超聲波對開水器內(nèi)CaCO3結(jié)垢行為及其形態(tài)的影響

李志文，樊栓獅，劉文忠，王燕鴻，郎雪梅

（1 華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，廣東 廣州 510640；2 廣東恒聯(lián)食品機(jī)械有限公司，廣東 廣州 511447）

引 言

隨著社會的發(fā)展，人們生活水平不斷提高，商用開水器（下面簡稱開水器）的使用越來越廣泛，但因其具有加熱功率高、水處理量大，水垢問題格外嚴(yán)重，導(dǎo)致加熱管斷裂、水箱堵塞、漏電等問題產(chǎn)生，大大縮短其壽命，制約開水器的發(fā)展。所以解決開水器水垢問題，刻不容緩[1-5]。

目前，主要的防垢法包括化學(xué)方法與物理方法?；瘜W(xué)方法有軟化法[6]、離子交換樹脂法[7]、阻垢劑法[8]等；物理方法有超聲波防垢法[9-12]、磁場防垢法[13-16]、靜電場防垢法[17]等。對于開水器，考慮到飲水安全，運(yùn)用物理方法較佳。其中，超聲波防垢法引入國內(nèi)的時間較長，技術(shù)較成熟[18]，目前主要應(yīng)用于低溫鋼質(zhì)管道的防垢上，有良好的防垢效果。本文研究的開水器加熱管為高溫氮化硅材質(zhì)的加熱元件，目前超聲波防垢法尚未在高溫防垢領(lǐng)域應(yīng)用，探討超聲波對開水器加熱管的防垢效果，有一定的理論意義與工業(yè)價值。

1 實(shí)驗(yàn)方法

超聲波防垢實(shí)驗(yàn)平臺如圖1 所示，主要由水箱、水泵及開水器3 部分組成，左側(cè)為3 個規(guī)格相同的水箱（1 m×1 m×1 m），水箱用來配備實(shí)驗(yàn)用溶液（實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為NaHCO3、CaCl2按質(zhì)量比1:1 配置成400 mg·L-1的CaHCO3水溶液）。水箱與開水器之間通過水管連通，中間有一水泵，往開水器供應(yīng)制備好的溶液。右側(cè)為3 個開水器，開水器為廣東恒聯(lián)食品機(jī)械有限公司提供的智能型特陶即開式電開水器（型號為ISI-12），開水器內(nèi)部如圖2 所示，水箱內(nèi)有6 根加熱管（加熱管為氮化硅特陶加熱管，每根功率為2 kW）及一擋水板（材料為316 鋼），水箱進(jìn)水口有一流量計(jì)（計(jì)量耗水量）。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experiment platform

圖2 開水器內(nèi)部示意圖Fig.2 Schematic diagram of water boiler

開水器1 進(jìn)水管處有超聲波裝置1（外置嵌式，功率2 kW，頻率35 kHz，廣州市新棟力超聲電子設(shè)備有限公司提供），作用是對進(jìn)入水箱的水進(jìn)行前處理，處理后的水進(jìn)入水箱內(nèi)進(jìn)行加熱，考察前處理的防垢作用。開水器3 內(nèi)裝有超聲波裝置2（內(nèi)置直插式，功率2 kW，頻率35 kHz，廣州市新棟力超聲電子設(shè)備有限公司提供），利用超聲波直接作用水箱內(nèi)的水，考察加熱過程中進(jìn)行超聲波處理的防垢作用。開水器2 為空白項(xiàng)，未進(jìn)行任何防垢措施。

搭建好實(shí)驗(yàn)裝置，在水箱內(nèi)制備好實(shí)驗(yàn)用原料溶液，開啟實(shí)驗(yàn)裝置，通過開水器內(nèi)的流量計(jì)分別記錄各開水器的耗水量，當(dāng)耗水量達(dá)到4.8 m3時，停止運(yùn)行該開水器，直到所有開水器耗水量都達(dá)到4.8 m3時，停止實(shí)驗(yàn)，取出各開水器加熱管及擋水板，烘干加熱管，用酸洗稱重法稱量水垢的重量，取加熱管上的水垢進(jìn)行掃描電鏡分析。

采用Phenom G2 Pro 飛納臺式掃描電鏡（復(fù)納科學(xué)儀器（上海）有限公司）對實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的水垢垢樣進(jìn)行掃描電鏡分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 超聲波對加熱管結(jié)垢及擋水板結(jié)垢的影響

本文比較了超聲波技術(shù)對開水器進(jìn)口水和內(nèi)部水的不同作用，并對比分析了不同超聲波處理方式對加熱管結(jié)垢的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示，可以看出，運(yùn)用超聲波技術(shù)（嵌式、直插式）的加熱管表面水垢量較空白項(xiàng)多，空白項(xiàng)表面水垢有不同程度的掉落，運(yùn)用超聲波技術(shù)處理的加熱管表面水垢卻鮮有掉落，說明超聲波處理后體系水垢量增加。水垢與加熱管表面作用強(qiáng)度可以通過對加熱管上水垢垢樣進(jìn)行掃描電鏡分析，如圖4 所示，并運(yùn)用Image-Pro Plus[19]軟件計(jì)算得出水垢與加熱管表面接觸面積，接觸面積基準(zhǔn)為SEM 圖片所覆蓋的面積。超聲波處理產(chǎn)生的水垢量及水垢接觸面積列于表1。

由圖4 可知，超聲波作用下水垢表面較為平整，圖片右邊水垢表面被壓平，水垢與水垢之間幾乎沒有間隙，連成一片，說明超聲波使水垢與發(fā)熱體之間牢固度增大，該現(xiàn)象主要因?yàn)槌暡ㄗ饔孟?，發(fā)熱體水垢量增加，大量較外層水垢對內(nèi)層水垢進(jìn)行擠壓，造成水垢與發(fā)熱體接觸緊密，牢固度增加。對于空白體系，水垢顆粒尺寸?。ㄗ畲箢w粒直徑為9 μm），水垢顆粒堆積密集，水垢與發(fā)熱體之間牢固度大。綜上所述，超聲波作用下，水垢與加熱管之間牢固度相對于空白體系的牢固度則有所增加。

表1 超聲波處理對開水器結(jié)垢的影響Table 1 Effect of ultrasonic treatment on scale within water boiler

圖3 使用后的加熱管表觀照片F(xiàn)ig.3 Photos of heater after used

由表1 可以看出，兩種方式超聲波技術(shù)（嵌式、直插式）處理的加熱管表面水垢量均比空白實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的垢量多。

水垢與加熱管表面接觸面積大小體現(xiàn)水垢與加熱管間牢固度大小，接觸面積大，水垢與加熱管間牢固度大。由表1 水垢與加熱管表面接觸面積的計(jì)算結(jié)果可以看到，運(yùn)用超聲波技術(shù)處理后，水垢與加熱管表面接觸面積較空白項(xiàng)大，說明超聲波處 理后水垢與加熱管間牢固度較空白項(xiàng)大。

圖4 水垢掃描電鏡照片F(xiàn)ig.4 SEM photos of scale

本文還測試了超聲波處理對開水器中擋水板結(jié)垢的影響，結(jié)果如圖5 所示，空白項(xiàng)中的擋水板完全被水垢覆蓋，未見擋水板金屬面，說明形成的垢較多，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后檢測擋水板，發(fā)現(xiàn)板上的垢較難脫落，擋水板比較難清理；而經(jīng)超聲波處理后，擋水板上的結(jié)垢量明顯較少，部分表面未被水垢覆蓋，且垢與擋水板的結(jié)合較松散，擋水板上的垢容易清理，故超聲波對擋水板結(jié)垢具有明顯的阻礙作用。

圖5 使用后的擋水板Fig.5 Manger after used

2.2 超聲波作用方式對加熱管及擋水板結(jié)垢的影響

從圖3～圖5 及表1 可以看出，超聲波的作用方式對加熱管及擋水板的結(jié)垢有不同的影響，直插式比嵌式的防垢效果更佳。

從超聲波主要的4 種防垢機(jī)制可以看出，內(nèi)置直插式比外置嵌式多了機(jī)械作用，即超聲波發(fā)生的振蕩信號使水垢產(chǎn)生共振，逐步脫離壁面；另一方面，由于超聲波在液體介質(zhì)、垢物上的傳播速度不同，其速度差在不同的界面形成強(qiáng)大的剪切力，使分子之間、垢物之間的結(jié)合力減弱，從而垢物不易在壁面沉積。內(nèi)置直插式超聲波因直接插進(jìn)水箱內(nèi)，其具有明顯的機(jī)械作用；外置嵌式超聲波為外置前處理水沒有機(jī)械作用，防垢效果比內(nèi)置直插式的弱。

2.3 超聲波作用下的結(jié)垢機(jī)理分析

比較超聲波對加熱管及擋水板結(jié)垢的影響可得：超聲波對擋水板（水箱壁面）有著較好的防垢作用，結(jié)垢量減少，水垢與擋水板間牢固度降低；對于加熱管，則具有相反的作用，加熱管表面的水垢量增加，水垢與加熱管間牢固度增大。超聲波防垢機(jī)制主要有4 種[20]：機(jī)械作用、空化作用、熱作用和抑制效應(yīng)。嵌式項(xiàng)超聲波外置，其防垢機(jī)制中無法實(shí)現(xiàn)機(jī)械作用與空化作用，而熱作用本身并不強(qiáng)，故嵌式項(xiàng)的防垢機(jī)制主要體現(xiàn)在抑制效應(yīng)。嵌式項(xiàng)與空白項(xiàng)對比發(fā)現(xiàn)，嵌式項(xiàng)的加熱管及擋水板表面生成的水垢都與空白項(xiàng)有較大差別，可見，抑制效應(yīng)在超聲波防垢機(jī)制中起主導(dǎo)作用。圖6 為無防垢措施下的結(jié)垢機(jī)理示意圖，圖7 為超聲波作用下的結(jié)垢機(jī)理示意圖，抑制效應(yīng)主要是超聲波改變了流體的物理、化學(xué)性質(zhì)，縮短了成垢物質(zhì)的成核誘導(dǎo)期，使水垢晶體成核速度加快，大量的小晶核形成，小晶核的表面能大，壁面的表面能小，小晶核就不易在壁面聚集長大成垢。對于開水器加熱管，其表面溫度高，表面能大，通過超聲波處理的水形成的大量小晶核就會聚集在加熱管上長大結(jié)垢，其形成的水垢就比空白項(xiàng)的多，起到了促進(jìn)結(jié)垢的作用。分析縮短成垢物質(zhì)成核誘導(dǎo)期主要因素有3 個方面。

（1）晶核的臨界半徑可用式（1）計(jì)算

式中，σ為溶液表面張力，V 為CaCO3摩爾體積，R 為氣體常數(shù)，T 為溶液溫度，S 為過飽和度，可見，晶核臨界半徑與表面張力呈正比關(guān)系，超聲波使溶液表面張力降低，溶液晶核臨界半徑相應(yīng)降低，臨界半徑降低，晶核易生成，水垢成核誘導(dǎo)期縮短。

（2）成核速率計(jì)算公式

式中，N 為Avogadro 常數(shù)，k 為常數(shù)，η為黏度，表面張力降低，黏度降低，成核速度提高，水垢成核誘導(dǎo)期縮短。

（3）根據(jù)統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)觀點(diǎn)，表面張力降低，水中CaCO3分子運(yùn)動時受到阻礙減小，分子運(yùn)動速度增加，分子間碰撞頻率增加，從而縮短水垢成核誘導(dǎo)期。比較圖6 和圖7 中的a 部分，臨界半徑減少，水垢成核誘導(dǎo)期縮短，大量小晶核生成，晶核數(shù)目明顯較無防垢措施下的多，晶核尺寸也較小，小晶核比表面積大，表面能大，不易在表面能低的水箱壁面附著長大成垢，從而對水箱壁面起到防垢作用（比較圖6 和圖7 中的b 部分）。因此超聲波作用下水箱壁面結(jié)垢量較無防護(hù)措施的結(jié)垢量少。

圖6 無防垢措施下的結(jié)垢機(jī)理Fig.6 Formation mechanism of scale without treatment

圖7 超聲波作用下的結(jié)垢機(jī)理Fig.7 Formation mechanism of scale treating with ultrasonic

3 結(jié) 語

本文考察了超聲波對開水器內(nèi)CaCO3結(jié)垢行為及其形態(tài)的影響，進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，并對垢樣進(jìn)行了掃描電鏡分析，結(jié)果表明加熱管與水箱壁面的工況不同，前者溫度更高；超聲波對低溫的水箱壁面有明顯的防垢作用，對高溫的加熱管，則具有加劇結(jié)垢的作用。開水器水垢問題主要集中于加熱管的結(jié)垢，所以，超聲波防垢法不適合運(yùn)用于開水器上。

超聲波對于低溫壁面具有較佳的防垢效果，可運(yùn)用于石油管道等低溫防垢方面。根據(jù)本文實(shí)驗(yàn)可以看出，基于超聲波的機(jī)械作用機(jī)理，內(nèi)置直插式比外置嵌式具有更好的防垢效果，可為目前石油管道等低溫壁面防垢提供參考。

符 號 說 明

k ——成核速率方程中的常數(shù)

N ——Avogadro 常數(shù), mol-1

R ——?dú)怏w常數(shù)，J·mol-1·K-1

rc——臨界晶核半徑，m

S ——過飽和度

T ——溶液主體溫度，K

V ——CaCO3的摩爾體積，m3·mol-1

v ——成核速率，m-2·s-1

η ——黏度，Pa·s

σ ——表面張力，N·m-1

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