3.1化学清洗剂的定义
化学清洗剂是用于去除污垢的化学制剂。化学清洗是利用清洗剂对污垢进行软化、溶解，或向污垢内部渗透、减小污垢颗粒间的结合力，更重要的是减小污垢与基体间的结合力，使污垢溶解或松散脱落而去除的过程,其目的是去除污垢，使基体重新获得良好的性能。
3.2污垢
污垢是不受基材表面(或内部)欢迎且降低了基材使用功能或改变了基材的清洁形象的沉积物。
污垢的种类有以下几种。
(1)根据污垢的形状分类。
①颗粒状污垢如固体颗粒、 微生物颗粒等。
②膜状污垢如油脂、高分子化合物或无机沉淀物在基材表面形成的膜状物质，这种膜可以是固态的，也可能是半固态的。有些污垢介于颗粒与膜状之间，还有的以悬浮状分散于溶剂之中。
(2)根据污垢的化学组成分类列按这种分类方法可把污垢分为无机物和有机物两类。
①无机污垢， 如水垢、锈垢、泥垢，从化学成分上看，它们多属于金。属或非金属氧化物及水化物或无机盐类。
a.硫酸盐有硫酸钙、 硫酸镁(CaSO₄、MgSO₄)，由于硫酸钙不溶解于普通常用的酸，所以不能用酸(如盐酸或硝酸)直接进行清洗。但是硫酸钙的溶度积大于碳酸钙的溶度积，所以有足量碳酸根存在的情况下，硫酸盐(例如硫酸钙)可以转化成相应的碳酸盐，之后再用盐酸等进行清洗。所以含大量硫酸盐垢的锅炉需要先进行碱煮( 碱液中含碳酸钠)，之后再进行酸洗。
b.碳酸盐以碳酸钙、碳酸镁(CaCO₃、MgCO₃) 为主，碳酸盐垢在酸洗时比较容易被溶解而去除。
c.磷酸盐有磷酸钙 [Ca(PO₄)₂]，这种盐垢含量不高。水热转换器的水体中含磷酸根较少，一部分来自酸洗助剂，所以在用磷酸盐作清洗助剂时不应过量。
d.硅酸盐有硅酸钙、硅酸镁(CaSiO₃、 MgSiO₃),硅酸盐不容易被常用的酸(HCI、H₂SO₄等)所溶解，只有氢氟酸对硅酸盐垢具有特殊的溶解清洗功能。
e.氧化物水垢中除了含有大量无机盐类以外，还有较大量的氧化物 (如FeO、Fe₂O₃、 Fe₃O₄等)。
f.氢氧化物有Mg(OH)₂、Fe(OH)₃、Fe(OH)₂等。
上述氧化物或氢氧化物都可以用酸进行溶解清除。
a.无机盐污垢生成的机理坐无机盐污垢都是难溶盐，当离子浓度的乘积(离子积)大于其溶度积时就会生成沉淀。以碳酸钙为例:
Ca²＋CO₃²¯＝CaCO₃ ↓
当C(Ca²)c(CO₃²¯)＞Ksp(CaCO₃)=2.8×10¯⁹时，就会有碳酸钙沉淀生成。因为难溶盐的溶度积都很小，所以，即使用除盐水(其中离子的浓度都很低)也难免生成这些沉淀(无机污垢)。氢氧化物沉淀的机理类似，以氢氧化镁沉淀为例:
Mg²＋2OH¯=Mg(OH)₂ ↓
当(Mg²)C²(OH¯)＞Ksp[Mg(OH)₂]=1.8×10¯¹¹时，就会有氢氧化镁沉淀生成。
b.氧化物污垢生成的机理普氧化物污垢来源于金属的腐蚀，以铁基体为例，铁与酸直接作用能发生化学腐蚀。
Fe+2H=Fe²＋H₂ ↑ (条件：酸性液体）
铁在溶液中还可以发生 电化学腐蚀(析氢腐蚀、吸氧腐蚀)。
析氢腐蚀(阳极) Fe-Fe2t +2e¯
(阴极)2H+2e=H₂ ↑ (条件：酸性液体）
吸氧腐蚀(阳极) Fe=Fe²+2e¯
(阴极)O₂+2H₂O+4e¯= 4OH¯ (条件:中性液体，氧气分压较高)析氢腐蚀和吸氧腐蚀彼此是相互伴随发生的，条件不同时，以某一种腐蚀为主。无论是化学腐蚀还是电化学腐蚀，其腐蚀产物都是生成二价铁离子(Fe²+)，设Fe²+的浓度为10¯⁴mol/L时，在中性溶液中即可生成氢氧化亚铁沉淀。
Fe2+ +20H-_ =Fe(OH)2↓ 或Fe2+ + 2H20 =Fe(OH)2 ↓+ 2HFe(OH)2极为活泼，很容易被水中的氧所氧化。
4Fe(OH)₂+O₂+2H₂2O＝4Fe(OH)₃↓
Fe(OH)₃和Fe(OH)₂会生成胶体，受热会失水而转化成铁的氧化物FeO、Fe₂O₃、Fe₃O₄。
②有机污垢(可统称油垢)(如动、植物油，包括动物脂肪和植物油，它们属于有机酯类，是饱和或不饱和高级脂肪酸甘油酯的混合物。它们与矿物油的区别是动植物油在碱性条件下可以皂化;矿物油，包括机器油、润滑油等，它们属于有机物的烃类，是石油分馏的产品。矿物油一般易燃，但其化学性质稳定。
一般情况下， 无机污垢常采用酸或碱等化学试剂使其溶解而去除，而有机污垢则经常利用氧化分解或乳化分散的方法从基体表面去除。
(3)根据污垢的亲水性和亲油性分类
① 亲水性污垢可溶于水的污垢是极性物质， 如食盐等无机物或蔗糖等有机物，这些污垢通常用水基清洗剂加以去除。
②亲油性污垢亲油性污垢是非极性或弱极性物质，如油脂、矿物油、树脂等有机物，它们一般不溶于水。亲油性污垢可以利用有机溶剂进行溶解，也可以用表面活性剂溶液对其进行乳化、分散加以去除
(4)根据与基体表面的结合力分类 污垢与基体表面结合状态是多样的。由于结合力种类的不同使基体与污垢结合牢固程度不同，因此，从基体表面去除污垢的难易程度也不同。
①污垢与基体靠分子间力结 单纯靠重力作用，沉降在基体表面而堆积的污垢与基体表面上的附着力(包括分子间力和氢键)很弱，较容易从基体表面上去除，如车体表面上附着的尘土、淤泥颗粒等。
②污垢粒子靠静电引力(离子键)附着在基体表面 当污垢粒子与基体表面带有相反电荷时，污垢粒子会依靠静电引力吸附于基体表面。许多导电性能差的物质在空气中放置时往往会带上电荷，而带电的污垢粒子就会靠静电引力吸附到此基体表面。当把这类基体浸没在水中时，因为水具有很强的极性，会使污垢与基体表面之间的静电引力大为减弱，这类污垢较容易去除。
③污垢与基体之间形成共价键 当污垢分子与基体表面形成共价键时，特别是污垢以薄膜状态与基体表面紧密结合时，其结合力很强。另外，过渡金属基体分子多数有未充满的d轨道，可以与含有孤对电子的污垢分子形成络合键而形成吸附层。此时，需要采用一些特定的方法或工艺将污垢清除。又如，金属在潮湿空气中放置时，基体与环境中物质发生化学反应而生锈。铁锈可用酸、碱等化学试剂或用物理的机械方法除去。
④渗入基体表面内部的污如纤维表面的液体污垢，不仅在纤维表面扩散润湿，同时也会向纤维内部渗透扩散。这种渗入基体内部的污垢清除时会遇到更大困难在去除此类污垢时又要尽量避免损伤基体表面
事实上，污垢与基体之间的结合力往往是几种力的共同作用。
3.3化学清洗剂的作用原理
3.3.1可溶性污垢的去除
(1) 可溶性无机污垢对于这类污垢可以用水进行溶解或软化、剥离，将污垢去除。例如，某些可溶于水的盐或灰尘等，可用水进行溶解或冲刷去除。
(2)可溶性油类污垢可用有机溶剂(醇、酮、醚或汽油、柴油等)对一些油类污垢进行溶解去除。例如一些植物油或合成有机物的污迹属于此类污垢。
3.3.2不溶性污垢的去除
(1) 不溶性无机污垢对某些坚硬的无机盐固体沉淀污垢，例如锅炉内壁不溶于水的水垢(CaCO₃、MgCO₃)等，可以用盐酸水溶液将其溶解去除(当然在除垢处理时需考虑防止锅炉基体受到腐蚀，要用缓蚀剂)。盐酸去除水垢CaCO₃的化学反应式如下所示。
CaCO₃+2HCI→CaCl₂ +CO₂↑+H₂O
(2)不溶性有机污垢许多工业污垢可溶解于有机溶剂，但有机溶剂(如苯或丙酮等)易于挥发并污染环境、影响操作者的健康，同时有机溶剂的成本相对较高，所以往往用水基清洗剂对一些有机污垢进行去除。水基清洗剂包含有清洗主剂和助剂等组分。肥皂或洗涤剂可以认为是常用的民用水基清洗剂，工业水基清洗剂的配方及其应用是本书的论述重点。
3.3.3.水基清洗剂清除油污的原理
用水基清洗剂清除不溶性油污的原理如下。清洗剂中的主要成分是表面活性剂，表面活性剂是能够大大降低溶波表面张力的物质，其物质结构的特点是具有双亲性(既含有极性的亲水基团，又含有亲油的非极性基团)，如C₁₇H₃₅COONa中的一COO¯ 是极性(亲水)基团，C₁₇H₃₅一是非极性(亲油)基因。此类物质可以用“火柴”形象地描述其结构特征。一o,其直线表示非极性基团，圆环表示极性基团。表面活性剂在水中的分散情况如图1-1所示。
由于其非极性基团受到溶剂(极性的水分子)的排斥，所以在其浓度很低时就会相对整齐地布满水的表面，其浓度继续增加时，才会分散在水溶液之中，形成胶束。如图1-2和图1-3所示。
排布在水溶液表面的表面活性剂分子使得水溶液的表面张力大大地降低，这对于剥离油污、使其脱离基体表面至关重要。水体中的胶束对油污还具有“增溶”作用，如图1-3所示。
图1-4解释了表面活性剂在清洗固体表面油污的作用原理。水平直线之下(A)为固相基体，圆弧内(B)表示附着在基体表面的油污，圆弧上方。(C)表示水溶液。
σA-B表示基体(A)与油污(B)之间的界面张力; σA-C表示基体(A)与水溶液(C)之间的界面张力; σB_c表示油污(B)与水溶液(C) 之间的界面张力。
设三个界面张力平衡于O点，则有σA-B=σA-C + σB-Ccosθ。(1-1)
即 COSθ=σA-B¯σA-C/σB-C
θ角越小[如图1-4 (a)所示];则油污越趋于铺展，油污与基体的结合面越大，结合得也越牢，越不容易清除，当θ角趋于0°时，称为全铺展，油污附着最牢;
θ角大于90° [如图1-4 (b)所示]时，称为非铺展状态，油污与基体的结合力较小，θ角越接近180°，污垢就越容易被清除。
对于特定的基体和油污而言，σA-B是相对固定的，σB-Ccosθ 一项受影响也相对较小，而σA-C受溶液(C)的性质变化影响较大。当向水溶液中加入表面活性剂，可以大大降低σA-C。从式(1-1)可以看出，降低σA-C有利于增大θ角，有利于油污的去除。清洗剂有助于去除油污就是因为其中含有表面活性剂，可大大降低σA-C利于去污。当然化学清洗剂中除含有表面活性剂之外，还含有一些助剂。
(2).jpg "化学清洗剂")
.jpg "图1-1 表面活性剂在水中的分散情况")
.jpg "图1-2 胶束示意图")
.jpg "图1-3 胶束的增溶作用示意图")
.jpg "图1-4 液体在固体表面润湿状态示意图")
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