润湿和渗透能力,加入少量非离子表面活性剂可提高碱性成分对油性污垢、水垢和锈垢的润湿和渗透能力。另外,还添加少量螯合剂、有机溶剂等。碱性清洗剂的配方随被清洗材料的种类、污垢的组成、对清洗质量和速度的要求以及清洗条件的不同而不同。

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