水作為清洗溶劑的特點

一、水

1.水（shuǐ）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（liè）成以兩個氫原子為底，以氧（yǎng）原子為（wéi）頂的等腰三角形，如圖3-1。分子中正負電荷中心相（xiàng）互分（fèn）離，其偶（ǒu）極矩（jǔ）µ很大，µ=6.14X10^-30C•m，因此水分子具（jù）有（yǒu）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，由於H—0之間的電子雲強（qiáng）烈地偏向電負性很大的氧原子，使氫原子核裸露，產生剩餘價鍵，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（tú）3-2水分子間氫鍵（jiàn）的形成示意圖

圖P79頁

2.水（shuǐ）的性能特點

由於水分子有（yǒu）很強的極性，水分子之間又有氫鍵，因此（cǐ），水在許多方麵表現出很特殊的（de）性質，比如沸點、比熱容、汽化熱、溶解性、表麵張力等性質。

（1）水有優（yōu）良的分散溶解能力（lì）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（zhì）分子接觸時，水分子和它們的離子或極性分（fèn）子（zǐ）相互吸引，並由（yóu）於質點的熱運動，使電解質分散、溶解或離解於水（shuǐ）。溶解（jiě）於水（shuǐ）並電離（lí）的離子，又能與水分子結合，即發生（shēng）水化作用，成為水合離（lí）子，分散於水中。水合過程是放熱過程，可使溶解於水溶液的離子穩定。因此，水是大多（duō）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（jù）有極性的有機化合物也（yě）有強烈的相（xiàng）互作用，水分子與分（fèn）子中有強電負性元素的其他有機化合物分子，如醇、胺、有（yǒu）機酸、蛋白質等也會形成氫鍵，有利於這（zhè）些有機物在水中的（de）溶解，因此，水也可用於清洗某些有機化合物。

灰塵、土壤等是含無機鹽（yán）的混合物，在一定（dìng）程度上也可分散（sàn）於水中成懸浮液，部分（fèn）溶解於水。

（2）水有較（jiào）大的汽化熱（rè）和（hé）比（bǐ）熱容（róng）由表3-1和表3-2可見，水的汽（qì）化熱和比（bǐ）熱容（róng）比許（xǔ）多其他的溶劑大。溫度（dù）每升（shēng）高1°C或降低（dī）1°C，水所吸收或放出的熱量比同質量的其他溶劑（jì）多，因此水是常用作冷卻（què）、傳熱等的良好載體。

（3）水有接近於常溫的沸點和凝固點在0〜100°C之（zhī）間，水都是小粘度的液體，便於使用常規的方法（fǎ）控製清洗溫度，進行清洗作業。又由於0〜100°C，接近常溫，便於在水蒸氣一液態水一固體冰三態和能量（liàng）之（zhī）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（róng）

圖P80頁

（4）水有適中的蒸氣壓有一定的蒸氣壓和揮發性（xìng），有利於清洗後表麵幹燥。水的蒸氣（qì）壓和溫度的關（guān）係見表3-3。

（5）水有不可燃燒性這是大（dà）多（duō）數非水溶劑所不（bú）具備的。

（6）水是（shì）無色、無毒（dú）、無臭、無味的液體。

（7）水有特殊的體積一溫度關係（xì）一般液體的體積，隨溫度升高而增加。但是，由於水分子間的氫鍵數和締合水分子數隨溫（wēn）度（dù）變化而變化，因（yīn）此4°C時（shí）其體積最小，密度最大，溫度低於或高於4°C時的密度變小。

3.水的（de）局（jú）限性

作為清洗介質，水也存在一些不利於清洗的性質。

表3-3水（shuǐ）的蒸氣壓

圖P81頁

（1）水是強極性分子，對非極性（xìng）或極性小的汙垢的溶解分散作用很差，因此單獨用水難以清（qīng）洗油汙（wū）、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（shēng）水分子之間的締合作用，使若幹簡單的分子轉變為複雜的締合分子。因此（cǐ），水有很（hěn）大的表麵張力，在25°C時，為71.96N/m；80°C時為62.6N/m；100°C時為58.8N/m。而（ér）其（qí）他液體（tǐ）的表麵張力大多在20-50N/m之間。例如，在對應（yīng）溫度（dù）下，乙醇的表麵（miàn）張力分別為24N/m，31N/m和30N/m。它在許多（duō）物質的表麵就難於（yú）鋪展開，也就是滲透、濕潤性不良，這對於清（qīng）洗是不利的。在（zài）用清洗液（yè）進行清洗（xǐ）的過程中，清洗液（yè）必須先濕潤（rùn）物體的表麵，再往內部滲透，才（cái）能進一步發（fā）揮溶解、分散、乳化和剝離（lí）等作用。以水為溶劑的某些清（qīng）洗液是難於滲透到被清洗的整個表麵的。當然應該也可以采用某些添（tiān）加劑（比如（rú）表麵活性（xìng）劑）加以克服（fú）。

（3）地麵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（de）應（yīng）用

（1）汙垢溶劑

可以用水清洗帶極（jí）性的汙（wū）垢，起到溶解、分散作用（yòng）。包括可溶性無機鹽垢、塵垢、糖垢等（děng）。

（2）其他（tā）清洗添加劑的溶劑

工業清洗中的大部分清洗（xǐ）添加劑都是以（yǐ）水為溶劑的。例（lì）如，酸、堿（jiǎn）、鹽、表麵活性劑、螯合劑以及某些極（jí）性非水（shuǐ）溶劑，都是以水為溶劑，配成溶液（yè），用於清洗作業的。

（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（jì）術。

（4）漂洗介質

在經（jīng）過清（qīng）洗液清洗後的材料或設（shè）備表麵，有（yǒu）各種添加劑的殘留物附著，必（bì）須加以清（qīng）除（chú），以免被帶入生產係統（tǒng）內，汙染生產原（yuán）料或產品，或影響下一（yī）道工序一如塗刷、電鍍、焊接等的加工質量。為此進行（háng）嚴格的漂洗是十分必（bì）要的。水是最（zuì）常用、最低廉的漂洗（xǐ）介質。有時還要求用高純度的（de）水進行漂洗。

5.水（shuǐ）中雜質對清洗的危（wēi）害

（1）金屬離子的危害（hài）

①鈣、鎂離子的危害水中（zhōng）的鈣（gài）鎂離子對某些清洗劑的清洗效果有明顯的（de）影響，尤其是影響某（mǒu）些表麵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（shēng）下列反應：

公（gōng）式P82頁（yè）

鈣鎂離子和肥皂中的硬脂酸鈉（nà）反應，生成不溶解於水的硬脂酸鈣和硬脂（zhī）酸鎂，而（ér）使肥皂喪失清洗作用：

2C₁₇H₃₅COONa+Ca²+=（C₁₇H₃₅COO）₂Ca↓+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）₂和氫氧化鐵（tiě）Fe（OH）₃的形式存在。當水中（zhōng）的鐵（tiě）含量比較多時，被清洗的表（biǎo）麵，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（tài）懸（xuán）浮於溶液的，會絮凝、沉積於被清洗表（biǎo）麵，而（ér）且難於（yú）除去。鐵離子能和堿性清洗劑中的磷酸根結合為難溶的（de）磷酸鐵，粘附於被清洗表麵，也比較（jiào）難以清除。而（ér）且鐵（tiě）的離子是鐵細菌的營養源，它的（de）殘留，可能（néng）引起鐵細菌（jun1）的繁殖。此外，三（sān）價鐵離子有比較強的氧化性，尤其在酸性清（qīng）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（suān）洗液中如果所含Cu2+的濃度比較大，在清洗中（zhōng），也（yě）可能造（zào）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（hái）原產物金（jīn）屬銅（tóng）沉積於被清洗的金屬表（biǎo）麵時，在設備投入使用後，由於微陰極銅的存在，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（róng）液中（zhōng）的氫氧根結合為絮狀A1（OH）₃沉澱，粘（zhān）附於被清洗的表麵；當清洗液中有磷酸根時（shí），也生成粘附性很強的磷酸鋁附著（zhe）於被清洗（xǐ）的表麵。

（2）陰離子的危害

水中常常含有Cl-、OH-，CO₃²-，HCO₃-、PO₄³-、HPO₄²-、H₂PO₄、SO₄²-，SiO₃²-，HSiO₃-等陰離子。

①堿度：水中能和強酸發生中和反應（yīng），即能接受H+的物質的總量稱為（wéi）水的（de）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（ruò）酸鹽（yán）：碳酸鈉、碳酸氫鈉、磷酸（suān）氫二鈉、矽酸鈉等（děng）。

堿度有甲（jiǎ）基橙堿度（dù）和酚釀堿度兩種測量和（hé）表示方法。

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

以甲基（jī）橙為指（zhǐ）示劑，用（yòng）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（jī）橙堿度總是大於（yú）酚酞堿度。由甲基橙堿（jiǎn）度（M）減去酚酞堿度（P），可以判斷（duàn）水中的OH-、CO₃²-、HCO₃-等離子的相對含量。

用（yòng）酸滴定至（zhì）酚酞指示劑（jì）變色，水中發（fā）生的主要反應：

OH-+H+=H₂O

CO₃²-+H+=HCO₃-

HCO₃-+H+=H₂CO₃

由於把CO₃²-滴定成HCO₃-，和把HCO₃-滴定成H₂CO₃所消耗的酸量一樣，而且OH-和HCO₃-不會同時存在於（yú）同一溶液，因此，當（dāng）酚酞堿度和甲基橙堿度相等時，表明水中隻有OH-離子（zǐ），不存在CO₃²-和HCO₃-離子。

如果甲基橙（chéng）堿度是酚酞堿度的兩倍時，表（biǎo）明（míng）水中隻有CO₃²-離子。如果甲基橙堿度小於酚酞堿度的（de）兩倍時，表明水中有OH-、CO₃²-離（lí）子，不存在HCO₃-。表3-4列出酚酞堿（jiǎn）度（dù）和（hé）甲基橙堿（jiǎn）度的相對大小與水中（zhōng）堿度組成的關係。

表3-4P和M的相對大小（xiǎo）與堿度組成的關係

表（biǎo）格P84頁

水中的（de）OH-、CO₃²-和HCO₃-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，對於許多被清洗的金（jīn）屬是有害的。氯離子會引起鈍（dùn）態金（jīn）屬的局部腐（fǔ）蝕。因為氯離子（zǐ）容易變（biàn）形，發生離子極（jí）化，極化了的氯離子，有很強的穿透（tòu）能力。在一定的條件下，氯離子破壞金屬（shǔ）的表麵膜（mó），引起孔腐蝕、縫隙腐蝕（shí）和應力腐蝕等（děng）局部腐蝕。因此，在清洗不鏽鋼、鋁（lǚ）等易鈍化的金屬材料和設備（bèi）時，用於配製（zhì）清洗液和作為漂洗介質的水，應控（kòng）製氯（lǜ）離子的含量。

但是，簡單地說氯離子腐蝕金屬（shǔ）是不妥的。因（yīn）為氯離子並不具備氧化性，是不可能氧化和腐（fǔ）蝕任何金屬的。隻有氧化劑與之共存時，氯離子才（cái）起（qǐ）到促進腐蝕的作用。工業清洗用的（de）水中含有（yǒu）溶解（jiě）氧，是氯離子（zǐ）能促進腐蝕（shí），引起局部腐蝕的前提條（tiáo）件。如果水中沒有溶解氧，又不含其他的氧（yǎng）化劑，即使水中的氯離子濃度再大，也不會引起金（jīn）屬的腐蝕。

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

淡（dàn）水的總溶固量＜1000mg/L；

鹹水的總溶固量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：在敞開於大氣中的水係統中，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（cún）在，是清洗液腐蝕金屬的基本原因。

②氨：在中性（xìng）或堿性的清洗（xǐ）液（yè）中（zhōng），氨的存在（zài）對不鏽鋼、鋼（gāng）鐵的腐蝕（shí）有一定的抑製作用；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（néng）力，從而加速銅的（de）溶解。

③二氧化硫：二氧（yǎng）化硫在水中生成亞硫酸，對（duì）金屬有（yǒu）明顯的腐（fǔ）蝕（shí）作用。

④硫化氫：溶解於水和清洗液的硫化氫，在一（yī）定的條件下，可能促進鋼（gāng）鐵的應力腐蝕（shí）、孔蝕等（děng）。

（4）油汙的危害

含（hán）油汙的水如果用於配表麵活性劑清洗液，將消耗部分表麵活性（xìng）劑發生乳化。如果用於配製不能使油汙乳化的清洗液，油汙將汙染被清洗表麵。如果用其（qí）作為漂洗介質，漂洗（xǐ）已經清洗過的表（biǎo）麵，將使已清洗的表麵發生再汙染。油汙是細（xì）菌的營養源，能增加微生物的活性（xìng）。因此用含油汙的水配製的各種（zhǒng）清洗液容易變質發臭。

（5）懸浮物的危（wēi）害

水中（zhōng）的懸浮物指顆粒大於0.1µm的雜質（zhì），例如粘土、泥沙等。懸浮物的濃度用濁度表示，即水（shuǐ）中微（wēi）粒物體對光線透過時所發生的阻礙程度。通常以（yǐ）含1mg/L高嶺土或矽藻土的水的濁度（dù）規定（dìng）為1mg/L。並以此為標準溶液，用比較法測（cè）定（dìng）其他水樣的濁度（dù）。顯然，濁度大，水中的懸浮物含量多，對於清洗（xǐ）有不良的影響（xiǎng）。尤其是漂洗用水中（zhōng）的懸浮物，會造成被（bèi）清洗表（biǎo）麵的再汙染。

（6）有機物的危害

水中的有機物通常指腐殖質、纖（xiān）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（tā）們的影響比較小。但是，當清洗食品、醫藥、電子元件等時，必須嚴格淨化，否則會造成嚴重的汙染

有機（jī）物的含量通常用（yòng）化學需氧量（COD）和生物需氧量（BOD）表示。

①化學需氧（yǎng）量（COD）：在強酸性、加熱回流的條件下（xià），用（yòng）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（zài）一定的條件下使水樣中的有機物在微（wēi）生物的作用下進行生物氧化（huà），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（yǒu）機物的含量越高。