第3章 除垢
3.1 概述
3.1.1 污垢分类
污垢是预处理工艺中必然要面对的问题，故弄清其产生原因及特点至关重要。在清洗过程中，从清洗材质表面去除的杂质统称为污垢。不同情况下污垢的种类存在很大的差别，情况很复杂，只能对具体情况作具体分析，因此有必要对污垢进行分类研究，污垢分类有很多种方法。
1.根据污垢存在的形状分类
（1）颗粒状污垢 如固体颗粒、微生物颗粒等以分散颗粒状态存在的污垢。
（2）覆盖膜状污垢 如油脂和高分子化合物在物体表面形成的膜状物质，这种膜可能是固态的，也可能是半固态或流态的。
（3）无定形污垢 如块状或各种不规则形状的污垢，它们既不是分散的细小颗粒，也不是以连续成膜状态存在。
（4）溶解状态的污垢 如以分子形式分散于水或其他溶剂中的污垢。
以不同形状存在的污垢去除过程的微观机理有很大差别，如固体颗粒状态的污垢与液体膜状污垢在物体表面的解离分散去除机理就大不相同。
2.根据污垢的化学组成分类
按这种分类方法可把污垢分为无机物和有机物两大类，见表3-1。
表3-1 根据污垢的化学组成分类
（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的氧化物及水化物或无机盐类。常见无机污垢的成分（XRD分析）见表3-2。
表3-2 常见无机污垢的成分
（2）有机污垢 食物残渣中的淀粉、糖、奶渍、肉汁、动植物油迹，衣物上沾染的血污色素、矿物油等，从成分上看它们分别属于碳水化合物、脂肪、蛋白质、有机高分子化合物或其他类型的有机化合物。
通常所说的油垢，实际上可能是两类性质完全不同的有机物。
一类是矿物油包括润滑油、石蜡等，它们属于有机物的烃类，是石油分馏的产品，含有20～30个碳原子。除了可燃之外，它们可以说是化学稳定性很好的有机物。
另一类是油脂，包括动物脂肪和植物油。它们属于有机物酯类，是饱和或不饱和高级脂肪酸的甘油酯的混合物。它们与矿物油的区别是在碱性条件下可以发生皂化。
不同化学成分的污垢使用不同方法去除。一般情况下，无机污垢常采用酸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物体表面去除。
3.根据污垢的亲水性和亲油性分类
（1）亲水性污垢 如可溶于水的食盐等无机物和蔗糖等有机物。
（2）亲油性污垢 如油脂、矿物油、树脂等有机物。
亲水性污垢通常用水作溶剂加以去除，亲油性污垢则利用有机溶剂溶解，或用表面活性剂溶液乳化分散加以去除。
4.根据在物体表面存在的状态分类
污垢与物体表面的结合状态是多种多样的，由于结合作用力种类的不同使结合牢固程度不同，因此从物体表面去除污垢的难易也不同。
（1）单纯靠重力作用在物体表面沉降而堆积的污垢 这种形态存在的外来污垢，在物体表面上的附着力很弱，较容易从物体表面上去除，如衣物或家具表面上附着的粗大尘土颗粒。
（2）靠吸附作用结合于物体表面的污垢 在这种情况下，污垢分子与物体表面的分子间存在着吸附作用力，这种吸附力既可能是分子间的范德华作用力，也可能是分子间的氢键作用或分子间形成共价键的结合。当污垢分子靠吸附作用结合于物体表面时，特别是污垢以薄膜状态紧密结合于表面时，这种结合力是很强的。与表面直接接触的污垢分子层由于存在这种强烈的吸附作用，通常的清洗方法很难把它们去掉。而且以这种状态存在的污垢颗粒越小，与物体表面的吸附力也越强，在超精密工业清洗中要求把这类微小的污垢粒子也清除掉，因此要采用一些特殊的方法来克服污垢粒子对物体表面的吸附作用。
（3）靠静电吸引力附着在物体表面的污垢 当污垢粒子与物体表面带有相反电荷时，它就会依靠静电吸引力吸附到物体表面，有时污垢粒子与物体表面带有相同的负电荷，但物体表面存在带正电荷的金属阳离子，此时靠金属阳离子的中间作用，污垢粒子也会依靠静电吸引力间接吸附于物体表面。许多导电性能差的物体表面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吸引力吸附到此物体表面。当将这类物体浸没在水中时，由于水有很大的介电常数会使污垢与物体表面之间的静电吸引力大为减弱，此时这类污垢就容易从表面解离。
这类由导电性差的材料组成的物体在溶液中加以清洗之后，如果放置在空气环境中令其干燥，很可能又会被带电的尘埃颗粒污染。为避免发生这种情况，在超精密工业清洗工艺中，这类物体在清洗处理之后都是放置在十分清洁的无尘室中进行干燥的。
（4）在物体表面形成的变质层污垢 金属在潮湿空气中放置会生锈产生锈垢，锈垢不是来自外界环境，而是物体与周围环境中物质发生化学反应在表面形成的变质层。这种污垢的特点是在污垢变质层与物质基体之间往往存在一个明确的分界面，因此可用酸、碱等化学试剂或用机械方法把变质层污垢从物体表面除去。
（5）渗入物体表面内部的污垢 如衣物表面的液体污垢，不仅在衣物表面扩散润湿，同时也会向衣物纤维内部渗透扩散。这种渗入物体内部的污垢清除时会遇到更大的困难。
（6）刺破物体表面而楔入内部的坚硬污垢 如金属切削碎屑和研磨粉楔入物体表面，火车车厢的表面涂层被火车行进过程中车轮与铁轨摩擦产生的铁粉所刺破。
通常把上述前三种情况称为附着污垢，这种污垢来自环境并且与物体表面存在一明确的分界面，这种污垢的清除一般不会造成物体表面的损伤。而把后三种情况称为污染污垢，由于污染污垢与物体已连成一体并深入到物体表面之内，因此清除这种污垢要认真选择合适的清洗方法，既要去除污垢，又要尽量避免损伤表面。
5.根据引起污垢沉积的主要机理分类
（1）析晶污垢 如CaCO3、CaSO4和MgSiO3等负溶解性盐溶液因受热而使表面溶解度降低，随盐类析出沉积；或流动条件下呈过饱和的流动溶液中的溶解无机盐沉析在换热面上的结晶体。当流体是冷却水或蒸发设备中的液体时，这种污垢即成为水垢或锈垢。超过25%的污垢问题与析晶污垢有关。
（2）化学反应污垢 高温下某些有机物或无机物发生反应、聚合或焦化而产生的固体沉积在换热面上；或在换热面上进行化学反应而产生污垢。换热面材料不参加反应，但可作为化学反应的一种催化剂。例如，在石油加工过程中，碳氢化合物的裂解和聚合反应，若含有少量杂质，则可能发生链反应，从而导致表面沉积物形成。
（3）微粒污垢 悬浮于流体中的固体微粒在换热面上的积聚。这种污垢也包括较大固体微粒在水平换热面上因重力作用的沉淀层，即所谓沉淀污垢和其他胶体微粒的沉积。
（4）腐蚀污垢 具有腐蚀性的流体或者流体中含有的腐蚀性杂质腐蚀换热面材料产生的腐蚀物积聚所形成的污垢。通常，腐蚀程度取决于流体的成分、温度及被处理流体的pH值。
（5）生物污垢 未经处理的海水、河水或湖水中的藻类等产生的沉积，这是由微生物体和有机物体附着于换热面上而形成的污垢。
（6）凝固污垢 这是指清洁液体或多组分溶液的低溶解度组分在过冷换热面上凝固而形成的污垢。例如，当水温低于凝固点时水在换热面上凝固成冰。温度分布的均匀与否对这种污垢影响很大。
需要指出的是，在实际换热面上形成的污垢，常常是各种污垢类型混合在一起的，如析晶污垢和腐蚀污垢，就常常是混合而共存于同一换热面的，并且换热面上往往同时生成几种类型的污垢并相互影响。另外，在应用上述分类时，常常会遇到这样一些困难，如在溶液结晶的情况下，常常分不清固态粒子是直接沉积在换热面上，还是析晶先在主流中发生，然后晶体粒子沉积到换热面上或者两者同时发生。如果是第一种情况，则应归入析晶污垢；如果是第二种情况，则毫无疑问应归入微粒污垢。
3.1.2 污垢分析
分析污垢的目的是确定污垢的类别（定性分析）及化学组成（定量分析），以便确定除垢方案。从有代表性的部位取样后封于容器内备用，垢样质量应不少于5～10g。污垢定性分析见表3-3，表中各个样品的分析均为取小块固体垢样置于小烧杯中进行的。化学分析、X射线、光电子能谱、次级离子质谱等均可定量分析污垢的化学组分。
表3-3 污垢定性分析
（续）
