CN103805808A

CN103805808A - 一种用于阻垢的铜基触媒合金及其制备方法

Info

Publication number: CN103805808A
Application number: CN201410037467.3A
Authority: CN
Inventors: 刘�东; 孙俊杰; 鲁礼民
Original assignee: NANJING CHAOXU ENERGY TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: NANJING CHAOXU ENERGY TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2014-01-26
Filing date: 2014-01-26
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2034-01-26
Also published as: CN103805808B

Abstract

本发明公开了一种用于阻垢的铜基触媒合金及其制备方法，按重量百分比包括如下组分：Cu：40%-70%、Ni：5%-20%、Zn：10%-35%、Sn：5%-30%、Ag：0.5%-20%、Fe：0.1-8%、Sb：0.01%-2%、Mn：0.05%-5%，所述各组份经化合形成一种沿S100晶轴定向生长的柱状晶体合金。本发明所属的用于阻垢的铜基触媒合金在不改变流体化学成分前提下，应用先进的弱电复合阻垢机理，阻止水垢的生成，并具有很强的溶解水垢能力。运行过程不需要额外维护，无磁无电，不需要外加电源。

Description

一种用于阻垢的铜基触媒合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种合金材料，特别涉及一种用于阻垢的铜基触媒合金及其制备方法。

背景技术

流体结垢问题在石油、热电及其他工业和民用领域中涉及流体传输和循环的系统中广泛存在。大多数情况下，工业管路系统中的流体均为单质或混合溶液状态，其中溶质的溶解度又与溶液组成成分、总盐度、总离子浓度、温度、压力、气体分压、PH值、流速等众多因素相关。一旦溶液系统的溶解条件发生变化，溶质溶解度也会随之改变。当溶解度下降，使得溶质含量处于过饱和状态，溶质就会析出。当析出溶质沉积在容器壁面时，就导致结垢。水处理技术领域中一般将析出的非水溶性沉积物成为水垢，其中最常见的是CaCO₃和MgCO₃。以碳酸钙为例，成垢阳离子为Ca²⁺或Mg²⁺，成垢阴离子为碳酸根或碳酸氢根。当溶解条件一定时，溶液系统中的钙镁离子、酸根离子和一定量的碳酸钙和碳酸镁分子处于一个相对平衡状态。当溶解条件发生变化时，一方面，溶解度发生变化使得溶解的碳酸钙和碳酸镁分子析出沉淀。另一方面，钙镁离子与酸根离子结合生成新的碳酸钙和碳酸镁分子，发生结垢现象。碳酸钙的成垢反应主要是由于钙离子与碳酸根离子或碳酸氢根离子结合形成的。如果能够通过一定的技术手段将金属离子的正电荷或酸根离子的负电荷中和掉，会大幅度降低阴阳离子的结合速率，从而显著降低成垢速率。化学阻垢法是通过添加药剂的方法改变了溶液系统的成分、酸碱度和离子浓度来产生阻垢效果。如前所述，化学法因为需要改变溶液系统的成分，其应用正受到越来越多的约束。长期以来人们一直在进行科研，寻找具有防垢的新型金属材料。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种用于阻垢的铜基触媒合金及其制备方法，在不改变溶液系统成分和酸碱度的条件下，通过铜基触媒合金持续释放自由电子，降低溶液系统的阳离子浓度，从而降低成垢指数，来达到阻垢的目的。

发明内容：一种用于阻垢的铜基触媒合金，按重量百分比包括如下组分：Cu：40%-70%、Ni：5%-20%、Zn：10%-35%、Sn：5%-30%、Ag：0.5%-20%、Fe：0.1-8%、Sb：0.01%-2%、Mn：0.05%-5%，所述各组份经化合形成一种沿S100晶轴定向生长的柱状晶体合金。它在不改变溶液系统成分和酸碱度的条件下，通过持续释放自由电子，降低溶液系统的阳离子浓度，从而降低成垢指数，来达到阻垢的目的。Cu-Ni二元合金具有优异的化学稳定性，在各种环境中耐腐蚀性能非常出色，冷热加工性能优异，成本适中。Cu-Ni合金系虽然电负性小于溶液，但由于化学稳定性很好，其失电子能力并不强。因此，又在Cu-Ni二元合金基础上，选择Zn和Ag元素作为合金元素进行添加。其中，Zn元素的电负性为1.65，是常见元素中电负性最小的金属元素之一，能够与Cu-Ni合金形成稳定的三元合金。Ag元素的电负性为2.34，是常见元素中处理稀土和放射性元素以外电负性最大的合金元素之一。Ag在Cu-Ni-Zn合金中几乎不溶，主要以游离态出现，通过合理的成分控制和热加工工艺能够获得理想的分布状态，是理想的正极材料。随着Ag含量的增加，活化电流逐渐增大。活化电流越大，释放电子的能力越强，单位流量的铜基触媒合金用量越少，整体成本更具优势。

本发明所述的用于阻垢的铜基触媒合金的制备方法，包括如下步骤：按所述各组分的重量百分比准备原材料，原材料纯度为99.9%以上的块状物，其体积小于或等于2cm³；在感应炉坩埚内铺入1cm～3cm厚的木炭，按重量计将Cu料的一半均匀铺在木炭上，然后在Cu料上均匀铺入全部Ni块，再铺入1cm～3cm厚的木炭，开炉升温至900℃-1100℃，待全部金属熔化后，加入全部Fe、Sb块体，搅拌至金属全部溶化后再加入全部Mn块体，保温3分钟～8分钟，使熔体金属脱气；然后按照Zn、Sn、Ag和剩余的Cu顺序加入，慢速搅拌，待金属全部熔化后，去浮渣，使熔体温度降低至1150℃～1280℃，将熔体金属注入浇筑型模具中，冷却5分钟～15分钟至金属表面结壳形成金属锭，然后水冷至室温，取出金属锭。

反应机理：当流体流经铜基触媒合金时，在两者之间能够形成30μA左右的活化电流。此电流的持续作用将使溶液中的溶剂分子产生极化效应，形成溶剂分析的偶极子。极化的偶极子与带电荷的成垢离子重新排列，形成新的成垢离子耦合物，呈悬浮态分布在溶液系统中，进一步降低了发成成垢反应的可能性。同时可以明显降低垢盐因电荷吸附产生的壁面沉积效应，减少钙镁垢在管路壁面的沉积。溶剂偶极子与成垢阴阳离子的组合示于图1。

碳酸钙、碳酸镁等不溶性分子的结晶形态在电流作用下也会发生改变。碳酸钙、碳酸镁分子一般有两种结晶形态：一种是“大理石型”结构，质地坚硬，吸附性强，总分子量较大，是正常条件下钙镁垢的常见形态。另一种是“文石型”结构，质地松软，吸附性不强，总分子量较小。一般在弱电场持续作用下形成。由于在工作时能够在铜基触媒合金与流体间形成弱电场，因此可以促进“文石型”垢盐的形成，同时使已有的垢盐发生“大理石型”结构向“文石型”结构的转变，使已经板结的垢层逐渐松软脱落，达到管路系统除垢的目的。

随着垢层的脱落，管壁金属表面逐渐裸露。极化后的偶极子与裸露金属表面将发生壁面效应，使管壁金属表面沉积一定厚度的成垢离子耦合物（厚度约500μm）。这层耦合物将管壁金属与流体系统隔开，在一定程度上起到了管壁防腐的作用。由于耦合物沉积是通过偶极子与壁面金属的静电吸附产生的，与普通垢层的沉积生长过程原理不同，因此，耦合物沉积层的厚度不随时间变化，而只与管路系统的流速和压降有关。壁面金属与极化偶极子的吸附效应示于图2。

有益效果：本发明所述的配方和制备方法所获得的铜基触媒合金为沿S100晶轴定向生长的柱状晶体合金。它在不改变流体化学成分前提下，应用先进的弱电复合阻垢机理，阻止水垢的生成，并具有很强的溶解水垢能力。运行过程不需要额外维护，无磁无电，不需要外加电源。当流体中含有过量的自由电子时，成垢阳离子的电荷被自由电子中和，使其难以与酸根结合成垢。过量自由电子的存在增加了流体的离子浓度，成垢指数下降，CO2分压上升，使得垢盐的溶解度增加，产生一定溶垢效应。同时，弱电场的持续作用会导致垢盐晶体发生“方解石型”向“文石型”转变，垢盐晶体变得疏松，与壁面结合力降低，导致已经板结的垢层逐渐松脱溶解。因此，铜基触媒阻垢器工作一定时间达到稳定期后，流体和管路逐渐形成一个动态平衡，流体始终处于离子过饱和态流动，壁面垢层厚度不再与时间相关，而只与流速相关。实验表明，将Φ40mm铜基触媒合金试片在5000mg/mol浓度碳酸钙溶液中，流速1000mm/s，25℃室温环境下测得的活化电流与时间的关系示于图3。从图3看出，所制备的触媒合金活化电流约为50μA，稳定时间约为150min，完全满足阻垢器工程应用要求，且活化电流比美国进口产品提高约40%，并且成分更加合理，加工成本更低。

附图说明

图1为水偶极子与阴阳离子的结合；

图2为偶极子的壁面效应；

图3为本发明用于阻垢的铜基触媒合金的活化电流。

具体实施方式

实施例1：

所述用于阻垢的铜基触媒合金，各组分的重量百分比为：Cu：40%、Ni：5%、Zn：10%、Sn：5%、Ag：0.5%、Fe：0.1、Sb：0.01%、Mn：0.05%，各组份经化合成一种沿S100晶轴定向生长的柱状晶体合金。

所述用于阻垢的铜基触媒合金的制备方法如下：按上述各组份的重量百分比准备原材料，原材料纯度为99.9%以上的块状物，其体积为2cm³，在清洁的感应炉坩埚内铺入1cm厚的木炭，按重量计将Cu料的一半均匀铺在木炭上，然后在Cu料上均匀铺入全部Ni块，再铺入1cm厚的木炭，开炉升温至1000℃，待全部金属熔化后，快速加入全部Fe、Sb块体，搅拌至金属全部溶化后再快速加入全部Mn块体，保温5分钟，使熔体金属脱气，然后按照Zn、Sn、Ag和剩余的Cu顺序快速加入，慢速搅拌，待金属全部熔化后，去浮渣，使熔体温度降低至1150℃，将熔体金属注入浇筑型模具中，冷却10分钟至金属表面结壳形成金属锭，然后水冷至室温，取出金属锭，得到沿S100晶轴定向生长的柱状晶体合金。

实施例2：

所述用于阻垢的铜基触媒合金，各组分的重量百分比为：Cu：50%、Ni：10%、Zn：20%、Sn：15%、Ag：10%、Fe：5%、Sb：1%、Mn：2%，各组份经高温化合成一种沿S100晶轴定向生长的柱状晶体合金。本实施例的制备方法与实施例1中所述的一致。

实施例3：

所述用于阻垢的铜基触媒合金，各组分的重量百分比为：Cu：55%、Ni：18%、Zn：30%、Sn：18%、Ag：12%、Fe：6%、Sb：1.5%、Mn：0.8%，各组份经高温化合成一种沿S100晶轴定向生长的柱状晶体合金。本实施例的制备方法与实施例1中所述的一致。

实施例4：

Cu：60%、Ni：11%、Zn：23%、Sn：20%、Ag：5%、Fe：4%、Sb：0.8%、Mn：1.6%，各组份经高温化合成一种沿S100晶轴定向生长的柱状晶体合金。本实施例的制备方法与实施例1中所述的一致。

实施例5：

所述用于阻垢的铜基触媒合金，各组分的重量百分比为：Cu：70%、Ni：20%、Zn：35%、Sn：30%、Ag：20%、Fe：8%、Sb：2%、Mn：5%，各组份经高温化合成一种沿S100晶轴定向生长的柱状晶体合金。本实施例的制备方法与实施例1中所述的一致。

Claims

1.一种用于阻垢的铜基触媒合金，其特征在于，按重量百分比包括如下组分：Cu：40%-70%、Ni：5%-20%、Zn：10%-35%、Sn：5%-30%、Ag：0.5%-20%、Fe：0.1-8%、Sb：0.01%-2%、Mn：0.05%-5%，所述各组份经化合形成一种沿S100晶轴定向生长的柱状晶体合金。

2.如权利要求1所述的用于阻垢的铜基触媒合金的制备方法，其特征在于包括如下步骤：按所述各组分的重量百分比准备原材料，原材料纯度为99.9%以上的块状物，其体积小于或等于2cm³；在加热炉的坩埚内铺入1cm～3cm厚的木炭，按重量计将Cu料的一半均匀铺在木炭上，然后在Cu料上均匀铺入全部Ni块，再铺入1cm～3cm厚的木炭，开炉升温至900℃-1100℃，待全部金属熔化后，加入全部Fe、Sb块体，搅拌至金属全部溶化后再加入全部Mn块体，保温3分钟～8分钟，使熔体金属脱气；然后按照Zn、Sn、Ag和剩余的Cu顺序加入，慢速搅拌，待金属全部熔化后，去浮渣，使熔体温度降低至1150℃～1280℃，将熔体金属注入浇筑型模具中，冷却5分钟～15分钟至金属表面结壳形成金属锭，然后水冷至室温，取出金属锭。

3.如权利要求2所述的用于阻垢的铜基触媒合金的制备方法，其特征在于，所述加热炉为感应炉。