CN105855227B - 微纳米气泡水清洗出水文物的应用、方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微纳米气泡水清洗出水文物的应用、方法及装置。所述方法为：将空气和水加压混合得到气水混合物，该气水混合物再通过微纳米气泡发生器生成微纳米气泡水，利用生成的微纳米气泡水对出水文物进行清洗。可以直接利用自来水的压力在溶气罐中将空气和水加压混合得到所述气水混合物。本发明利用微纳米气泡的高效界面活性、超强的渗透作用及微爆破力，减弱文物与病害附着杂质间的结合力，将文物上的不同病害附着物进行剥离并直接冲洗掉，从而完成出水文物的清洗。本发明方法为纯物理清洗方法，在有效清洗分离文物附着凝结物的同时，对文物无损伤，处理过程不产生环境污染物，效率高，可以大规模地应用于出水文物的清洗。

Description

微纳米气泡水清洗出水文物的应用、方法及装置

技术领域

本发明涉及出水文物清洗技术领域，具体涉及微纳米气泡水清洗出水文物的应用、方法及装置。

背景技术

文物是不可再生的遗存，承载着丰富的人类历史文化信息。在漫长的历史长河中，中国向世界各地输出了大量陶瓷器。海运作为一种传统的运输方式，具有量大、安全、便利且运价低廉等优势。但由于海难沉船事件时有发生，致使无数外销陶瓷器被遗留在茫茫大海深处。随着当今水下考古事业的发展，大量中国古代陶瓷器被从海洋中打捞出水。通过对船上陶瓷器文物的修复保护研究，可以更好地复原历史原貌，了解当时的制作工艺、科技文化、商业贸易等历史信息。

大部分海洋出水陶瓷器等文物，经海水长期浸泡和海洋生物、海泥等钙质物的长期作用，紧密胶结形成体积大小不一的坚硬凝结物。这些凝结物在外界温湿度改变的情况下，必然会对其中包裹的陶瓷等文物本体产生物理性挤压破坏，如何在确保文物安全的前提下，将这些文物从凝结物中完整提取出来，已成为迫在眉睫的难题。因此，开展海洋出水陶瓷器周体凝结物的清洗工艺研究，对于水下考古发掘出水陶瓷器的保护和保存，具有普遍而深远的意义。然而截至目前，对于沉船内文物表面附着的凝结材料的去除研究尚未系统开展。

随着大量珍贵文物的出土出水，伴之而来的是繁重而艰巨的文物保护工作。为了妥善保存文物，必须对其进行必要的修复保护处理。古陶瓷修复保护工艺流程包括：环境分析、现状调查，状态评估、清洗除垢、脱盐处理、拼对粘接、修补缺损，加固封护，仿色做旧等各种技术手段的选择和实施。

清洗是出水文物保护修复的首要步骤。出水文物病害包括可溶性盐、表面的沉积物、有机污垢等。其中文物表面附着的难溶盐沉积物、表面的生物病害等较难清除，常常需要机械清洗、化学清洗和超声波清洗。然而这些方法在清除污垢的同时，也可能会对瓷器的胎釉产生腐蚀，造成比较严重或潜在的损伤。并且，这些清洗方法也存在着种种缺点，如机械方法无法满足高清洁度清洗要求，而化学清洗方法容易导致环境污染，获得的清洁度也很有限，特别是当污垢成分复杂时，必须选用多种清洗剂反复清洗才可能满足表面清洁度的要求。北京大学的胡东波等人研究了常用化学清洗材料对瓷器的影响，发现一般情况下，清洗能力强的清洗剂，对瓷器的损伤也很强(胡东波,张红燕,常用清洗材料对瓷器的影响研究,文物保护与考古科学,2010,22(1):49-59)。

尽管超声波清洗法清洗效果不错，但对亚微米级污粒的清洗却表现得无能为力，同时清洗槽的尺寸也限制了清洗对象的范围和复杂程度，而且清洗后的文物需要快速干燥亦是一大难题。而近年来出现的激光清洗技术，比较适合小范围的高精度清洗，对于大范围腐蚀严重的场合效果有限。

因此，研究开发新的适合出水文物上不同病害特别是坚硬凝结物的清洗方法，对文物进行高效无损清洗，对于文物修复保护及复原历史原貌具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种微纳米气泡水清洗出水文物的应用、方法及装置。研发了新的适合出水文物上不同病害特别是坚硬凝结物的清洗方法，实现对出水文物的高效无损清洗。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供了微纳米气泡水清洗出水文物的应用。所述微纳米气泡水由水和空气的混合物通过微纳米气泡发生器生成。

本发明还提供了一种微纳米气泡水清洗出水文物的方法，该方法为：将空气和水加压混合得到气水混合物，该气水混合物再通过微纳米气泡发生器生成微纳米气泡水，利用生成的微纳米气泡水对出水文物进行清洗。

优选地，所述方法采用无动力泵驱动的方式进行，直接利用自来水的压力在溶气罐中将空气和水加压混合得到所述气水混合物。

优选地，所述微纳米气泡水对出水文物进行清洗的时间为2-70小时。

优选地，所述方法还包括：所述微纳米气泡水对出水文物进行清洗的过程中监测微纳米气泡水的电导率，当所述微纳米气泡水的电导率不变时结束清洗。

本发明所述的采用微纳米气泡水进行清洗的方法，可通过采用无动力泵的方式进行，直接利用自来水的压力在溶气罐中将空气和水加压混合，产生的气水混合物再通过微纳米气泡发生器生成微纳米气泡水，利用微纳米气泡的高效界面活性、超强的渗透作用及微爆破力，减弱文物与病害附着杂质间的结合力，将文物上的不同病害附着物进行剥离，并将分离的病害杂质直接冲洗掉，从而完成出水文物的清洗。

本发明还提供一种微纳米气泡水清洗出水文物的装置，该装置包括自来水水龙头、溶气罐、进水阀门、压力表、出水阀门、流量计、排水阀门、电导传感器、清洗槽和微纳米气泡发生器；

所述自来水水龙头和溶气罐通过进水管道连接，自来水水龙头和溶气罐之间安装进水阀门；

所述压力表安装在溶气罐上，用于监测所述溶气罐内的压力；

所述排水阀门安装在溶气罐底部，用于将所述溶气罐内的水排出；

所述溶气罐上安装出水阀门，出水阀门通过管路和微纳米气泡发生器连接，溶气罐内的气水混合物通过出水阀门输送至微纳米气泡发生器；

所述出水阀门和微纳米气泡发生器之间安装流量计，用于监测出水阀门出水的水流量；

所述微纳米气泡发生器放置于所述清洗槽底部，用于产生微纳米气泡水并对清洗槽中的文物进行清洗；

所述电导传感器安装于清洗槽内，用于在文物清洗过程中监测微纳米气泡水的电导率。

优选地，所述溶气罐的容积为10-100L。

优选地，所述装置启动清洗程序时，待所述溶气罐中的压力升至0.1-0.2Mpa，打开并调节出水阀门，使出水流量为0.1-0.5m³/h，产生微纳米气泡水对清洗槽中的文物进行清洗。

优选地，所述装置还包括射流器，所述射流器安装在所述溶气罐内并与进水管道相连。利用射流器的气液混合作用及喷射作用将溶气罐内的空气溶于水中。

上述装置对出水文物进行清洗的具体实施步骤如下：

第一步、溶气罐与自来水水龙头通过进水管道连接，溶气罐与自来水水龙头之间安装进水阀门。通过打开自来水水龙头和进水阀门向溶气罐注水，利用自来水的压力在溶气罐中将空气和水加压混合。溶气罐上还安装压力表、出水阀门和出水管路，在出水管路末端安装微纳米气泡发生器，并将其置于清洗槽底部。在出水管路上安装流量计，用以检测出水阀门的水流量大小。溶气罐的容积为10-100L。

第二步、在溶气罐底部安装排水阀门及管路，用于在清洗操作告一段落时排掉溶气罐内的剩余水。在清洗槽中安装电导传感器，以监测系统运行参数。

第三步、在清洗槽中放置要清洗的出水文物，打开溶气罐的进水阀门，关闭出水阀门及排水阀门，然后打开自来水水龙头，使自来水流入溶气罐。通过压力表监测溶气罐内的压力，待罐内压力升至0.1-0.2Mpa时，打开并调节出水阀门，使出水流量为0.1-0.5m³/h，利用从微纳米气泡发生器流出的雾状微纳米气泡水对文物进行清洗。

第四步、文物在清洗槽中清洗2-70h，可间歇清洗，也可连续清洗。若溶气罐中空气用尽而导致无雾状微纳米气泡水流出时，关闭自来水水龙头，打开溶气罐底部的排水阀门，清空溶气罐内存水使罐内重新充满空气，重复第三步的进水操作即可重新启动清洗程序。清洗过程中，监测微纳米气泡水的电导率。文物清洗至微纳米气泡水的电导率不变为止，此时文物上的病害附着物已被微纳米气泡水松软，再进行常规机械清理(如用竹签刮除)，即完成文物的清洗。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1，本发明采用的微纳米气泡出水文物清洗方法，无需配备动力泵，操作简单便捷，利用微纳米气泡实现文物与难溶盐沉积物、生物病害、海泥及其它金属和非金属混合杂质的分离，并将分离的杂质直接冲洗掉。

2，本发明方法与常规添加酸碱络合剂、超声等方法相比，为纯物理清洗方法，在有效清洗分离文物附着凝结物的同时，对文物无损伤，处理过程不产生环境污染物，效率高。本发明方法将空气以微纳米气泡的形式分散于水中形成微纳米气泡水，可以大规模地应用于出水文物的清洗分离。

附图说明

图1为本发明微纳米气泡水清洗出水文物装置的结构示意图。

图2a为本发明实施例1中出水文物经微纳米气泡清洗前的图片。

图2b为本发明实施例1中出水文物经微纳米气泡清洗后的图片。

图3为本发明实施例2中出水文物样品附着物的拉曼光谱图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来说明本发明的技术方案。

参见图1，该图为本发明微纳米气泡水清洗出水文物装置的结构示意图，以下实施例中涉及的出水文物清洗均采用该装置。如图1所示，该装置包括：自来水水龙头1、进水阀门2、压力表3、出水阀门4、溶气罐5、排水阀门6、电导传感器7、清洗槽8和微纳米气泡发生器9以及流量计10。其中：自来水水龙头1和溶气罐5之间安装进水阀门2，溶气罐5上安装压力表3和出水阀门4，溶气罐5下部安装排水阀门6，电导传感器7安装于清洗槽8内，并在清洗槽8底部设置微纳米气泡发生器9，微纳米气泡发生器9与出水阀门4通过管路相连。在出水阀门4的出水管路上安装流量计10，用于监测出水阀门4的出水量。

实施例1

本实施例针对出水高温烧结陶瓷器表面的沉积物病害进行清洗。

选取南海1号沉船中1号出水陶瓷片，为四边形，两个长边尺寸约为45*38mm，其上有坚硬附着物，经拉曼光谱分析主要成分为碳酸钙。陶瓷片清洗前如图2a所示，可以看出，该陶瓷片表面光滑，系高温烧结而成。

在容积为10L的溶气罐上依次安装进水管、进水阀门和与自来水水龙头相连的管道，利用自来水的压力在溶气罐中将空气和水加压混合。在溶气罐上安装压力表、出水阀门和出水管路，在出水管路上安装流量计，在出水管路末端安装微纳米气泡发生器，并将微纳米气泡发生器置于清洗槽底部。微纳米气泡发生器采用高速旋回式微纳米气泡发生装置(马骏等，应用于含油废水处理的新型加压溶气气浮技术，全国石油与化工节能节水技术交流会暨化工节水与膜应用研讨会，2011，pp208-213)。在溶气罐底部安装排水阀门及管路，用于在清洗操作告一段落时排掉溶气罐内的剩余水。在清洗槽中安装电导传感器，以监测系统运行参数。

在清洗槽中放置1号出水陶瓷片，打开溶气罐的进水阀门，关闭出水阀门及排水阀门，然后打开自来水水龙头，使自来水流入溶气罐。待罐内压力升至0.1Mpa时，打开出水阀门，根据流量计显示的流量数据调节出水阀门使出水流量为0.1m³/h，利用从微纳米气泡发生器流出的雾状微纳米气泡水进行文物清洗。文物在清洗槽中连续清洗2h。文物清洗2h后微纳米气泡水的电导率为300μS/cm并保持不变，此时文物上的病害附着物已被微纳米气泡水清洗松软，用竹签轻轻刮除便剥离附着物，完成文物的清洗，清洗后的陶瓷片如图2b所示。

1号出水陶瓷片经微纳米气泡水清洗后，根据《可移动文物病害评估技术规程》文物保护行业标准(WW/T 0056-2014，WW/T 0056-2014)，采用色差、光泽度差和表面损伤等指标对清洗前后文物的状况进行安全性评估。结果表明，色差为2.95(此值小于5便认为无变化)，光泽度差为0.3(此值小于1便认为无变化)，此外显微分析表明陶瓷片表面釉面无明显变化，这表明1号出水陶瓷片表面经微纳米气泡水清洗后无损伤。

本实施例表明，微纳米气泡水对于清洗出水高温烧结陶瓷器表面的沉积物病害是安全有效的。

实施例2

本实施例针对出水低温烧结陶瓷器表面的沉积物病害进行清洗。

选取南海1号沉船中3号出水陶瓷片，尺寸为40*40mm，其上有坚硬附着物，经拉曼光谱分析主要成分为碳酸钙，参见图3，该图为3号出水陶瓷片附着物的拉曼光谱图。从该陶瓷片外观可以看出，该陶瓷片表面粗糙，系低温烧结而成。

在容积为50L的溶气罐上依次安装进水管、进水阀门和与自来水水龙头相连的管道，利用自来水的压力在溶气罐中将空气和水加压混合。在溶气罐上安装压力表、出水阀门和出水管路，在出水管路上安装流量计，在出水管路末端安装微纳米气泡发生器，并将微纳米气泡发生器置于清洗槽底部。微纳米气泡发生器采用高速旋回式微纳米气泡发生装置。在溶气罐底部安装排水阀门及管路，用于在清洗操作告一段落时排掉溶气罐内的剩余水。在清洗槽中安装电导传感器，以监测系统运行参数。

在清洗槽中放置3号出水陶瓷片，打开溶气罐的进水阀门，关闭出水阀门及排水阀门，然后打开自来水水龙头，使自来水流入溶气罐。待罐内压力升至0.12Mpa时，打开出水阀门，根据流量计显示的流量数据调节出水阀门使出水流量为0.2m³/h，利用从微纳米气泡发生器流出的雾状微纳米气泡水进行文物清洗。在清洗至15h时溶气罐中空气已用尽而导致无雾状微纳米气泡水流出，此时关闭水龙头，打开溶气罐底部排水阀门清空溶气罐内存水使罐内重新充满空气，接着重复上述溶气罐进水操作步骤重新启动清洗程序，继续进行文物清洗。文物在清洗槽中间歇清洗28h。文物清洗28h后微纳米气泡水的电导率为400μS/cm并保持不变，此时文物上的病害附着物已被微纳米气泡水清洗松软，用竹签轻轻刮除便剥离附着物，完成文物的清洗。

3号出水陶瓷片经微纳米气泡水清洗后，根据《可移动文物病害评估技术规程》文物保护行业标准(WW/T 0056-2014，WW/T 0056-2014)，采用色差、光泽度差和表面损伤等指标对清洗前后文物的状况进行安全性评估。结果表明，色差为3.50(此值小于5便认为无变化)，光泽度差为0.3(此值小于1便认为无变化)，此外显微分析表明陶瓷片表面釉面无明显变化，这表明3号出水陶瓷片表面经微纳米气泡水清洗后无损伤。

本实施例表明，微纳米气泡水对于清洗出水低温烧结陶瓷器表面的沉积物病害是安全有效的。

实施例3

本实施例针对表面有金属侵蚀沉积物病害的出水陶瓷器进行清洗。

选取南海1号沉船中4号出水陶瓷片，尺寸为90*65mm，其上有金属侵蚀物，经X射线荧光光谱分析，检测出相对含量较高铁元素。

在容积为100L的溶气罐上依次安装进水管、进水阀门和与自来水水龙头相连的管道，利用自来水的压力在溶气罐中将空气和水加压混合。在溶气罐上安装压力表、出水阀门和出水管路，在出水管路上安装流量计，在出水管路末端安装微纳米气泡发生器，并将微纳米气泡发生器置于清洗槽底部。微纳米气泡发生器采用高速旋回式微纳米气泡发生装置。在溶气罐底部安装排水阀门及管路，用于在清洗操作告一段落时排掉溶气罐内的剩余水。在清洗槽中安装电导传感器，以监测系统运行参数。

在清洗槽中放置4号出水陶瓷片，打开溶气罐的进水阀门，关闭出水阀门及排水阀门，然后打开自来水龙头，使自来水流入溶气罐。待罐内压力升至0.15Mpa时，打开出水阀门，根据流量计显示的流量数据调节出水阀门使出水流量为0.25m³/h，利用从微纳米气泡发生器流出的雾状微纳米气泡水进行文物清洗。在清洗至30h时溶气罐中空气已用尽而导致无雾状微纳米气泡水流出，此时关闭水龙头，打开溶气罐底部排水阀门清空溶气罐内存水使罐内重新充满空气，接着重复上述溶气罐进水操作步骤重新启动清洗程序，继续进行文物清洗。文物在清洗槽中间歇清洗70h。文物清洗70h后微纳米气泡水的电导率为480μS/cm并保持不变，此时文物上的病害附着物已被微纳米气泡水清洗松软，用竹签轻轻刮除便剥离附着物，完成文物的清洗。

4号出水陶瓷片经微纳米气泡水清洗后，根据《可移动文物病害评估技术规程》文物保护行业标准(WW/T 0056-2014，WW/T 0056-2014)，采用色差、光泽度差和表面损伤等指标对清洗前后文物的状况进行安全性评估。结果表明，色差为1.85(此值小于5便认为无变化)，光泽度差为0.2(此值小于1便认为无变化)，此外显微分析表明陶瓷片表面釉面无明显变化，这表明4号出水陶瓷片表面经微纳米气泡水清洗后无损伤。

本实施例表明，微纳米气泡水对于清洗出水陶瓷器表面的金属侵蚀沉积物病害是安全有效的。

实施例4

本实施例针对表面带有裂缝病害的出水陶瓷器进行清洗。

选取南海1号沉船中5号出水陶瓷，尺寸为60*42mm，其上有5条长短不一的裂缝，裂缝宽度为0.074-0.076mm。该样品表面带有金属侵蚀沉积物病害。

在容积为80L的溶气罐上依次安装进水管、进水阀门和与自来水水龙头相连的管道，利用自来水的压力在溶气罐中将空气和水加压混合。在溶气罐内安装射流器并与进水管相连，利用射流器的气液混合作用及喷射作用将罐内空气溶于水中。在溶气罐上安装压力表、出水阀门和出水管路，在出水管路上安装流量计，在出水管路末端安装微纳米气泡发生器，并将微纳米气泡发生器置于清洗槽底部。微纳米气泡发生器采用高速旋回式微纳米气泡发生装置。在溶气罐底部安装排水阀门及管路，用于在清洗操作告一段落时排掉溶气罐内的剩余水。在清洗槽中安装电导传感器，以监测系统运行参数。

在清洗槽中放置5号出水陶瓷片，打开溶气罐的进水阀门，关闭出水阀门及排水阀门，然后打开自来水龙头，使自来水流入溶气罐。待罐内压力升至0.2Mpa时，打开出水阀门，根据流量计显示的流量数据调节出水阀门使出水流量为0.5m³/h，利用从微纳米气泡发生器流出的雾状微纳米气泡水进行文物清洗。文物在清洗槽中连续清洗8h。文物清洗8h后微纳米气泡水的电导率为500μS/cm并保持不变，此时文物上的病害附着物已被微纳米气泡水清洗松软，用竹签轻轻刮除便剥离附着物，完成文物的清洗。

5号出水陶瓷片经微纳米气泡水清洗后，根据《可移动文物病害评估技术规程》文物保护行业标准(WW/T 0056-2014，WW/T 0056-2014)，采用色差、光泽度差和表面损伤等指标对清洗前后文物的状况进行安全性评估。结果表明，色差为3.06(此值小于5便认为无变化)，光泽度差为0.3(此值小于1便认为无变化)，此外显微分析表明陶瓷片表面釉面无明显变化，裂缝宽度为0.074-0.076mm，无明显变化，这表明5号出水陶瓷片表面经微纳米气泡水清洗后无损伤。

本实施例表明，微纳米气泡水对于清洗带有裂缝病害的出水陶瓷器是安全有效的。

上述仅为本发明的优选实施例，本发明并不仅限于实施例的内容。对于本领域中的技术人员来说，在本发明的技术方案范围内可以有各种变化和更改，所作的任何变化和更改，均在本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.微纳米气泡水清洗出水文物的应用，其特征在于：所述微纳米气泡水由水和空气的混合物通过微纳米气泡发生器生成；所述微纳米气泡发生器采用高速旋回式微纳米气泡发生装置；所述水和空气的混合物通过利用自来水的压力在溶气罐中将空气和水加压混合获得；在对文物进行清洗时，所述溶气罐的压力为0.1-0.2Mpa，出水流量为0.1-0.5m³/h。

2.一种微纳米气泡水清洗出水文物的方法，该方法为：将空气和水加压混合得到气水混合物，该气水混合物再通过微纳米气泡发生器生成微纳米气泡水，利用生成的微纳米气泡水对出水文物进行清洗；所述微纳米气泡发生器采用高速旋回式微纳米气泡发生装置；所述气水混合物通过利用自来水的压力在溶气罐中将空气和水加压混合获得；在对文物进行清洗时，所述溶气罐的压力为0.1-0.2Mpa，出水流量为0.1-0.5m³/h。

3.如权利要求2所述的一种微纳米气泡水清洗出水文物的方法，其特征在于：所述方法采用无动力泵驱动的方式进行，直接利用自来水的压力在溶气罐中将空气和水加压混合得到所述气水混合物。

4.如权利要求2所述的一种微纳米气泡水清洗出水文物的方法，其特征在于：所述微纳米气泡水对出水文物进行清洗的时间为2-70小时。

5.如权利要求2所述的一种微纳米气泡水清洗出水文物的方法，其特征在于所述方法还包括：所述微纳米气泡水对出水文物进行清洗的过程中监测微纳米气泡水的电导率，当所述微纳米气泡水的电导率不变时结束清洗。

6.一种微纳米气泡水清洗出水文物的装置，该装置包括：自来水水龙头、溶气罐、进水阀门、压力表、出水阀门、流量计、排水阀门、电导传感器、清洗槽和微纳米气泡发生器；

所述自来水水龙头和溶气罐通过进水管道连接，自来水水龙头和溶气罐之间安装进水阀门；

所述压力表安装在溶气罐上，用于监测所述溶气罐内的压力；

所述排水阀门安装在溶气罐底部，用于将所述溶气罐内的水排出；

所述溶气罐上安装出水阀门，出水阀门通过管路和微纳米气泡发生器连接，溶气罐内的气水混合物通过出水阀门输送至微纳米气泡发生器；

所述出水阀门和微纳米气泡发生器之间安装流量计，用于监测出水阀门出水的水流量；

所述微纳米气泡发生器放置于所述清洗槽底部，用于产生微纳米气泡水并对清洗槽中的文物进行清洗；所述微纳米气泡发生器采用高速旋回式微纳米气泡发生装置；

所述电导传感器安装于清洗槽内，用于在文物清洗过程中监测微纳米气泡水的电导率；

所述清洗出水文物的装置启动清洗程序时，待所述溶气罐中的压力升至0.1-0.2Mpa，打开并调节出水阀门，使出水流量为0.1-0.5m³/h，产生微纳米气泡水对清洗槽中的文物进行清洗。

7.如权利要求6所述的一种微纳米气泡水清洗出水文物的装置，其特征在于：所述溶气罐的容积为10-100L。

8.如权利要求6所述的一种微纳米气泡水清洗出水文物的装置，其特征在于：所述清洗出水文物的装置还包括射流器，所述射流器安装在所述溶气罐内并与进水管道相连。