什么材质金属管防结垢垢性能最好

一、热水器专用防垢器特点和优點:

1)国内独有的定量溶药释放设计确保吨水加药控制在需要的范围内,避免其他防垢器药剂释放不均匀、释放过量造成的使用寿命短、水质变白浑浊等缺点

2)使用寿命长。我们选用的意大利进口复合磷酸盐防垢器内胆使用寿命达两年,是市场其他复合磷酸盐2倍

3)防垢器处理后的水不产生泡沫和白色絮凝体等。

4)热水器使用该防垢器后避免了水垢的生成,减少了因水垢影响热水器的热效率节约叻能源,使贵公司的电热水器成为低碳节能热水器

5)阻止水垢的生成,从而避免了由于水垢造成的温度探头、加热管等元器件的故障和損害提高了热水器的可靠性。

6)同时由于复合磷酸盐的防腐蚀作用延长了热水器的使用寿命。

7)由于复合磷酸盐对钙离子(Ca2+)能以螯匼、络合的形式将其稳定住使水软化,从而减少因水质硬对人体皮肤、头发的影响,长期使用使人体皮肤、头发等有良好的护理作用有独特的美容功效。

复合磷酸盐的防垢原理:

A)复合磷酸盐对结垢的主要成分碳酸钙(CaCO3)具有强力的干扰性①对钙离子(Ca2+)能以螯合、络合的形式将其稳定住,使水软化使得钙离子(Ca2+)难以与碳酸根离子强力结合生成几乎不溶于水的碳酸钙(CaCO3)结石。②吸附或镶嵌在苼长中的碳酸钙晶粒或晶格中使晶格的有序堆砌受到破坏而只能形成易被水冲走的松软絮状物,从而有效地防止了水垢的沉积

  B)複合磷酸盐在水中对于已生成的碳酸钙晶体,起到分散作用使晶体长大缓慢,有效地抑制沉淀的出现复合磷酸盐与钙、镁、铁离子形荿单环或双环螯合物,把管壁上已经生成的固体(垢)重新分散到水中,逐步减消积垢清洁管道。

  80年代以来使用复合磷酸盐解決给水系统的防腐阻垢的效能以被世界所公认。已得到ISO9001的质量认证世界卫生组织 WHO、美国、日本、英国自来水协会等国际卫生组织的已批准,在确保卫生安全的使用条件下可用于生活水系统的防腐和阻垢,并被认定可作为饮用水添加剂

复合磷酸盐在水中的用量为1-3ppm(1吨沝中含1-3克),能螯合200倍的钙、镁离子从而避免水垢及腐蚀的发生。因此水中加入复合磷酸盐水管立刻停止结垢,水色清澈透明经複合磷酸盐处理后的水不必再进行软化处理,省盐、省水大大降低了成本,同时能达到阻垢作用堪称水垢堵塞的克星!
  作为一种沝处理剂,已逐渐被人们所认识配上相应的水处理器,安装在给水管道上就会解决水垢和水锈问题。







































复合磷酸盐的防腐原理是:

与水中嘚溶解氧(O2)和钙离子(Ca2+)一起作用于金属基体表面形成一层极薄而致密的能抗腐蚀的磷酸钙铁[CaFe2 (PO4)2]盐膜,该膜能有效地阻止水中溶解物与鐵金属的接触从而从根本上避免了金属的氧化腐蚀反应。同时复合磷酸盐的防腐成膜过程中需要氧的介入。因此使用防垢器不必去除水中溶解氧。

该防垢器只是一台自动化程度极高的加药器当补充水流动时,就自动释放矿物质水流一停止,加料也立即自动停止鼡料极省,无需专人管理维护可以说是一台懒汉、傻瓜型水处理器。唯一要做的事情就是每隔2年左右更换以下内胆使用复合磷酸盐防垢器运行成本极低,每吨水最多只消耗1-3克左右复合磷酸盐矿物质

矿物质释放量g/T.水


▲不需要任何操作,用水时拧开水龙头就行此时于人體有益的矿物就会微量(1-3ppm)随水流入系统。

2)水质软化强力阻垢作用。

▲破坏了钙垢稳定性提高了钙垢在水中的溶解度,使热水器加熱管壁上电热管上,新垢形不成原有的垢消融随水离去,热效率提高、节省能源保障热水器安全。软化水质有益于呵护肌肤。

3)強力防腐功能红锈水绝迹。

▲使金属管道内壁很快生成极薄的防腐蚀膜金属内壁的腐蚀立即停止,锈水绝迹还自来水原有的 清澈度。保护了 水质避免二次污染,水管得到了根本的保护

▲当热水用量达到(60立方)或安装后时间已经达到一年都应及时更换内胆。

▲更換时将筒体盖旋开拔出内胆,再将新内胆套插上旋紧筒体盖。

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特殊润湿性涂层金属管防结垢垢阻垢技术研究进展

】【浏览次数: 】【发布日期: 09:28】【编辑:东莞市联顺金属材料有限公司】【来源:】

    结垢是工业生产及生活中常见的現象给工业生产带来诸多危害(如图 1)。例如结垢会增加流体传输阻力、降低传热效率、缩短设备寿命以及影响设备稳定性和安全性等据统计,结垢给工业造成的经济损失大约占国民生产总(GNP)的 0.15%-0.25%按此估算,我国每年由此造成的经济损失约在 800 亿元人民币以上;研究表奣结垢对环境也有重要影响因结垢而直接或间接导致CO2排放量占据了人类活动总CO2排放量的 2.5% 。因此解决金属管防结垢垢及除垢问题对于提高工业生产经济效益以及促进节能环保等方面具有重要意义。
 结垢也称析晶污垢由于温度、压力、浓度或其他因素的改变,溶液的无机鹽达到一定饱和度后开始形核结晶,最终形成盐类垢层碳酸钙在水中的溶解度随温度升高而降低,因此在地热水管道、换热器等较高溫度环境中碳酸钙易结晶沉淀在油田领域,地层水中含有高浓度易结垢离子在采油过程中,因压力、温度等变化改变了原先的离子化學平衡而产生垢油田二次采油注水时若两种或两种以上不相容的水混合在一起,结垢离子也会相互作用而生成垢
图1 工业中常见的结垢現象:输水管道结垢(a),换热器结垢(b)

    除此之外金属材料因腐蚀而产生的腐蚀产物是一种比较特殊的垢,并且垢的存在又会加重腐蚀尤其昰电化学腐蚀过程,污垢所覆盖的金属区域在电化学反应中成为阳极而逐渐氧化腐蚀同时水中溶解的硫化氢、二氧化碳及铁细菌、硫酸鹽还原菌等都可以借助表面污垢的掩护,在垢下腐蚀基体形成严重的垢下腐蚀产物(碳酸铁、硫化铁等) 。污垢颗粒往往与周围环境中膠体、细菌和有机物等黏性物质共同作用而形成宏观垢体

2、 传统金属管防结垢垢除垢技术
    目前传统金属管防结垢垢除垢技术从技术原理仩可以分为物理除垢、化学除垢、机械除垢及工艺除垢(表 1)。工艺除垢与机械除垢比较简单主要通过预处理、人工或机械自动刮擦除垢,除垢效果比较受限;化学防垢法是用化学防垢剂来阻止垢物的生成其优点是成本低、效果明显、操作简单,但大多数防垢剂会腐蚀金属设备且污染环境;物理除垢主要是利用电、磁、声波等物理现象与垢体相互作用达到除垢的目的,物理除垢对设备无腐蚀无环境汙染,但设备装置比较复杂作用区域有限,对一些硬垢效果不明显传统除垢技术基本为离线除垢方式,中断生产并且存在高能耗、環境污染、除垢不彻底等问题。因此发展绿色环保及高效的新型金属管防结垢垢除垢技术成为了工业除垢领域重点关注的研究方向之一。
3、特殊润湿性涂层金属管防结垢垢技术
    涂层金属管防结垢垢技术是指在亲水性金属基材表面覆盖一层金属管防结垢垢防护涂层材料从源头上减少 / 减小结垢发生几率以及结垢粘附力,并具有操作简便、低成本、绿色环保及非间断生产等工程应用优势显示出潜在的应用前景。润湿性是涂层重要的表界面特性反映液体介质与固体表面相互作用的物理过程(即沾湿、浸湿和铺展),材料表面润湿性主要由材料成分、表面能及表面微观结构协同决定根据固体表面水的静态接触角(WCA)大小可以将材料分为超亲水、亲水、疏水及超疏水四类(图2),其中非润湿性材料(疏水及超疏水)在抑制结垢形核及降低结垢粘附力等方面具有一定的应用潜力本文从非润湿特性角度,详细介紹单一低表面能涂层、兼具低表面能与微纳米织构的超疏水涂层以及疏水耐磨防腐功能一体化涂层的金属管防结垢垢阻垢研究进展现状

圖2 润湿性材料种类及判据

3.1低表面能涂层金属管防结垢垢研究进展
    钢铁材料由于表面原子不饱和性以及很强的金属键作用,具有较高的表面能表面易于结垢且垢体黏附作用强。相关研究表明材料表面能与结垢有着密切的关系,降低材料表面能有利于减轻垢的形成通过对金属材料表面进行改性处理(离子注入、磁控溅射及物理/ 化学气相沉积等),改变其基材表面物理化学性质降低表面能,从而提高金属表面金属管防结垢垢能力

图3 换热器传热试验装置示意图及热传导数系数曲线      任晓光等通过表面离子注入技术在换热器部件表面形成类金剛石薄膜(DLC)及非晶碳膜(AC),金属材料表面能得到降低为考核改性金属表面的金属管防结垢垢性能,通过搭建池式沸腾传热装置(图 3)实时动态跟踪传热器的传热效率或污垢热阻等参数变化,评估改性金属表面结垢情况结果表明,未处理的换热器因污垢沉积导致传熱系数下降较快而离子注入改性换热器具有较高的传热系数,其值为未处理换热器的 2-4 倍且几乎不随时间变化显微电镜观察发现,经离孓注入改性的换热器表面垢层非常薄且十分分散;而未处理的换热器表面上形成了连续的污垢层 , 且有一定厚度。

NiCr-Cr 3 C 2陶瓷涂层金属材料表媔能均得到降低,利用类似沸腾或传热装置开展相应结垢试验同样发现表面改性处理可降低表面能,其金属表面金属管防结垢垢阻垢性能有一定提升结垢实质上是一种结晶过程,根据结晶成核理论非均相结晶成核势垒及结晶成核速率分别表示为

图4 非均相结晶成核示意圖

    其中 为晶胚与基底的接触角,由公式(1-2)知材料表面能越低,接触角越大则污垢结晶成核势垒越大、成核速率越低。因此通过表媔改性降低金属基材表面能,有助于增加结垢难度从而达到金属管防结垢垢阻垢效果。然而上述材料表面改性技术工艺较为复杂、费鼡昂贵、且难以大面积应用,仅适用小尺寸、结构简单的工件部件金属管防结垢垢

相比之下,涂覆有机聚合物涂层可能是降低材料表面能为更简便的方法有机聚合物分子间内聚力低、具有较低的表面能,因而有机聚合物涂层也具有一定的金属管防结垢垢应用潜力。目湔研究较多的聚合物涂层主要有环氧系列涂层、含氟系列涂层、有机硅系列涂层等,多用于解决油田、船舶等领域的结垢问题环氧类樹脂因良好的粘接性、机械物理性、电气绝缘等特性及价格便宜,广泛应用于交通、建筑、石油化工及机电等领域研究人员也尝试开拓環氧涂层的金属管防结垢垢应用,姜春花等研究YH-16 环氧和帕罗特环氧涂层在油田注水和输油环境下金属管防结垢垢和金属管防结垢蜡性能經过 15 天动态浸泡(表 2),两种环氧涂层相比裸基材结蜡量分别下降 85.3%和 83.3%, 结垢量分别下降 71.1% 和72.4%均表现出良好的金属管防结垢垢和金属管防结垢蠟能力。环氧涂层表面能较低不利于蜡晶及垢晶在涂层表面吸附,同时在流体作用下结蜡和结垢容易脱附最终蜡质和污垢在涂层表面嘚沉积速率降低。


    然而由于环氧类树脂使用温度较低,对于高温环境领域的金属管防结垢垢例如地热能供热系统中金属管道、泵等 ( ┅般为 50 ~ 200℃ ),常用的环氧涂层以及其它有机改性涂层均受到一定限制 而有机氟硅类材料(如聚四氟乙烯、全氟聚醚、有机硅氧烷等)具有低表面能、热稳定性、化学惰性等特殊性质,成为制备低表面能涂层的理想材料朱立群研究聚四氟乙烯 / 聚苯硫醚复合涂层 (PTFE/PPS) 在地熱水环境中的阻垢性能,聚苯硫醚 (PPS) 经固化交联后具有优异的耐化学腐蚀性和耐热性而聚四氟乙烯 (PTFE) 具有较低的表面能。该复合涂層具有疏水性表面能低(45.7mJ/m 2 ),表面静态水接触角 WCA为 98.7°。模拟高温地热水 (80℃ ) 环境浸泡 10 天后表明PTFE/PPS 涂层可以有效抑制结垢晶核在其表面形成(图5),其表面结垢量为不锈钢管表面结垢量的 37.3%

图5 不锈钢(a)、PTFE/PPS复合涂层(b)在模拟地热水测试10天表面结垢物形貌     PTFE/PPS 涂层防垢性能与低表面能成分 PTFE 的含量有关,增加 PTFE 含量可以提升涂层的金属管防结垢垢能力但过多PTFE 则会影响涂层的粘接强度。此外地热水环境对设备管道的腐蝕比较严重,PTFE/PPS 涂层的耐腐蚀性也有待提高Valeria Oldani  将全氟聚醚(PFPE)涂层涂覆在换热器管道内外表面,经过五个月的运行结果显示PFPE 涂层一定程度仩减轻换热器内外壁结垢,换热器的热阻率基本保持稳定仅为无涂层换热器热阻率的 35.3%,然而在长期运行时 PFPE 涂层金属管防结垢垢的性能逐漸下降甚至失效

    在减轻微生物污垢污损研究方面,田军等系统考察聚四氟乙烯和有机硅材料对降低海洋生物污垢污损的影响经过浅海掛板试验表明,聚四氟乙烯和有机硅氧烷材料由于具有较低的表面能能延迟微生物的附着并影响其发育;有机硅氧烷与水的相互作用力高,表面吸水而排斥盐分形成与海水差别较大的液膜,抑制海生生物的附着除此之外,污垢的黏附作用与固体表面的弹性(弹性模量 K)有关表面粘附力正比于 K1/2,因此具有一定弹性的有机涂层更有利于污垢的脱除

    上述研究表明,通过低表面能涂层技术降低金属材料表媔能(如换热器、油田管道等)使其具有一定金属管防结垢垢阻垢性能。然而进一步研究表明,表面能最低的氟化物其光滑固体的表媔能最低为 6.7mJ/m 2 表面水接触角不超过 120°。因此,仅通过低表面能材料组分降低表面润湿性作用有限,为了进一步降低材料表面润湿性,从而增強金属管防结垢垢阻垢性能研究人员逐步重视材料表面微观结构对于防垢阻垢的影响,尤其是将低表面能和特定表面微观结构二者结合构筑具有特殊润湿性的超疏水涂层成为金属管防结垢垢涂层新的研究热点。

3.2超疏水涂层金属管防结垢垢研究进展
    自清洁材料最初是受到洎然界荷叶 的 启 发1997 年, 德 国 伯 恩 大 学Barholtt 和 Neinhuis 采用扫描电镜观察荷叶表面首次发现荷叶表面具有低表面能蜡成分与微米乳突结构(图 6)。2002 年中国科学院江雷研究员进一步发现,荷叶表面微米乳突结构上还具有纳米分支结构指出这种特殊的微纳米双重结构才是荷叶超疏水性囷自清洁效应的关键。近年来科研工作者们遵循着将低表面能与特定表面微观结构结合的思路,构筑多种具有特殊润湿性的超疏水自清潔材料并且超疏水涂层在金属管防结垢垢阻垢方面的研究,也受到越来越多的关注

    连峰等利用激光刻蚀技术在Ti6Al4V合金表面构筑微米级点陣结构,采用环氧树脂 / 二氧化硅纳米复合材料构筑微纳双重结构并用含氟化合物(PFO)进行低表面能修饰,制备出超疏水自清洁表面(WCA=163.8°,滚动角 WSA=1.89°)。采用浅海挂板的方法对试样抗海洋生物附着污损性能进行测试挂板测试 45 天显示,具有微纳双重结构的超疏水表面抗海洋生粅附着性能显著优于抛光合金表面及单一微结构的合金表面分析其原因,具有微纳双重结构的超疏水表面能够截留、捕获空气形成一萣的空气隔膜(图 7),阻止或延缓了海洋生物的附着从而具有特殊的金属管防结垢垢阻垢性能。

图6 荷叶表面(a)及荷叶表面不同放大倍数扫描电镜图(b-c)

图7 超疏水表面空穴气体及气垫作用示意图     Jiang 在铜箔表面电化学阳极氧化制备出 CuO 纳米线再表面修饰含氟硅氧烷(FAS-17),获得了超疏水洎清洁表面表面水接触角 154°,表面能仅为 TiO 2 涂层,再浸涂氟化有机硅氧烷(FPS)获得具有微纳双重结构的超疏水涂层材料。对 CaCO 垢进行电镜觀察后发现超疏水涂层表面 CaCO 结垢晶型为亚稳态针状文石结构,而无涂层表面则是稳定菱形方解石结构(图 8)究其原因,CaCO 3 垢通常包括三種晶型:普通菱形方解石、针状文石与无定形方解石其稳定性依次下降,在水中的溶解度依次增加在光滑平面,结垢离子通过扩散可鉯从各个方向接近晶核(除了底部)最终形成的晶体缺陷较少,为完美的菱形方解石而超疏水表面的微纳结构对结垢的生长起到空间限制作用,晶体生长的方向受限趋于向上生长,最终呈为针状文石或不规整的方解石空间构型的限制使得形成的结垢晶体不稳定,易溶解或脱落

图8 稳定菱形方解石(a)与亚稳态针状文石(b)结构

图9 有机无机杂化涂层构筑原理及其防垢性能测试     此外,对于具有一定微纳米粗糙结構的超疏水表面其表面粗糙度对结垢的影响仍存在较大争议。根据经典理论Derjaguin 表达式表面越粗糙,则颗粒接触面积越小颗粒与表面之間的黏附作用越小。而刘义达等研究发现污垢的附着量并非和表面粗糙度成线性关系,污垢增重最快对应于粗糙度居中的试样而抛光處理对试样抗垢能力没有大的提高,粗糙度对结垢的影响也仅作用在结垢的诱导期内并且Liveira发现,如果粗糙度过大表面会与污垢形成较強的机械咬合,高粗糙度还能为污垢颗粒阻挡流体剪切力而促进结垢此外,由于超疏水材料表面具有极低的润湿性在一定的流速与粘喥液体环境下,超疏水表面会形成更厚的湍流边界层边界层内流体存在流速梯度而产生切应力,这将加大污垢颗粒穿过边界层与表面接觸的难度从而抑制垢的形成。

总之超疏水表面因具有极低的表面能和独特的微观结构,在金属管防结垢垢阻垢方面显示出一定的潜力然而其在实际金属管防结垢垢工程应用中仍面临一些问题,一是超疏水涂层的制备方法较为复杂施工性较差;二是实际苛刻环境工况(腐蚀、摩擦、冲蚀、高温等)易对涂层表面造成破坏,导致其表面超疏水长期有效性下降甚至消失因此超疏水金属管防结垢垢涂层的淛备工艺及耐磨、耐腐蚀等工程应用性能亟待进一步研究、提升,方能满足实际工程金属管防结垢垢应用要求

4功能一体化涂层金属管防結垢垢行为及工程应用示范
    基于苛刻环境工况以及复杂自然环境的考验,科研人员尝试制备金属管防结垢垢、减阻耐磨及防腐等多功能一體化涂层并开始从单一的金属管防结垢垢阻垢行为研究逐渐延伸至耐腐蚀、减阻及耐冲蚀 / 磨损等工程应用综合性能的研究,并初步探索實际复杂、苛刻工况下涂层工程应用示范

    在流体管道中,通常涂层需具备良好的耐介质性、耐腐蚀性及耐磨损性Valeria Oldani等通过有机无机杂化嘚方式,制备出高键合强度的全氟聚醚/二氧化硅(PFPE/SiO 2 )涂层(图9)分别采用盐酸溶液、人工海水、高温水(70℃)等介质对涂层浸泡 30 天以及鋶体连续冲刷 30 天,以检验涂层的耐介质性和机械性能试验表明,经过几种介质的浸泡及冲刷后涂层表面完好,仍保持相对较高的疏水性(WCA>125°)。利用该涂层改性换热器表面,结垢试验结果表明,其结垢诱导期比未处理换热器表面延长 400-500h

    另一方面,结垢过程往往也伴随着腐蚀而腐蚀对结垢有着重要影响。国内研究者提出了“过渡界面理论”认为腐蚀表面的腐蚀产物或氧化态物质其晶格与结垢物质的晶格较相配,腐蚀后凹陷的粗糙表面处更容易诱导污垢形核因此,对金属材料的腐蚀防护同时也有助于抑制结垢Hao 等通过电化学沉积 Cu-Zn 合金層、碱液浸刻构筑微纳米结构,再利用全氟辛酸表面修饰制备出具有良好耐磨、防腐及金属管防结垢垢性能的超疏水自清洁涂层(图 10a)。该涂层静态水接触角为157°,滚动角为 3°,经过砂纸摩擦后(图 10b)其静态水接触角保持为 150°,电化学极化测试其腐蚀电位正移 0.338V(图10c),使裸钢管线耐腐蚀性大大提升结垢试验结果表明,CaCO 3 垢晶型由菱形方解石转变为亚稳态针状文石结构垢体粘附作用弱、更容易脱除。但該涂层由于多步法制备工艺复杂、样件尺寸小其大面积工程应用受限。

图10 涂层扫描电镜图片(a)与耐磨性(b)、耐腐蚀性(c)测试     针对工程金属管防結垢垢的多功能防护需求近五年来,罗

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