【文章內(nèi)容簡介】 石型碳酸鈣水垢 []。文石型碳酸鈣水垢與質(zhì)地堅(jiān)硬、溶解度相對較低的方解石型水垢相比，文石型水垢是由針狀或柱狀的晶體構(gòu)成，宏觀上為絮狀、平坦棒狀或顆粒狀，較為疏松，垢形相對較小，不容易粘附在塑料、陶瓷和金屬的表面，而是易物理方法即可去除，或者隨水流沖走，因此較容易清除。但 KDF 合金濾料也會在長期使用中產(chǎn)生一些沉淀物影響其除垢效果，也是其缺點(diǎn)之一。 b) PTH 水處理器 PTH 水處理器的主要化學(xué)成分為銅、鋅、錫、鎳等金屬 元素，它不但可改變水垢的晶體形態(tài)，還可將水中已經(jīng)存在的水垢和銹有效去除，而且不用安裝軟化除氧設(shè)備，無需停工檢查，這使整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命得到延長。是一種防止鍋爐結(jié)硬垢、防銹、防藻功能的鍋爐水處理裝置。 PTH 水處理器的內(nèi)部核心構(gòu)造較為特殊，當(dāng)水流通過它時(shí)能產(chǎn)生很好的流體力學(xué)沖擊效果，這有利于核心元素產(chǎn)生的正電場作用的發(fā)揮。當(dāng)水流過 PTH 水處理器的內(nèi)部核心處時(shí)，由于正電場的作用水中結(jié)垢和易腐蝕的物質(zhì)被離解成陽離子和陰離子，且可利用接地系統(tǒng)來吸收釋放出的電子 [15]。這些吸收來的電子主要被鎂、鈣和鐵等可以形成水垢和 鐵銹的離子所獲得，從而形成相對穩(wěn)定的物質(zhì)狀態(tài)。 PTH 水處理器不但可以通過抑制陽離子的反應(yīng)以及兩極分極的反應(yīng)來阻止水垢、鐵銹的形成，還可以破壞已經(jīng)存在的水垢以及鐵銹中的陰、陽離子之間的平衡關(guān)系，進(jìn)而使它們易于被清除?？梢?PTH 水處理器是通過電子補(bǔ)償技術(shù)來穩(wěn)定離子并阻止了水垢和銹的形成 [16]。此外，多種型號的 PTH 水處理器還可滿足不同型號和用途的鍋爐。目前已在南非、韓國、日本等多個(gè)個(gè)國家推廣使用，并且得到了各國政府部門的大力支持。但是 PTH 水處理器的阻垢率還是無法達(dá)到令人完全滿意的程度，對水中原本存在的水垢和 銹的去除也并不完全，因此其性能還有待進(jìn)一步的提高。 河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)保材料研究所通過以銅鋅合金為基礎(chǔ)并加入稀土元素，通過中頻爐煉制、成型，熱處理后等工藝冶煉出多元銅鋅功能合金，其應(yīng)用于工業(yè)鍋爐除垢，效果顯著 []。 電氣石阻垢技術(shù) 電氣石是一種天然礦物，屬三方晶系，呈復(fù)三方柱狀。通式為 XY3Z6(BO3)3 Si6Ol8 (OH， O)3(OH， F)，具有自發(fā)極化遠(yuǎn)紅外輻射等性能。 河北 工業(yè)大學(xué) 20xx 屆 本科畢業(yè)論文 7 電氣石是用一種赤紅色結(jié)晶狀礦物 [19]，粉碎后加入附形劑拌和，做成直徑3～ 4 mm 的小圓球，則每個(gè)這樣的球 粒表面有 5～ 6 萬對正負(fù)電氣石電極，可具有防止水受熱結(jié)垢和使水活化的作用。有研究者認(rèn)為，當(dāng)水與電氣石球粒接觸時(shí)，電氣石球粒可使水分子激活和解離，所解離出的少量氫氧根，可與電氣石表面附近的水分子結(jié)合為具有界面活性的水合分子，寫成反應(yīng)式為： H2O→H ++OH H2O+ OH→H 3O2+e 所形成的水合分子如圖 。這是極性分子，可以吸附管壁器壁，阻止水中物質(zhì)附壁，如圖 。電氣石使水活化，除了可使管壁、器壁吸附活化水分子之外，還使水中鈣離子、鎂離子和碳酸根受激發(fā)，使成垢物質(zhì)的微晶致畸，而成為絮團(tuán)狀沉渣， 在一定時(shí)間內(nèi)失去附壁能力。 圖 水合分子 圖 水合分子附壁示意圖 研究表明電氣石顆粒的電極性影響水體的氧化還原電位 ,調(diào)節(jié)溶液 pH 值趨向中性 [20]。而表面吸附和離子交換吸附 H+使酸性溶液 pH 值上升速率大于堿性溶河北 工業(yè)大學(xué) 20xx 屆 本科畢業(yè)論文 8 液 pH 值下降速率 .電氣石輻射的遠(yuǎn)紅外線與水分子作用 ,產(chǎn)生共振可削弱水分子間氫鍵作用 [21]。同時(shí)電氣石微粉可以明顯改善水分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，電氣石的單向極軸結(jié)構(gòu)熱釋電特性使表面附近存在較強(qiáng)的電場 ,可以使水分子團(tuán)簇中氫鍵的穩(wěn)定性下降 ,并對離子的轉(zhuǎn)移產(chǎn)生影響 ,從而促進(jìn)水分子的電離 ,降低了 水分子間的締合度。目前電氣石在水處理方面已經(jīng)應(yīng)用于油田水處理、養(yǎng)殖場、印染廠 [22]等多個(gè)領(lǐng)域。由于其自身可釋放紅外性能，可在保健、環(huán)保、建筑等多領(lǐng)域加大應(yīng)用 [23]。 除此之外，對水垢處理方法還有最傳統(tǒng)的化學(xué)法，例如酸洗堿洗等。但是化學(xué)藥劑多多少少會對鍋爐等設(shè)備造成腐蝕，使用時(shí)應(yīng)確保對其腐蝕處于最小程度[24]。但是該方法污染環(huán)境，不符合目前倡導(dǎo)的綠色環(huán)保理念。另外，超聲波可以通過降低水分子締合度，從而減小溶液粘度和表面張力對水垢產(chǎn)生影響，達(dá)到除垢效果 [25]。 研究內(nèi)容 （ 1）將課題組自制的銅 鋅合金和電氣石陶瓷球與水作用，采用正交設(shè)計(jì)，系統(tǒng)研究銅鋅合金和電氣石對水的 pH、表面張力、電極電位、電導(dǎo)率等指標(biāo)的變化規(guī)律； （ 2）采用鍋爐模擬裝置，研究經(jīng)銅鋅合金和電氣石處理的水結(jié)垢特點(diǎn)； （ 3）采用 SEM、 XRD 等手段研究銅鋅合金與電氣石對水垢形成的微觀影響機(jī)制。 2 實(shí) 驗(yàn) 主要實(shí)驗(yàn)藥品與儀器 實(shí)驗(yàn)選用新疆某地區(qū)產(chǎn)電氣石制成的活水功能陶瓷球和研究所自制銅鋅功能合金。表 。 河北 工業(yè)大學(xué) 20xx 屆 本科畢業(yè)論文 9 表 實(shí)驗(yàn)用化學(xué)藥品 藥品名稱 規(guī)格 生產(chǎn)廠家 無水氯化鈣 分析純 天津市江天 化工技術(shù)有限公司 碳酸氫鈉 分析純 天津大學(xué)科威公司 實(shí)驗(yàn)過程中用到的主要儀器如表 ： 表 主要實(shí)驗(yàn)儀器以及生產(chǎn)廠家 儀器名稱 型號 生產(chǎn)廠家 內(nèi)熱管式阻垢儀 HS1 自行設(shè)計(jì) 掃描電子顯微鏡 Nova NanoSEM450 美國 FEI 公司 X 射線衍射儀 X’Pert MPD 荷蘭 Philips 公司 臺式酸度測定儀 HI223 意大利 HANNA 公司 電子天平 臺式電導(dǎo)率測定儀 BS224S DDSJ318 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司 上海雷磁新徑儀器有限責(zé)任公司 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) （ 1）實(shí)驗(yàn)最佳銅鋅合金用量 以河北工業(yè)大學(xué)自制銅鋅功能合金為原料，控制不同用量使其處理相同體積相同時(shí)間的溶液，通過檢測 pH 以及電極電位變化，找到實(shí)驗(yàn)用銅鋅合金最佳用量。 （ 2）銅鋅合金與電氣石陶瓷球最佳比例 以銅鋅合金最佳用量為基準(zhǔn)，設(shè)置銅鋅合金與電氣石陶瓷球比例分別為1:2,1:,1:3,1:。處理相同體積相同質(zhì)量的溶液后，通過測試溶液的 pH以及電極電位變化確定銅鋅合金與電氣石陶瓷球最佳比例。 （ 3）設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，確定顯著因素 在前人大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，設(shè)定 4 因素的第 2 水平為最佳銅鋅合金用量，最佳銅鋅合金與電氣石陶瓷球比例，處理 2h 溶液，電流 。上下各取一個(gè)小范圍波動作為第 第 3 水平進(jìn)行 4 因素 3 水平的正交實(shí)驗(yàn)，并對其進(jìn)行極差分析，確定顯著因素。 河北 工業(yè)大學(xué) 20xx 屆 本科畢業(yè)論文 10 （ 4）水垢形貌成分測試及分析 對正交實(shí)驗(yàn)中形成的水垢以及空白組水垢進(jìn)行 XRD、 SEM 測試，并分析水垢形貌及成分，從而總結(jié)銅鋅合金與電氣石對水垢形成的影響，分析其協(xié)同作用機(jī)制。 實(shí)驗(yàn)步驟 確定最佳銅鋅合金用量 根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，本課題用碳酸氫鈉與氯化鈣配置 [Ca2+]=500mg/L，[HCO32]=500mg/L 的溶液。分裝進(jìn)六個(gè) 800ml燒杯中。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析與測試，1燒杯中加入 銅鋅合金， 2燒杯加入 5g銅鋅合金依次遞增 。銅鋅合金均與水作用 2h。 2h后取出銅鋅合金，分別將 16燒杯中水倒出 300ml 至 712燒杯中放于內(nèi)熱管式阻垢儀進(jìn)行加熱?？刂齐娏鳛?，加熱兩小時(shí)，期間每隔十分鐘進(jìn)行依次補(bǔ)水。觀察 712內(nèi)熱管結(jié)垢情況，并對經(jīng)銅鋅合金處理前后水質(zhì) pH，電極電位進(jìn)行檢測，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 確定 銅鋅合金與電氣石陶瓷球最佳比 例 用碳酸氫鈉與氯化鈣配置 [Ca2+]=500mg/L， [HCO32]=500mg/L 的溶液。分裝進(jìn)四個(gè) 800ml燒杯中。 ① 14燒杯中均加入 10g 銅鋅合金； ② 1燒杯中加入 20g 電氣石陶瓷球， 2燒杯加入 25g 電氣石陶瓷球這樣依次遞增 5g； ③ 與水作用 2h 后分別將銅鋅合金與電氣石陶瓷球取出， 14燒杯中水倒出300ml 至 58燒杯中放于內(nèi)熱管式阻垢儀進(jìn)行加熱?？刂齐娏鳛?，加熱2h，期間每隔 十分鐘進(jìn)行一次補(bǔ)水。觀察 58中內(nèi)熱管結(jié)垢情況，并對經(jīng)銅鋅合金與電氣石陶瓷球處理前后水質(zhì) pH，電極電位進(jìn)行檢測，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，確定實(shí)驗(yàn)最佳條件 根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)確定出銅鋅合金最佳用量，以及電氣石陶瓷球最佳用量，設(shè)計(jì)河北 工業(yè)大學(xué) 20xx 屆 本科畢業(yè)論文 11 正交實(shí)驗(yàn)，確定實(shí)驗(yàn)最佳條件，以及顯著因素。選取銅鋅合金質(zhì)量（以下簡稱質(zhì)量）、銅鋅合金與電氣石陶瓷球比例（以下簡稱比例）、作用時(shí)間、電流四個(gè)因素，并根據(jù)最佳條件每個(gè)因素選取 3 個(gè)水平進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。觀察 19內(nèi)熱管結(jié)垢情況，并對經(jīng)銅鋅合金與電氣石陶瓷球處理前后以及結(jié)垢前后水 質(zhì) pH，電極電位進(jìn)行檢測，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 水垢形貌成分測試及分析 對正交實(shí)驗(yàn) 19內(nèi)熱管中水垢以及空白組水垢進(jìn)行 XRD、 SEM 測試，并分析水垢形貌及成分，從而總結(jié)銅鋅合金與電氣石對水垢形成的影響，分析