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编辑推荐

适读人群 ：本书对从事清洗研究和应用的科技人员和相关工程技术人员有很好的参考价值。
本书的重要内容集中到表面污染物的清洗方法和清洁度检验技术，依次介绍了离子液体清洁技术、微乳液清洁技术、双流体喷雾技术和微生物清洁技术，还介绍了清洁度检验方法。本书英文版的作者是相关领域的国际知名科学家。它们紧跟时代的发展，向读者展示了清洗领域新的发展成就。其中一些清洗技术因高新技术如航空航天、半导体和芯片技术、纳米技术的发展应运而生，另一些技术则基于当前蓬勃发展的新技术如离子液体和生物技术。可以说本书是一本创新成果的汇编，对从事清洗研究和应用的科技人员和相关工程技术人员有重要的参考价值。
离子液体和DES已被建议应用于清洗领域，应用范围包括刷洗去除微小污染物，清洗半导体晶片和集成电路，精密清洗航空航天部件，清除金属表面氧化垢，金属的电抛光，去除微生物，清洁艺术品，清洗油气开采过程中的井筒，土壤清污以及清洗各种消费品等。微乳液已在工业清洗和家用清洗中获得应用。一些应用包括家庭和工业洗衣，废水处理，清洗受到污染的土壤、纤维和纺织品、壁画、绘画、纪念碑和建筑物等，以及在石油和天然气工业中的各种应用。

内容简介

本书皆由不同国际知名学者撰写，分五个专题，详细阐述了一系列新的清洗技术，主要涉及特种行业的特种清洗技术，与传统的洗涤剂清洗完全不同，国内相关的出版物很少。涉及的内容包括离子液体、微乳液、针高压清洁、微生物清洁等进行阐述，每个专题都对表面污染物的影响、表征与移除进行了详细的论述。另外，随着科技的发展，对表面清洁度的要求越来越高，所以书中还介绍了大表面的清洁度检验方法。

作者简介

Rajiv Kohli 是美国航空航天公司在污染物颗粒行为、表面清洁和污染物控制方面的首席专家。在美国国家航空航天局休斯顿约翰逊航天中心，他为地面、载人航天飞船及无人驾驶飞船的硬件设备提供有关污染物控制方面的技术支持。研究方向包括颗粒的行为、精密清洗、溶液和表面化学、先进材料和化学热力学等。参与开发了用于核工业的溶剂型清洗技术，以及广泛用于精密清洗和微处理过程的新型微摩擦系统。
Kashmiri Lal Mittal 在表面污染与清洗及粘附科学与技术领域从事教学和咨询工作。为了表彰他在胶体与界面化学领域的广泛工作和突出贡献，2002年设立了以他的名字命名的“Kash Mittal 奖”。译者崔正刚，江南大学化学与材料工程学院教授，博士生导师。研究方向为胶体和表面活性剂，感兴趣的研究领域包括表面活性剂相互作用，三次采油用表面活性剂，乳状液和微乳液，纳米颗粒表面活性剂等。

内页插图

目录

第1章 用离子液体去除表面污染物 001
1.1 引言 002
1.2 表面清洁度等级 003
1.3 离子液体 004
1.3.1 背景 004
1.3.2 缩写和术语 006
1.3.3 基本特性 008
1.3.4 热力学性质 012
1.3.5 挥发性 015
1.3.6 影响溶解性的因素 015
1.3.7 热力学性质的建模和预测 016
1.3.8 黏度 017
1.3.9 电导率和高真空分析应用 020
1.3.10 毒性问题 021
1.3.11 数据汇编 023
1.3.12 深共熔溶剂 024
1.4 用离子液体进行清洗的原理 026
1.4.1 基本原理 026
1.4.2 成本因素 027
1.5 离子液体清洗的优缺点 028
1.5.1 优点 029
1.5.2 缺点 029
1.6 应用 030
1.6.1 半导体的清洗 030
1.6.2 刷洗 031
1.6.3 机器零件的清洗 032
1.6.4 电抛光 034
1.6.5 使用离子液体和超临界气体的清洗 034
1.6.6 含油沙粒和颗粒类物质的清洗 035
1.6.7 有害物质的净化 035
1.6.8 微生物污染 035
1.6.9 原位清洗 036
1.6.10 艺术品的清洗 036
1.6.11 工业应用 037
1.6.12 消费品方面的应用 039
1.7 小结 040
参考文献 040
第2章 微乳液清洁法 063
2.1 引言 064
2.2 微乳液的类型、配方和性质 064
2.2.1 配方 064
2.2.2 微乳液的性能 071
2.2.2.1 增溶 071
2.2.2.2 界面张力 072
2.2.2.3 接触角和润湿性 073
2.3 表面清洁的基本过程及原理 074
2.4 用微乳液清洁表面和去除污染物 077
2.5 微乳液清洁剂的设计和评价方法 078
2.6 微乳液清洁的应用 079
2.6.1 清洗油污染的钻屑 080
2.6.2 油基钻井液转换成水基钻井液时钻井孔的清洁 082
2.6.3 油气井井筒附近的清洗 084
2.6.3.1 裸眼完井中去除油基流体滤饼 085
2.6.3.2 套管井完井中消除地层损害 088
2.6.4 其它清洗方面的应用 089
2.6.4.1 废水的清洁和微乳液泡沫浮选 089
2.6.4.2 微乳液清洗受污染的土壤和地下水 090
2.6.4.3 微乳液清洁纺织用品 091
2.6.4.4 使用非水溶剂的微乳液清洗 092
2.6.4.5 微乳液清洗建筑物外部 092
2.6.4.6 微乳液清洗壁画和艺术品 092
2.6.4.7 微乳液清洗原油油藏 093
2.6.4.8 微乳液清洗页岩和其它岩层中的压裂凝胶 094
2.7 总结与展望 094
参考文献 095
第3章 双流体喷雾技术清除固体微粒 101
3.1 引言 102
3.2 颗粒与黏附力 103
3.3 清洗工艺窗口 103
3.3.1 理论预测 104
3.3.2 实验研究 107
3.4 颗粒去除技术概况 109
3.5 双流体喷雾清洗 110
3.5.1 系统描述 110
3.5.2 液滴冲击能量 111
3.5.2.1 冲击固体表面 111
3.5.2.2 皇冠的形成 112
3.5.2.3 冲击液体膜 113
3.6 双流体喷雾进展 115
3.7 先进喷雾技术开发 120
3.7.1 喷头的开发 120
3.7.2 液滴能量密度 121
3.7.3 致损阈值 122
3.8 总结和展望 126
参考文献 127
第4章 利用微生物清除表面污染物 133
4.1 引言 134
4.2 表面污染和清洁度等级 134
4.3 背景 134
4.4 微生物清洗原理 136
4.5 清洗系统 137
4.5.1 零件清洗机 137
4.5.2 清洗溶液和微生物成分 138
4.5.3 微生物的应用 139
4.5.4 污染物的种类 139
4.5.5 基质的种类 140
4.5.6 零件清洗 140
4.5.7 成本 142
4.6 微生物清洗的优点和缺点 143
4.6.1 优点 143
4.6.2 缺点 144
4.7 应用 144
4.7.1 零件清洗 145
4.7.2 去除油脂 145
4.7.3 油田硫酸盐还原菌 146
4.7.4 细菌的表征和表面清洁度的监测 146
4.7.5 汞的生物去除 147
4.7.6 伤口清创 147
4.7.7 消毒和清洗 147
4.7.8 历史艺术品与建筑物的清洗 148
4.7.9 家庭和机构应用 149
4.8 小结 150
参考文献 150
第5章 大型表面清洁度检验——确立对接触角技术的信心 157
5.1 背景 158
5.1.1 范围 158
5.1.2 表面清洁度和表面能 158
5.2 方法介绍 161
5.2.1 传统和新型数字化接触角技术 161
5.2.1.1 侧面方法（半角、液滴形状分析和蛇形法） 162
5.2.1.2 一种新型的数字化自上而下法 164
5.2.1.3 反射角法 165
5.2.2 文献或工业领域建议的标准参照物 166
5.2.3 标准参照物材料 167
5.3 优点和缺点 168
5.3.1 人员培训 168
5.3.2 方法比较 169
5.4 结果 169
5.4.1 成像选择举例 169
5.4.2 性能比较举例 170
5.4.3 人员培训举例 170
5.4.4 方法比较举例 170
5.5 应用 172
5.6 未来发展 172
参考文献 173
索引 177

精彩书摘

4．用微乳液清洁表面和去除污染物
微乳液用于表面清洁是一个复杂的过程，该过程与几个因素相关，包括清洗液的浓度和成分、温度、机械能以及待清洁底物的性质[59]。
底物既可以是疏水性表面(油润湿)，如与水的接触角在90?-100?范围的聚丙烯、聚乙烯和聚苯乙烯，也可以是亲水性(水润湿)表面，如与水的接触角为20?-30?左右的玻璃表面。非均质岩层表面具有混合润湿性。表面的污染物可能是液体或固体颗粒，并可以不同程度地黏附到表面，取决于它们的组成和性质。
决定污垢和底物之间的黏附力降低的关键因素是颗粒和/或液体-底物之间、清洁剂-污染物之间以及清洁剂-底物之间的相互作用。另一些因素是机械能和流体动力学，它们在清洁过程中也发挥了重要作用。
微乳液清洁过程中涉及的主要机理是油性物质被增溶进胶束的内核中，形成溶胀胶束。另一种观察到的机理是污垢的卷离和油性物质的微乳化[52]。油性材料和洗涤液或清洗液之间的IFT在清洗过程中起着重要作用。那些在Winsor III型区域显示超低IFT，在表面活性剂-污垢-水体系的洗涤条件下能达到最低IFT值的微乳液体系，可能是优异的清洁剂。

5．微乳液清洁剂的设计和评价方法
微乳液的设计准则取决于具体的应用要求。一些决定微乳液设计的先决条件包括清洗时间、油污的增溶和从表面的去除，以及表面的最终润湿性。根据这些要求，最终的设计可能是最佳配方微乳液、Winsor III型或Winsor IV型微乳液，以及靠近Winsor III型边界的Winsor I型微乳液。最后一个体系可被设计成在清洗过程中就地形成微乳液。
具有这些期望特征的微乳液配方需要适当地选择表面活性剂混合物并加入其它添加剂，如助表面活性剂和连接剂，以便形成恰当的流体混合物，可以在广泛的条件范围内(待清洁的油性物的类型，盐度，O/W比值，温度等)发挥最高效率。通过研究配方获得最好的清洁用微乳液包括确定溶剂或者与污染物具有类似EACN的油，确定使用淡水或盐水(NaCl，CaCl2，NaBr，CaBr2)，以及确定适用于使用温度范围的表面活性剂混合物。短链醇和连接剂在配方中属于可选添加剂。
微乳液体系的物理化学表征包括研究相稳定性、相行为，以及分子间相互作用[60]。胶束增溶的机理和微乳液的特性可以通过核磁共振(NMR)、超离心、X射线衍射、小角中子散射，和微分扫描量热等方法来研究[60-63]。核磁共振在相行为和微观结构研究中是一种非常有用的技术。配方扫描是一种研究表面活性剂-水-油微乳液体系相行为的非常实用的方法。除了配方扫描，IFT、润湿性以及适用于特定应用场合的实验室研究方法也被用来评价微乳液体系的有效性。
液体之间的IFT可通过多种方法进行测定[64]。对于理解涉及多相体系的工业操作如微乳液清洗中的界面过程，动态IFT的测量被公认为是很重要的[65]。在涉及液体-流体界面的工业操作中，流体在界面处的组成是不断被更新的并且不能达到平衡。
动态IFT的测量技术包括最大气泡压力法，液滴(气泡)增长法，振荡射流和脉动气泡法。如果被测体系的IFT达到超低，例如用于从岩石和金属表面去除钻井液的微乳液(低于10-2 mN/m)，最合适的方法是旋转液滴法和表面散射法[64-66]。
气泡最大压力法对于测量具有相似密度的流体间IFT是非常有用的。在这种条件下用于测量IFT的常规方法一般无效，因为它们要求两相之间要有显著的密度差。该方法的一个应用实例是测量密度差极小的沥青/水(<0.001 g/cm3)之间的IFT [67]。

6．微乳液清洁的应用
微乳液的独特性质(对油的高增溶能力、低IFT以及能自发形成)使其在各种清洗应用中非常有吸引力。微乳液已被广泛用于工业和家用清洗。其中一些应用包括家庭和工业洗衣，废水净化，污染土壤的清洗以及在石油和天然气工业的各种应用。
在下列每一个微乳液洗涤应用实例中，都是烃类或油性材料增溶到胶束的内核，形成溶胀胶束，结果导致胶束的表面曲率降低，从而使相行为发生变化，如图2.8所示。相变可能由温度或成分的变化触发，取决于应用条件。在一些应用中，洗涤液被设计成相行为处在Winsor I和Winsor III边界的微乳液，这样的话当溶液接触油性污染物时，油性物质通过扩散增溶到胶束中，使体系转变成Winsor III型微乳液。在其它应用中，洗涤液可以被设计成Winsor II型油基微乳液，其相行为处于靠近Winsor III型体系的边界。当溶液处于Winsor III (或最佳配方)条件下，IFT急剧下降到接近于零，这有利于油或水掺进两亲结构中。
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3.7先进喷雾技术开发
3.7.1喷头的开发
2010年出现了一种新的喷头，这种喷头可以将液滴直径和速度的控制分开，从而能够提供最优化的液滴能量[59, 60]。这个被称为纳米喷雾?的新的特别设计的喷头使用了一种压电元件，从而可以从喷头中的许多排放孔中释放出大小均匀的液滴。这一改进提高了清洗效率，并且降低了由于液滴尺寸和速度的变化导致的潜在结构损害风险。
每个液滴的大小和速度都已用液滴测量系统进行了测量，该系统包括激光、高速摄像机和图像处理器[61]。
图3.17显示了被测量系统捕获的液滴[62]。借助于纳米喷雾?的喷头，所形成的液滴尺寸和速度可以控制在±5%(3σ)的范围内。与用纳米喷雾2的喷头产生的液滴相比，改进之处如图3.17(直观的照片)和图3.18(图表格式)所示。此外，纳米喷雾?的最大优点是液滴尺寸和速度可以独立改变，同时又都保持了均一性。


图3.17纳米喷雾2(a)和纳米喷雾?(b)两种不同喷头产生的液滴的高速摄像图

图3.18纳米喷雾2和纳米喷雾?喷头产生的液滴的尺寸(a)和速度分布(b)

3.7.2液滴能量密度
在验证了液滴尺寸和速度的均匀性之后，又研究了对样品损害方面的影响[63]。一个纳米喷雾?被安装在一个单晶片清洁工具上，采用22 ?m和40 ?m液滴喷雾工艺，之后再进行旋转干燥。带有光刻胶结构的300 mm晶片(宽度=250 nm，高度=560 nm)被用作损害测试样品，其机械强度相当于纳米多晶硅栅结构的3倍。随着液滴速度的增加(图3.19)，超过某个起始阈值后，损害数量急剧增加。
对尺寸为40 ?m的大液滴，测得的导致更多损害的阈值速度较小。图中所示的损害点的数量和速度之间的线性关系发生改变被归因于测量过程的不规范，即测量工具将群体损害当作单一损害点来处理。通过用光学显微镜观察可以发现，那些被标记为一个损害事件的部位实际上包含大量的损害点。
所观察到的液滴尺寸对损害事件的影响可以通过检查液滴在初始冲击区的动能来

前言/序言

《表面污染与清洗进展》“Developments in Surface Contamination and Cleaning”丛书设定了如下目标，即为人们了解膜状和颗粒状表面污染物的行为连续提供最前沿的关键视角。前五卷分别在2008年、2010年、2011年、2012年和2013年出版，专门论述了污染物的基本性质、污染物的测试与表征方法以及去除污染物的技术等。本书是该丛书的第六卷。
在本书的各个章节中，相关主题方面的专家提供了有关清洗和清洗表征方面的最新综述。
离子液体（IL）和低共熔溶剂（DES）是一类新型的低熔点材料，因具有独特的性能使它们在清洗领域很有吸引力。Rajiv Kohli在其撰写的第1章中讨论了这些溶剂的特性，包括这些溶剂对很多污染物的高溶解度、热稳定性、化学稳定性、低熔点（甚至低于273 K）、非常低的挥发性以及高电导率等。离子液体溶剂确实也存在不少缺点，例如成本高、合成复杂、重复利用时需要纯化以及许多配方具有高毒性和难以生物降解等。目前已经开发出一些能够克服其中部分缺陷的DES配方。最近，离子液体和DES已被建议应用于清洗领域，并且已经被证明有效，尽管许多结果仍属于实验室阶段。应用范围包括刷洗去除微小污染物，清洗半导体晶片和集成电路，精密清洗航空航天部件，清除金属表面氧化垢，金属的电抛光，去除微生物，清洁艺术品，清洗油气开采过程中的井筒，土壤清污以及清洗各种消费品等。
Lirio Quintero和Norman F. Carnahan 概述了微乳液在清洗领域的应用。微乳液的独特性质（对油的高增溶性、低界面张力和自发形成）使它们在各种各样的清洗应用中表现出吸引力。微乳液已在工业清洗和家用清洗中获得应用。这些应用包括家庭和工业洗衣废水处理，受到污染的土壤、纤维和纺织品、壁画、绘画、纪念碑和建筑物等的清洗，以及在石油和天然气工业中的各种应用。
随着设备结构的减小、新材料和具有三维结构特征设备的出现，清洗工艺正在受到不断的挑战。在清除“杀手”颗粒瑕疵时，必须保证不破坏脆弱的材料结构、清洗所致的材料损失基本为零以及不使表面粗糙化。由James T. Snow, Masanobu Sato 和Takayoshi Tanaka 共同撰写的第3章讨论了双流体喷雾清洗技术，这一技术在清除不同表面上的颗粒污染物方面极具应用价值。利用双流体喷雾中液滴的冲击力清除颗粒污染物，被证明是一种高效而损害的半导体晶片清洗技术。喷嘴分别可以控制液滴的直径和速度，以提供最佳的液滴能量。这一方式不仅提高了清洗效率，而且降低了由于液滴尺寸和速度的变化而导致被清洗部件损坏的可能性。
由Rajiv Kohli撰写的另一章（第4章）是有关微生物清洗的综述，即利用自然生成的微生物从不同类型的表面去除各种各样的污染物。与传统的溶剂清洗法相比，微生物清洗已经被证明是一种有效的替代方法。这种方法是基于微生物对烃类化合物具有亲和性，能够消解这类化合物，并将其分解成害的二氧化碳、水和可溶性脂肪酸。这些微生物是非致病性的，处理和处置时是安全的。这一工艺是环境友好的，比溶剂清洗更经济，但不适用于高精密度的清洗。典型的应用包括：零部件清洗，从混凝土和地板表面清除油和油脂，从生产设备、医院、餐厅、食品加工厂以及一些类似场所的排水沟和隔油池中清除油脂，文物和建筑物的清洗，卫生设施的清洗和杀菌，伤口清创，油田控制硫酸盐还原菌，汞的生物回收，以及家庭和公共机构的

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