一种具有抗垢性能的超亲水微纳米氧化铜薄膜的制备及检测方法技术

本发明专利技术是一种具有抗垢性能的超亲水微纳米氧化铜薄膜的制备及检测方法，其特点是，包括微纳米氧化铜薄膜制备预处理环节、微纳米氧化铜薄膜制备环节和微纳米氧化铜薄膜超亲水抗垢性能的检测环节，用本发明专利技术所述方法制得的微纳米氧化铜薄膜不仅使铜管式降膜蒸发器蒸发管具有抗结垢性能，而且为蒸发出来的水蒸汽提供了更多的形核场所，使得水蒸气形核效率和蒸发效率加大，极大提高了铜管式降膜蒸发器蒸发管内壁的抗垢性能和运行的稳定性，不仅简单，而且制造成本低廉，利于产业化和商业推广。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及换热设备污垢性能监测与诊断领域，具体涉及一种具有抗垢性能的超亲水微纳米氧化铜薄膜的制备及检测方法。
技术介绍
管式降膜蒸发器具有结构简单、传热效率高、投资成本低、出料浓度高等优点，尤其采用具有较好传热效果的铜管的管式降膜蒸发器在化工、造纸、食品、海水淡化、废液处理等领域得到广泛应用。通常在铜管式降膜蒸发器的工作过程中，含有三氧化二铝黑液的蒸发过程是否能安全、有效、稳定的发生，必须同时具备降膜密度稳定和热负荷稳定两个基本条件。降膜密度即为单位管内周长每秒流过的液体流量，如果该流量低于一定值，则含有三氧化二铝黑液的液膜就会发生破裂。黑液在管内表面的膜状流就会转化为絮条状流，那么管内势必会有些区域的液膜变薄。如果这些液膜较薄区域表面对水的亲和力不够，即会发生“干管”现象。干管的发生不仅会使铜管式降膜蒸发器蒸发效率降低而且随着原液进入铜管式降膜蒸发器中蒸发浓缩，结晶的析出，结晶附着在蒸发管内壁形成严重结垢，从而降低了铜管式降膜蒸发器的运行稳定性。中国专利技术专利公开号CN101805908A公开了“一种在钢基表面制备二氧化钛耐蚀抗垢膜的方法”，该方法采用溶胶凝胶法在管式降膜蒸发器蒸发管钢基表面制备二氧化钛耐腐蚀抗垢薄膜，但是该方法制得的薄膜厚度不均匀，薄膜塑性差，容易脆断和出现裂纹，导致抗垢功能失效和带来严重的化学腐蚀。中国专利技术专利公开号为CN102154672A公开了“具有高热传导效率和抗垢能力的非金属膜及其制备方法”，该方法采用激光刻蚀和溶胶凝胶相结合的方法在金属或金属合金换热器表面制得一层非金属薄膜，但是该种方法制备非金属薄膜工艺复杂，制作成本较高，不利于工业化推广应用。中国专利技术专利公开号CN104830124A公开了“一种条纹型抗垢涂层的制备方法”，该方法采用掩模和光聚合技术相结合的方法制备了一种条纹型的抗生物垢功能的涂层材料，但该方法制得的涂层材料仅针对生物污垢才有效，对于其他污垢如颗粒污垢和析晶污垢来说效果不明显。在铜管式降膜器运行中，如何通过改变铜管式降膜器蒸发管内壁表面的抗垢性能，避免和预防“干管”和结垢，是目前亟待解决的技术难题。而现有文献所介绍的表面抗结垢能力的方法，不能彻底预防铜管式降膜蒸发器蒸发管内壁表面结垢，也不利于实现工业化推广应用。
技术实现思路
为此，针对目前无法有效解决铜管式降膜蒸发器蒸发管内壁表面容易结垢的问题，本发明的目的是，提出一种具有抗垢性能的超亲水微纳米氧化铜薄膜的制备及检测方法，由于制备的微纳米薄膜具有超亲水性能，可使降膜蒸发器蒸发管内壁表面起到抗结垢的效果，进而提高了降膜蒸发器的蒸发效率和运行的稳定性。实现本专利技术目的采用的技术方案是：一种具有抗垢性能的超亲水微纳米氧化铜薄膜的制备及检测方法，其特征在于，它包括以下内容：1)微纳米氧化铜薄膜制备预处理环节(a)将铜片切割成长3mm×宽3mm的铜试片，经机械打磨抛光去除铜试片表面的氧化物，将铜试片分别先后经质量百分数为20％的硫酸溶液和10％的硫酸溶液进行酸洗，再经0.1mol/L氢氧化钠碱溶液清洗、去油，然后经超声波清洗后，再用酒精擦拭铜试片表面，防止铜试片表面氧化，待用；(b)将表面活性剂KH550与水以1:5混合均匀，使其水解完全。氢氧化钠、过硫酸钠、H2O和KH550溶液按照M(Na2S2O8)＝2.3720g、V(NaOH)＝20ml、V(H2O)＝40ml、V(KH550)＝5ml，进行量取且配置成所需含量反应液，其中：M为质量、V为体积；2)微纳米氧化铜薄膜制备环节将步骤1)的(a)预处理后的铜试片放入步骤1)的(b)所配的反应液中进行反应，反应时间为60min，反应在温度为60℃水浴槽中进行；反应完成后取出铜试片并用去离子水清洗表面，再用酒精擦拭铜试片表面防止氧化，室温干燥得到微纳米氧化铜薄膜；3)微纳米氧化铜薄膜超亲水抗垢性能的检测环节(d)微纳米氧化铜薄膜表面显微组织检测：将步骤2)得到的微纳米氧化铜薄膜用扫描电子显微镜对其表面进行SEM检测，得到表面显微组织图，微纳米氧化铜薄膜表面显微组织图呈现出蒲公英花状，则认为步骤2)的反应为有效反应，即验证是微纳米氧化铜薄膜；(e)微纳米氧化铜薄膜超亲水性能检测：用接触角/界面张力测量仪对步骤2)得到的微纳米氧化铜薄膜进行表面对水的接触角测试，接触角<15°，则验证微纳米氧化铜薄膜具有超亲水性；(f)微纳米氧化铜薄膜抗污垢性能检测：对步骤2)得到的微纳米氧化铜薄膜称重，然后将微纳米氧化铜薄膜悬挂于试片架上，往烧杯中加入摩尔浓度为0.02mol/L的硫酸钙溶液，将挂有微纳米氧化铜薄膜的试片架放入烧杯内，然后再置于磁力搅拌机上，以25r/min的速度搅拌7小时，测试结束后将微纳米氧化铜薄膜取出干燥后称重，得到污垢沉积量，以增重量小于7×10-5g/mm2，即验证微纳米氧化铜薄膜表面具有抗垢性能。本专利技术一种具有抗垢性能的超亲水微纳米氧化铜薄膜的制备及检测方法的提出基于以下构思：1.定向地将铜管表面改性成超亲水表面，利用化学定向侵蚀的方法先将铜试片表面氧化出一层氢氧化铜，再将其加热使其脱水形成氧化铜，氧化铜形核和长大方向均与氢氧化铜一致，氧化铜形成团簇状，不同的氧化铜之间又存在许多微孔隙，水膜流经具有这些微孔隙表面时会形成虹吸效应，使水吸附在表面而阻止污垢的形核；2.由于氧化铜超亲水薄膜表面对水的张力较大，水基本可以在其表面完全铺展开，即使得黑液成膜后从蒸发管内表面稳定成膜状流下，从而避免干管的发生。干管又是诱发结垢的内在因素，即干管会产生干湿交界区，干湿交界区会存在巨大温差从而使污垢的溶解度降低而大量形核和长大；3.超亲水薄膜能有效地吸附水，在其表面产生一层水膜，该水膜可以阻止污垢在其表面上形核，另一方面水蒸气在形核、长大、逃逸出接触面的过程中，对附在亲水薄膜表面的污垢能起到冲刷的作用。本专利技术的一种具有抗垢性能的超亲水微纳米氧化铜薄膜的制备及检测方法，该微纳米薄膜不仅使铜管式降膜蒸发器蒸发管具有抗结垢性能，而且为蒸发出来的水蒸汽提供了更多的形核场所，使得水蒸气形核效率和蒸发效率加大，极大提高了铜管式降膜蒸发器蒸发管内壁的抗垢性能和运行的稳定性。本专利技术提供的铜管式降膜蒸发器蒸发管内壁表面抗垢方法不仅简单，而且制造成本低廉，利于产业化和商业推广。附图说明图1为超亲水微纳米氧化铜薄膜表面显微组织图；图2为各铜试片对水的润湿角图像；图3为不同反应时间的铜片表面对水的润湿角角度曲线示意图；...

【技术保护点】
一种具有抗垢性能的超亲水微纳米氧化铜薄膜的制备及检测方法，其特征在于，它包括以下内容：1)微纳米氧化铜薄膜制备预处理环节(a)将铜片切割成长3mm×宽3mm的铜试片，经机械打磨抛光去除铜试片表面的氧化物，将铜试片分别先后经质量百分数为20％的硫酸溶液和10％的硫酸溶液进行酸洗，再经0.1mol/L氢氧化钠碱溶液清洗、去油，然后经超声波清洗后，再用酒精擦拭铜试片表面，防止铜试片表面氧化，待用；(b)将表面活性剂KH550与水以1:5混合均匀，使其水解完全。氢氧化钠、过硫酸钠、H2O和KH550溶液按照M(Na2S2O8)＝2.3720g、V(NaOH)＝20ml、V(H2O)＝40ml、V(KH550)＝5ml，进行量取且配置成所需含量反应液，其中：M为质量、V为体积；2)微纳米氧化铜薄膜制备环节将步骤1)的(a)预处理后的铜试片放入步骤1)的(b)所配的反应液中进行反应，反应时间为60min，反应在温度为60℃水浴槽中进行；反应完成后取出铜试片并用去离子水清洗表面，再用酒精擦拭铜试片表面防止氧化，室温干燥得到微纳米氧化铜薄膜；3)微纳米氧化铜薄膜超亲水抗垢性能的检测环节(d)微纳米氧化铜薄膜表面显微组织检测：将步骤2)得到的微纳米氧化铜薄膜用扫描电子显微镜对其表面进行SEM检测，得到表面显微组织图，微纳米氧化铜薄膜表面显微组织图呈现出蒲公英花状，则认为步骤2)的反应为有效反应，即验证是微纳米氧化铜薄膜；(e)微纳米氧化铜薄膜超亲水性能检测：用接触角/界面张力测量仪对步骤2)得到的微纳米氧化铜薄膜进行表面对水的接触角测试，接触角<15°，则验证微纳米氧化铜薄膜具有超亲水性；(f)微纳米氧化铜薄膜抗污垢性能检测：对步骤2)得到的微纳米氧化铜薄膜称重，然后将微纳米氧化铜薄膜悬挂于试片架上，往烧杯中加入摩尔浓度为0.02mol/L的硫酸钙溶液，将挂有微纳米氧化铜薄膜的试片架放入烧杯内，然后再置于磁力搅拌机上，以25r/min的速度搅拌7小时，测试结束后将微纳米氧化铜薄膜取出干燥后称重，得到污垢沉积量，以增重量小于7×10‑5g/mm2，即验证微纳米氧化铜薄膜表面具有抗垢性能。...

【技术特征摘要】
1.一种具有抗垢性能的超亲水微纳米氧化铜薄膜的制备及检测方法，其特征在于，它包
括以下内容：
1)微纳米氧化铜薄膜制备预处理环节
(a)将铜片切割成长3mm×宽3mm的铜试片，经机械打磨抛光去除铜试片表面的氧化
物，将铜试片分别先后经质量百分数为20％的硫酸溶液和10％的硫酸溶液进行酸洗，再经
0.1mol/L氢氧化钠碱溶液清洗、去油，然后经超声波清洗后，再用酒精擦拭铜试片表面，防
止铜试片表面氧化，待用；
(b)将表面活性剂KH550与水以1:5混合均匀，使其水解完全。氢氧化钠、过硫酸钠、
H2O和KH550溶液按照M(Na2S2O8)＝2.3720g、V(NaOH)＝20ml、V(H2O)＝40ml、V(KH550)＝5ml，
进行量取且配置成所需含量反应液，其中：M为质量、V为体积；
2)微纳米氧化铜薄膜制备环节
将步骤1)的(a)预处理后的铜试片放入步骤1)的(b)所配的反应液中进行反应，
反应时间为60min，反应在温度为60℃水浴槽中进行；反应完成后取出铜试片并用去离子水
清洗表面，再用酒精擦拭铜试片表面防...

【专利技术属性】
技术研发人员：张仲彬，曹丽华，李勇，张毅，王艳红，张来，李盼，姜铁骝，胡鹏飞，司和勇，
申请(专利权)人：东北电力大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22