一种新型金属表面除垢方法的机理及实验研究

时间：2020-12-17 09:48:06　来源：柠檬阅读网本文已影响人

(1绵阳职业技术学院，四川绵阳 621000；
2重庆大学机械工程学院，重庆 400044)
摘要：文章主要介绍采用突然改变极性和增大电流的电化学法，来清除附着在金属表面上垢层的原理和实验方法。通过实验发现：这种新型电化学法对于清除金属表面上的结垢、附生物、海藻、海生物等物质能获得非常满意的效果，从而为清洗金属船壳，管道结垢和锅炉垢层处理提出一种简便易行的方法。
关键词：电化学；
金属表层；
附着物；
除垢方法
中图分类号：G115 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(2008)04—0114—02
1 概述
      金属表面上的附着物（如船壳上的海生物、管道内的垢层）对该装置的工作性能有很大的影响。关于船壳上的海生物的影响在［1］中已作了介绍，本文不再叙述。水管内的垢层减小了管道的过水截面积，使得管道流体阻力增加，换热设备的热效率降低，严重时还会发生腐蚀穿孔或垢层与杂物将水道堵塞造成事故。因此清除金属表面上的垢层、附生物、海藻、海生物及其它物质已越来越引起企业人士的关注。
      目前为了清除属表面上的附着物，大多采用化学法、热力法或电气-机械法和电化学法等［2］。其中，电化学法具有较高的效率和经济效益。在清洗金属的外表层时，清洗效果主要与金属阳极（被清洗件）的腐蚀特性有关。但是在清洗金属内表面（如管道内表面）或船壳时，它要剥落的附着层是整片的，为了把附着层去掉不得不使用辅助的机械破碎［3］。
      如何使用电化学法高效去除附着在金属表层上的附着物，其核心思想是找到一种最简便的方法，在金属与附着层的交界面处尽可能地增大气体的释放量［4］。根据电解原理，增加气体
释放量的最简单办法是改变电流的极性（电极换向），因为在阴极释放的氢气体积要比在阳极所释放的氧气体积大两倍以上。这种改变电极极性的清洗方法已在清洗铸件、轧钢件及其它金属的氧化物方面取得了比较好的效果。然而，清除金属氧化皮的机理与清除附着在金属面上的非导电材料的附着层和附生物的机理是不相同的，它们所采用的电解液成分也不同。在工程实践中，从化学腐蚀和环境安全角度出发，常常不允许采用盐酸、硫酸或者含有氰化物的碱化物来清洗铜热交换器上的附着物、高炉冷却管的附生物、地下管网中的结垢和船壳上的海藻与海生物。
2 电化学法清除金属表面垢层的基本原理
      根据已有的研究和经验，采用改变电流的极性清洗附着在金属面上的附着物时，使用弱电解液（例如海水和氯化钠溶液）能取得比较好的效果。为此进行了如下实验：选取两根管道，管道内径均为200mm，管道内表面垢层的厚度为10～15mm，管内注入4％的氯化钠（NaCl）水溶液，在管中央放置一只空心的铜电极。
      实验用直流电源的主要技术参数为：直流电压110V，直流电流强度24A。
      直流电源是由蓄电池组组成。清洗时，电极上发生的电化学反应是阴极的析氢过程和阳极的析氧过程。氢在阴极的反应式为：

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NaCl溶液中，在阳极处氧分子的析出过程可分为两步：氢氧根离子或水分子放电和氧原子的结合。氢氧根离子按照下述方程式进行：

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      电解过程中产生的气体，其数量变化服从法拉第定律。即在电极上析出的物质数量与通过溶液的电流强度和通电时间成正比，即与通过溶液的库仑电量成正比［5］。
      式中：m－电极上析出的物质质量，g；

      Q－通过的电量，C；

      M－原子或分子的摩尔质量；

      n －电极反应中电子得失数；

      t －电解时间，s；

      I －电解时的电流强度，A。
      当电量为I•t库仑时，电解过程中H2的理论产量为：
3 实验室实验
      实验时，首先使管道与直流电源的正极相连接，空心铜电极则与直流电源的负极相连。电流密度100A/m²，正极与负极间的距离（正、负电极间的间距）为0.05～0.1m，通电20min后，用肉眼观察管壁的状况，发现管壁上的附着物完好无损。然后，取其中的一根管道作为比较时的参考，另一根管道则改变它的极性（换相），并将其电流密度突然增加到500A/m²，通电时间为30s。经检查，管道内壁上的结垢完全崩塌下来并被破坏，然后用低压压力水（自来水）很顺利地将结垢冲走。反复实验均获得相同的效果。
      实验表明：在改变极性的同时，突然提高电流密度能大大加速附着层的剥落效果。如果进一步再增加电流密度（例如600～700A/m²），效果不仅不明显，而且还在金属表面上产生损伤，在管道的某些点处腐蚀还相当严重。分析结垢产生崩塌的原因，当以管道为正极时，由电解产生的氧气泡数量仅为氢气泡的一半，氧气泡的单个直径却大于氢气泡，于是在疏松状垢层中形成了许多气室小孔。这些小孔在垢层内部造成局部的应力集中。当换向后，同时施加在负极上的电流突然提高4～5倍时，则在金属与附着层的界面上释放的氢气量将增大8～10倍，大量气泡从金属面上迸发出来，其迸发足以剥落和清除任何成分的附着层，使它整片的崩落下来。反之，若只将电流密度增加2～3倍，它所产生的气泡量也能够透过附着层和它的微裂隙，但是却不能将附着层剥落。必须说明：这种利用氢气泡的力学作用使金属附着层脱落，只发生在金属接触附着层具有充分的多孔性（疏松性）才能产生，而这正是水垢、附生物、海藻、海生物等所具有的特性。实验还表明：附着层的厚度对它的脱落速度影响不大，主要影响因素是垢层的多孔性能；
例如，清洗一个圆柱形锅炉时，它的底部垢层较厚，锅炉壁上的垢层厚度只有底部的五分之一，然而清洗锅炉底部的垢层用了10min，清洗锅炉壁则花了30min［2］。
4 结语
      根据所得的实验结果得出以下看法：①清洗时，首先应将管道壁连接直流电源的正极，空心铜电极与负极相连，通电一段时间，电流密度不能太大；
②改变两电极的极性，使管道壁连接直流电源的负极，空心铜电极与直流电源的正极相连，将电流密度突然提高到500A/m²（不同的附着物应通过实验确定它的最佳电流密度），通电半分钟，用压力水冲走崩塌的附着物；
③采用电化学法清洗附着在金属面上的附着物要比目前常用的化学法、热力法或电气机械法简单，有效和更经济，在特定的条件下有它的应用范围；
④本方法最适合清洗锅炉加热管的外壁、高炉的冷却水管和制冷管的结垢。
［参考文献］
［1］廖振方，陈德淑.空化射脉冲射流清洗船壳［J］.清洗世界，2003，19（12）：21～23.
［2］ Бирьяхтар Ф.Г.Хиженков  П.К.Электрохимическая  очистка  металлических  поверхностей  от биологических  и  хим-ических  обрастаний，Электронная обработка материлов. 1983，№ 1：[HT5”，5]88～89．
［3］ Z.F.Liao,Tang. Theoretical Analysis and Experimental Study of the Self-excited Oscillation Pulsed Jet Device［A］. Proceedings 4th U.S. Water Jet Conference,1987：23～34.
［4］成纯赞.金属管道的腐蚀及防腐对策［J］.给水排水,2004，30（11）：93～96.
［5］于辉,钱建华.自来水和淡海水介质中高活化铝合金牺牲阳极的电化学性能［J］.材料开发与应用,2002，15（1）：17～19.

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