CN114381343B - 一种超声波除垢添加剂及其除垢方法 - Google Patents

一种超声波除垢添加剂及其除垢方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超声波除垢添加剂，包括纤维素和功能性纳米材料，利用在超声除垢过程中的超声波能量一方面改变附着在管壁上介质的物理状态和位置，减弱介质与管壁的结合力，使其不再紧密贴合，另一方面可以利用超声波能量进行物理缠绕过程，形成均匀稳定的网络结构，分担超声波能量，使得超声能量对管壁的空化现象形成一个缓冲，使其在有效去除污垢的前提下，还能够避免空化效果过强破坏管壁结构的现象。

Description

一种超声波除垢添加剂及其除垢方法
技术领域
本发明属于工业设备除垢技术领域，具体涉及一种超声波除垢添加剂及其除垢方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
超声波技术具有明显的除垢效果，但是传统的超声除垢方法其操作过程一般多依靠人工经验进行，一旦除垢过当将导致超声探头的安装区域空蚀现象发生，即空化效果过强破坏了管壁结构，从而引起管道疲劳甚至破裂。而如果空化效果过弱，又无法有效发挥除垢效果，因此良好除垢效果和避免管壁损害之间无法同时兼顾。
基于上述技术问题，能够在有效超声除垢的同时防止管壁破坏具有重要意义。
发明内容
为了克服上述问题，本发明设计了一种超声波除垢添加剂，依靠其在超声过程中形成的网络结构对超声波传递的能量起到缓冲和分担的作用，能够有效减轻由于超声过当造成的管壁破坏问题。与此同时，还能够利用超声波产生的振动有效剥离附着在管壁上的污垢。
基于上述研究成果，本公开提供以下技术方案：
本公开第一方面，提供一种超声波除垢添加剂，包括纤维素和功能性纳米材料，进一步，所述纤维素和功能性纳米材料的质量比为(3-5)：(2-5)，优选为1:1。
本公开第二方面，提供一种超声除垢方法，采用上述添加剂，包括以下步骤：
(1)将结垢管道加入标准生活用水，检测初始TDS值；
(2)将标准生活用水倒出，结垢管道中加入纤维素和功能性材料，连接超声换能器，随后接通超声波控制箱，调整功率进行试验，记录时间；
(3)运行一段时间后加入交联剂继续运行；
(4)运行结束后加入标准生活用水，检测最终TDS值。
本公开一个或多个具体实施方式至少取得了以下技术效果：
本发明利用在超声除垢过程中的超声波能量一方面改变附着在管壁上介质的物理状态和位置，减弱介质与管壁的结合力，使其不再紧密贴合，另一方面可以利用超声波能量进行物理缠绕过程，形成均匀稳定的网络结构，分担超声波能量，使得超声能量对管壁的空化现象形成一个缓冲，使其在有效去除污垢的前提下，还能够避免空化效果过强破坏管壁结构的现象。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中的超声除垢技术无法同时兼顾优异的除垢效果以及避免管壁损害问题。因此，本公开提出了一种超声波除垢添加剂及其除垢方法，能够同时兼顾上述两者效果。
本公开第一方面，提供一种超声波除垢添加剂，包括纤维素和功能性纳米材料，进一步，所述纤维素和功能性纳米材料的质量比为(3-5)：(2-5)，优选为1:1。在上述质量比范围内的原料能够形成物理缠绕结构，有利于后期形成具有优异网络结构的交联结构。
在一种典型实施方式中，所述纤维素粒径为50nm-90nm，在上述粒径范围内，纤维素与功能性纳米材料能够在超声作用下不断形成网络结构，所述网络结构为蜂窝状结构，孔径大小均一，能够更好的均匀分散超声波能量。
在一种典型实施方式中，所述纤维素为微晶纤维素、羧甲基纤维素或者醋酸纤维素，优选为微晶纤维素，发明人发现以微晶纤维素作为原料，超声作用更有利于其网络结构的形成。
在一种典型实施方式中，所述功能性纳米材料为碳纳米管、碳纤维、氧化石墨烯等。
本公开第二方面，提供一种超声除垢方法，采用上述添加剂，包括以下步骤：
(1)将结垢管道加入标准生活用水，检测初始TDS值；
(2)将标准生活用水倒出，结垢管道中加入纤维素和功能性材料，连接超声换能器，随后接通超声波控制箱，调整功率进行试验，记录时间；
(3)运行一段时间后加入交联剂继续运行；
(4)运行结束后加入标准生活用水，检测最终TDS值。
在一种典型实施方式中，所述结垢管道采用如下方式形成：在100L去离子水中加入摩尔比为2:1的氯化钙和碳酸氢钠，将配制好的溶液放置于管道中，随后将其溶液倒出，放置24h。
在一种典型实施方式中，所述管道直径为0.3-1m，加入的标准生活用水所能达到的高度为管道的2/3，管道材质为铝合金材质，管道上方设有进水口，方便对管道内部进行加水。
在一种典型实施方式中，将标准生活用水倒出后对管壁内部进行干燥处理，避免后期对添加剂的反应过程产生不良影响。
在一种典型实施方式中，运行15-25min后加入交联剂继续运行，发明人研究发现，交联剂的加入时机影响最终网络结构的形成，将纤维素、功能性材料和交联剂同时加入后，在后续超声过程中会形成孔径结构不均一的网络结构，而先将纤维素和功能性材料两者混合，在超声过程中可以充分进行物理缠绕过程，纤维素和功能性材料之间发生物理缠绕，随后在交联剂的作用下发生化学交联过程和，可以在物理缠绕的基础上增强网络结构的形成，在物理缠绕结构稳定形成的基础上进行化学交联，可以增强网络结构的稳定性，也有利于孔径结构的均一性，继而可以均匀分散超声波能量，有利于减少管壁破坏现象。而且，在上述运行时间内可以形成稳定的物理缠绕结构。
在一种典型实施方式中，加入交联剂运行15-20min后即可完成网络结构的形成。
在一种典型实施方式中，所述交联剂为海藻酸钠、金属离子中的一种，所述金属离子为钙离子、镁离子中的一种。利用交联剂将已形成稳定物理缠绕的结构进行化学交联作用，形成离子键、氢键等化学作用，进而可以形成稳定的网络结构。
在一种典型实施方式中，所述交联剂的使用量为3-5mol/L。
在一种典型实施方式中，运行结束后加入标准生活用水的量与初始加入量相同，以保证测验结果的准确性。进一步，后续从管道中取出溶液，测量TDS值。
在一种典型实施方式中，所述功率为1500W。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案，以下将结合具体的实施例与对比例详细说明本公开的技术方案。
实施例1
结垢管道采用如下方式形成：在100L去离子水中加入摩尔比为2:1的氯化钙和碳酸氢钠，将配制好的溶液放置于管道中，随后将其溶液倒出，放置24h。
在直径为0.5m，高度为0.8m的结垢铝合金管道中的上方进水口加入标准生活用水，使其高度为管道的2/3，测量初始TDS值；随后将标准生活用水倒出，并进行充分干燥处理，在结构管道中加入粒径为60nm的微晶纤维素10g，碳纳米管10g，连接超能换能器，随后连通超声波控制箱，调整功率为1500W，运行25min后加入4mol/L的海藻酸钠交联剂继续运行15min。在运行结束后的管道中加入与上次容量相同的标准生活用水，进行振荡后取出250ml标准生活用水，没有发现明显的铝合金碎屑，测试其TDS值。
所述TDS为溶解性总固体量，采用TDS水质测试笔进行测试，对测试笔没有具体限定，能够检测TDS的测试笔均可。测试后发现，TDS值由最初的532ppm升至867ppm，说明超声作用产生的振动能够有效剥离附着在管壁上的污垢，使其沉积在水中，TDS值升高。
实施例2
结垢管道采用如下方式形成：在100L去离子水中加入摩尔比为2:1的氯化钙和碳酸氢钠，将配制好的溶液放置于管道中，随后将其溶液倒出，放置24h。
在直径为0.5m，高度为0.8m的结垢铝合金管道中的上方进水口加入标准生活用水，使其高度为管道的2/3，测量初始TDS值；随后将标准生活用水倒出，并进行充分干燥处理，在结构管道中加入粒径为70nm的微晶纤维素15g，碳纳米管10g，连接超能换能器，随后连通超声波控制箱，调整功率为1500W，运行20min后加入3mol/L的海藻酸钠交联剂继续运行20min。在运行结束后的管道中加入与上次容量相同的标准生活用水，进行振荡后取出250ml标准生活用水，没有发现明显的铝合金碎屑，测试其TDS值。
测试后发现，TDS值由最初的532ppm升至858ppm，说明超声作用产生的振动能够有效剥离附着在管壁上的污垢，使其沉积在水中，TDS值升高。
实施例3
结垢管道采用如下方式形成：在100L去离子水中加入摩尔比为2:1的氯化钙和碳酸氢钠，将配制好的溶液放置于管道中，随后将其溶液倒出，放置24h。
在直径为0.5m，高度为0.8m的结垢铝合金管道中的上方进水口加入标准生活用水，使其高度为管道的2/3，测量初始TDS值；随后将标准生活用水倒出，并进行充分干燥处理，在结构管道中加入粒径为80nm的微晶纤维素15g，碳纳米管10g，连接超能换能器，随后连通超声波控制箱，调整功率为1500W，运行20min后加入5mol/L的海藻酸钠交联剂继续运行25min。在运行结束后的管道中加入与上次容量相同的标准生活用水，进行振荡后取出250ml标准生活用水，没有发现明显的铝合金碎屑，测试其TDS值。
测试后发现，TDS值由最初的532ppm升至865ppm，说明超声作用产生的振动能够有效剥离附着在管壁上的污垢，使其沉积在水中，TDS值升高。
对比例1
为了测试本发明所述方法在有效除垢的同时还能够避免空化效果过强对管壁造成的损害问题，进行如下实验过程：
结垢管道采用如下方式形成：在100L去离子水中加入摩尔比为2:1的氯化钙和碳酸氢钠，将配制好的溶液放置于管道中，随后将其溶液倒出，放置24h。
在直径为0.5m，高度为0.8m的结垢铝合金管道中的上方进水口加入标准生活用水，使其高度为管道的2/3，测量初始TDS值；连接超能换能器，随后连通超声波控制箱，调整功率为1500W，运行40min，进行振荡后取出250ml标准生活用水，测试其TDS值。
测试后发现，TDS值由最初的532ppm升至990ppm，说明超声作用产生的振动能够有效剥离附着在管壁上的污垢，使其沉积在水中，TDS值升高。但是与此同时，在取出的水样中发现了铝合金碎屑，这说明在不加入任何添加剂的前提下，虽然能够有效将管壁上的污垢进行剥离，但是也会对管壁造成损害，造成铝合金的脱落。而实施例1中最终水样中并未发现明显的铝合金碎屑，这说明在添加剂的作用下能够对超声波的过强空化现象产生缓冲效果，在有效除垢的同时避免管壁损害现象。
对比例2
结垢管道采用如下方式形成：在100L去离子水中加入摩尔比为2:1的氯化钙和碳酸氢钠，将配制好的溶液放置于管道中，随后将其溶液倒出，放置24h。
在直径为0.5m，高度为0.8m的结垢铝合金管道中的上方进水口加入标准生活用水，使其高度为管道的2/3，测量初始TDS值；随后将标准生活用水倒出，并进行充分干燥处理，在结构管道中加入粒径为60nm的羧甲基纤维素10g，碳纳米管10g，连接超能换能器，随后连通超声波控制箱，调整功率为1500W，运行25min后加入4mol/L的海藻酸钠交联剂继续运行15min。在运行结束后的管道中加入与上次容量相同的标准生活用水，进行振荡后取出250ml标准生活用水，测试其TDS值。
所述TDS为溶解性总固体量，采用TDS水质测试笔进行测试，对测试笔没有具体限定，能够检测TDS的测试笔均可。测试后发现，TDS值由最初的532ppm升至918ppm，说明超声作用产生的振动能够有效剥离附着在管壁上的污垢，使其沉积在水中，TDS值升高。但是，其TDS值较实施例有所升高，同时测试水样中有少许铝合金碎屑产生，说明采用羧甲基纤维素作为原料，无法有效避免超声过强现象对管壁的损害。
对比例3
结垢管道采用如下方式形成：在100L去离子水中加入摩尔比为2:1的氯化钙和碳酸氢钠，将配制好的溶液放置于管道中，随后将其溶液倒出，放置24h。
在直径为0.5m，高度为0.8m的结垢铝合金管道中的上方进水口加入标准生活用水，使其高度为管道的2/3，测量初始TDS值；随后将标准生活用水倒出，并进行充分干燥处理，在结构管道中加入粒径为60nm的微晶纤维素10g，碳纳米管10g，以及4mol/L的海藻酸钠交联剂，连接超能换能器，随后连通超声波控制箱，调整功率为1500W，运行40min。在运行结束后的管道中加入与上次容量相同的标准生活用水，进行振荡后取出250ml标准生活用水，测试其TDS值。
测试后发现，TDS值由最初的532ppm升至991ppm，同时在测试水样中发现明显的铝合金碎屑，说明海藻酸钠的加入顺序对防止空化作用过强对管壁的损害具有重要作用。利用本发明所述加入方法形成的网络结构能够有效减轻空化过强现象，形成均匀稳定的网络结构，使得超声能量对管壁的空化现象形成一个缓冲，使其在有效去除污垢的前提下，还能够避免空化效果过强破坏管壁结构的现象。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超声除垢方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将结垢管道加入标准生活用水，检测初始TDS值；
（2）将标准生活用水倒出，结垢管道中加入纤维素和功能性材料，连接超声换能器，随后接通超声波控制箱，调整功率进行试验，记录时间；
（3）运行一段时间后加入交联剂继续运行；
（4）运行结束后加入标准生活用水，检测最终TDS值；
所述纤维素为微晶纤维素；
所述功能性材料为碳纳米管。
2.根据权利要求1所述的超声除垢方法，其特征在于，所述结垢管道采用如下方式形成：在100L去离子水中加入摩尔比为2:1的氯化钙和碳酸氢钠，将配制好的溶液放置于管道中，随后将其溶液倒出，放置24h。
3.根据权利要求1所述的超声除垢方法，其特征在于，将标准生活用水倒出后对管壁内部进行干燥处理。
4.根据权利要求1所述的超声除垢方法，其特征在于，运行15-25 min后加入交联剂继续运行，加入交联剂运行15-20min后即形成网络结构。
5.根据权利要求1所述的超声除垢方法，其特征在于，所述交联剂为海藻酸钠、金属离子中的一种，所述金属离子为钙离子、镁离子中的一种。
6.根据权利要求1所述的超声除垢方法，其特征在于，所述交联剂的使用量为3-5 mol/L。
7.根据权利要求1所述的超声除垢方法，其特征在于，运行结束后加入标准生活用水的量与初始加入量相同，以保证测验结果的准确性；后续从管道中取出溶液，测量TDS值。
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