电气石与铜锌合金在水中的协同机制研究毕业论文(编辑修改稿)

电气石与铜锌合金在水中的协同机制研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

石型碳酸钙水垢 []。 文石型碳酸钙水垢与质地坚硬、溶解度相对较低的方解石型水垢相比，文石型水垢是由针状或柱状的晶体构成，宏观上为絮状、平坦棒状或颗粒状，较为疏松，垢形相对较小，不容易粘附在塑料、陶瓷和金属的表面，而是易物理方法即可去除，或者随水流冲走，因此较容易清除。 但 KDF 合金滤料也会在长期使用中产生一些沉淀物影响其除垢效果，也是其缺点之一。 b) PTH 水处理器 PTH 水处理器的主要化学成分为铜、锌、锡、镍等金属 元素，它不但可改变水垢的晶体形态，还可将水中已经存在的水垢和锈有效去除，而且不用安装软化除氧设备，无需停工检查，这使整个系统的使用寿命得到延长。 是一种防止锅炉结硬垢、防锈、防藻功能的锅炉水处理装置。 PTH 水处理器的内部核心构造较为特殊，当水流通过它时能产生很好的流体力学冲击效果，这有利于核心元素产生的正电场作用的发挥。 当水流过 PTH 水处理器的内部核心处时，由于正电场的作用水中结垢和易腐蚀的物质被离解成阳离子和阴离子，且可利用接地系统来吸收释放出的电子 [15]。 这些吸收来的电子主要被镁、钙和铁等可以形成水垢和 铁锈的离子所获得，从而形成相对稳定的物质状态。 PTH 水处理器不但可以通过抑制阳离子的反应以及两极分极的反应来阻止水垢、铁锈的形成，还可以破坏已经存在的水垢以及铁锈中的阴、阳离子之间的平衡关系，进而使它们易于被清除。 可见 PTH 水处理器是通过电子补偿技术来稳定离子并阻止了水垢和锈的形成 [16]。 此外，多种型号的 PTH 水处理器还可满足不同型号和用途的锅炉。 目前已在南非、韩国、日本等多个个国家推广使用，并且得到了各国政府部门的大力支持。 但是 PTH 水处理器的阻垢率还是无法达到令人完全满意的程度，对水中原本存在的水垢和 锈的去除也并不完全，因此其性能还有待进一步的提高。 河北工业大学能源与环保材料研究所通过以铜锌合金为基础并加入稀土元素，通过中频炉炼制、成型，热处理后等工艺冶炼出多元铜锌功能合金，其应用于工业锅炉除垢，效果显著 []。 电气石阻垢技术 电气石是一种天然矿物，属三方晶系，呈复三方柱状。 通式为 XY3Z6(BO3)3 Si6Ol8 (OH， O)3(OH， F)，具有自发极化远红外辐射等性能。 河北 工业大学 20xx 届 本科毕业论文 7 电气石是用一种赤红色结晶状矿物 [19]，粉碎后加入附形剂拌和，做成直径3～ 4 mm 的小圆球，则每个这样的球 粒表面有 5～ 6 万对正负电气石电极，可具有防止水受热结垢和使水活化的作用。 有研究者认为，当水与电气石球粒接触时，电气石球粒可使水分子激活和解离，所解离出的少量氢氧根，可与电气石表面附近的水分子结合为具有界面活性的水合分子，写成反应式为： H2O→H ++OH H2O+ OH→H 3O2+e 所形成的水合分子如图。 这是极性分子，可以吸附管壁器壁，阻止水中物质附壁，如图。 电气石使水活化，除了可使管壁、器壁吸附活化水分子之外，还使水中钙离子、镁离子和碳酸根受激发，使成垢物质的微晶致畸，而成为絮团状沉渣， 在一定时间内失去附壁能力。 图 水合分子 图 水合分子附壁示意图 研究表明电气石颗粒的电极性影响水体的氧化还原电位 ,调节溶液 pH 值趋向中性 [20]。 而表面吸附和离子交换吸附 H+使酸性溶液 pH 值上升速率大于碱性溶河北 工业大学 20xx 届 本科毕业论文 8 液 pH 值下降速率 .电气石辐射的远红外线与水分子作用 ,产生共振可削弱水分子间氢键作用 [21]。 同时电气石微粉可以明显改善水分子团簇结构，电气石的单向极轴结构热释电特性使表面附近存在较强的电场 ,可以使水分子团簇中氢键的稳定性下降 ,并对离子的转移产生影响 ,从而促进水分子的电离 ,降低了 水分子间的缔合度。 目前电气石在水处理方面已经应用于油田水处理、养殖场、印染厂 [22]等多个领域。 由于其自身可释放红外性能，可在保健、环保、建筑等多领域加大应用 [23]。 除此之外，对水垢处理方法还有最传统的化学法，例如酸洗碱洗等。 但是化学药剂多多少少会对锅炉等设备造成腐蚀，使用时应确保对其腐蚀处于最小程度[24]。 但是该方法污染环境，不符合目前倡导的绿色环保理念。 另外，超声波可以通过降低水分子缔合度，从而减小溶液粘度和表面张力对水垢产生影响，达到除垢效果 [25]。 研究内容 （ 1）将课题组自制的铜 锌合金和电气石陶瓷球与水作用，采用正交设计，系统研究铜锌合金和电气石对水的 pH、表面张力、电极电位、电导率等指标的变化规律； （ 2）采用锅炉模拟装置，研究经铜锌合金和电气石处理的水结垢特点； （ 3）采用 SEM、 XRD 等手段研究铜锌合金与电气石对水垢形成的微观影响机制。 2 实 验 主要实验药品与仪器 实验选用新疆某地区产电气石制成的活水功能陶瓷球和研究所自制铜锌功能合金。 表。 河北 工业大学 20xx 届 本科毕业论文 9 表 实验用化学药品 药品名称 规格 生产厂家 无水氯化钙 分析纯 天津市江天 化工技术有限公司 碳酸氢钠 分析纯 天津大学科威公司 实验过程中用到的主要仪器如表 ： 表 主要实验仪器以及生产厂家 仪器名称 型号 生产厂家 内热管式阻垢仪 HS1 自行设计 扫描电子显微镜 Nova NanoSEM450 美国 FEI 公司 X 射线衍射仪 X’Pert MPD 荷兰 Philips 公司 台式酸度测定仪 HI223 意大利 HANNA 公司 电子天平 台式电导率测定仪 BS224S DDSJ318 北京赛多利斯仪器系统有限公司 上海雷磁新径仪器有限责任公司 实验设计 （ 1）实验最佳铜锌合金用量 以河北工业大学自制铜锌功能合金为原料，控制不同用量使其处理相同体积相同时间的溶液，通过检测 pH 以及电极电位变化，找到实验用铜锌合金最佳用量。 （ 2）铜锌合金与电气石陶瓷球最佳比例 以铜锌合金最佳用量为基准，设置铜锌合金与电气石陶瓷球比例分别为1:2,1:,1:3,1:。 处理相同体积相同质量的溶液后，通过测试溶液的 pH以及电极电位变化确定铜锌合金与电气石陶瓷球最佳比例。 （ 3）设计正交实验，确定显著因素 在前人大量实验基础上，设定 4 因素的第 2 水平为最佳铜锌合金用量，最佳铜锌合金与电气石陶瓷球比例，处理 2h 溶液，电流。 上下各取一个小范围波动作为第 第 3 水平进行 4 因素 3 水平的正交实验，并对其进行极差分析，确定显著因素。 河北 工业大学 20xx 届 本科毕业论文 10 （ 4）水垢形貌成分测试及分析 对正交实验中形成的水垢以及空白组水垢进行 XRD、 SEM 测试，并分析水垢形貌及成分，从而总结铜锌合金与电气石对水垢形成的影响，分析其协同作用机制。 实验步骤 确定最佳铜锌合金用量 根据前期实验基础，本课题用碳酸氢钠与氯化钙配置 [Ca2+]=500mg/L，[HCO32]=500mg/L 的溶液。 分装进六个 800ml烧杯中。 经过实验分析与测试，1烧杯中加入 铜锌合金， 2烧杯加入 5g铜锌合金依次递增。 铜锌合金均与水作用 2h。 2h后取出铜锌合金，分别将 16烧杯中水倒出 300ml 至 712烧杯中放于内热管式阻垢仪进行加热。 控制电流为 ，加热两小时，期间每隔十分钟进行依次补水。 观察 712内热管结垢情况，并对经铜锌合金处理前后水质 pH，电极电位进行检测，记录实验数据。 确定 铜锌合金与电气石陶瓷球最佳比 例 用碳酸氢钠与氯化钙配置 [Ca2+]=500mg/L， [HCO32]=500mg/L 的溶液。 分装进四个 800ml烧杯中。 ① 14烧杯中均加入 10g 铜锌合金； ② 1烧杯中加入 20g 电气石陶瓷球， 2烧杯加入 25g 电气石陶瓷球这样依次递增 5g； ③ 与水作用 2h 后分别将铜锌合金与电气石陶瓷球取出， 14烧杯中水倒出300ml 至 58烧杯中放于内热管式阻垢仪进行加热。 控制电流为 ，加热2h，期间每隔 十分钟进行一次补水。 观察 58中内热管结垢情况，并对经铜锌合金与电气石陶瓷球处理前后水质 pH，电极电位进行检测，记录实验数据。 设计正交实验，确定实验最佳条件 根据以上实验确定出铜锌合金最佳用量，以及电气石陶瓷球最佳用量，设计河北 工业大学 20xx 届 本科毕业论文 11 正交实验，确定实验最佳条件，以及显著因素。 选取铜锌合金质量（以下简称质量）、铜锌合金与电气石陶瓷球比例（以下简称比例）、作用时间、电流四个因素，并根据最佳条件每个因素选取 3 个水平进行正交实验。 观察 19内热管结垢情况，并对经铜锌合金与电气石陶瓷球处理前后以及结垢前后水 质 pH，电极电位进行检测，记录实验数据。 水垢形貌成分测试及分析 对正交实验 19内热管中水垢以及空白组水垢进行 XRD、 SEM 测试，并分析水垢形貌及成分，从而总结铜锌合金与电气石对水垢形成的影响，分析。