CN110372110A - 一种高效阻垢材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种高效阻垢材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及阻垢功能材料技术领域，尤其是涉及一种高效阻垢材料及其制备方法和应用。包括载体和负载于所述载体表面的铝铁合金；所述载体包括按重量百分比计的如下组分：聚丙烯酸钠99.0％‑99.6％，陶瓷0.4％‑1.0％；所述聚丙烯酸钠的平均分子量为500‑2000。本发明的制备方法，包括如下步骤：(A)制备聚丙烯酸钠的晶体，在其表面涂覆陶瓷；(B)在涂覆有陶瓷的聚丙烯酸钠的晶体上沉积铝铁合金。本发明的高效阻垢材料可用于压力容器中，整个过程中无添加剂和释放物，避免了水体污染，达到食品级标准。

Description

一种高效阻垢材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及阻垢功能材料技术领域，尤其是涉及一种高效阻垢材料及其制备方法和应用。
背景技术
水垢是一种普遍存在的问题，它会使导热性变差。当热交换面结垢后，不仅会造成严重的能源浪费，还极易导致各种用水电器及用水设备局部腐蚀甚至穿孔报废，更严重者会因为受热不均而引起爆炸。
对水垢的化学组成分析表明，水垢主要是由难溶性盐组成，其中又以难溶性的钙盐为主，而碳酸钙是水垢中存在最广泛的难溶性钙盐。
而现在传统的阻垢方式通常是采用化学络合的方式，这种方式在工业用水上效率低、成本高，同时阻垢剂难以去除，在饮用水上则因为钙镁离子的络合物被人饮入体内，对健康造成影响。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种高效阻垢材料，以解决现有技术中存在的阻垢效率低的技术问题。
本发明的第二目的在于提供一种高效阻垢材料的制备方法，该制备方法条件温和，操作简单，可重复性好。
本发明的第三目的在于提供一种高效阻垢材料在去除水垢中的应用。
本发明的第四目的在于提供一种具有高效防垢去垢效果的压力容器。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种高效阻垢材料，包括载体和负载于所述载体表面的铝铁合金；
所述载体包括按重量百分比计的如下组分：
聚丙烯酸钠99.0％-99.6％，陶瓷0.4％-1.0％；
所述聚丙烯酸钠的平均分子量为500-2000。
本发明的高效阻垢材料，载体材料中以聚丙烯酸钠为主，辅以陶瓷，且表面布有铝铁合金活性点，利用活性点，影响反应的平衡状态，使反应向左进行，并使碳酸钙盐以文石的晶型存在。
同时，聚丙烯酸钠使得析出的碳酸钙盐微晶体能够分散于水中而不沉淀结垢，由此极大的避免了难以清除的硬垢的形成，具有较好的防垢阻垢功能，能够有效的缓解用水设备的腐蚀穿孔、受热不均、热效率下降等问题。
在本发明一些具体实施方式中，所述载体包括按重量百分比计的如下组分：
聚丙烯酸钠99.2％-99.5％，陶瓷0.5％-0.8％。
如在不同实施例中，聚丙烯酸钠的用量可以为99.2％、99.3％、99.4％、99.5％等等；陶瓷的用量可以为0.5％、0.6％、0.7％、0.8％等等。
可选的，所述载体包括按重量百分比计的如下组分：
聚丙烯酸钠99.2％，陶瓷0.8％。
优选的，所述载体与铝铁合金的质量比为(166-249)﹕1；如可以为(199-245)﹕1。
如在不同实施例中，所述聚丙烯酸钠的平均分子量可以为500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400、1500、1600、1700、1800、1900、2000等等。
优选的，所述聚丙烯酸钠的平均分子量为1700-1900。更优选的，所述聚丙烯酸钠的平均分子量为1800。
采用上述分子量的聚丙烯酸钠能够进一步避免析出的碳酸钙盐微晶体在水中沉淀结垢，使其分散于水中，避免形成难以清除的硬垢。
优选的，所述铝铁合金中，铝和铁的质量比为21﹕10。
可选的，所述陶瓷包括Ca(OH)2、98％Ca(OH)2+2％MgO中的任一种或两种混合。其中，98％Ca(OH)2+2％MgO是指陶瓷中含有按质量百分比计98％的Ca(OH)2和2％的MgO。
可选的，所述高效阻垢材料为球体材料。
优选的，所述球体的直径为0.55-0.75mm。
球体直径在上述范围内，能够增大铝铁合金活性点与水体的接触面积，提高阻垢效率。
本发明还提供了一种高效阻垢材料的制备方法，包括如下步骤：
(A)制备聚丙烯酸钠的晶体，在其表面涂覆陶瓷；
(B)在涂覆有陶瓷的聚丙烯酸钠的晶体上沉积铝铁合金。
优选的，所述制备聚丙烯酸钠的晶体的方法包括如下步骤：
单体溶液、分散剂、复合引发剂于40-60℃条件下进行聚合反应；
其中，丙烯酸与氢氧化钠在溶液状态下进行中和反应得到单体溶液。
可选的，氢氧化钠以溶液状态加入。可选的，氢氧化钠溶液的质量分数为20-40％，优选为25-35％，如可以为30％。
可选的，丙烯酸与氢氧化钠溶液的质量比为1﹕(1.5-2)，如可以为1﹕1.5、1﹕1.6、1﹕1.7、1﹕1.8、1﹕1.9、1﹕2等等。
可选的，单体溶液的质量分数为40-50％。
分散剂可以按照常规加入量。复合引发剂可采用常规引发丙烯酸钠聚合的复合引发剂，用量根据实际需求进行调整，如可以为单体质量的2％。
优选的，于40-60℃条件下进行聚合反应的方法包括：于40℃恒温1h，50℃恒温1h、60℃恒温1h。
上述制备聚丙烯酸钠的晶体的方法还包括：共沸脱水和分离干燥。
在本发明一些具体实施方式中，所述聚丙烯酸钠的晶体为球状晶体。
在本发明一些具体实施方式中，所述聚丙烯酸钠的晶体的直径为0.5-0.7mm。
本发明通过制备上述粒径的聚丙烯酸钠的晶体，将其作为阻垢材料的主体骨架结构。
在本发明一些具体实施方式中，步骤(B)中，所述沉积的方式包括物理气相沉积。
优选的，所述物理气相沉积的方法包括：将涂覆有陶瓷的聚丙烯酸钠的晶体置于物理气相沉积真空室中，抽真空至≤0.05Pa，并保持真空度≤0.1Pa，将铝靶和铁靶以铝铁合金比例要求沉积在涂覆有陶瓷的聚丙烯酸钠的晶体表面。
本发明还提供了一种高效阻垢材料在去除水垢中的应用。
优选的，所述高效阻垢材料的过水方式为下进上出。采用逆向进行的方式，进一步提高阻垢效率。
优选的，所述高效阻垢材料的过水压力为0.2-0.3MPa。在这一过水压力下，防垢去垢效果最佳。
本发明还提供了一种压力容器，其含有上述任一所述的高效阻垢材料。
将本发明的高效阻垢材料用于压力容器，能够在无添加剂和释放物的情况下实现阻垢，避免了水体污染，达到食品级标准。
优选的，所述压力容器的容积与所述高效阻垢材料的体积之比为(3-5)﹕1，更优选为4﹕1。
优选的，所述压力容器为食品级压力容器。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的高效阻垢材料，载体材料中以聚丙烯酸钠为主，辅以陶瓷，且表面布有铝铁合金活性点，利用活性点，影响反应的平衡状态，使反应向左进行，并使碳酸钙盐以文石的晶型存在；
(2)本发明采用聚丙烯酸钠使得析出的碳酸钙盐微晶体能够分散于水中而不沉淀结垢，由此极大的避免了难以清除的硬垢的形成，具有较好的防垢阻垢功能，能够有效的缓解用水设备的腐蚀穿孔、受热不均、热效率下降等问题；
(3)本发明的高效阻垢材料可用于压力容器中，整个过程中无添加剂和释放物，避免了水体污染，达到食品级标准。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
本实施例的高效阻垢剂包括载体和负载于载体表面的铝铁合金。
载体与铝铁合金的质量比为199﹕1。
载体包括按重量百分比计的如下组分：
聚丙烯酸钠99.5％，陶瓷0.5％。
所述陶瓷为Ca(OH)2。所述聚丙烯酸钠的平均分子量为1800。所述铝铁合金中，铝和铁的质量比为21﹕10。
本实施例的高效阻垢材料的制备方法包括如下步骤：
(1)制备直径为0.7mm的聚丙烯酸钠的晶体：
制备聚丙烯酸钠的晶体的方法包括如下步骤：
①在釜中加入丙烯酸，然后加入预先调控温度为30℃的质量分数为30％的氢氧化钠溶液进行中和，控制最终丙烯酸中和液温度为30℃；
其中，丙烯酸和碱液的质量比为1﹕1.74；
②将中和的45％的丙烯酸钠单体溶液、分散剂Span 60、2％单体质量的复合引发剂和相应的助剂加入反应釜中搅拌，控制温度40℃恒温1h、50℃恒温1h、60℃恒温1h后升温至共沸温度，脱水至粒子固含量为70％停止反应；
③经共沸脱水后的聚合物混合物通过螺旋沉降式离心机脱除分散剂等，将离心后的聚合物湿物料经气流干燥至含水量达0.2-0.5％时即可。
(2)按照上述比例，在聚丙烯酸钠的晶体表面均匀涂覆陶瓷；
其中，涂覆工艺采用物理气相沉积技术来完成。
(3)将涂覆有陶瓷的聚丙烯酸钠的晶体置于物理气相沉积真空室中，抽真空至0.05Pa，在保持真空度不低于0.1Pa的真空条件下，将铝靶和铁靶以21﹕10的比例均匀沉积在涂覆有陶瓷的聚丙烯酸钠的晶体表面，形成表面充满铝铁合金的球体高效阻垢材料。
实施例2
本实施例的高效阻垢剂包括载体和负载于载体表面的铝铁合金。
载体与铝铁合金的质量比为220﹕1。
载体包括按重量百分比计的如下组分：
聚丙烯酸钠99.4％，陶瓷0.6％。
所述陶瓷为Ca(OH)2。所述聚丙烯酸钠的平均分子量为1800。所述铝铁合金中，铝和铁的质量比为21﹕10。
本实施例的高效阻垢材料的制备方法包括如下步骤：
(1)制备直径为0.7mm的聚丙烯酸钠的晶体：
制备聚丙烯酸钠的晶体的方法与实施例1相同。
(2)按照上述比例，在聚丙烯酸钠的晶体表面均匀涂覆陶瓷；
其中，涂覆工艺采用物理气相沉积技术来完成。
(3)将涂覆有陶瓷的聚丙烯酸钠的晶体置于物理气相沉积真空室中，抽真空至0.05Pa，在保持真空度不低于0.1Pa的真空条件下，将铝靶和铁靶以21﹕10的比例均匀沉积在涂覆有陶瓷的聚丙烯酸钠的晶体表面，形成表面充满铝铁合金的球体高效阻垢材料。
实施例3
本实施例的高效阻垢剂包括载体和负载于载体表面的铝铁合金。
载体与铝铁合金的质量比为245﹕1。
载体包括按重量百分比计的如下组分：
聚丙烯酸钠99.3％，陶瓷0.7％。
所述陶瓷为Ca(OH)2。所述聚丙烯酸钠的平均分子量为1800。所述铝铁合金中，铝和铁的质量比为21﹕10。
本实施例的高效阻垢材料的制备方法包括如下步骤：
(1)制备直径为0.7mm的聚丙烯酸钠的晶体：
制备聚丙烯酸钠的晶体的方法与实施例1相同。
(2)按照上述比例，在聚丙烯酸钠的晶体表面均匀涂覆陶瓷；
其中，涂覆工艺采用物理气相沉积技术来完成。
(3)将涂覆有陶瓷的聚丙烯酸钠的晶体置于物理气相沉积真空室中，抽真空至0.05Pa，在保持真空度不低于0.1Pa的真空条件下，将铝靶和铁靶以21﹕10的比例均匀沉积在涂覆有陶瓷的聚丙烯酸钠的晶体表面，形成表面充满铝铁合金的球体高效阻垢材料。
实施例4
本实施例参考实施例1的高效阻垢材料及制备方法，区别仅在于：聚丙烯酸钠的平均分子量为500。
实施例5
本实施例参考实施例1的高效阻垢材料及制备方法，区别仅在于：聚丙烯酸钠的平均分子量为2000。
实施例6
本实施例参考实施例1的高效阻垢材料及制备方法，区别仅在于：载体与铝铁合金的质量比为166﹕1。
实施例7
本实施例参考实施例1的高效阻垢材料及制备方法，区别仅在于：载体与铝铁合金的质量比为249﹕1。
实施例8
本实施例参考实施例1的高效阻垢材料及制备方法，区别仅在于：陶瓷为CaSiO3。
比较例1
比较例1参考实施例1的高效阻垢材料及制备方法，区别在于：
载体包括按重量百分比计的如下组分：
聚丙烯酸钠80％，陶瓷20％。
比较例2
比较例2参考实施例1的高效阻垢材料及制备方法，区别在于：
表面未负载铝铁合金。
实验例
为了对比说明本发明各实施例和比较例的阻垢材料的性能，将本发明各实施例和比较例的阻垢材料用于压力容器，采用一定的测试条件，测试其阻垢性能，测试条件见表1，测试结果见表2。
表1 不同阻垢材料的测试条件
表2 不同阻垢材料在上述测试条件下的阻垢性能测试结果
阻垢效率测定方法：将未经处理的试液和经过实验组处理后的试液分别放置于两个洁净的锥形瓶中，两锥形瓶浸入(80±1)℃的恒温水浴中(试液的液面不得高于水浴的液面)，恒温放置10h。冷至室温后用中速定量滤纸干过滤。各移取25.00mL滤液分别置于250mL锥形瓶中，加水至约80mL，加5mL氢氧化钾溶液和约0.1g钙-羧酸指示剂。用乙二胺四乙酸二钠标准液滴定至溶液由紫红色变成亮蓝色即为终点。按以下公式计算该防垢材料的防垢效率。
式中：
V1……滴定中消耗乙二胺四乙酸二钠标准滴定溶液体积的数值，单位为毫升(mL)；
c……乙二胺四乙酸二钠标准滴定溶液的实际浓度的准确数值，单位为摩尔每升(mol/L)；
V……所取试液体积的数值，单位为毫升(mL)；
M……钙离子(Ca2+)摩尔质量的数值，单位为克每摩尔(g/mol)；
ρ1……未经处理的试液试验后的钙离子(Ca2+)浓度的数值，单位为毫克每毫升(mg/mL)；
ρ2……经过实验组处理后的试液试验后的钙离子(Ca2+)浓度的数值，单位为毫克每毫升(mg/mL)；
未经阻垢材料处理前的水，初始pH为7.6。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种高效阻垢材料，其特征在于，包括载体和负载于所述载体表面的铝铁合金；
所述载体包括按重量百分比计的如下组分：
聚丙烯酸钠99.0％-99.6％，陶瓷0.4％-1.0％；
所述聚丙烯酸钠的平均分子量为500-2000。
2.根据权利要求1所述的高效阻垢材料，其特征在于，所述载体包括按重量百分比计的如下组分：
聚丙烯酸钠99.2-99.5％，陶瓷0.2％-0.8％。
3.根据权利要求1或2所述的高效阻垢材料，其特征在于，所述载体与铝铁合金的质量比为(166-249)﹕1；
优选的，所述铝铁合金中，铝和铁的质量比为21﹕10。
4.根据权利要求1所述的高效阻垢材料，其特征在于，所述聚丙烯酸钠的平均分子量为1700-1900。
5.根据权利要求1所述的高效阻垢材料，其特征在于，所述陶瓷包括Ca(OH)2、98％Ca(OH)2+2％MgO中的任一种或两种混合。
6.根据权利要求1所述的高效阻垢材料，其特征在于，所述高效阻垢材料为球体材料；
优选的，所述球体的直径为0.55-0.75mm。
7.权利要求1-6任一项所述的高效阻垢材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(A)制备聚丙烯酸钠的晶体，在其表面涂覆陶瓷；
(B)在涂覆有陶瓷的聚丙烯酸钠的晶体上沉积铝铁合金。
8.根据权利要求7所述的高效阻垢材料的制备方法，其特征在于，所述制备聚丙烯酸钠的晶体的方法包括如下步骤：
单体溶液、分散剂、复合引发剂于40-60℃条件下进行聚合反应；
其中，单体溶液主要由丙烯酸与氢氧化钠在溶液状态下进行中和反应得到；
优选的，所述聚丙烯酸钠的晶体为球状晶体；
优选的，所述聚丙烯酸钠的晶体的直径为0.5-0.7mm。
9.权利要求1-6任一项所述的高效阻垢材料在去除水垢中的应用；
优选的，所述高效阻垢材料的过水方式为下进上出；
优选的，所述高效阻垢材料的过水压力为0.2-0.3Mpa。
10.一种压力容器，其特征在于，含有权利要求1-6任一项所述的高效阻垢材料；
优选的，所述压力容器的容积与所述高效阻垢材料的体积之比为(3-5)﹕1；
优选的，所述压力容器为食品级压力容器。
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