CN114890557B - 一种缓释型固体阻垢剂及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种缓释型固体阻垢剂及应用，属于隧道病害预防领域。本发明的缓释型固体阻垢剂，采用硅气凝胶作为载体，能够吸附大量阻垢剂有效成分，精准控制阻垢剂有效成分地释放，长效缓释效果可以达到200d，有效解决了传统阻垢剂释放过快，阻垢效果不佳等问题。本发明的缓释型固体阻垢剂用于隧道排水系统，由于地下水在隧道初期支护喷射混凝土的渗流过程，使得排水管内溶液呈碱性状态，排水管长期在碱性水溶液条件下易受到腐蚀作用，加入缓释型固体阻垢剂的排水管基本不会受到碱性环境的影响，保障了排水管的使用年限。

Description

一种缓释型固体阻垢剂及应用
技术领域
本发明属于隧道病害预防领域，尤其是一种缓释型固体阻垢剂及应用。
背景技术
随着隧道修建规模和复杂性不断增加，隧道施工运营中遇到的问题也越来越严峻，近年来，世界范围内越来越多的隧道出现了排水管结晶堵塞现象，其严重威胁隧道的运营安全，给隧道管养部门造成了极大的经济负担和压力。隧道排水系统结晶堵塞后，由于衬砌所受地下水压力的增加，轻则致使隧道衬砌出现局部裂损，重则导致隧道衬砌结构发生严重变形，甚至失稳。隧道排水系统堵塞病害已成为隧道领域亟待解决的问题。
管道结垢现象普遍出现于水处理、油井油田等领域。在这些领域中，针对管道结垢问题的处治方法主要有机械处治、物理处治、化学处治及生物处治四类方法。其中，化学处治由于其阻垢效果好、操作简单、原料来源广等优点，备受欢迎。目前，应用范围最广的化学处治便是阻垢剂。阻垢剂的作用原理为：高性能阻垢剂中阻垢剂分子能与水中的成垢阳离子(如钙离子、镁离子等)形成可溶性的螯合物，从而阻止成垢阳离子与成垢阴离子(如碳酸根离子、硫酸根离子等)接触；阻垢剂分子能够阻止成垢粒子间的相互接触和凝聚；阻垢剂分子还能改变结晶体晶型，使得污垢更易被水流冲走。通过这些作用，可以达到阻垢目的，减少结晶的产生。阻垢剂的浓度对其阻垢效果具有显著的影响，但由于隧道排水系统独有的特点，如不循环、暗埋等，都会导致普通阻垢剂浓度变化过快无法满足使用要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种缓释型固体阻垢剂及应用。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种缓释型固体阻垢剂，由以下制备方法制备得到：
(1)将聚环氧琥珀酸、聚天冬氨酸、羟基乙叉二膦酸和水解聚马来酸酐混合，在40～45℃的条件下搅拌均匀，得到阻垢剂混合物；
将硅气凝胶粉和低熔点玻璃粉混合均匀，之后加入聚乙烯吡咯烷酮，搅拌均匀，制得混合物，将混合物通过挤压方式从50～200目筛网中筛分，得到球形载体，将球形载体于450℃温度中烧结30min进行板结，之后进行研磨，得到硅气凝胶球形载体；
(2)将硅气凝胶球形载体浸渍于阻垢剂混合物中进行吸附，之后进行干燥，得到缓释型固体阻垢剂。
进一步的，在步骤(1)中，的硅气凝胶球形载体的制备过程中，硅气凝胶粉的加入量、低熔点玻璃粉的加入量与聚乙烯吡咯烷酮的加入量的质量比为：17：2：1。
进一步的，在步骤(1)中，阻垢剂混合物的制备过程中，聚环氧琥珀酸、聚天冬氨酸、羟基乙叉二膦酸、水解聚马来酸酐与硅气凝胶粉的质量比为1：2：4：3：10。
进一步的，在步骤(1)中，所述硅气凝胶粉为二氧化硅气凝胶粉，平均粒径为20～40nm，比表面积为700-900m2/g；
所述低熔点玻璃粉为ZnO-CaO-P2O5、ZnO-CaO-P2O5或者Bi2O3-B2O3-SiO2，粒径5μm。
进一步的，步骤(2)中硅气凝胶球形载体与阻垢剂混合物的质量比为0.85：1。
进一步的，还包括步骤(3)，将所述缓释型固体阻垢剂加入丙烯酸乳液，混合后制成块状材料。
本发明所述的缓释型固体阻垢剂的应用，作为阻垢剂用于隧道排水系统。
进一步的，将所述阻垢剂装有带有滤网的过滤装置，将所述过滤装置置于隧道排水系统中进行阻垢。
进一步的，将所述过滤装置置于隧道侧向检查井纵向排水管出口处进行阻垢；
将所述过滤装置固定于检查井或沉砂池内壁进行阻垢；
将所述过滤装置固定于中央排水沟内壁进行阻垢。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的缓释型固体阻垢剂，采用硅气凝胶作为载体，能够吸附大量阻垢剂有效成分，精准控制阻垢剂有效成分地释放，长效缓释效果可以达到200d，有效解决了传统阻垢剂释放过快，阻垢效果不佳等问题。该缓释型固体阻垢剂，包括了聚环氧琥珀酸和聚天冬氨酸，两者皆为绿色阻垢剂，对周围水体环境影响较小。该缓释型固体阻垢剂，可以有效降低排水管内的结垢速率，平均结垢速率可以降低94.6％，阻垢效果好，大大减少了离子的结合能力，1d阻垢效率可达80％以上，3d阻垢效率均达到90％以上，阻垢效率在150d内维持在95％左右。
本发明的缓释型固体阻垢剂用于隧道排水系统，由于地下水在隧道初期支护喷射混凝土的渗流过程，使得排水管内溶液呈碱性状态，排水管长期在碱性水溶液条件下易受到腐蚀作用，加入缓释型固体阻垢剂的排水管基本不会受到碱性环境的影响，保障了排水管的使用年限。当用于隧道纵向排水管、检查井/沉砂池、中央排水沟的缓释阻垢剂投放装置时，配合该缓释型固体阻垢剂效果，可有效降低结晶体在隧道排水系统内的生成和堆积效应，预防隧道排水系统内结晶病害。
附图说明
图1为实施例1～4缓释型固体阻垢剂阻垢性能数据；
图2为实施例1～4缓释型固体阻垢剂缓释性能数据；
图3为循环装置的结构示意图；
图4为缓释型固体阻垢剂在纵向排水管中的应用的结构示意图；
图5为缓释型固体阻垢剂在检查井或沉砂池中的应用的结构示意图；
图6为缓释型固体阻垢剂在中央排水沟中的应用的结构示意图。
其中：1-支架，2-供水箱，3-阀门，4-切半的双壁波纹管，5-集水箱，6-钢管，7-循环水泵，8-回水管，9-双壁波纹管切面图，10-过滤装置，10-1-过滤网，10-2-过滤布，10-3-手柄，11-检查井，12-1-固定装置，12-2-柱形过滤网；13-中央排水沟，14-横向排水管，15-1-固定装置，15-2-柱形过滤网。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
为了使阻垢剂能够长期维持一定浓度，引入缓释技术，会使阻垢剂长期发挥其较好功效，还可以减少更换频率。除此之外，由于阻垢剂一般应用于封闭体系之中，而隧道排水系统为一开放体系，故应选择合适的投药装置及地点。其不仅要适应隧道结构特点，便于安装及更换阻垢剂，还应保证阻垢剂在整个排水系统中起到关键作用。
因此，本发明研究一种缓释型固体阻垢剂及一种适合隧道特点的投药装置，以保障阻垢剂在隧道排水系统中发挥其最大功效。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
实施例1
一种缓释型固体阻垢剂，由以下制备方法制备得到：
(1)拌和过程：在烧杯中加入0.85g聚环氧琥珀酸、1.7g聚天冬氨酸、3.4g羟基乙叉二膦酸、2.55g水解聚马来酸酐，水浴加热40℃后搅拌均匀，得到阻垢剂混合物；
(2)载体制作：将8.5g硅气凝胶颗粒和1g低熔点玻璃粉混合均匀，之后加入0.5g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，搅拌均匀，得到混合物，将混合物通过挤压方式从50目筛网中筛分，制得球形载体，将球形载体于450℃温度中烧结30min进行板结，再进行手工研磨，制得硅气凝胶球形载体。
(3)吸附过程：将步骤(2)的硅气凝胶球形载体浸渍于步骤(1)中的阻垢剂混合物中进行吸附，吸附采用真空吸附，然后在30℃环境中进行干燥，制得一种缓释型固体阻垢剂。
(4)成块过程：在步骤(3)制得的18g缓释型固体阻垢剂，加入9g丙烯酸乳液，使其充分混合成为块状结构。
实施例2
一种缓释型固体阻垢剂，由以下制备方法制备得到：
(1)拌和过程：在烧杯中依次1.7g聚环氧琥珀酸、3.4g聚天冬氨酸、6.8g羟基乙叉二膦酸、5.1g水解聚马来酸酐，水浴加热45℃后搅拌均匀，得到阻垢剂混合物；
(2)载体制作：将17g硅气凝胶颗粒和2g低熔点玻璃粉混合均匀，然后加入1g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，搅拌均匀，制得混合物，将混合物通过挤压方式从100目筛网中筛分，制得球形载体，将球形载体于450℃温度中烧结30min进行板结，再进行手工研磨，制得硅气凝胶球形载体。
(3)吸附过程：将步骤(2)得到的硅气凝胶球形载体浸渍于步骤(1)的阻垢剂混合物中进行吸附，吸附采用真空吸附，然后在40℃环境中进行干燥，制得一种缓释型固体阻垢剂。
(4)成块过程：在步骤(3)制得18g缓释型固体阻垢剂，加入9g丙烯酸乳液，使其充分混合成为块状结构。
实施例3
一种缓释型固体阻垢剂，由以下制备方法制备得到：
(1)拌和过程：在烧杯中加入8.5g聚环氧琥珀酸、17g聚天冬氨酸、34g羟基乙叉二膦酸、25.5g水解聚马来酸酐，水浴加热42℃后搅拌均匀，得到阻垢剂混合物；
(2)载体制作：在85g硅气凝胶颗粒和10g低熔点玻璃粉混合均匀，然后加入5g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，搅拌均匀，制得混合物，将混合物通过挤压方式从150目筛网中筛分，制得球形载体，将球形载体于450℃温度中烧结30min进行板结，再进行手工研磨，制得硅气凝胶球形载体。
(3)吸附过程：将步骤(2)的硅气凝胶球形载体浸渍于步骤(1)的阻垢剂混合物中进行吸附，吸附采用真空吸附，然后在350℃环境中进行干燥，制得一种缓释型固体阻垢剂。
(4)成块过程：在步骤(3)制得的18g缓释型固体阻垢剂，加入9g丙烯酸乳液，使其充分混合成为块状结构。
实施例4
一种缓释型固体阻垢剂，
由以下制备方法制备得到：
(1)拌和过程：在烧杯中加入0.85g聚环氧琥珀酸、1.7g聚天冬氨酸、3.4g羟基乙叉二膦酸、2.55g水解聚马来酸酐，水浴加热40～45℃后搅拌均匀，得到阻垢剂混合物；
(2)载体制作：在8.5g硅气凝胶颗粒和1g低熔点玻璃粉混合均匀，然后加入0.5g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，搅拌均匀，制得混合物，将混合物通过挤压方式从200目筛网中筛分，制得球形载体，将球形载体于450℃温度中烧结30min进行板结，再进行手工研磨，制得硅气凝胶球形载体。
(3)吸附过程：将步骤(2)的硅气凝胶球形载体浸渍于步骤(1)中的阻垢剂混合物中进行吸附，吸附采用真空吸附，然后在30～40℃环境中进行干燥，制得一种缓释型固体阻垢剂。
(4)成块过程：在步骤(3)制得的18g缓释型固体阻垢剂，加入9g丙烯酸乳液，使其充分混合成为块状结构。
对本发明上述实施例1～实施例4中制得的缓释型固体阻垢剂进行缓释阻垢性能测试，性能测试方法为：取10g制得的缓释固体阻垢剂，将其浸泡在矿化度为1000mg/L的10L水环境中，每隔一定时间对水环境中的阻垢剂和水体进行测定，获得阻垢剂的阻垢性能和缓释效果指标。其中，阻垢性能通过测定取样水体中离子的变化量获得；缓释行为通过测定阻垢剂在一定时间的释放量获得。水环境模拟：将CaCl2、MgCl2、NaHCO3溶质加入供水箱中，加入10L蒸馏水搅拌均匀。实施例1～实施例4缓释型固体阻垢剂阻垢性能如图1所示，实施例1～实施例4缓释型固体阻垢剂缓释效果如图2所示。
如图1所示，本发明实施例1～4提供的一种缓释型固体阻垢剂，1d阻垢效率可达80％以上，3d阻垢效率均达到90％以上，阻垢效率在150d内维持在95％左右。如图2所示，本发明实施例1～4提供的一种缓释型固体阻垢剂，在150d内，有效成分释放量在35～50mg/L之间。尤其是实施例3，200d阻垢效率仍能达到93.5％，阻垢效率95％以上持续天数长达160d之久，有效成分释放量稳定在35～40mg/L之间，说明本发明提供的缓释型固体阻垢剂阻垢效率高，可以大幅度减少离子的结合能力，且硅气凝胶载体可以较精准控制阻垢剂有效成分地释放，从而实现长达200d的缓释效果，有效降低结晶体在隧道排水系统内的生成和堆积效应，预防隧道排水系统内结晶病害。
为了更直观的看出本发明提供的缓释型固体阻垢剂的效果，通过室内试验，模拟地下水在隧道排水系统中动态流动过程，试验采用模拟地下水在隧道排水系统中动态流动的循环装置，如图3所示，支架1上设有供水箱2，支架1用于支撑供水箱并提供一定的水头高度，供水箱2上设有阀门3，供水箱2的出口和集水箱5进口之间通过切半的双壁波纹管4相连，集水箱5通过钢管6连接循环水泵7，循环水泵7通过回水管8连接有供水箱2入口；工作原理为：将缓释型固体阻垢剂放在排水管4内，位于阀门3正下方，供水箱2中配制矿化度为1000mg/L、pH值为9.21的水溶液，配制方法为：将Cal2、MgCl2、NaHCO3溶质加入供水箱中，加入10L蒸馏水搅拌均匀。水溶液通过支架1获得一定的水头高度，通过阀门3经过半切的双壁波纹管4，最终汇入集水箱5中，然后经过钢管6，在循环泵7作用下通过回水管8回流至供水箱2中。当供水箱中水的钙离子浓度下降10％时，用相同的方法更换水质，测试时间为150d。试验结束后，获得排水管内结晶体生成的质量、排水管内阻垢剂消耗的质量、排水管接触角的变化，其中：排水管内结晶体生成的质量通过试验前后排水管烘干后质量差确定，排水管内阻垢剂消耗的质量通过试验前后阻垢剂质量差确定，接触角变化通过测定试验前后排水管内接触角确定，接触角采用CA100接触角测量仪进行测定。表1为对照组1、实施例1～4缓释型固体阻垢剂室内试验结果，对照组为不加缓释型固体阻垢剂的试验条件。
表1对照组1、实施例1～4缓释型固体阻垢剂室内试验结果
对照组1 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
排水管内结晶体质量/g 40.215 3.627 3.258 0.882 0.902
缓释型固体阻垢剂消耗量/g 0 9.151 6.924 7.359 7.100
试验前排水管接触角/° 89.52 89.55 89.51 89.49 89.50
试验后排水管接触角/° 84.26 89.04 89.35 89.43 89.42
如表1所示，不加缓释型固体阻垢剂的对照组1，试验结束后排水管内结晶体堆积量达到40.215g，实施例1～4排水管内结晶体平均质量为2.167g，阻垢效率提高了94.6％。以实施例3为例，相比对照组1，结晶体质量减少了39.333g，阻垢效率提高了97.8％，不加缓释型固体阻垢剂的对照组1试验前后排水管接触角变化量为5.26°，实施例3中接触角基本没有变化，仅降低了0.06°，说明加入缓释型固体阻垢剂可以有效降低排水管内的结垢速率，尤其排水管在碱性水溶液条件下易受到腐蚀作用，而加入缓释型固体阻垢剂的排水管基本不会受到碱性环境的影响。
下面介绍缓释型固体阻垢剂分别在隧道纵向排水管、检查井/沉砂池、中央排水沟中的现场实施案例。
现场实施案例1
缓释型固体阻垢剂在纵向排水管中的应用：在隧道纵向排水管9出口处，放入装有缓释型固体阻垢剂的过滤装置10，如图4所示，图中：9为双壁波纹管切面图，10为放置在双壁波纹管一侧的过滤装置，过滤装置由过滤网10-1、过滤布10-2、手柄10-3组成。其中：10-1为孔径为2mm的不锈钢过滤网，一方面可以过滤掉排水管内大的泥沙、碎石等，另一方面起到固定支撑作用；10-2为20目的塑料过滤布，两端连接不锈钢过滤网，上面两端(直线)采用铁丝连接，下面(半圆曲线)采用线织方法连接；10-3为手柄，刚接在过滤网上，方便拿取过滤装置10。
现场实施案例2
缓释型固体阻垢剂在检查井或沉砂池中的应用：在检查井或沉砂池11侧壁处钻孔，然后打入固定螺栓12-1，将装有缓释型固体阻垢剂的过滤装置12-2通过挂钩和固定螺栓12-1固定于检查井或沉砂池内壁，如图5所示，其中：11为检查井或沉砂池，12-1为固定装置，12-2为柱形过滤网，孔径2mm，采用不锈钢材质。
现场实施案例3
缓释型固体阻垢剂在中央排水沟中的应用：在中央排水沟侧边墙处，即横向排水管出水口处，设置固定装置，将装有缓释型固体阻垢剂的过滤装置固定在固定装置上，如图6所示，图中：13为中央排水沟，14为横向排水管，15-1为固定装置，15-2为柱形过滤网，孔径2mm，采用不锈钢材质。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种缓释型固体阻垢剂，其特征在于，由以下制备方法制备得到：
（1）将聚环氧琥珀酸、聚天冬氨酸、羟基乙叉二膦酸和水解聚马来酸酐混合，在40~45℃的条件下搅拌均匀，得到阻垢剂混合物；
将硅气凝胶粉和低熔点玻璃粉混合均匀，之后加入聚乙烯吡咯烷酮，搅拌均匀，制得混合物，将混合物通过挤压方式从50~200目筛网中筛分，得到球形载体，将球形载体于450℃温度中烧结30min进行板结，之后进行研磨，得到硅气凝胶球形载体；
所述低熔点玻璃粉为ZnO-CaO-P2O5或者Bi2O3-B2O3-SiO2，粒径5 μm；
硅气凝胶粉的加入量、低熔点玻璃粉的加入量与聚乙烯吡咯烷酮的加入量的质量比为17：2：1；
（2）将硅气凝胶球形载体浸渍于阻垢剂混合物中进行吸附，之后进行干燥，得到缓释型固体阻垢剂。
2.根据权利要求1所述的缓释型固体阻垢剂，其特征在于，在步骤（1）中，阻垢剂混合物的制备过程中，聚环氧琥珀酸、聚天冬氨酸、羟基乙叉二膦酸、水解聚马来酸酐与硅气凝胶粉的质量比为1：2：4：3：10。
3.根据权利要求1所述的缓释型固体阻垢剂，其特征在于，在步骤（1）中，所述硅气凝胶粉为二氧化硅气凝胶粉，平均粒径为20~40nm，比表面积为700-900 m2/g。
4.根据权利要求1所述的缓释型固体阻垢剂，其特征在于，步骤（2）中硅气凝胶球形载体与阻垢剂混合物的质量比为0.85：1。
5.根据权利要求1所述的缓释型固体阻垢剂，其特征在于，还包括步骤（3），将所述缓释型固体阻垢剂加入丙烯酸乳液，混合后制成块状材料。
6.根据权利要求1-5任一项所述的缓释型固体阻垢剂的应用，其特征在于，作为阻垢剂用于隧道排水系统。
7.根据权利要求6所述的缓释型固体阻垢剂的应用，其特征在于，将所述阻垢剂装在带有滤网的过滤装置内，将所述过滤装置置于隧道排水系统中进行阻垢。
8.根据权利要求7所述的缓释型固体阻垢剂的应用，其特征在于，将所述过滤装置置于隧道侧向检查井纵向排水管出口处进行阻垢；或
将所述过滤装置固定于检查井或沉砂池内壁进行阻垢；或
将所述过滤装置固定于中央排水沟内壁进行阻垢。
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