一、吸附作用

利用污垢對(duì)不同的物質(zhì)表面親和力的差別，在氣體或流體介質(zhì)中將污垢從原來(lái)附著的物體表面轉(zhuǎn)移到另一物質(zhì)表面，達(dá)到去除污垢的目的，這種清洗過(guò)程叫做吸附清洗。適合這種目的而使用的物質(zhì)叫吸附劑，被吸附的物質(zhì)（去除的污垢）叫吸附物。

1.固體表面的吸附特性

能夠吸附氣體或溶液中的溶質(zhì)是固體表面的一種特征性質(zhì)。一種物質(zhì)以原子或分子形式附著在另一種物質(zhì)表面上的現(xiàn)象稱為吸附。吸附在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中都有著許多應(yīng)用。例如工業(yè)上利用吸附作用精煉石油和植物油，干燥、脫水、分離回收氣體和液體，使糖或其他帶色物質(zhì)脫色，濾除空氣中有害的毒氣等，都是吸附特性的應(yīng)用。

固體能將氣體分子或液體分子吸附到自己表面上，這是與固體表面具有過(guò)剩的能量（表面能）有關(guān)。固體表面的質(zhì)點(diǎn)與液體表面的質(zhì)點(diǎn)一樣處于受力不平衡狀態(tài)。固體內(nèi)部的每個(gè)微粒（原子、分子和離子）在各個(gè)方向上都被相同的微粒包圍著，它們之間作用力相等，處于平衡狀態(tài)。但固體表面上的各個(gè)粒子與氣相或溶液接觸的向外一方的吸引力并沒(méi)有被平衡，存在剩余的力場(chǎng)。這種不平衡的力場(chǎng)，可以通過(guò)吸附別的分子而得到某種程度的補(bǔ)償，從而使固體表面能降低。因此固體表面都具有自動(dòng)吸附那些能夠降低它表面能量的物質(zhì)。固體表面積越大，表面能量越高，吸附的趨勢(shì)也越強(qiáng)。由于氣體（或溶質(zhì)）被吸附可看作是一個(gè)液化過(guò)程，所以吸附過(guò)程都是放熱的過(guò)程。

2.物理吸附和化學(xué)吸附的特點(diǎn)

吸附按作用力的性質(zhì)分可為物理吸附與化學(xué)吸附兩類。

（1）物理吸附

如果固體表面的質(zhì)點(diǎn)所有的化學(xué)結(jié)合力已被相鄰質(zhì)點(diǎn)所飽和，這時(shí)固體表面的質(zhì)點(diǎn)和吸附物之間只能靠分子間作用力（范德華力）相互吸引。這類吸附稱為物理吸附。分子間引力是普遍存在于物質(zhì)之間的一種作用力，根據(jù)性質(zhì)的不同可分為取向力、極化力及色散力三種。

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

心與帶負(fù)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(fù)電中心不相重合，則這種分子叫極性分子，如二氧化硫、氨和水分子等。分子中正負(fù)電荷中心相距越遠(yuǎn)，分子的極性越強(qiáng)。

在非極性分子之間只存在色散力，極性分子和非極性分子之間存在色散力和誘導(dǎo)力，在極性分子間存在色散力、誘導(dǎo)力和取向力。這些分子間作用力的總稱為分子間力，又稱范德華力，其中色散力是所有分子之間都存在的，一般也是最主要的分子間作用力。

分子間力的強(qiáng)度一般是化學(xué)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。分子間力普遍存在于各種分子之間，對(duì)物質(zhì)的性質(zhì)特別是熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、溶解性等物理性質(zhì)有很大影響。

靠分子間作用力產(chǎn)生的物理吸附有以下特點(diǎn)。

①無(wú)選擇性由于分子間力是普遍存在于吸附劑與吸附物之間的，所以吸附劑可以對(duì)多種不同吸附物同時(shí)進(jìn)行吸附而無(wú)法選擇。

②越易液化的氣體越易被吸附雖然物理吸附對(duì)吸附物無(wú)選擇性，但吸附劑與不同吸附物之間分子間引力大小也不同，因此被同種吸附劑吸附的不同吸附物的數(shù)量卻不同，一般說(shuō)來(lái)其規(guī)律是越易液化的氣體（即沸點(diǎn)較高的液體）越易被吸附。

③吸附熱小由于物理吸附類似于氣態(tài)分子的液化凝聚，所放的熱相當(dāng)于氣體液化熱，所以吸附熱數(shù)值較小。

④吸附物可形成單分子層或多分子層在吸附劑表面靠分子間作用力形成一層吸附物后，由于分子間作用力起作用的距離范圍小，所以吸附劑只對(duì)第一層吸附物有較強(qiáng)的吸引作用，而形成的第一層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劑的結(jié)合力要比第一層結(jié)合力弱，因此吸附物往往只形成單分子吸附層。有時(shí)也可以形成多分子吸附層，則外層的形成主要是靠被吸附物質(zhì)之間的分子間作用力相結(jié)合的。

⑤物理吸附是一個(gè)可逆過(guò)程把吸附物分子從固體表面解離下來(lái)重新回到氣相或溶液的吸附逆過(guò)程叫解吸。解吸過(guò)程是一吸熱過(guò)程。當(dāng)吸附到一定時(shí)間以后，吸附和解吸的速度相同，在吸附劑的表面上被吸附物的數(shù)量不再變化，這種狀態(tài)稱為吸附平衡。

（2）化學(xué)吸附

如果固體表面的原子的化學(xué)結(jié)合力未完全被相鄰原子所飽和，還有剩余的形成化學(xué)鍵的能力，則在吸附劑與吸附物之間可以發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，形成化學(xué)鍵。這種靠化學(xué)鍵結(jié)合的吸附稱為化學(xué)吸附，化學(xué)吸附有以下特點(diǎn)。

①選擇性由于吸附劑只與某些特定的吸附物發(fā)生化學(xué)鍵結(jié)合，所以化學(xué)吸附不能在所有物質(zhì)間普遍發(fā)生，而是有選擇性的。如氫氣會(huì)被鉤或鐮的金屬表面化學(xué)吸附，但它在鋁和銅的表面則不發(fā)生化學(xué)吸附。

②吸附熱大由于化學(xué)吸附相當(dāng)于形成化學(xué)鍵的化學(xué)反應(yīng)，因此化學(xué)吸附放的熱與化學(xué)反應(yīng)放的熱相接近，而大于物理吸附熱。

③只形成單分子層化學(xué)吸附的結(jié)合力是吸附劑與吸附物間的化學(xué)鍵，它只存在于吸附劑表面，因此只能在吸附劑表面形成吸附物的單分子層。

④難以形成吸附平衡當(dāng)吸附劑與吸附物靠化學(xué)鍵結(jié)合后就難以解離，所以吸附和解吸都比物理吸附慢，達(dá)到吸附平衡也慢。

⑤物理吸附與化學(xué)吸附不是不相容的，而是隨著外界條件變化相伴發(fā)生的，有的吸附在某種條件下是物理吸附，當(dāng)條件改變時(shí)有可能轉(zhuǎn)變成化學(xué)吸附，情況比較復(fù)雜。工業(yè)清洗中利用的吸附多是物理吸附。

3.清洗用吸附劑的基本條件

作為吸附劑，要求其具備的基本特性是與污垢有很強(qiáng)的親和力而且本身有很大的吸附表面積。

（1）對(duì)污垢有很強(qiáng)的親和力

吸附劑的表面與污垢之間可能存在物理和化學(xué)親和力，這種親和力包括分子間作用力、氫鍵力、靜電引力以及化學(xué)鍵力。通常吸附劑表面分子與被吸附物之間是借分子作用力而吸附的，因?yàn)榉肿又g的作用力是普遍存在于物質(zhì)之間的。但根據(jù)吸附劑與吸附物的種類不同，它們之間的分子間作用力的大小也不同。因此，同種吸附劑對(duì)不同物質(zhì)的吸附能力的差別很大。在另一些情況下，當(dāng)污垢粒子與吸附劑表面帶有相反電荷時(shí)，也可靠靜電引力結(jié)合而吸附。因此在選擇吸附劑時(shí)要作具體分析，盡量選擇與被吸附物之間親和力大的吸附劑。例如擦拭物體表面的泥土和黑板上的粉筆灰，使用濕棉布效果較好，而擦拭去除工廠內(nèi)機(jī)器表面上的油性污垢或其他加工產(chǎn)生的廢屑，使用化纖干布反而效果好。由于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(zhì)表面的親水性及親油性的大小，通常采用測(cè)定接觸角的方法。接觸角示意圖見(jiàn)圖4-1。接觸角的大小是由物質(zhì)表面的物理性質(zhì)決定的。如果說(shuō)水滴在某一物質(zhì)表面的接觸角較大，而油滴在它的表面的接觸角小，說(shuō)明這種物質(zhì)的親油性大。因此在選擇吸附劑時(shí)可根據(jù)污垢的親水性、親油性選擇合適的吸附劑，如親水性強(qiáng)的污垢應(yīng)選擇與它結(jié)合力大的親水性吸附劑。

圖4-1接觸角示意圖

圖片P170頁(yè)

（2）有較大的吸附表面積

在單位面積上吸附的污垢量總是有限的，只有吸附的總面積越大，吸附量才會(huì)增加，吸附效率才能提高。在體積一定的情況下，具有最大表面的物質(zhì)，才適合作吸附劑。如纖維狀物質(zhì)，海綿狀多孔性物質(zhì)以及膠體粒子等都適合于這種應(yīng)用。

工業(yè)上對(duì)吸附劑的要求是：?jiǎn)挝槐砻娣e要大，吸附活性大。

單位表面積常以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(zhì)數(shù)量來(lái)表示，即g/g或g/cm3表示。常分為靜活性和動(dòng)活性兩種指標(biāo)。在一定溫度下，當(dāng)氣相中吸附物的濃度保持一定的條件下達(dá)到的最大吸附量叫靜平衡活性（靜活性），而把達(dá)到吸附平衡時(shí)的最大吸附量叫動(dòng)活性?；钚灾翟礁?，說(shuō)明吸附性能越好。

除以上條件以外，還要求吸附劑對(duì)吸附物有較高的吸附能力，有較高的吸附選擇性，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等。

4.常用的污垢吸附劑

常用的吸附劑可分為纖維狀吸附劑和多孔型吸附劑以及膠體粒子。纖維狀吸附劑是天然或合成的細(xì)纖維，織成布狀或氈狀的物質(zhì)。用聚乙烯纖維制成的氈布，可以吸附其本身質(zhì)量的20?25倍的重油或機(jī)器油，可以有效去除漂浮在水面的油膜。在清洗領(lǐng)域中使用的多孔性吸附劑有活性炭、沸石、膨潤(rùn)土、硅藻土、酸性白土、活性白土等。

（1）活性炭

活性炭是碳素的一種形態(tài)，是具有多孔結(jié)構(gòu)的碳的綜合名稱，表面積為500-1000m2/g。外觀為黑色無(wú)定形粉末或顆粒。相對(duì)密度約1.9?2.1。表觀密度因原料和制造方法之不同而異。

活性炭的孔結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，形狀各異，可將其分為微孔、過(guò)渡孔和大孔三類。有效半徑低于1.8-2.0nm的視為微孔，在這些孔中不發(fā)生毛細(xì)凝聚。微孔體積大約為0.15?0.50mL/g，其表面積占總表面積的95%。有效半徑在2-100nm范圍內(nèi)的孔視為過(guò)渡孔，能發(fā)生毛細(xì)凝聚。過(guò)渡孔的體積約為0.02-0.10mL/g，其表面積占總表面積的5%。有效半徑大于100nm的視為大孔活性炭。

所有的活性炭都具有多孔結(jié)構(gòu)。大量的微小孔隙具有極大的內(nèi)表面積，使活性炭具有良好的吸附性能，對(duì)異種物質(zhì)的分子具有極強(qiáng)的吸著力。其吸附力的大小與異種物質(zhì)的分子大小、化學(xué)性質(zhì)以及活性炭的微孔容積、孔徑分布和表面上的功能團(tuán)（由氫、氧與碳結(jié)合而成的氧化物或含氧基團(tuán)）的種類有關(guān)。

活性炭無(wú)臭、無(wú)味，與堿類、酸類均不起化學(xué)反應(yīng)，不溶于水和普通溶劑。活性炭的表面是疏水性的，適合吸附各種非極性氣體、色素、碳?xì)浠衔镆约岸喾N有機(jī)化合物分子。特別是椰子殼制成的活性炭，孔隙度大。在理想情況下，1g這樣的活性炭具有1000?2500m2的表面積。

在活性炭的三類孔中，每一類都有其特殊的功能。對(duì)吸附來(lái)說(shuō)微孔是最重要的，因?yàn)樗哂泻艽蟮谋缺砻娣e。過(guò)渡孔的功用是作為被吸附物質(zhì)到微孔的通道。大孔的重要性主要是能使被吸附物的分子迅速地進(jìn)入位于活性炭粒子更深處的內(nèi)層細(xì)孔。

活性炭因制備工藝不同，其表面帶有酸性基團(tuán)或堿性基團(tuán)，因而具有一定的吸附特性。其吸附特性表現(xiàn)在：容易吸附臨界溫度及沸點(diǎn)較高的物質(zhì)；容易吸附分子鏈較長(zhǎng)的物質(zhì)；低溫下有利于吸附。

在工業(yè)清洗工藝中，活性炭常用作有機(jī)溶劑的清洗回收，氣體排放中雜質(zhì)的吸收，液體的脫色與凈化等工藝。

（2）沸石

沸石的組成可近似表達(dá)為：Na?O?Al?O??nSiO?或xM?O?Al?O??ySiO??zH?O。

天然沸石是鋁硅酸鹽類礦物。其晶體結(jié)構(gòu)中含有多組通過(guò)氧原子連接起來(lái)的SiO?。（見(jiàn)圖4-2）和AlO?兩種四面體，形成一種多微孔的、孔結(jié)構(gòu)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。沸石晶格上有一部分Si?+被Al3+所代替，所缺少的正電荷由Na+、Ca2+補(bǔ)足，從而成為可交換的離子。天然沸石的晶格結(jié)構(gòu)牢固，溶脹度小，而不能吸附較大的離子，正因?yàn)槿绱?，它?duì)不同大小的分子有良好的選擇性。但是天然沸石化學(xué)穩(wěn)定性不好，且應(yīng)用的pH值范圍較小。即使要使用，也要根據(jù)需要進(jìn)行改性。

圖4-2相互連接的硅氧四面體

圖片P172頁(yè)

合成沸石是用碳酸鈉、苛性鉀、長(zhǎng)石、高嶺石以及其他原料混合熔融制成。其溶脹系數(shù)大于天然沸石，參與離子交換的基團(tuán)數(shù)增多，因而交換容量大于天然沸石，可達(dá)到300?500[H+]mol/L。在合成沸石中，可根據(jù)用途導(dǎo)入不同的活性元素。

天然沸石和人工沸石的結(jié)構(gòu)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(diǎn)，一是可根據(jù)分子的大小和形狀的不同進(jìn)行選擇性的吸附，只吸附直徑小于其孔徑的分子。二是根據(jù)分子的極性、不飽和度和極化率的不同選擇性吸附。沸石是極性吸附劑，極性越大，不飽和度越高，極化率越大的分子越易被吸附。

沸石在工業(yè)清洗中可用于吸附處理清洗廢液。

（3）硅藻土

硅藻土一般是由統(tǒng)稱為硅藻的單細(xì)胞藻類死亡以后的硅酸鹽遺骸形成的。硅藻土由無(wú)定形的SiO?組成，并含有少量的Fe?O?、CaO、MgO，Al?O?及有機(jī)雜質(zhì)。硅藻土呈淺黃色或淺灰色，質(zhì)輕而軟，易研成粉末。多孔，孔隙率達(dá)90%左右。

硅藻土吸附能力很強(qiáng)，能吸附自身重量1.5?4.0倍的水，是良好的吸附劑。硅藻土常用于液體過(guò)濾去雜、澄清脫色。在一些固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，硅藻土450g，白油6.51g，水22.51g。

先將三乙醇胺溶于水中，將白油和油酸的混合物加入水中，攪拌，加入硅藻土，完全混勻，使用時(shí)用棉布蘸取此液，涂于車體表面，待其干燥后，擦拭，即能將車體表面的油污清除。

（4）膨潤(rùn)土

膨潤(rùn)土又名斑脫巖，是一種可塑性很強(qiáng)的粘土，主要礦物成分是蒙脫石，少量為常石英、云母晶屑及中酸性火山角礫巖屑。呈白色至橄欖綠色。相對(duì)密度2.4?2.8。

蒙脫石是由兩層硅氧四面體中間夾著一層鋁氧八面體形成晶層單元，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖4-3。蒙脫石中的同晶置換極為普遍，如鋁可以取代四面體中的Si、Mg、Fe、Zn等，也可以取代八面體中的鋁。所以膨潤(rùn)土有很高的離子交換容量。膨潤(rùn)土的結(jié)構(gòu)決定了它有特大的比表面積，一般在250-500m2/g，因而有較高的吸附能力。膨潤(rùn)土吸附水、膨脹、收縮等性能均比一般粘土大。有的在吸附水時(shí)，體積同時(shí)增大，并形成凝膠狀態(tài)。有的能吸附5倍于本身重量的水。

工業(yè)清洗中常用作清洗劑的添加劑。例如黑色金屬去銹清洗劑配方：氨基磺酸40%；重鉻酸鉀5%；硫脲0.03%；OP-10乳化劑0.2%；膨潤(rùn)土5%；其余為水。膨潤(rùn)土還可作為廣譜脫漆劑中的添加劑。

圖4-3蒙脫石結(jié)構(gòu)示意

其他的多孔性吸附劑還有酸性白土、活性白土、活性氧化鋁、輕質(zhì)氧化鎂等。如5%活性白土，3%二氧化硅與異丙醇、煤油混合，可制成研磨吸附型玻璃清洗劑。

除纖維狀吸附劑、多孔性吸附劑以外，有些膠體粒子也是良好的吸附劑。膠體離子的直徑為0.1~1nm，膠體離子與相同質(zhì)量的粗大固體粒子相比，其表面積就大得多，因此膠體離子具有巨大的表面能，這就使得膠體離子有自己獨(dú)特的性質(zhì)。膠體離子有強(qiáng)烈的吸附能力，能夠吸附各種物質(zhì)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制備的膠體溶液，例如無(wú)機(jī)聚合狀態(tài)的偏硅酸（硅酸鈉等）和有一定水溶性的有機(jī)高分子化合物（羧甲基纖維素等），在水中都能形成膠體。由于硅酸鹽在水中水解后形成的膠體對(duì)油脂有很強(qiáng)的吸附力，因此硅酸鹽膠體常被用于脫脂清洗工藝，在廣譜脫漆劑中作為吸附劑。

二、熱能作用

熱能在清洗中被廣泛地應(yīng)用。熱能的受體有清洗液、被清洗基體和污垢本身，其清洗作用機(jī)理主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.對(duì)清洗過(guò)程有促進(jìn)作用

促進(jìn)作用主要包括兩個(gè)方面：一是促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)；二是提高污垢在清洗液中的溶解分散性。

所有的化學(xué)反應(yīng)都是在一定溫度下進(jìn)行的，對(duì)絕大部分化學(xué)反應(yīng)而言，升高溫度都有利于反應(yīng)的進(jìn)行。溫度每升高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)鋼鐵除銹中，加熱至40?50°C的除銹時(shí)間比常溫除銹快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(duì)油脂的皂化和乳化過(guò)程。當(dāng)然，不是溫度越高，越利于清洗。一方面升溫要消耗大量的能源，增加清洗成本；另一方面溫度過(guò)高可能造成清洗液對(duì)被清洗基體的腐蝕，如在酸洗過(guò)程中。所以，對(duì)不同情況的清洗都應(yīng)確定一個(gè)最佳的溫度范圍。

清洗液對(duì)污垢的溶解速度和溶解量也是隨溫度升高而成比例提高的。所以，升溫有利于洗滌過(guò)程。在某些高壓水射流的管道清洗設(shè)備中，備有加熱設(shè)備，用于那些水溶性不太好的污垢清洗。熱水增加污垢的溶解性，防止不溶污垢堵塞管道，影響清洗效果。又如在所有表面處理中，除油以后都需用熱水漂洗或沖洗，有利于把吸附在清洗對(duì)象表面的堿和表面活性劑溶解清除。

2.使污垢的物理化學(xué)狀態(tài)發(fā)生變化

溫度的變化常會(huì)引起污垢的物理化學(xué)狀態(tài)發(fā)生變化，使它變得容易被去除。污垢物理狀態(tài)的改變指固體污垢被熔化、溶化或汽化；化學(xué)狀態(tài)的變化是指固體污垢被熱能裂解和分解，污垢改變了原有的分子結(jié)構(gòu)。

在油田中，經(jīng)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。尤其在冬天，疏通管線更加困難。采用加熱的辦法使石蠟液化，變成液態(tài)油垢，就比較容易被表面活性劑水溶液乳化分散了。

用加熱或燃燒的方法去除工件表面有機(jī)物的污垢，使它分解成二氧化碳等氣體，這是一種簡(jiǎn)單的方法。缺點(diǎn)是易留下灰分殘留物，易造成金屬的氧化。所以，這種方法適合于去除玻璃和陶瓷表面上的微量頑固有機(jī)物污垢。

此外，某些物理強(qiáng)化清洗方法如激光清洗，其清洗機(jī)理在本質(zhì)上也是熱能作用的結(jié)果。當(dāng)高能激光照射在污垢上時(shí)，它可在10-11s內(nèi)將光能轉(zhuǎn)變?yōu)槌邿崮埽贡砻嫖酃溉刍?、汽化而被除去，可在不熔化金屬的前提下，把金屬表面的氧化物銹垢除去。

3.使清洗對(duì)象的物理性質(zhì)發(fā)生變化

當(dāng)溫度變化時(shí)，清洗對(duì)象的物理性質(zhì)也會(huì)變化，有時(shí)有利于清洗的進(jìn)行。例如，人們?cè)谙匆路r(shí)，用溫水就比較容易洗凈。其原因除了提高清洗劑的效能外，另一個(gè)原因是布料中的纖維在較高的溫度下浸泡，容易吸水膨脹，使污垢對(duì)纖維的吸附力下降，從而變得容易被清洗。

三、液體在界面上的流動(dòng)作用

把清洗對(duì)象浸泡在液體中去除污垢時(shí)，如果使用的洗液有良好的洗滌能力，那么只要把清洗對(duì)象放在洗液中靜置一定時(shí)間，污垢就會(huì)解離分散而有效地被去除。比如金屬浸酸去銹就可以用這種方法處理。這種方法被稱為靜態(tài)處理。但常常為了提高污垢被解離、乳化、分散的效率，讓洗液在清洗對(duì)象表面發(fā)生流動(dòng)，這種動(dòng)態(tài)的清洗方法稱為界面流動(dòng)。

1.界面流動(dòng)的方向

洗液在附著有污垢的清洗對(duì)象表面的流動(dòng)有三種方向，如圖4-4所示。

圖4-4洗液在清洗對(duì)象表面上

由圖4-4可見(jiàn)，洗液在清洗對(duì)象表面流動(dòng)的三個(gè)方向?yàn)椋海?）沿著與清洗對(duì)象表面平行的方向流動(dòng)；（2）與清洗對(duì)象表面垂直的方向流動(dòng)；（3）與清洗對(duì)象表面成一定角度的流動(dòng)。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，人們發(fā)現(xiàn)第三種情況下污垢被解離的效果最好。因此在噴射清洗時(shí)常采用這種角度。但是在浸泡清洗情況中，如果清洗對(duì)象是多面體等復(fù)雜形狀時(shí)，要形成第三種方式的特定方向的界面流動(dòng)實(shí)際上是不可能的。在這種情況下洗液在清洗對(duì)象表面不是以固定角度流動(dòng)，而是希望能在液體中形成紊流以達(dá)到較好的清洗效果，這就需要攪拌。

2.攪拌

在清洗槽中要造成清洗表面與洗液間的相對(duì)流動(dòng)狀態(tài)以促使污垢解離，最常用的手段是使用攪拌的方法。

攪拌容易得到使洗液均勻有效地流動(dòng)的效果，常用的攪拌方法有以下三種。

①讓洗液流動(dòng)：這是最簡(jiǎn)單的方法。圖4-5介紹了幾種裝置的構(gòu)造。

圖4-5洗液流動(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(dòng)旋轉(zhuǎn)葉片攪拌的模型。攪拌軸是與液槽底面成垂直方向的，攪拌的結(jié)果使洗液沿著與軸垂直方向、平行方向和旋轉(zhuǎn)葉片組成的圓周的切線方向的流動(dòng)。但這種方式的攪拌很難在洗槽的各個(gè)表面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(fā)生折流運(yùn)動(dòng)提高其紊流效果。

在③圖中，讓攪拌軸與洗槽底面成一傾斜角度，這時(shí)利用攪拌在槽壁形成的反射流可獲得復(fù)雜的紊流效果。

但是攪拌軸伸入洗槽內(nèi)部，有時(shí)會(huì)造成清洗操作不方便。這時(shí)采用無(wú)軸的攪拌方式效果更好。圖4-6介紹了幾種無(wú)軸攪拌的裝置構(gòu)造。

圖4-6洗液流動(dòng)的攪拌方式之二：無(wú)軸攪拌

圖4-6中的①圖是一種把旋轉(zhuǎn)葉片安裝在洗槽側(cè)壁的裝置。

②圖是不使用旋轉(zhuǎn)葉片，而外接循環(huán)泵組成液體循環(huán)的流動(dòng)裝置。

③圖是利用鼓入氣泡的方式推動(dòng)洗液流動(dòng)。此時(shí)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，生成的氣泡在洗槽中迅速上升同時(shí)造成洗液的流動(dòng)。如果在洗槽中的清洗對(duì)象放置的位置合適，氣泡可以在清洗對(duì)象的隙縫間上升，這時(shí)可獲得柔和和高效的界面流動(dòng)效果。

對(duì)于小型清洗槽，可通過(guò)裝在外部的電磁攪拌器驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)磁體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生攪拌效果。

當(dāng)把高壓氣泡強(qiáng)烈地噴入洗液時(shí)，有時(shí)能造成空穴效果，在洗液中產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)波加強(qiáng)清洗效果。這種攪拌裝置也曾在設(shè)計(jì)中采用過(guò)。

②讓清洗對(duì)象運(yùn)動(dòng)：對(duì)比較輕巧的小型清洗對(duì)象適合采用這種方式。把許多小型部件裝在一個(gè)籠子里放在洗液當(dāng)中，讓籠子沿著垂直和水平方向激烈運(yùn)動(dòng)，也可以釆取旋轉(zhuǎn)方式運(yùn)動(dòng)，當(dāng)然在清洗對(duì)象運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)引起洗液跟著流動(dòng)。設(shè)計(jì)這種裝置要考慮到清洗對(duì)象的差別以及放置安排的方法的不同，才能產(chǎn)生良好的界面流動(dòng)效果。

③讓清洗對(duì)象和洗液都運(yùn)動(dòng)：相對(duì)密度和洗液相近的小型物品適合用這種方法。當(dāng)洗液激烈流動(dòng)時(shí)，清洗對(duì)象在洗液中漂浮運(yùn)動(dòng)而被洗凈。流動(dòng)床就是這種方法的具體運(yùn)用。比如家庭用的洗衣機(jī)，食品工業(yè)中豆類、谷物的清洗都廣泛釆用這種清洗方法。

但使用這種方法要得到均勻和強(qiáng)烈的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(zhǎng)管道的內(nèi)表面時(shí)，為提高流動(dòng)洗液的清洗能力，在管道中產(chǎn)生紊流很重要。而洗液在管道中流動(dòng)的狀態(tài)與洗液的流動(dòng)速度有很大關(guān)系。圖4-7描述了流體在管道中運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。

當(dāng)管道中流體流動(dòng)速度由低到高逐漸變化時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)也發(fā)生相應(yīng)變化。

圖4-7中的圖①顯示的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)叫層流。在這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，流體中每條流線彼此平行，直線前進(jìn)，保持線流狀態(tài)。流體中的各個(gè)質(zhì)點(diǎn)不做與流動(dòng)方向垂直的橫向運(yùn)動(dòng)，流線不相互混雜。

圖②顯示的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)表示當(dāng)流速逐漸增高時(shí)，流線的直線狀態(tài)受到破壞，不再保持完整的直線形狀，質(zhì)點(diǎn)沿著曲線軌跡向前運(yùn)動(dòng)，這實(shí)際是一種過(guò)渡狀態(tài)，為臨界速度的液流。

圖③顯示的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)叫紊流，當(dāng)流速提高到一定值之后，流體形成了紊流，此時(shí)質(zhì)點(diǎn)間互相劇烈混雜，在做向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)作橫向不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。

圖4-7流體在管道中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

圖片P177頁(yè)

雷諾（Reynolds）研究發(fā)現(xiàn)，管道中流體運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)與流速、管道直徑及流體的粘度系數(shù)等因素有關(guān)。并找到用雷諾數(shù)（Re）表示的定量關(guān)系：

公式P175頁(yè)

式中：u一流體的平均線速度，m?s-1，常用cm?s-1；

υ—流體的運(yùn)動(dòng)粘度，m2?s-1，常用cm2?s-1；

ρ一流體的密度，kg?m-3，常用g?cm-3；

d一管道的直徑，m，常用cm；

μ—流體的動(dòng)力粘度，kg?m-1?s-1，常用g?cm-1?s-1。

通常洗液有相同的運(yùn)動(dòng)粘度（υ），只是在溫度升高時(shí)運(yùn)動(dòng)粘度才降低。

把流體的流速與管道直徑的乘積與流體運(yùn)動(dòng)粘度的比值叫雷諾數(shù)（Re）°

雷諾數(shù)決定流體在管道中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)雷諾數(shù)較低時(shí)，流體處于層流狀態(tài)，當(dāng)雷諾數(shù)超過(guò)2320，流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就會(huì)由層流轉(zhuǎn)變成紊流，因此把Re=2320叫做臨界雷諾數(shù)。在不同情況下，液體的流速，管道的直徑以及不同液體的運(yùn)動(dòng)粘度會(huì)變，但在形成紊流時(shí)，三者之間所形成的雷諾數(shù)關(guān)系不變，必須在雷諾數(shù)大于2320時(shí)才能由層流變?yōu)槲闪鳌?/span>

杰寧（Jernning）在研究管道清洗實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雷諾數(shù)由2320（臨界雷諾數(shù)）逐漸增加到25500附近時(shí)，清洗效率發(fā)生突變。圖4-8顯示出雷諾數(shù)與清洗效率的關(guān)系。

圖4-8雷諾數(shù)與清洗效率的關(guān)系

由圖可知，要取得管道清洗的良好效果，不僅流體要在管道中形成紊流，而且其雷諾數(shù)要達(dá)到一個(gè)較高數(shù)值（例如25500）。因此可以根據(jù)雷諾數(shù)關(guān)系式求出在不同直徑的管道中，要取得好的去污效果時(shí)需要保持洗液的流速以及洗液流量的數(shù)值。

為了應(yīng)用上的方便，在許多參考書(shū)中已把有關(guān)液體的流量與雷諾數(shù)關(guān)系制成一系列圖表供人們使用時(shí)參考。圖4-9即是不同管徑的不銹鋼管中清洗液流量與雷諾數(shù)關(guān)系。

例如在圖4-9的圖中，溫度為60°C，直徑為3.81cm的管道中，當(dāng)洗液以600kg?h-1（即0.12m?s-1的流速）流動(dòng)時(shí)，它的雷諾數(shù)為11900，當(dāng)流量增加10倍達(dá)6000kg?h-1，雷諾數(shù)也擴(kuò)大10倍。

因此，人們可根據(jù)需要達(dá)到的洗凈效果，選擇合適的雷諾數(shù)，并通過(guò)控制管道中的洗液流量（即控制流速）而實(shí)現(xiàn)洗凈的要求。

但是應(yīng)當(dāng)注意的是，隨著流速的增大，對(duì)送液泵的動(dòng)力要求也增高，所以需要考慮這樣做是否經(jīng)濟(jì)，因此提高流速的方法并不是不受限制的。由圖4-9也可知道，對(duì)于越細(xì)的管道產(chǎn)生紊流需要的洗液流速也越低，相對(duì)地講越易取得較好的清洗效果。

對(duì)于大口徑的短管線的管道，通過(guò)提高洗液的流速獲得良好的紊流效果是很困難的，此時(shí)釆用把洗液以渦流狀態(tài)送入管道，并對(duì)管壁造成沖擊的方法往往可以獲得較好的清洗效果。而對(duì)于有豎直的開(kāi)闊形狀的清洗對(duì)象表面，讓洗液由上向下沿平面以薄膜狀態(tài)流下的清洗方法，當(dāng)雷諾數(shù)在200以下時(shí)也容易產(chǎn)生紊流效果。

圖4-9不同管徑洗液流量與雷諾數(shù)關(guān)系圖

壓力清洗

應(yīng)用各種方式的壓力如高壓、中壓以至負(fù)壓、真空都可能產(chǎn)生很好的清洗作用力。因此使用壓力是清洗中常用的手段之一。

噴射清洗

通過(guò)噴嘴把加有壓力的清洗液噴射出來(lái)沖擊清洗物表面的清洗方法叫噴射清洗。它包括噴射清洗的作用力，噴射所用噴嘴以及噴射清洗液三部分內(nèi)容。

1.噴射清洗作用力

在濕式噴射清洗過(guò)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(guò)噴嘴噴出清洗液的壓力、流體的速度動(dòng)能轉(zhuǎn)換成對(duì)清洗對(duì)象的沖擊力以及流體在清洗對(duì)象表面發(fā)生界面流動(dòng)等幾種作用力的總和。

其中流體對(duì)清洗對(duì)象表面形成的沖擊力符合下列關(guān)系式：

P=ρQV

式中：P——噴射壓力，Pa；

ρ——液體密度，kg?m-3；

V——噴射流體的平均速度，m?s-1；

Q——液體流量，m3?s-1。

一般情況，當(dāng)洗液種類固定，溫度一定的條件下，液體密度為一定值，當(dāng)流體流量（Q）越大，噴射流體的平均速度（V）越大，形成的噴射壓力也越大。圖4-10表示的是噴嘴口徑、水流量與噴射壓力三者之間的關(guān)系。

三種變量中只要知道其中兩項(xiàng)就可以根據(jù)圖線找到另一項(xiàng)的數(shù)值。如圖4-10所示的直線表明，一個(gè)噴嘴口的直徑為3mm，液體流量為2.2m3?h-1的噴射流體產(chǎn)生的壓力為50kgf?cm-2，（1kgf?cm-2=9.8×10?Pa）。

圖4-11表示的為噴嘴到清洗對(duì)象表面的噴射距離以及噴射角度與清洗力的關(guān)系。

由圖4-11可以看出，由噴嘴噴出具有一定動(dòng)能的洗液，在運(yùn)動(dòng)中受到空氣阻力的影響，動(dòng)能逐漸降低，水平方向的運(yùn)動(dòng)速度逐漸減少，以至在重力作用下最后下落。

圖4-11的①是噴射流體的水平方向運(yùn)動(dòng)速度開(kāi)始降低之前的位置，在這個(gè)位置與洗滌對(duì)象表面發(fā)生作用，洗液展開(kāi)的面積最大，但此時(shí)洗液的有效動(dòng)能已減少，沖擊力造成的清洗效果已不好。

圖4-11噴射距離、噴射角度與洗凈力關(guān)系示意圖

圖片P180頁(yè)

圖4-11中②的位置是噴嘴離洗滌對(duì)象很近時(shí)的情況，此時(shí)流體的沖擊力大，但洗液展開(kāi)的面積過(guò)小，總的清洗效果不好。而在①②位置之間有一個(gè)沖擊力保持相對(duì)較大，而洗液的展開(kāi)面積也保持相對(duì)較大的位置③存在，在這個(gè)位置上放置清洗對(duì)象，能取得較好的清洗效果。而圖中④是噴嘴以斜方向噴射到清洗對(duì)象表面的最佳位置。斜向噴射比垂直噴射使污垢受到更大的解離作用力。

由圖4-11可以看出，斜向噴射與垂直方向噴射相比，斜向噴射取得最佳清洗效果的距離要近一些，而去污效果要比垂直噴射更好一些。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向噴射還是垂直噴射都存在一個(gè)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(yè)

由圖4-12可見(jiàn)，清洗力隨著噴嘴到清洗對(duì)象之間距離的增加呈現(xiàn)先逐漸增加，而達(dá)到最大值后又急劇下降的過(guò)程。

噴射沖擊力（F），噴射水壓（P），噴射水流量（Q）和噴射初速度（之間存在以下關(guān)系：

υ?≈14√P；F=0.397Q√P

根據(jù)上式可算出當(dāng)噴射水壓為50kgf?cm-2，噴射初速度約為100m?s-1。在噴射水壓增大4倍，而噴射水量減少到原來(lái)的1/2時(shí)，可以獲得同樣的沖擊力。因此為了節(jié)約洗液，為了獲得良好的沖洗力，應(yīng)該加大噴射水壓，這就是為什么在噴射沖洗中常應(yīng)用較高壓力的原因。在沖洗用的噴射機(jī)中把噴射水壓在35kgf?cm-2以上的稱為高壓噴射機(jī)，而把噴射水壓在7kgf?cm-2以下的稱為低壓噴射機(jī)，在此兩者之間的稱為中壓噴射機(jī)。人們普遍對(duì)高壓噴射機(jī)表現(xiàn)出更大興趣。

由于高壓噴射機(jī)有強(qiáng)大的清洗力，可以去除頑固附著在物體表面的污垢。例如極細(xì)微的污垢粒子只有在高壓甚至在超高壓噴射過(guò)程中才能被去除。（前面已講到在減少洗液的情況下，增加壓力可以獲得同樣的清洗效果）。最近已有噴射水壓在100kgf?cm-2以上的超高壓噴射機(jī)投入使用。但是使用時(shí)應(yīng)考慮高壓噴射會(huì)對(duì)清洗對(duì)象造成損傷以及如何把清洗對(duì)象的位置更好固定的問(wèn)題。

2.噴射用噴嘴

不同形狀的噴嘴適用于不同的清洗場(chǎng)合，圖4-13中畫(huà)有各種形狀的噴嘴。

圖4-13中的①是應(yīng)用最廣泛的一種噴嘴，洗液從噴嘴中噴出后以圓錐面形式展開(kāi)，也有的使洗液形成中空的圓錐狀展開(kāi)。

圖4-13中的②是噴嘴尖端形成一個(gè)窄縫，使洗液呈扇形展開(kāi)，在清洗平面狀的表面時(shí)采用這種噴嘴較好。另外，用于噴射氣體時(shí)也以采用這種方式的噴嘴較好，因?yàn)樗梢园亚逑磳?duì)象表面的殘留液體吹盡，所謂氣刀式噴射就是指這種噴嘴。

圖中③是使流體呈棒狀的噴嘴。這種方式對(duì)去除在狹縫間隙中和細(xì)孔中的污垢較合適。

圖中④的噴嘴為中空球形，在球面上有許多細(xì)孔，使洗液呈放射狀噴射，又稱為噴霧淋洗。大型反應(yīng)罐的內(nèi)表面用這種方法清洗較好。

圖片P181頁(yè)

在需要清洗管道的內(nèi)表面時(shí)，用一種自走式噴射噴嘴比較合適，其工作原理見(jiàn)圖4-14。

圖4-14自走式噴射噴嘴

當(dāng)洗液通過(guò)噴嘴向斜后方噴射時(shí)所產(chǎn)生的壓力推動(dòng)噴嘴自動(dòng)前進(jìn)，噴射出的洗液可清洗管道的管壁。

噴嘴根據(jù)實(shí)際需要可安裝成固定式和可移動(dòng)式兩種結(jié)構(gòu)。固定式噴嘴使噴射液體的運(yùn)動(dòng)方向固定。但有立體表面的清洗對(duì)象希望所有的表面都能接受到噴射液，因此采用可移動(dòng)式更好。使噴嘴噴射方向改變可釆用以下幾種措施：①讓清洗對(duì)象物旋轉(zhuǎn)；②使用多個(gè)噴嘴多方向不同角度同時(shí)噴射；③根據(jù)對(duì)象表面不同而設(shè)計(jì)成各種運(yùn)動(dòng)方向的噴射，帶動(dòng)固定噴嘴向不同空間方向運(yùn)動(dòng)的清洗裝置。如使噴嘴在固定水平方向作旋轉(zhuǎn)噴射（水平旋轉(zhuǎn)型）；使噴嘴在一個(gè)可以上下豎直方向上移動(dòng)的軸支持下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；或在三維空間作圓周運(yùn)動(dòng)等。如圖4-15所示。

除了可移動(dòng)噴嘴噴射裝置之外，清洗中經(jīng)常使用可移動(dòng)的噴射清洗機(jī)，由2?5馬力電動(dòng)泵帶動(dòng)的手推車式噴射機(jī)。一個(gè)人工控制的手推車式噴射清洗機(jī)，有一分鐘內(nèi)噴射20-30dm3洗液的能力。工廠中的固定設(shè)備、大型機(jī)器的表面清洗經(jīng)常使用這種靈活方便的設(shè)備。

圖4-15可移動(dòng)式噴嘴噴射

3.噴射用洗液

一般噴射用的洗液包括常溫的水、熱水、酸和堿的水溶液、表面活性劑水溶液。

起泡性太高的表面活性劑洗液對(duì)噴射效果有不利影響，因此在使用表面活性劑水溶液作噴射洗液時(shí)要注意選用低起泡性的表面活性劑。

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

用電解得到的含有臭氧的水作洗液時(shí)，它的氧化分解能力與含在洗液中的細(xì)微臭氧氣泡有關(guān)。微小氣泡對(duì)微粒狀污垢的去除能力有很大作用。

噴射清洗中存在的問(wèn)題是，噴射的洗液在清洗對(duì)象表面停留的時(shí)間短暫，所以洗液的清洗能力不能百分之百發(fā)生效用。同時(shí)存在廢液處理問(wèn)題。為了提高洗液的利用效率，可以采用循環(huán)系統(tǒng)。圖4-16是一種噴射清洗的循環(huán)系統(tǒng)。沖洗下來(lái)的洗液中含有的砂土及金屬屑可用適當(dāng)方法加以分離，使噴射噴嘴減少磨損和被堵塞的可能性。

圖4-16使用循環(huán)系統(tǒng)的噴射清洗