水作为清洗溶剂的特点

一、水

1.水分子的结构

水分子是由两个氢原子和一个氧原子所组成的，三个原子排列成以两个氢原子为底，以氧原子为顶的等腰三角形，如图3-1。分子中正负电荷中心相互分离，其偶极矩µ很大，µ=6.14X10^-30C•m，因此水分子具有很强的极性。

图3-1水分子的结构

图P79页

在具有强极性的水分子之间，由于H—0之间的电子云强烈地偏向电负性很大的氧原子，使氢原子核裸露，产生剩余价键，能与另一个水分子中的氧原子相结合，形成氢键，如图3-2中虚线所示。

图3-2水分子间氢键的形成示意图

图P79页

2.水的性能特点

由于水分子有很强的极性，水分子之间又有氢键，因此，水在许多方面表现出很特殊的性质，比如沸点、比热容、汽化热、溶解性、表面张力等性质。

（1）水有优良的分散溶解能力强极性的水分子与离子型化合物或强极性化合物等强电解质分子接触时，水分子和它们的离子或极性分子相互吸引，并由于质点的热运动，使电解质分散、溶解或离解于水。溶解于水并电离的离子，又能与水分子结合，即发生水化作用，成为水合离子，分散于水中。水合过程是放热过程，可使溶解于水溶液的离子稳定。因此，水是大多数无机酸、碱、盐的良好的、成本低廉、应用极广的溶剂和清洗介质。

水的极性分子和具有极性的有机化合物也有强烈的相互作用，水分子与分子中有强电负性元素的其他有机化合物分子，如醇、胺、有机酸、蛋白质等也会形成氢键，有利于这些有机物在水中的溶解，因此，水也可用于清洗某些有机化合物。

灰尘、土壤等是含无机盐的混合物，在一定程度上也可分散于水中成悬浮液，部分溶解于水。

（2）水有较大的汽化热和比热容由表3-1和表3-2可见，水的汽化热和比热容比许多其他的溶剂大。温度每升高1°C或降低1°C，水所吸收或放出的热量比同质量的其他溶剂多，因此水是常用作冷却、传热等的良好载体。

（3）水有接近于常温的沸点和凝固点在0〜100°C之间，水都是小粘度的液体，便于使用常规的方法控制清洗温度，进行清洗作业。又由于0〜100°C，接近常温，便于在水蒸气一液态水一固体冰三态和能量之间的转换。

表3-1水和某些物质的汽化热

表3-2水和某些物质的比热容

图P80页

（4）水有适中的蒸气压有一定的蒸气压和挥发性，有利于清洗后表面干燥。水的蒸气压和温度的关系见表3-3。

（5）水有不可燃烧性这是大多数非水溶剂所不具备的。

（6）水是无色、无毒、无臭、无味的液体。

（7）水有特殊的体积一温度关系一般液体的体积，随温度升高而增加。但是，由于水分子间的氢键数和缔合水分子数随温度变化而变化，因此4°C时其体积最小，密度最大，温度低于或高于4°C时的密度变小。

3.水的局限性

作为清洗介质，水也存在一些不利于清洗的性质。

表3-3水的蒸气压

图P81页

（1）水是强极性分子，对非极性或极性小的污垢的溶解分散作用很差，因此单独用水难以清洗油污、非极性高聚物等。

（2）水分子间的氢键的存在，使其分子间有很强的作用力，产生水分子之间的缔合作用，使若干简单的分子转变为复杂的缔合分子。因此，水有很大的表面张力，在25°C时，为71.96N/m；80°C时为62.6N/m；100°C时为58.8N/m。而其他液体的表面张力大多在20-50N/m之间。例如，在对应温度下，乙醇的表面张力分别为24N/m，31N/m和30N/m。它在许多物质的表面就难于铺展开，也就是渗透、湿润性不良，这对于清洗是不利的。在用清洗液进行清洗的过程中，清洗液必须先湿润物体的表面，再往内部渗透，才能进一步发挥溶解、分散、乳化和剥离等作用。以水为溶剂的某些清洗液是难于渗透到被清洗的整个表面的。当然应该也可以采用某些添加剂（比如表面活性剂）加以克服。

（3）地面和地下水中含有大量的各种盐和其他杂质，例如钙盐、镁盐、铁盐等等，对清洗效果造成不良的影响。

4.水在工业清洗中的应用

（1）污垢溶剂

可以用水清洗带极性的污垢，起到溶解、分散作用。包括可溶性无机盐垢、尘垢、糖垢等。

（2）其他清洗添加剂的溶剂

工业清洗中的大部分清洗添加剂都是以水为溶剂的。例如，酸、碱、盐、表面活性剂、螯合剂以及某些极性非水溶剂，都是以水为溶剂，配成溶液，用于清洗作业的。

（3）喷射介质

机械清洗中的高压喷洗，主要是以水为施加压力的介质，形成高压喷水清洗技术。

（4）漂洗介质

在经过清洗液清洗后的材料或设备表面，有各种添加剂的残留物附着，必须加以清除，以免被带入生产系统内，污染生产原料或产品，或影响下一道工序一如涂刷、电镀、焊接等的加工质量。为此进行严格的漂洗是十分必要的。水是最常用、最低廉的漂洗介质。有时还要求用高纯度的水进行漂洗。

5.水中杂质对清洗的危害

（1）金属离子的危害

①钙、镁离子的危害水中的钙镁离子对某些清洗剂的清洗效果有明显的影响，尤其是影响某些表面活性剂清洗液的性能。例如，十二烷基苯磺酸钠会与钙镁离子发生下列反应：

公式P82页

钙镁离子和肥皂中的硬脂酸钠反应，生成不溶解于水的硬脂酸钙和硬脂酸镁，而使肥皂丧失清洗作用：

2C₁₇H₃₅COONa+Ca²+=（C₁₇H₃₅COO）₂Ca↓+2Na+

②铁离子的危害铁离子包括Fe³+和Fe²+，在中性和碱性水溶液中常以氢氧化亚铁Fe（OH）₂和氢氧化铁Fe（OH）₃的形式存在。当水中的铁含量比较多时，被清洗的表面，尤其是纸张、纤维、织物等会被染上黄色。铁的氢氧化物是以胶体状态悬浮于溶液的，会絮凝、沉积于被清洗表面，而且难于除去。铁离子能和碱性清洗剂中的磷酸根结合为难溶的磷酸铁，粘附于被清洗表面，也比较难以清除。而且铁的离子是铁细菌的营养源，它的残留，可能引起铁细菌的繁殖。此外，三价铁离子有比较强的氧化性，尤其在酸性清洗剂中，会加速某些金属如Fe、Cu的腐蚀。例如：

2Fe³++3Cu=2Fe+3Cu²+

2Fe³++Fe=3Fe²+

③铜离子的危害在酸洗液中如果所含Cu2+的浓度比较大，在清洗中，也可能造成铁、锌和铝等金属的腐蚀：

Cu²++Fe=Cu+Fe²+

Cu²++Zn=Cu+Zn²+

3Cu²++2A1=3Cu+2Al³+

当铜离子的还原产物金属铜沉积于被清洗的金属表面时，在设备投入使用后，由于微阴极铜的存在，可能引起设备的穿孔。

④铝离子的危害水中的铝离子可与碱性溶液中的氢氧根结合为絮状A1（OH）₃沉淀，粘附于被清洗的表面；当清洗液中有磷酸根时，也生成粘附性很强的磷酸铝附着于被清洗的表面。

（2）阴离子的危害

水中常常含有Cl-、OH-，CO₃²-，HCO₃-、PO₄³-、HPO₄²-、H₂PO₄、SO₄²-，SiO₃²-，HSiO₃-等阴离子。

①碱度：水中能和强酸发生中和反应，即能接受H+的物质的总量称为水的碱度。这类物包括：

强碱：氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙等；

弱碱：氨等；

强碱弱酸盐：碳酸钠、碳酸氢钠、磷酸氢二钠、硅酸钠等。

碱度有甲基橙碱度和酚酿碱度两种测量和表示方法。

以酚酞为指示剂，用强酸滴定水样至溶液的红色消失为终点，所消耗酸的量为该水样的酚酞碱度（P）。

以甲基橙为指示剂，用强酸滴定水样至溶液的红色消失为终点，所消耗酸的量为该水样的甲基橙碱度（M），又称为水的总碱度。

甲基橙碱度总是大于酚酞碱度。由甲基橙碱度（M）减去酚酞碱度（P），可以判断水中的OH-、CO₃²-、HCO₃-等离子的相对含量。

用酸滴定至酚酞指示剂变色，水中发生的主要反应：

OH-+H+=H₂O

CO₃²-+H+=HCO₃-

HCO₃-+H+=H₂CO₃

由于把CO₃²-滴定成HCO₃-，和把HCO₃-滴定成H₂CO₃所消耗的酸量一样，而且OH-和HCO₃-不会同时存在于同一溶液，因此，当酚酞碱度和甲基橙碱度相等时，表明水中只有OH-离子，不存在CO₃²-和HCO₃-离子。

如果甲基橙碱度是酚酞碱度的两倍时，表明水中只有CO₃²-离子。如果甲基橙碱度小于酚酞碱度的两倍时，表明水中有OH-、CO₃²-离子，不存在HCO₃-。表3-4列出酚酞碱度和甲基橙碱度的相对大小与水中碱度组成的关系。

表3-4P和M的相对大小与碱度组成的关系

表格P84页

水中的OH-、CO₃²-和HCO₃-都能和钙镁离子生成难溶的盐垢。

②氯离子：清洗用水中含有氯离子，对于许多被清洗的金属是有害的。氯离子会引起钝态金属的局部腐蚀。因为氯离子容易变形，发生离子极化，极化了的氯离子，有很强的穿透能力。在一定的条件下，氯离子破坏金属的表面膜，引起孔腐蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀等局部腐蚀。因此，在清洗不锈钢、铝等易钝化的金属材料和设备时，用于配制清洗液和作为漂洗介质的水，应控制氯离子的含量。

但是，简单地说氯离子腐蚀金属是不妥的。因为氯离子并不具备氧化性，是不可能氧化和腐蚀任何金属的。只有氧化剂与之共存时，氯离子才起到促进腐蚀的作用。工业清洗用的水中含有溶解氧，是氯离子能促进腐蚀，引起局部腐蚀的前提条件。如果水中没有溶解氧，又不含其他的氧化剂，即使水中的氯离子浓度再大，也不会引起金属的腐蚀。

水中所溶解的固体的总量称为水的总溶固量。总溶固量代表水的总含盐量，又称为水的盐度或矿化度。

淡水的总溶固量＜1000mg/L；

咸水的总溶固量1000~30000mg/L；

高盐水的总溶固量＞30000mg/L。

（3）可溶性气体的危害

①氧气：在敞开于大气中的水系统中，大约含有6〜10mg/L的溶解氧。在水中不含有其他的氧化剂的情况下，氧的存在，是清洗液腐蚀金属的基本原因。

②氨：在中性或碱性的清洗液中，氨的存在对不锈钢、钢铁的腐蚀有一定的抑制作用；但是，在有氧化剂存在的条件下，氨会加速铜的腐蚀。因为，氨对铜离子有配合能力，从而加速铜的溶解。

③二氧化硫：二氧化硫在水中生成亚硫酸，对金属有明显的腐蚀作用。

④硫化氢：溶解于水和清洗液的硫化氢，在一定的条件下，可能促进钢铁的应力腐蚀、孔蚀等。

（4）油污的危害

含油污的水如果用于配表面活性剂清洗液，将消耗部分表面活性剂发生乳化。如果用于配制不能使油污乳化的清洗液，油污将污染被清洗表面。如果用其作为漂洗介质，漂洗已经清洗过的表面，将使已清洗的表面发生再污染。油污是细菌的营养源，能增加微生物的活性。因此用含油污的水配制的各种清洗液容易变质发臭。

（5）悬浮物的危害

水中的悬浮物指颗粒大于0.1µm的杂质，例如粘土、泥沙等。悬浮物的浓度用浊度表示，即水中微粒物体对光线透过时所发生的阻碍程度。通常以含1mg/L高岭土或硅藻土的水的浊度规定为1mg/L。并以此为标准溶液，用比较法测定其他水样的浊度。显然，浊度大，水中的悬浮物含量多，对于清洗有不良的影响。尤其是漂洗用水中的悬浮物，会造成被清洗表面的再污染。

（6）有机物的危害

水中的有机物通常指腐殖质、纤维素、菌藻、病毒和人为加入的有机添加剂等。在一般的情况下，它们的影响比较小。但是，当清洗食品、医药、电子元件等时，必须严格净化，否则会造成严重的污染

有机物的含量通常用化学需氧量（COD）和生物需氧量（BOD）表示。

①化学需氧量（COD）：在强酸性、加热回流的条件下，用高猛酸钾或碘酸钾氧化水样中的有机物，氧化剂的消耗量即为化学需氧量。

②生物耗氧量（BOD）：在一定的条件下使水样中的有机物在微生物的作用下进行生物氧化，在一定的时间内所消耗的溶解氧的量为生物耗氧量。

水的COD和BOD越大，水中有机物的含量越高。