清洗過程中的基本物理作用

一、吸附作用

利用汙垢對不同的物質表麵親和力的差別，在氣體（tǐ）或流體介質中（zhōng）將汙垢從原（yuán）來附（fù）著的物體表麵轉移到另一物（wù）質表麵，達到去除汙垢的目的，這種（zhǒng）清洗過（guò）程叫做吸附清洗。適合這種目的而使用的物質叫吸附劑，被吸附的物質（去除（chú）的（de）汙垢）叫吸附物。

1.固體表麵的吸附特性

能夠吸附氣體或溶液中的溶質是（shì）固體表麵的一種特征性質（zhì）。一種（zhǒng）物質以原子或分子形式附著在另一種物質（zhì）表麵上的現象稱為吸附。吸附在工業生產和日常生（shēng）活中都有著許多應用。例如工（gōng）業上利（lì）用吸附作用精煉石油和植物油，幹燥（zào）、脫（tuō）水、分離回收氣體和液（yè）體，使糖或其他（tā）帶色物質脫色，濾除空氣中有害的（de）毒氣等，都是吸附特性的應用（yòng）。

固體能將氣體分子或液體（tǐ）分子（zǐ）吸附到自己表（biǎo）麵上，這是與固體表（biǎo）麵具有過剩的能量（liàng）（表麵能）有關。固（gù）體表麵的質點與液體（tǐ）表麵的質點一樣處於受力不平衡（héng）狀態。固體內部的每個微粒（原子、分子和（hé）離子）在各個方向上（shàng）都被相同的微粒包圍（wéi）著，它們之間作用力相（xiàng）等，處於平衡狀態。但固體表麵上的各個粒子與氣相或溶液（yè）接觸的向外一方的吸引力並沒有被（bèi）平（píng）衡，存在剩餘的力場。這種不平衡的力場，可以通過吸附別的分（fèn）子而得到某種程度的補償，從而使固體表麵能降低。因此固體表麵都具有自動吸附那些能夠降低它表麵能量的物質。固體表（biǎo）麵積（jī）越大，表麵能量越高（gāo），吸附的趨（qū）勢也越強。由於氣體（tǐ）（或溶質）被吸附可看作是一個液化過程，所以（yǐ）吸附過程都（dōu）是放（fàng）熱的過程。

2.物理吸（xī）附和化學吸附的特點

吸附按作用力的（de）性質（zhì）分可為物理吸附與（yǔ）化學吸附兩類。

（1）物理吸附（fù）

如果固體表麵的質點所有的化學結合（hé）力已被相（xiàng）鄰質點所飽和，這時固體表麵的質點和吸附物之間隻能靠（kào）分子間作用力（範德華力）相互（hù）吸（xī）引。這（zhè）類吸附稱為物理吸附。分子間引力是普遍存在（zài）於物質之（zhī）間的一種作用力，根（gēn）據性質的不同可分為取向力、極（jí）化力及色散力三（sān）種。

分子（zǐ）中的原子是由帶正電的（de）原子核和核外帶負電的電子組成的（de）。如果帶正電荷的（de）中

心與帶（dài）負電荷的中心恰好重合，則這種分子叫做非極性分子，如氫氣、氯氣及二氧化碳分子。如正電中心與負電中心不相（xiàng）重合，則（zé）這種分子叫極性（xìng）分子，如（rú）二氧化硫、氨和（hé）水分子等。分子（zǐ）中（zhōng）正負電荷中心相距越遠，分子的極性越強。

在非（fēi）極性分（fèn）子之間隻存在（zài）色散（sàn）力，極性分子和非極性分子之間存在色散力和誘導力，在極性分子間存在色散力、誘導力和取向力。這些分子間作用力的總稱為分子間力，又稱範德華（huá）力，其中（zhōng）色（sè）散力是所有分子之間都存在（zài）的，一般也是（shì）最主要的（de）分子間作用力。

分子間力的強度一（yī）般是化學鍵力的幾十到幾百分之一，隨分子間距離的加大而迅速減小。分（fèn）子（zǐ）間力普遍存在於各（gè）種（zhǒng）分子（zǐ）之間，對物（wù）質的性質特別是熔點、沸點、溶解性等物理性質有很大影響。

靠分子間作用力產生的物理吸附有以（yǐ）下特點。

①無選擇性由於分子間力是普遍存在於吸附劑（jì）與（yǔ）吸附物之（zhī）間的（de），所（suǒ）以吸附劑可以對多（duō）種不同吸附物同（tóng）時進行吸附而無法選（xuǎn）擇。

②越易液化的氣體越易被吸附雖然（rán）物理（lǐ）吸附對吸附物無選擇性，但（dàn）吸（xī）附劑（jì）與不同吸附物之（zhī）間分子間引力大小也不同（tóng），因此被同種吸附劑吸附的不同吸附物的數量卻不同，一般說來其規律是越易（yì）液化的氣體（即沸點較高的液體）越易被吸附。

③吸附熱小由於物理（lǐ）吸附類似於（yú）氣態分子的液化凝聚，所放的熱相當於氣體液化熱（rè），所以吸附熱數（shù）值較小。

④吸附物可形成單分子（zǐ）層或多分子層（céng）在吸附劑表麵靠分子間作用（yòng）力形成一層吸附物（wù）後，由（yóu）於分子間作用力起作用的距離範圍小，所以吸附劑隻對第一層吸附物有較強的吸引作用，而形成的第（dì）一層（céng）吸附物成為吸附第二層吸附物分子的障礙。一般第二層被吸附分子與吸附（fù）劑（jì）的結（jié）合力要比第一層結合力弱，因此吸附物往往隻形成單分子（zǐ）吸附層。有時也可（kě）以形成多分子吸附層，則外層（céng）的形成主要是靠被吸附物質之間的分子間作用力相結（jié）合的。

⑤物理吸附是一個可（kě）逆（nì）過程把吸附物分子從固體表（biǎo）麵解離（lí）下來重新（xīn）回（huí）到氣相或溶液（yè）的吸附（fù）逆過程（chéng）叫解吸。解吸過程是一吸熱過（guò）程。當吸附到一定時間以後（hòu），吸附（fù）和解吸（xī）的速度（dù）相同（tóng），在吸附劑的表麵上被吸附物的數量不再變（biàn）化，這種狀態稱為吸附平衡。

（2）化（huà）學吸附

如果固（gù）體表麵的原子的化學結合力未完全被相鄰原子所飽和，還有剩餘的形成化學（xué）鍵的能力，則在吸（xī）附（fù）劑與吸附（fù）物之（zhī）間可以（yǐ）發生電子轉移，形成化學鍵。這種靠（kào）化學鍵結合的（de）吸附稱為化學吸附，化（huà）學吸附有以下特點。

①選擇性（xìng）由於吸附劑隻與某些特定的吸附物發生化學鍵結合，所以化學（xué）吸附不（bú）能在所有物質間普遍發生，而是有選擇性的。如氫氣會被鉤（gōu）或（huò）鐮的金屬表麵化學吸附，但它在鋁和銅的表麵則不發生化學吸附。

②吸附熱大由於化學吸附相當於形成化學鍵的化學反應，因此化學吸附（fù）放的熱（rè）與化學反應放（fàng）的熱相接近，而大於物理吸附熱。

③隻形成單分子層化學吸附的結合（hé）力是吸（xī）附劑與吸（xī）附物間的化學（xué）鍵，它隻存在於吸附（fù）劑表（biǎo）麵，因此隻能在吸附劑表麵形成吸附物的單分子層。

④難以形成吸（xī）附平衡當吸附劑與吸附物靠化學鍵結合後就難以解離，所以吸附和解吸都比物（wù）理吸附慢（màn），達到（dào）吸附平衡也慢（màn）。

⑤物理吸附與化學吸附不是不相容的，而是隨著外界條件變化（huà）相伴發生的（de），有（yǒu）的吸附在某種條件下是物理吸附，當條（tiáo）件改變時有可（kě）能轉變成化學吸附，情況比較複雜。工業清洗中利用的吸附多是物理（lǐ）吸（xī）附。

3.清洗用（yòng）吸附劑的基本條件

作為吸附（fù）劑（jì），要求其（qí）具備的基本（běn）特性是與汙（wū）垢有很強的親和力而且本（běn）身有很大的吸（xī）附表麵積（jī）。

（1）對汙垢有很強（qiáng）的親和力

吸附劑的表麵與汙垢之間可能存在物（wù）理和化學親和力，這種親和力包括分子間作（zuò）用力、氫鍵力、靜電引力以及化學鍵力。通常吸附劑表麵分子與被吸附物之間是借分子作用力而（ér）吸附的，因為分子之間的（de）作用力是普遍存在於物質之（zhī）間的（de）。但根據吸附劑（jì）與吸附物的種類不同（tóng），它們之間的分子間作用力的大（dà）小也不同。因此，同種吸附劑對不同（tóng）物質的吸（xī）附（fù）能力的（de）差別很（hěn）大。在另一些情況下，當汙垢粒子與吸附劑表麵（miàn）帶有相反電荷時（shí），也可靠靜電引力結合而吸附。因此在選擇吸附劑時要作具體分析（xī），盡量選擇與被吸附物之間親和（hé）力大的（de）吸（xī）附劑。例如擦拭物體表麵的泥土和黑板上的粉筆灰（huī），使用濕棉布效果較好，而擦拭去除工廠內機器表麵（miàn）上的油性汙垢或其他加工產生的廢屑，使用化纖幹布反（fǎn）而效果好。由於棉布是親水纖維織成，而合成纖維織成的布憎水性（親油性）更好些。

判斷物質表麵的親（qīn）水性及親油（yóu）性的大小（xiǎo），通常采用測（cè）定接觸角（jiǎo）的方法。接觸角示意圖見圖4-1。接觸角的大小是由物（wù）質表麵的物理性質決定的。如果說水滴在（zài）某一物（wù）質表麵（miàn）的接觸（chù）角較（jiào）大，而油滴在它的表麵的接觸角小，說明（míng）這（zhè）種（zhǒng）物質的親油性大。因此在選擇吸附劑時（shí）可根據汙（wū）垢的親（qīn）水性、親油性選擇合（hé）適的吸附劑（jì），如親水（shuǐ）性強的汙（wū）垢應選擇與它結合力大的親水性吸（xī）附劑。

圖4-1接觸角示意圖

圖片P170頁（yè）

（2）有（yǒu）較大的吸（xī）附表麵積

在單位麵積上（shàng）吸附的（de）汙垢量總是有限的，隻有（yǒu）吸附的總麵積越大，吸（xī）附量才會增加，吸附（fù）效率才能提高。在（zài）體積一定的情況下，具有最大表（biǎo）麵的（de）物質，才適合作吸附劑。如纖維狀物質，海綿（mián）狀多孔性物質以及膠體粒子等都（dōu）適合於這種應用。

工業（yè）上對吸附劑的要求是：單位表麵積要大，吸附活性大。

單位表麵積常以m²/g表示。吸附活性則用單位重量或單位體積的吸附劑所吸附的物質數量（liàng）來表示，即g/g或g/cm³表（biǎo）示。常分為（wéi）靜（jìng）活性（xìng）和動活性兩種指標。在（zài）一定溫度下（xià），當氣相中吸（xī）附物的濃度保持一定的條件下達到的最大吸附量叫靜平衡活性（xìng）（靜活性），而把達到吸附平衡時的最（zuì）大吸附量叫動活性。活性值越高，說明吸附（fù）性能（néng）越（yuè）好。

除以上條件以外（wài），還要求吸附劑對（duì）吸附物有較高的吸（xī）附能力，有較高的吸附（fù）選擇性，化學性質穩定等。

4.常用的汙垢吸附劑

常用的吸附劑可分為纖維狀吸附劑和多孔型吸附劑以及（jí）膠體粒子。纖維狀吸附劑是天（tiān）然或合成的細纖維，織成布狀或氈狀（zhuàng）的物質。用聚乙烯纖維製成（chéng）的氈布，可以吸（xī）附其本身質量的20〜25倍的重油或機器油（yóu），可以有效去除漂浮在水麵的油膜。在清（qīng）洗領域中使用（yòng）的多孔性吸附（fù）劑有活性炭、沸石、膨潤土、矽藻土、酸性白土、活性白土等。

（1）活性炭

活性炭是碳素（sù）的一種形態，是具（jù）有多孔結構（gòu）的碳的綜合名稱，表麵積為500-1000m²/g。外觀（guān）為黑色無（wú）定形粉末或顆粒（lì）。相對密度（dù）約（yuē）1.9〜2.1。表觀密度因原料（liào）和製造方法之不同（tóng）而異。

活（huó）性（xìng）炭的孔結構非常（cháng）複雜，形狀各異，可將其分為微孔、過渡孔和大孔（kǒng）三類。有效半（bàn）徑低於1.8-2.0nm的視為微孔，在這些孔中不發生毛細凝聚（jù）。微孔體積大約為0.15〜0.50mL/g，其表麵積占總表麵積的95%。有效半徑在2-100nm範圍內的孔視為過渡孔，能（néng）發生毛細凝聚。過渡孔的體積約為0.02-0.10mL/g，其表麵積占總表麵積的（de）5%。有效（xiào）半（bàn）徑大於100nm的視為大孔活性炭。

所有的活（huó）性炭都具有多孔結構。大（dà）量（liàng）的微小孔隙具有極大的（de）內表麵積，使活性炭具有良好的吸附（fù）性能（néng），對異種物質的分子具有極強的吸著力。其吸附力的大小與異種（zhǒng）物質的分子大小（xiǎo）、化學性質以及（jí）活性炭的微孔容積、孔徑分布和表麵上的功能團（由氫、氧與碳結合而成的氧化物或含氧基團）的種類有關。

活性炭無臭、無味，與堿（jiǎn）類、酸類（lèi）均不起化學反應，不溶於水和（hé）普通溶劑。活性炭的表麵是疏水性的，適合吸附各種非極性氣體、色素、碳氫化合物以及多種有（yǒu）機化合物分子。特別是椰子殼製成的活性炭，孔隙度大。在理想情況下，1g這樣的活性炭（tàn）具有1000〜2500m²的表麵積。

在活性炭的三類孔中，每一類都有其特殊的功能。對吸附來說微孔（kǒng）是最重（chóng）要的，因為它具有很大的（de）比表麵積。過渡孔的（de）功（gōng）用是作（zuò）為被吸附物質到微孔的通道。大（dà）孔的重要性主要是能使被吸附物的（de）分子迅速地進入位於（yú）活性（xìng）炭粒子更深處的內層細孔。

活（huó）性炭因製（zhì）備工藝（yì）不同，其表麵帶有酸性基團或堿性基團（tuán），因而具有一定的吸附特性。其吸附（fù）特性表現在：容易吸附臨界（jiè）溫（wēn）度及沸點較（jiào）高的物質；容易吸附分子鏈較長的物（wù）質；低溫下有利於吸附。

在工業清洗工藝中（zhōng），活性炭常用作有機溶劑的清洗回收，氣體排（pái）放中雜質的吸收，液體（tǐ）的脫色與淨（jìng）化等工藝。

（2）沸石

沸石的組成可近似表達為：Na₂O•Al₂O₃•nSiO₂或xM₂O•Al₂O₃•ySiO₂•zH₂O。

天然沸石是鋁矽酸鹽類礦物（wù）。其晶體結構中含有多組通過氧原子連接起來的SiO₄。（見圖4-2）和AlO₄兩種四麵（miàn）體，形成一種多微孔的、孔結構十分精確的多孔固體。在微孔的孔道含有水分子和金屬離子。沸石晶格上有一部（bù）分Si⁴+被Al³+所代替（tì），所缺少的正電荷由Na+、Ca²+補足，從而成為可交換的離子。天然沸石的晶格結構（gòu）牢固，溶脹度小，而不能吸附較大的（de）離子，正因為如此，它對不同（tóng）大小的分子有良好的選擇性。但是天然（rán）沸石化學穩定性不好（hǎo），且應用的pH值範圍（wéi）較小。即使要使用（yòng），也要根據（jù）需要進行改性。

圖4-2相互連接的（de）矽氧四麵（miàn）體

圖片（piàn）P172頁

合（hé）成（chéng）沸石是用碳酸鈉、苛性鉀、長石、高嶺石以及其他原料混合熔融製成。其溶脹係數大於（yú）天然沸石，參與離子交換的基團數增多，因而交換容（róng）量大於天然沸石，可達到300〜500[H+]mol/L。在合成沸石（shí）中，可根據用途（tú）導入（rù）不同的活性元素。

天然沸（fèi）石和人工沸石的結構特征，使之具有吸附、分子篩、離子交換、催化四大功能。沸石又名分子篩，其作為吸附劑的特點，一是可根據分子的大小和形狀的不同進行選擇性的吸附，隻吸附直徑小（xiǎo）於其孔徑的分子。二是（shì）根（gēn）據分子的極性、不飽和度和極化率的不同選擇性吸附。沸（fèi）石（shí）是極性吸附劑，極性越大，不飽和（hé）度越高，極化率（lǜ）越大的分（fèn）子越易被（bèi）吸附。

沸石在工業清洗中可用於吸附處（chù）理清洗廢液。

（3）矽藻土

矽藻（zǎo）土一般是由統稱為（wéi）矽藻的單細（xì）胞藻類死亡以後的矽酸鹽遺（yí）骸形成的。矽藻土由無定形的SiO₂組成，並含有少量的Fe₂O₃、CaO、MgO，Al₂O₃及有機雜質。矽藻土呈淺黃色或淺灰色，質輕而軟，易研成粉（fěn）末。多孔，孔隙率達90%左右（yòu）。

矽藻土吸附能力很強，能吸附自身重量1.5〜4.0倍的水，是良好的吸附劑。矽藻土常用於液體過濾去雜、澄清脫色。在一些固（gù）體清洗中作為吸附劑和研磨劑。例如汽車擦洗光亮劑配方：三乙醇胺240g，油酸600g，矽藻土450g，白油6.51g，水22.51g。

先將三乙醇（chún）胺（àn）溶於水中，將白油和油酸的混合物加入水中，攪拌，加入矽藻土，完全混勻，使用時用棉布蘸取此液，塗於車體表麵，待（dài）其幹燥後，擦拭，即能將車體表麵的油汙清（qīng）除。

（4）膨潤土

膨潤土又（yòu）名斑脫（tuō）岩，是一種可（kě）塑性很強的粘土，主要礦物成分是蒙脫石，少量為（wéi）常石英、雲母（mǔ）晶屑及中（zhōng）酸（suān）性火山角礫岩屑。呈白色至橄欖綠色。相對密（mì）度2.4〜2.8。

蒙脫石是由兩層矽（guī）氧四麵體中間夾著一層鋁氧八麵體形成（chéng）晶層單元，其結構示意圖見圖4-3。蒙脫（tuō）石中的同晶置換極（jí）為普遍，如鋁可以取代四麵體中的Si、Mg、Fe、Zn等，也可以取代八麵體中的（de）鋁。所以膨潤土有很高的離子（zǐ）交換容量。膨潤土的結構決定了它有特大的比表麵積，一般在250-500m²/g，因而有較高的吸附能力。膨潤土吸附水、膨脹、收縮等（děng）性能均比一般粘土大。有的（de）在吸附（fù）水時，體積同時增大，並（bìng）形成凝膠（jiāo）狀態。有的能吸附5倍於本身重量的水。

工業清洗中常用作（zuò）清洗（xǐ）劑的添加劑。例如黑色金屬去鏽清洗劑配（pèi）方：氨基磺酸40%；重鉻酸鉀5%；硫脲0.03%；OP-10乳化劑（jì）0.2%；膨潤土5%；其餘為水。膨（péng）潤土還可作為（wéi）廣譜（pǔ）脫漆（qī）劑中的添（tiān）加劑。

圖4-3蒙脫石結構示意

其他的多（duō）孔性吸附劑還有酸性白土、活性白土、活性氧化鋁、輕質氧化鎂等（děng）。如5%活性白土，3%二氧化矽與異丙醇、煤油混合，可製成研磨（mó）吸附型玻璃清洗劑。

除（chú）纖維狀吸附劑（jì）、多孔性吸附劑以外，有（yǒu）些膠體粒子也是良好的吸附劑。膠體離子的（de）直徑為0.1~1nm，膠體離子與相同質量的（de）粗大固體粒子相（xiàng）比，其表麵積就（jiù）大得多，因此膠（jiāo）體離（lí）子具有巨大（dà）的表麵能，這就使得膠體離子有自己獨（dú）特的性質。膠體離子（zǐ）有強烈的吸附能力，能夠吸附各（gè）種物質的分子，因此可用作吸附劑。

常用的膠體吸附劑有火山灰和一些人工製備（bèi）的（de）膠體溶液，例如無機聚合狀態的偏矽酸（矽酸鈉等）和有一（yī）定水溶性的有機（jī）高分子化合物（羧甲基纖（xiān）維素等），在水中都（dōu）能形成膠體。由於矽酸鹽在水中水（shuǐ）解（jiě）後形（xíng）成的膠體對油脂有很強的吸附（fù）力，因此矽酸鹽膠體常（cháng）被用於脫脂（zhī）清（qīng）洗工藝，在廣譜脫漆劑中作為吸附劑（jì）。

二、熱能作用

熱（rè）能在清洗中被廣泛地應用。熱能的受體有清洗液、被清洗基體和汙垢本身，其清洗作（zuò）用機理（lǐ）主要表現在以下幾（jǐ）個方麵（miàn）。

1.對清洗過程有促（cù）進作用

促進作用主要包（bāo）括兩個方麵：一（yī）是促進化學反應；二是提高（gāo）汙垢在清洗液中（zhōng）的（de）溶解分（fèn）散性。

所有（yǒu）的化學反應都是在一定溫度（dù）下進行的，對絕大（dà）部分化學反應而言，升（shēng）高溫度都有利於反應的（de）進行。溫度每升高（gāo）10°C，反應（yīng）速度幾乎能提高1倍，有的甚至更多。在用硫酸對（duì）鋼（gāng）鐵除鏽中，加（jiā）熱至40〜50°C的除鏽時間比（bǐ）常溫除鏽快4〜5倍。在用堿液脫脂中，一般溫度都在70〜80°C，以加快堿液對油脂的皂化和乳化過程。當然，不是溫度越高，越利（lì）於清洗。一方麵升溫要消耗大量的能源，增加清洗成本；另一方麵溫度（dù）過高可能造成（chéng）清洗液（yè）對被清洗基體的（de）腐蝕，如在酸洗過程中。所以，對不同情況的清洗都應確定一個（gè）最佳的溫度範圍。

清洗液對汙垢的（de）溶（róng）解（jiě）速度和溶解量也（yě）是隨溫度升高（gāo）而成比例（lì）提高的。所以（yǐ），升溫有利於洗滌過程。在某些高壓水射流的管道清洗（xǐ）設備中（zhōng），備有加熱設備，用於那些（xiē）水（shuǐ）溶性不（bú）太好的汙垢清洗。熱水增加汙垢的溶解性，防止不溶汙垢堵塞管道，影響清洗效果。又如在所有表（biǎo）麵處理中，除油（yóu）以後都需用熱水漂洗或衝洗（xǐ），有利於把（bǎ）吸附在清洗（xǐ）對象表麵的堿（jiǎn）和表麵活性劑溶解清除。

2.使汙垢的物理（lǐ）化學（xué）狀態發生變化

溫度的變（biàn）化常會引起汙垢的物理化學狀（zhuàng）態（tài）發生變化，使（shǐ）它變得容易被去除。汙垢（gòu）物理狀態的改變指固（gù）體汙垢被熔化、溶化或汽化；化學狀態的變化是指（zhǐ）固體汙垢被熱能裂解和分解，汙垢改變了原（yuán）有的分子結構。

在油田中，經常要做的工作是清洗被石蠟堵塞的輸油管線，這是件非常麻煩的工作。尤其在冬（dōng）天，疏通管線更加困難。采（cǎi）用加熱的辦法使石蠟液化，變成液態（tài）油（yóu）垢，就（jiù）比較容易被表麵活性劑水溶液乳化分散了。

用加熱或（huò）燃燒的方法去除工件（jiàn）表麵有機物的汙垢，使它分解成二氧化碳等（děng）氣體，這是一種簡單的方法。缺點是易留下灰分（fèn）殘留（liú）物，易造成金屬的氧化（huà）。所以，這種（zhǒng）方法適合於（yú）去除玻璃和陶（táo）瓷表麵上的微量頑固有機物汙（wū）垢。

此外，某些物理強化清洗方法如激光清洗，其清洗機理在本質上也是熱能作用的結果。當高能激光照射在汙垢上（shàng）時，它可在10-¹¹s內將光能轉變為超高熱能，使表麵汙（wū）垢熔化（huà）、汽化而被除去（qù），可在不熔化金屬的前提下，把金屬表麵的氧化物鏽垢除去。

3.使清洗對象（xiàng）的（de）物（wù）理性質發生變化

當溫度變化時，清洗對象（xiàng）的物理性質（zhì）也會變（biàn）化，有時有利於清洗的進行。例如，人們在洗衣服時，用溫水就比較容易洗（xǐ）淨。其原因（yīn）除了提高清洗劑的效能（néng）外，另一個原因是布料中的纖維在（zài）較高的溫度（dù）下浸泡，容易吸水膨脹，使汙垢對纖（xiān）維的吸附（fù）力下降，從而變得容易被清洗。

三、液體在（zài）界麵上的流動作用（yòng）

把（bǎ）清洗（xǐ）對象浸泡在液體中去除（chú）汙垢時，如（rú）果（guǒ）使用的洗液有（yǒu）良好的洗滌能力，那麽隻要把清洗對象放（fàng）在洗液中靜置一定時間，汙（wū）垢就會解離分散（sàn）而有效地被去除。比如金屬浸酸去鏽就可以用這種方法處理。這種方法被稱為靜態處理。但常常為了提高汙垢被解離、乳化、分散的（de）效率，讓（ràng）洗液（yè）在清洗對（duì）象表麵發生流動，這（zhè）種動（dòng）態的清洗方法稱為界麵流（liú）動。

1.界麵流動的方向

洗液在附著有（yǒu）汙垢的清洗（xǐ）對象表麵的流動有三（sān）種方向，如圖4-4所示（shì）。

圖（tú）4-4洗液在（zài）清洗對（duì）象表麵上

由圖4-4可見，洗液在清洗對（duì）象表麵流動的三（sān）個方向為：（1）沿著與清洗對象（xiàng）表麵平行的方向流動；（2）與清洗對象表麵垂（chuí）直的方向流動；（3）與清洗對象表麵成一定角度的流動。

根據實踐經驗，人們發（fā）現第三種情況（kuàng）下汙垢被解離的效果最好。因此在噴射清洗時常采用這（zhè）種角度。但是在浸泡清洗情況中，如果清洗（xǐ）對（duì）象是多麵體等複雜形狀時，要形成第三種方式的（de）特定方向的界麵流動實際上是不可能（néng）的。在這種情況下洗液在清洗對象表麵不（bú）是以固定角度流動，而是希望能在液體中形成紊流以（yǐ）達到較好的清洗效果，這就需要（yào）攪拌（bàn）。

2.攪拌

在（zài）清洗槽中要（yào）造成清洗表麵與洗（xǐ）液（yè）間的相對流動狀態以（yǐ）促使汙垢解離（lí），最常用（yòng）的手段是使用攪拌的方（fāng）法。

攪（jiǎo）拌容易得到使洗液均勻（yún）有效地流動的效（xiào）果，常用的攪拌方法（fǎ）有以下三（sān）種（zhǒng）。

①讓洗液流動：這是最簡單的方法。圖4-5介（jiè）紹了（le）幾種裝置的構造。

圖（tú）4-5洗（xǐ）液流動（dòng）的攪拌方式之一：有軸攪拌

在圖4-5的①圖中，是用攪拌軸帶動旋轉葉片攪拌的模型。攪拌軸是與液槽底（dǐ）麵成垂直方向（xiàng）的（de），攪拌的結果使洗液沿著（zhe）與軸垂直方向（xiàng）、平行方向（xiàng）和旋轉葉片組成的圓周的切線方（fāng）向的（de）流動。但這種方式的攪拌很難在（zài）洗槽的各（gè）個表麵形成均勻有效的紊流效果。

在②圖中，在洗槽的槽壁放置了擋板，使攪拌的液體發生折流運動提高其紊流效果。

在③圖中，讓攪拌（bàn）軸與洗槽底麵成一傾斜角度，這時利用攪拌在槽壁形成的（de）反射（shè）流可獲得複雜的紊流效果。

但是攪拌軸伸入洗槽內部，有時（shí）會造成清洗操（cāo）作不方便。這時采（cǎi）用無軸的攪拌方式效果更好。圖4-6介紹了幾種無軸攪拌的裝置構造。

圖4-6洗液流動的（de）攪拌方式之二：無軸攪拌

圖4-6中的①圖是一種把旋轉葉片安裝在洗槽側壁的裝置。

②圖是不（bú）使用旋轉葉片，而外接循環泵組成液體循環的流動裝置。

③圖是利用鼓入氣泡的（de）方式推動洗液流（liú）動（dòng）。此時用壓縮空氣泵把壓縮的清潔空氣在高壓條件下通過（guò）洗槽下部的排氣管排向洗槽，生成的氣泡在洗槽（cáo）中（zhōng）迅速上升同時造成洗液的流動。如果在洗槽中的清洗（xǐ）對象放置（zhì）的位置合適，氣泡可（kě）以在清洗對象的隙縫間上升，這（zhè）時可獲得柔和和高效的界麵流動效果。

對於小型清洗槽，可通過裝在外部的電磁（cí）攪（jiǎo）拌器驅（qū）動旋轉磁體運動產生攪拌效（xiào）果。

當把高壓氣泡強（qiáng）烈地噴入洗液時，有時能造成空穴效（xiào）果，在洗液中產生（shēng）強烈的振動波加（jiā）強清洗效果。這種攪拌裝置也曾在設計中采用過。

②讓（ràng）清洗對象運動：對（duì）比較輕巧的（de）小（xiǎo）型清洗（xǐ）對象適合（hé）采用這種方式。把許多小型部件裝在一個籠子裏放在洗液當（dāng）中，讓籠子沿著垂直和（hé）水平方向激烈運動，也可以釆取旋轉方式運動，當然在清洗對象運（yùn）動時會引起洗液跟著流動。設計這種裝置（zhì）要考慮到清洗對象的差別以及放置安（ān）排的方法的（de）不同，才能產生良好（hǎo）的界麵流動效果。

③讓清洗對象和洗液都運動：相對密度和洗液相（xiàng）近的小型物品適合用這種方法。當洗液激烈流動時（shí），清洗對象在洗液中漂浮運動而被洗淨。流動床就是（shì）這種方法的具體運用。比如家庭用的洗衣機，食品工業中豆類、穀物的清洗都廣泛釆用這種清洗方法。

但使用這種方（fāng）法要得到均勻和強烈的（de）紊流效果所消耗的能量是比較大的。

3.管道的清洗

在清洗長管道的內表麵時，為提高流動洗（xǐ）液的清洗能力，在管道中產（chǎn）生紊流（liú）很重要。而洗液在（zài）管道（dào）中流動的狀態與洗液的流動速度有很大關係（xì）。圖4-7描述了流體在管道中運動的狀（zhuàng）態。

當管道（dào）中流體流動速度由低到高逐漸變化時（shí），流動狀（zhuàng）態也發生相應變化。

圖4-7中（zhōng）的圖①顯示的運動狀態叫層流。在（zài）這種運動狀（zhuàng）態下，流體中每條流線彼（bǐ）此平行，直（zhí）線前進（jìn），保持線（xiàn）流狀態。流體（tǐ）中的各個質（zhì）點不做與流動方向垂（chuí）直的橫向運動，流線不相互混雜。

圖②顯示的運動狀態表示當流速逐漸（jiàn）增高時，流（liú）線的直線狀態受到破壞，不再保持完整的直線形狀，質點沿著曲線軌（guǐ）跡向（xiàng）前運動，這實際是一種過渡狀態，為（wéi）臨（lín）界速度的液流。

圖③顯示的運動狀態叫紊流，當流速提高到一定（dìng）值之後，流體形（xíng）成（chéng）了紊流，此時質點間互相劇烈混雜，在做向前運動的同時作橫向不規則運動。

圖4-7流體在管道中的運動狀（zhuàng）態

圖片P177頁

雷諾（nuò）（Reynolds）研（yán）究發現，管道（dào）中流體運動的狀態與流速、管（guǎn）道直徑及流體的粘度係數等因素有關。並找到用（yòng）雷諾數（shù）（Re）表示的定量關係：

公式P175頁

式中：u一流體的平均線速（sù）度，m•s-¹，常用cm•s-¹；

υ—流體的運動粘度，m²•s-¹，常用cm²•s-¹；

ρ一（yī）流體的密度，kg•m-³，常用（yòng）g•cm-³；

d一管道的直徑，m，常用cm；

µ—流體的動力粘度，kg•m-¹•s-¹，常用（yòng）g•cm-¹•s-¹。

通常洗液有相同的運動粘度（υ），隻是在（zài）溫度升高時運動粘度才降低。

把（bǎ）流體的流速與管道直徑（jìng）的乘積與流體（tǐ）運動粘度的比值（zhí）叫雷諾數（shù）（Re）°

雷諾數決定流體在管道中（zhōng）的運動狀態。當雷諾數較低時，流體處於層流狀態，當雷諾（nuò）數超過2320，流體的運動狀態就會（huì）由層流轉變成紊流（liú），因此把Re=2320叫做臨界雷諾數。在不同情況下，液體的流速，管道的直徑以及不同液體（tǐ）的（de）運動粘度會變，但在形成紊（wěn）流時，三者之間所（suǒ）形成的雷諾數關係不變（biàn），必須在雷諾數大於2320時才能由層流變為紊流。

傑寧（Jernning）在（zài）研（yán）究管道清（qīng）洗實驗結果時發現，當雷諾數由2320（臨界雷諾數）逐漸增加到25500附近時，清洗效率發生突變。圖4-8顯示出（chū）雷諾數與（yǔ）清洗效率的關係。

圖（tú）4-8雷諾數與清洗效率（lǜ）的關係

由圖可知，要取得（dé）管道清洗（xǐ）的良好效果，不僅流體要在管道中形成紊流，而且（qiě）其雷諾數要達到一個較高數值（例如25500）。因此可以根據雷（léi）諾數關係式（shì）求出在不同直徑的管道中，要取得好的去汙效果時需要保持洗液的流速以及洗（xǐ）液（yè）流量的數值。

為了應用上的方便（biàn），在許多（duō）參考書中已把有關液體的流量與雷諾數關係製成一係列圖表供人們使用時參考。圖4-9即是不同管徑的不（bú）鏽鋼管中清洗液流量與雷諾數關係。

例（lì）如在圖4-9的（de）圖中，溫（wēn）度為（wéi）60°C，直徑為3.81cm的管（guǎn）道中，當洗液以600kg•h-¹（即0.12m•s-¹的流速）流動時，它（tā）的雷諾數為11900，當流量增加10倍達6000kg・h-¹，雷諾數也擴大10倍。

因此，人們可根據需要達到的洗淨效果，選擇合適的雷（léi）諾數，並通過控製管道中的洗液流量（即控製流速）而實（shí）現洗（xǐ）淨的要求。

但是應當注意的是，隨著流速的增大，對送液泵的動力（lì）要求也（yě）增高，所以需要考慮（lǜ）這樣做是否經（jīng）濟（jì），因此提高流速的方法並不是（shì）不受限製的。由圖4-9也可知道，對於越細的管道產（chǎn）生紊流需（xū）要的洗液流速也越（yuè）低，相對地講越易取得較好的清洗效果。

對（duì）於大口徑的短管線的管（guǎn）道，通過（guò）提高洗液的流速（sù）獲得良好的紊（wěn）流效（xiào）果是很困難的，此時（shí）釆用（yòng）把洗液以渦流狀態（tài）送（sòng）入管道，並對管壁造成衝擊的方法往往可以獲得較好的清洗效果。而對（duì）於有豎直的開闊形狀的清洗對象表麵，讓洗液由（yóu）上向下沿平麵以薄膜狀（zhuàng）態（tài）流下的清洗方法，當（dāng）雷諾（nuò）數在200以下時也容（róng）易產生紊流效果。

圖4-9不（bú）同管徑洗液流量與雷（léi）諾數（shù）關係圖

壓力清洗

應用各種方式的壓力如高（gāo）壓、中壓以至負壓、真空都（dōu）可能產生很好的清（qīng）洗作用力。因此使用壓力是清洗中常用的手段之一。

噴射清洗

通過噴嘴把加有壓力的清洗液噴射出來衝擊清洗物表麵（miàn）的清洗方法叫噴射清（qīng）洗。它包括（kuò）噴射清洗的作用力，噴（pēn）射所用噴嘴以及噴射清洗液（yè）三部（bù）分內容。

1.噴（pēn）射清洗作用力

在濕式噴射清洗過程中（即以水作為媒液的清洗）的清洗作用力包括清洗液本身具有的清洗力、通過噴嘴噴出清洗液（yè）的（de）壓力、流體的速度動能轉換成對清洗對象的衝擊力以及流（liú）體在清洗對象（xiàng）表麵發生界麵流動等幾種（zhǒng）作用力的總和。

其中流（liú）體對（duì）清洗對象表麵形成的衝擊力符合下列關係式：

P=ρQV

式中：P——噴射壓（yā）力，Pa；

ρ——液（yè）體密度，kg•m-³；

V——噴射流體的（de）平均速（sù）度（dù），m•s-¹；

Q——液體流量，m³•s-¹。

一般情況，當洗液（yè）種類固定，溫度（dù）一定的條件下，液體密度為（wéi）一定值，當流體流（liú）量（liàng）（Q）越大，噴射流體的平均速度（V）越大，形（xíng）成的噴射壓力也越大。圖4-10表示的是噴嘴口徑、水流（liú）量與噴射壓力三者之間的關係。

三種（zhǒng）變量中隻要知道其中兩項就可以根據圖線（xiàn）找到另一項的數（shù）值。如圖4-10所示的直線表明（míng），一個噴嘴口的直徑為3mm，液體流量為2.2m³•h-¹的噴射流體產生的壓力為（wéi）50kgf•cm-²，（1kgf•cm-²=9.8×10⁴Pa）。

圖4-11表示的為噴嘴（zuǐ）到清洗對象（xiàng）表麵的（de）噴射距離（lí）以及噴射角度與清洗力的關係。

由圖4-11可以看出，由噴嘴噴出具有一定動能的洗液，在運動中受到空氣阻力（lì）的（de）影響，動（dòng）能逐漸降低，水平方向的運（yùn）動速度逐漸減少，以至在重力（lì）作用下（xià）最後下落。

圖（tú）4-11的①是噴射流體的水平方向運動速度開始降低之前的（de）位置，在這個位置與洗滌對象表（biǎo）麵發生作用，洗液展開的麵積最大，但此時洗液的有效動能已減少，衝擊（jī）力造成（chéng）的清洗效果已不好。

圖4-11噴射距（jù）離、噴射角度與（yǔ）洗淨力關係示意圖

圖片P180頁

圖4-11中②的位置是（shì）噴嘴離洗滌對象很近時的情況，此時流體的衝（chōng）擊力大，但洗液（yè）展開的麵積（jī）過小，總的清洗效果不好。而在①②位置之間有一個衝擊力保持相對較大，而洗液的展開麵積也保持相對較大的位置③存在，在這個位置上放置（zhì）清洗對象，能取得較好的清洗效果。而圖中④是（shì）噴嘴以斜方向噴射到清洗對象表麵的最佳（jiā）位置。斜向噴射比垂直噴射使汙垢受到更大的解離作用力。

由圖4-11可（kě）以看出，斜向噴射與垂直方向噴（pēn）射相比，斜向噴射取得最佳清洗效果的距離要近一些，而去汙效果要比垂直噴（pēn）射更好一些。圖4-12為斜向噴射與垂直噴射的比較，從中可以看出不論斜（xié）向噴射還是垂直（zhí）噴射都存在一個最佳清洗效果的位置。

圖4-12斜向噴射與垂直噴射的比較

圖片P180頁

由圖4-12可見，清洗力隨著噴嘴（zuǐ）到清洗對象之間（jiān）距離的（de）增加呈（chéng）現先逐漸增加，而達到最大值後又急（jí）劇下降的過程。

噴射衝擊力（F），噴射水壓（P），噴射水流量（Q）和噴射初速度（之間（jiān）存在以下關係：

υ₀≈14√P；F=0.397Q√P

根據上式可算出當噴射水壓為50kgf•cm-²，噴（pēn）射初（chū）速度（dù）約為100m•s-¹。在噴（pēn）射水壓增大4倍，而噴射水量減少到原來的1/2時，可以獲得同樣的衝擊（jī）力。因此為了節約洗液（yè），為（wéi）了獲得良好的衝洗力，應該加大噴射水壓，這就是為什麽在噴射衝洗中（zhōng）常應用較高壓（yā）力的原因（yīn）。在衝洗用的噴射機中把噴射水壓在35kgf•cm-²以上的（de）稱為高壓噴（pēn）射機，而把噴射水壓在7kgf•cm-²以下的稱為低壓噴射機，在此兩者之間（jiān）的稱為中壓噴射機。人們普遍對高壓噴射機表現出更大興趣。

由於高壓噴（pēn）射（shè）機有強大的清洗力，可以去除頑固附著在物體表麵的汙垢（gòu）。例如極（jí）細微的汙垢粒子（zǐ）隻有在高壓（yā）甚至在（zài）超高壓噴射過程中才（cái）能被去除。（前麵已講到在減少洗液的情況下，增加（jiā）壓力可（kě）以獲得同樣的清洗效果）。最近已有噴射水壓在（zài）100kgf・cm-²以上的（de）超高壓噴（pēn）射機投入使用。但是使用（yòng）時應考慮高（gāo）壓噴射會對清洗對象造成（chéng）損傷（shāng）以及如何把清（qīng）洗（xǐ）對象的位置更好固定的問題。

2.噴（pēn）射用噴嘴

不同形狀的噴嘴適（shì）用於不同的清洗場合（hé），圖4-13中畫（huà）有各種形狀的噴嘴。

圖（tú）4-13中的①是應用最廣泛的一種噴嘴，洗液從噴嘴中噴出後以圓錐麵形式展開，也有的使洗液形成中（zhōng）空的圓錐狀展開。

圖4-13中的②是噴嘴尖端形成一個窄縫，使洗液呈扇形展開，在清洗平麵狀的表（biǎo）麵時采（cǎi）用這種噴嘴較好。另（lìng）外，用於噴射氣體時也以采（cǎi）用這種方式的噴嘴較好，因為它可以把清洗對象表麵的殘留液體吹盡（jìn），所謂氣刀式噴射就是（shì）指這種（zhǒng）噴嘴。

圖中③是使流體呈棒狀的噴嘴。這種方式（shì）對去除在狹（xiá）縫間（jiān）隙中和細孔中的汙垢較合適。

圖中④的噴嘴為中空球形，在球麵上有許多細孔，使洗液呈放射狀噴射，又（yòu）稱為噴霧淋洗。大型反應罐的內表麵用這種（zhǒng）方法清洗較好。

圖片P181頁（yè）

在需要清洗管道的內（nèi）表（biǎo）麵時，用一種自走式（shì）噴射噴嘴比較合（hé）適，其工作原理（lǐ）見圖4-14。

圖4-14自走式噴射（shè）噴（pēn）嘴

當洗液通過噴嘴向（xiàng）斜後方（fāng）噴射（shè）時（shí）所產生的壓（yā）力推動噴嘴自（zì）動前進，噴射出的洗液可清洗管道的管壁。

噴嘴根（gēn）據實際需（xū）要可安裝成固定式和可移動式兩種結構。固定式噴嘴使噴射液體的運動方向固定。但有立體表麵的清洗對象希望所有的表麵都能接受到噴射液，因此采用可移動式更好。使噴嘴（zuǐ）噴射方（fāng）向改變可釆用以下幾種措施（shī）：①讓清洗對象物旋轉；②使用多個噴（pēn）嘴多方向不同角度同時噴射；③根據對象表麵不（bú）同而設計成各種運動方向的噴射，帶動固定（dìng）噴嘴向不同空間方向運動的清洗裝置。如使噴嘴在固定（dìng）水平方向作（zuò）旋轉噴射（水平旋轉型）；使噴嘴（zuǐ）在一個（gè）可以上下豎直（zhí）方向上移動的軸支持下做旋轉運動；或在三維空間（jiān）作圓（yuán）周運（yùn）動等。如圖4-15所（suǒ）示。

除了可移動噴嘴噴射裝置之外，清洗（xǐ）中經常（cháng）使用可移動的噴射清洗機，由2〜5馬力電動泵帶動的手推（tuī）車式噴射機。一個人工控製（zhì）的手推車式噴射清（qīng）洗機，有一分（fèn）鍾內噴射（shè）20-30dm³洗液的能力。工廠（chǎng）中的固定設備、大型機器的表麵清洗經常使用這種靈活方便的設備。

圖4-15可（kě）移動式噴（pēn）嘴（zuǐ）噴射

3.噴（pēn）射用洗液

一般噴射用的洗液包括常溫的水、熱水、酸和堿的水溶液（yè）、表麵活性劑水溶液。

起泡性太高的表麵（miàn）活性劑洗（xǐ）液（yè）對噴射效果有不利影響，因此在使用表麵活（huó）性劑水溶液作噴射洗液時要注意選用低起泡性的表麵活性（xìng）劑。

用含（hán）有水蒸氣的高壓熱水作洗液時叫做蒸氣噴射清洗。水蒸氣的壓力和蒸氣液化時放出（chū）的大量熱能對清（qīng）洗效果有很大的影響。

用電解得到的含有（yǒu）臭氧的水作洗液時，它的氧化分解能力與含在洗液中的細微臭氧氣泡有（yǒu）關。微小（xiǎo）氣泡對微粒狀汙垢的去除能力有很大作用。

噴射（shè）清洗中（zhōng）存在的問（wèn）題是，噴射的洗液在清洗對象表麵停留的時間短暫，所以洗（xǐ）液的（de）清洗能力不（bú）能百分之百發生效用。同時存在廢液處理問題。為（wéi）了提高洗液的利用效率，可以采用循環係統。圖4-16是一種噴射清洗的循環係統。衝洗（xǐ）下來的洗液中含有的砂土及金屬屑可用適當方法（fǎ）加（jiā）以分離，使噴射噴嘴減少磨（mó）損和被堵塞（sāi）的（de）可能性（xìng）。

圖4-16使用循環係統的噴射清洗