動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究超聲波對(duì)碳酸鈣結(jié)垢影響規(guī)律

劉 振，王麗玲

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動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究超聲波對(duì)碳酸鈣結(jié)垢影響規(guī)律

劉 振，王麗玲

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）， 北京 102249）

超聲波已經(jīng)在一些領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。超聲波除垢相對(duì)于化學(xué)除垢是一項(xiàng)新興的除垢技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)、環(huán)保。其主要原理是通過(guò)空化效應(yīng)，粉碎溶液中較大的結(jié)垢粒子，使其懸浮在溶液中。影響超聲波除垢效果不僅有其自身的頻率、強(qiáng)度等因素，還與溶液的種類、溫度、濃度、pH等有關(guān)，為了達(dá)到更好的超聲波除垢效果，還需根據(jù)具體情況，確定超聲波的參數(shù)。

動(dòng)態(tài)；超聲波；碳酸鈣；結(jié)垢

1 超聲波的特性及應(yīng)用領(lǐng)域

1.1 超聲波特性

超聲波是指頻率在20～106 kHz范圍內(nèi)的機(jī)械波，波速一般約為1 500 m/s，波長(zhǎng)為10～0.01 cm。超聲波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于分子尺寸，說(shuō)明超聲波本身不能直接對(duì)分子起作用，而是通過(guò)周圍環(huán)境的物理作用影響分子，所以超聲波的作用與其作用的環(huán)境密切相關(guān)。超聲波既是一種波動(dòng)形式，又是一種能量形式，在傳播過(guò)程中與媒介相互作用產(chǎn)生超聲效應(yīng)。超聲波與媒介相互作用可分為機(jī)械作用、空化作用和熱作用。

1.2 超聲波應(yīng)用領(lǐng)域

1.2.1 超聲波在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

治療上有兩點(diǎn)很明確，首先高頻率的機(jī)械振動(dòng)能夠給予人體患病局部組織以一定的影響，超聲波的振動(dòng)引起細(xì)胞和組織的按摩作用，這種按摩作用將導(dǎo)致組織血液和淋巴供應(yīng)的改善，由于超聲波的熱效應(yīng)，能使組織升溫，甚至達(dá)到損傷的程度[1]。

超聲波可以應(yīng)用在醫(yī)學(xué)成像技術(shù)中，20世紀(jì)90年代美國(guó)研究出了一種三維超聲波掃描技術(shù)，該技術(shù)利用三維超聲波處理技術(shù)并采用并行計(jì)算方式，分析大量的反射波，非常迅速地產(chǎn)生圖像，使外科醫(yī)生從每個(gè)角度觀看心臟的跳動(dòng)[2]。

科學(xué)家在超聲波對(duì)癌細(xì)胞的影響方面做了研究，低頻超聲波被認(rèn)為是治療癌癥的潛在手段，低頻超聲波對(duì)白血病細(xì)胞株K562進(jìn)行輻照，結(jié)果顯示低頻超聲波對(duì)K562細(xì)胞株有誘導(dǎo)凋亡的作用。[3]馬玉英利用超聲激活血卟啉進(jìn)行抗腫瘤實(shí)驗(yàn)，探索出超聲激活血卟啉抗腫瘤效應(yīng)的最佳聲參量和最佳血卟啉濃度[4]。

1.2.2 超聲波在化工方面的應(yīng)用

一些微量物質(zhì)的萃取可以采取超聲波強(qiáng)化，超聲空化可以改善那些以植物根莖為原料的萃取過(guò)程。因?yàn)樵诳栈吮罎r(shí)產(chǎn)生的微射流既能破壞細(xì)胞壁，使細(xì)胞質(zhì)溶入周圍的液體中，又能改善傳質(zhì)過(guò)程，從而提高萃取速率和效率。[5]用苯等8種溶劑提取油頁(yè)巖中的瀝青質(zhì)時(shí)，在50 kHz、400 W的聲場(chǎng)作用下提取速率相當(dāng)于索氏提脂法的24倍[6]。

超聲波還可以提高原油破乳效果，是基于超聲波作用于不同的流體介質(zhì)產(chǎn)生的位移效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，[7]但是單一的超聲波破乳效果沒(méi)有破乳劑好，兩者結(jié)合破乳效果會(huì)好于單一的破乳劑。并且要達(dá)到較好的效果，溫度與超聲波功率都有一個(gè)最佳值。

1.2.3 超聲波在生活服務(wù)中的應(yīng)用

超聲波可用于檢測(cè)鋼軌傷損部位，常用的方法有脈沖反射法、穿頭法、共振法，[8]前兩種方法根據(jù)觀察反射回來(lái)的波形判斷是否有鋼軌損傷，最后一種方法是通過(guò)調(diào)節(jié)超聲波頻率，使其發(fā)生共振，若不能則說(shuō)明被測(cè)物體有損傷。此外，還可以利用超聲波的多普勒效應(yīng)測(cè)定物體速度，[9]根據(jù)波源發(fā)出的頻率與觀察者接到的頻率測(cè)定觀察者的速度。

2 超聲波對(duì)CaCO3除垢規(guī)律影響因素研究現(xiàn)狀

我國(guó)很多油田開(kāi)發(fā)進(jìn)入中后期，油水混合液中高礦化度的地層水含量可達(dá)50%以上，水中含有Ca2 +，Mg2 +，CO32-等結(jié)垢離子[10]，嚴(yán)重影響了油田集輸系統(tǒng)的正常工作。目前工業(yè)上比較成熟的是化學(xué)除垢，比如利用高壓水槍、酸堿洗、在水中加入阻垢劑抑制垢的形成，但這些方法會(huì)造成管線的腐蝕、環(huán)境的污染。超聲波清洗起源于前蘇聯(lián)，我國(guó)于90年代初開(kāi)始進(jìn)行研究并投入工業(yè)使用[11]。

2.1 超聲波除垢機(jī)理

2.1.1 超聲波的空化作用

超聲波對(duì)液體的空化作用，使液體內(nèi)產(chǎn)生大量空隙和氣泡，當(dāng)其破裂時(shí)，在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)大的壓力峰，能使成垢物質(zhì)粉碎懸浮于液體中，并導(dǎo)致已形成的硬垢破碎。強(qiáng)壓力可達(dá)5×107Pa，這些氣泡在管道壁爆裂時(shí)，引起的高壓會(huì)粉碎已經(jīng)在壁面結(jié)成的硬垢，達(dá)到除垢的效果。

2.1.2 超聲波通過(guò)提高溶液溫度抑制水垢的形成

由于空穴的破裂，會(huì)產(chǎn)生局部高溫，溫度的升高會(huì)促進(jìn)生成的CaCO3的溶解。同時(shí)由于局部高溫的產(chǎn)生可以迫使水分子分裂成H+與OH-，它們可以與Ca2+、Mg2+結(jié)合。OH-可以和成垢物質(zhì)離子形成諸如CaOH+、MgOH+等配合物，從而增加水的溶解能力，使其溶垢能力相對(duì)提高[12]。

2.1.3 振動(dòng)、剪切力作用

超聲波的頻率在20 kHz以上，會(huì)導(dǎo)致周圍的介質(zhì)產(chǎn)生振動(dòng)，管壁固有頻率與垢層不同，所以當(dāng)垢層發(fā)生共振時(shí)，會(huì)脫離壁面。超聲波在不同介質(zhì)中速度不同，在管壁的鋼材中與水垢中的傳播速度不同，會(huì)產(chǎn)生剪切力，使管壁與結(jié)垢的粘合力降低，最終垢會(huì)疲勞、松脫。

2.2 超聲波除垢抑垢效果的影響因素

霍文蘭、溫俊峰[13]把四種除垢劑10%的鹽酸和0.5%的NaF溶液（配比為1︰1）；10%的Na2CO3、10%的鹽酸和0.5%的NaF溶液（配比為1︰1︰1）； 10%的馬來(lái)酸酐、0.2%的NaOH和0.4%的Na3PO4溶液（配比為1︰1）與超聲波的除垢效果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，僅用除垢劑能從一定量上減少垢的形成，但是當(dāng)加上超聲波后，除垢能力大大提升[14]。

孫曉清等[15]研究了不同管徑與管段形狀對(duì)超聲波抑垢的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)加了超聲波時(shí)鈣離子濃度大于未加超聲波鈣離子濃度，說(shuō)明了超聲波是通過(guò)增大離子濃度來(lái)抑制垢的形成，直管抑垢的效果均好于變徑管與彎頭管。

念保義，陳金平[16]研究了硬度對(duì)超聲波抑垢的影響，抑垢率隨硬度總是先降后升。在靜態(tài)實(shí)驗(yàn)條件下，鈣鎂離子的濃度大于200 mg/L-1時(shí)，抑垢率逐漸增大。在動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)條件下，流體流速為0.05 m/s，抑垢率逐漸降低。靜態(tài)實(shí)驗(yàn)比動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)抑垢率要大，但相差不大，但作者沒(méi)有解釋在動(dòng)態(tài)情況下，抑垢率降低的原因，是否與流速相關(guān)。

李虹霞[17]研究了溶液溫度對(duì)超聲波抑垢的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，并非溶液溫度越高，超聲波除垢越好，因?yàn)闇囟忍咛投紩?huì)影響空化效果，所以有最佳溫度范圍。同時(shí)液體種類不同也會(huì)對(duì)空化效果產(chǎn)生影響，蒸餾水的溫度越高，超聲波除垢效果越好，說(shuō)明每種液體有空化活躍溫度。液體濃度對(duì)超聲波抑垢效果也會(huì)有影響，濃度越大，抑垢效果越明顯。超聲波強(qiáng)度增大，也會(huì)增強(qiáng)抑垢除垢效果。

佟帥[18]等發(fā)現(xiàn)液體的粘滯系數(shù)、表面張力系數(shù)越大，空化閥值增大，崩潰時(shí)產(chǎn)生的最高溫度、壓力也隨之提高。蒸汽壓的增高會(huì)使空化效應(yīng)變的緩和。為了獲得更好的空化效果，超聲除垢應(yīng)該在合理的較低的溫度下進(jìn)行。

3 確定實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)示意圖和流程圖見(jiàn)圖1、2。

圖1 研究超聲波對(duì)碳酸鈣結(jié)垢影響規(guī)律動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)示意圖

圖2 研究超聲波對(duì)碳酸鈣結(jié)垢影響規(guī)律動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)流程圖

（1）按照實(shí)驗(yàn)流程圖連接好實(shí)驗(yàn)裝置，并檢查實(shí)驗(yàn)管線以及管線和設(shè)備連接處是否漏水；

（2）向波長(zhǎng)作用槽內(nèi)加入純水，加入的水量距離波長(zhǎng)作用槽底部14 cm處，打開(kāi)超聲波波長(zhǎng)作用槽的恒溫水浴，將溫度調(diào)到預(yù)定溫度，使得波長(zhǎng)作用槽內(nèi)的純水溫度穩(wěn)定在預(yù)設(shè)溫度；

（3）配置一定濃度的離子水；

（4）將控制離子水溫度的恒溫儀打開(kāi)，溫度調(diào)節(jié)到預(yù)設(shè)溫度，使得離子水的溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度；

（5）打開(kāi)泵的開(kāi)關(guān)，使得實(shí)驗(yàn)管路穩(wěn)定運(yùn)行；

（6）調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開(kāi)度，使得流量達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)流量；

（7）每隔一個(gè)小時(shí)EDTA滴定離子濃度。滴定方法為：吸取水樣50 mL，移入250 mL錐形瓶中，加入標(biāo)準(zhǔn)鹽酸3滴，混合混勻，加熱煮沸0.5 min，冷卻至50 ℃以下，加5 mL濃度為20%的氫氧化鉀溶液，再加約80 mg鈣黃綠素酚酞混合指示劑，用0.01 mol/L的EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至熒光黃綠色消失，出現(xiàn)紅色即為終點(diǎn)；

（8）通過(guò)滴定后，如果和預(yù)設(shè)濃度有偏差，計(jì)算加入離子的質(zhì)量，加入分析純，使得離子濃度保持穩(wěn)定；

（9）實(shí)驗(yàn)達(dá)到預(yù)定時(shí)間后，結(jié)束本實(shí)驗(yàn)。將實(shí)驗(yàn)管段取出，放在電熱鼓風(fēng)干燥箱中充分干燥；

（10）待實(shí)驗(yàn)管段充分干燥后，取出。在分析天平上稱量，記錄稱量結(jié)果；

（11）重復(fù)上述(1)-(6)步，將變頻超聲波的電源接好。調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器的頻率和功率按鈕，將超聲波的頻率和功率調(diào)節(jié)到預(yù)定值。超聲波的功率范圍為0~3 000 W，頻率范圍為20~85 kHz；

（12）每隔1 h，按照步驟(7)，EDTA滴定離子濃度。如果和預(yù)設(shè)濃度有偏差，計(jì)算加入離子的質(zhì)量，加入分析純，使得離子濃度保持穩(wěn)定；

（13）實(shí)驗(yàn)達(dá)到預(yù)定時(shí)間后，結(jié)束本實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)管段取出，放在電熱鼓風(fēng)干燥箱中充分干燥；

（14）待實(shí)驗(yàn)管段充分干燥后，取出。在分析天平上稱量，記錄稱量結(jié)果，結(jié)束實(shí)驗(yàn)；

（15）將結(jié)垢質(zhì)量轉(zhuǎn)換為實(shí)驗(yàn)管段壓降，作出各種參數(shù)條件下，壓降隨時(shí)間的變化曲線。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 管壁材質(zhì)對(duì)超聲波除垢效果的影響

實(shí)驗(yàn)條件：實(shí)驗(yàn)段管內(nèi)溫度為60 ℃，實(shí)驗(yàn)段管外溫度為25 ℃，管內(nèi)流速為1.2 m/s，管內(nèi)壁的剪切應(yīng)力為0.3 Pa，溶液硬度為1 000，溶液pH為8，超聲波功率為100 W，超聲波頻率為50 kHz，圖3的材質(zhì)為不銹鋼管，圖4的材質(zhì)為銅管。

圖3 超聲波作用于不銹鋼管對(duì)結(jié)垢的影響

圖4 超聲波作用于銅管對(duì)結(jié)垢的影響

從圖3、4可以看出，首先抑垢方面，超聲波功率小于200 W為抑垢效果，超聲波對(duì)銅管的抑垢效果比對(duì)不銹鋼管要好，但這有可能是因?yàn)殇摴鼙诠饣瑢?dǎo)致超聲波抑垢效果不明顯造成的。但是超聲波對(duì)同種材質(zhì)管抑垢效果比無(wú)超聲波作用的好，抑垢率在75%以上。

4.2 超聲波功率對(duì)除垢效果的影響

實(shí)驗(yàn)條件：實(shí)驗(yàn)段管內(nèi)溫度為60 ℃，實(shí)驗(yàn)段管外溫度為25 ℃，管內(nèi)流速為1.2 m/s，管內(nèi)壁的剪切應(yīng)力為0.3 Pa，溶液硬度為1 000，溶液pH為8，超聲波頻率為50 kHz，材質(zhì)為銅管，改變超聲波功率分別為0、30、100、200 W。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)超聲波除垢效果與功率有關(guān)，功率越大，除垢效果越好（圖5）。

圖5 超聲波功率對(duì)結(jié)垢的影響

4.3 超聲波頻率對(duì)除垢效果的影響

實(shí)驗(yàn)條件：實(shí)驗(yàn)段管內(nèi)溫度為60 ℃，實(shí)驗(yàn)段管外溫度為25 ℃，管內(nèi)流速為1.2 m/s，管內(nèi)壁的剪切應(yīng)力為0.3 Pa，溶液硬度為為1 000，溶液pH為8，超聲波功率為100 W，材質(zhì)為銅管，改變超聲波頻率分別為85、53 kHz。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，53 kHz超聲波處理的溶液中，析出的CaCO3晶體大部分為小球狀結(jié)晶，晶粒比較均勻，顆粒數(shù)目多且細(xì)小，并伴有部分文石型結(jié)晶；85 kHz超聲波處理的溶液中，析出的CaCO3晶體多為文石型結(jié)晶，小球狀結(jié)晶所占比例較小。不同頻率的超聲波阻垢機(jī)理不同，超聲波頻率增高，會(huì)提高空化閾值，使空化過(guò)程難以發(fā)生，并且超聲波的頻率越高能量損失越快，需要供給更大的能量，當(dāng)頻率過(guò)高可以采取增加聲波強(qiáng)度的方法，增強(qiáng)空化效應(yīng)（圖5）。

圖6 超聲波頻率對(duì)結(jié)垢的影響

4.4 pH對(duì)超聲波除垢效果的影響

實(shí)驗(yàn)條件：實(shí)驗(yàn)段管內(nèi)溫度為60 ℃，實(shí)驗(yàn)段管外溫度為25 ℃，管內(nèi)流速為1.2 m/s，管內(nèi)壁的剪切應(yīng)力為0.3Pa，溶液硬度為1 000，超聲波功率為100W，超聲波頻率為50 kHz，材質(zhì)為銅管，pH分別設(shè)置為6.0、7.5、9.5。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，pH對(duì)超聲波抑垢率有影響，偏酸偏堿溶液都會(huì)促進(jìn)垢的形成，降低超聲波的作用（圖7）。

圖7 溶液pH對(duì)超聲波除垢的影響

5 結(jié)論

超聲波在各個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)初步展現(xiàn)了其作用，而且在一些領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)揮了重要的作用。在未來(lái)它一定會(huì)繼續(xù)深入各個(gè)領(lǐng)域，發(fā)揮其潛在的能力。

超聲波相對(duì)于化學(xué)除垢是一項(xiàng)新興的除垢技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)，環(huán)保。其主要原理是通過(guò)空化效應(yīng)，粉碎溶液中較大的結(jié)垢粒子，使其懸浮在溶液中。但是可以看出影響超聲波除垢效果的不僅有其自身頻率、強(qiáng)度等因素，還與溶液的種類、溫度、濃度、pH等有關(guān)，所以為了達(dá)到更好的超聲波除垢效果，還需根據(jù)具體情況，確定超聲波的參數(shù)。

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Dynamic Experimental Study on Effect of Ultrasound on Calcium Carbonate Scaling

，

（China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249, China）

Ultrasound has played an important role in many aspects. Compared with chemical descaling, ultrasound is an emerging technology, which is economic and environmental friendly. The main principle is to crush larger scaling particles to suspend in solution by cavitation effect. While, factors to affect ultrasound descaling effect are not only natural frequency and strength, but also type, temperature, density and pH of the solution. So, in order to achieve better descaling effect, the parameters of the ultrasound should be determined according to the specific situation.

Dynamic; Ultrasonic; Calcium carbonate; Scaling

TQ 016

A

1671-0460（2014）06-0935-04

2013-12-05

劉振（1987-），男，山東菏澤人，中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械學(xué)院石油與天然氣工程在讀碩士，研究方向：從事油氣長(zhǎng)距離管輸技術(shù)、多相管流及油氣田集輸技術(shù)。E-mail：liuzhen09@126.com。