化工学报 ›› 2025, Vol. 76 ›› Issue (6): 3053-3072.DOI: 10.11949/0438-1157.20241325
收稿日期:2024-11-19
修回日期:2025-01-10
出版日期:2025-06-25
发布日期:2025-07-09
通讯作者:
胡家玮
作者简介:胡家玮(1982—),男,博士,副教授,hujiawei@lut.edu.cn
Jiawei HU(
), Cong WANG, Meijing LIU
Received:2024-11-19
Revised:2025-01-10
Online:2025-06-25
Published:2025-07-09
Contact:
Jiawei HU
摘要:
本研究成功研制了一种新型双层阻垢疏水涂层,目的在于有效抑制隧道排水管道中结晶体的形成。该涂层由纳米二氧化硅、氨基磺酸、水解聚马来酸酐和乙二胺四乙酸二钠(EDTA)等主要成分构成,设计为疏水内层和阻垢外层的结构。疏水内层的功能是阻止结晶颗粒附着于管道内壁,而阻垢外层则保护内层并预防结晶体的形成。通过实验室内的静态和动态模拟实验,发现疏水内层的防结晶率稳定在82%以上,阻垢外层的阻垢率稳定在93%以上。在动态模拟实验中,理论预测疏水内层能够维持428.47 d,阻垢外层能够维持188.57 d,两者合计可维持617.04 d;使用Ansys fluent软件进行仿真计算,结果表明,这种双层阻垢疏水涂层能够保持其性能长达634.72 d。验证实验与仿真结果之间的误差率为2.87%,证明仿真模型预测与涂层性能相符,能够适应不同的流量和流速条件,为各种工况下的仿真模拟提供参考。这种双层涂层不仅实现了疏水与阻垢的双重功能,还展现出了卓越的耐久性和缓释性能,对于抑制隧道排水管道内结晶体的形成具有显著效果,为隧道排水系统的维护提供了一种新的解决方案。
中图分类号:
胡家玮, 王聪, 刘美婧. 一种抑制隧道排水管道中结晶体形成的双层阻垢疏水涂层[J]. 化工学报, 2025, 76(6): 3053-3072.
Jiawei HU, Cong WANG, Meijing LIU. Utility model relates to double - layer anti - scale and hydrophobic coating that inhibits crystal formation in tunnel drainage pipe[J]. CIESC Journal, 2025, 76(6): 3053-3072.
| 元素 | 占比/% |
|---|---|
| O | 55.46 |
| C | 24.31 |
| Ca | 15.94 |
| Mg | 2.13 |
| Fe | 1.72 |
| Si | 0.3 |
| Na | 0.06 |
| S | 0.04 |
| K | 0.03 |
| Cl | 0.01 |
表1 结晶体样品元素种类
Table 1 Crystal sample element species
| 元素 | 占比/% |
|---|---|
| O | 55.46 |
| C | 24.31 |
| Ca | 15.94 |
| Mg | 2.13 |
| Fe | 1.72 |
| Si | 0.3 |
| Na | 0.06 |
| S | 0.04 |
| K | 0.03 |
| Cl | 0.01 |
| 检测点位 | 流速/(m/s) | pH | 离子含量/(mg/L) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ca2+ | Mg2+ | ||||||
| 毛垭山LK3+154 | 0.09 | 8.2 | 8.71 | 11.7 | 12.9 | 172 | 69.9 |
| 毛垭山LK3+200 | 0.12 | 7.9 | 24.2 | 5.63 | 6.16 | 244 | 23.4 |
表2 毛垭山隧道排水管水样分析
Table 2 Maoyashan tunnel drainage pipe water sample analysis
| 检测点位 | 流速/(m/s) | pH | 离子含量/(mg/L) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ca2+ | Mg2+ | ||||||
| 毛垭山LK3+154 | 0.09 | 8.2 | 8.71 | 11.7 | 12.9 | 172 | 69.9 |
| 毛垭山LK3+200 | 0.12 | 7.9 | 24.2 | 5.63 | 6.16 | 244 | 23.4 |
| 实验药剂 | 药剂纯度 | 生产厂家 |
|---|---|---|
| 十水合四硼酸钠 | 分析纯(AR) | 烟台市双双化工有限公司 |
| 疏水纳米二氧化硅 | 分析纯(AR) | 佛山蓝岭化工有限公司 |
| 钛酸酯偶联剂 | 分析纯(AR) | 东莞市康锦新材料有限公司 |
| RTV-2硅橡胶 | 97% | 深圳市立诺德科技有限公司 |
| 四氢呋喃 | 分析纯(AR) | 天津市百世化工有限公司 |
| 异丙醇 | 分析纯(AR) | 天津市百世化工有限公司 |
| EDTA | 分析纯(AR) | 天津市大茂化学试剂厂 |
| 氨基磺酸 | 分析纯(AR) | 上海阿拉丁生化科技股份有限公司 |
| 水解聚马来酸酐(HPMA) | 50% | 山东优索化工科技有限公司 |
| 无水氯化钙 | 分析纯(AR) | 天津市百世化工有限公司 |
| 碳酸氢钠 | 分析纯(AR) | 烟台市双双化工有限公司 |
| 海藻酸钠 | 化学纯(AR) | 天津百伦斯生物技术有限公司 |
| 聚乙烯醇 | 分析纯(AR) | 上海臣启化工科技有限公司 |
| 聚乙二醇-600(PEG-600) | 分析纯(AR) | 无锡市亚泰联合化工有限公司 |
| 聚乙烯吡咯烷酮(PVP) | 分析纯(AR) | 天津市光复科技发展有限公司 |
表3 实验药剂
Table 3 Experimental reagents
| 实验药剂 | 药剂纯度 | 生产厂家 |
|---|---|---|
| 十水合四硼酸钠 | 分析纯(AR) | 烟台市双双化工有限公司 |
| 疏水纳米二氧化硅 | 分析纯(AR) | 佛山蓝岭化工有限公司 |
| 钛酸酯偶联剂 | 分析纯(AR) | 东莞市康锦新材料有限公司 |
| RTV-2硅橡胶 | 97% | 深圳市立诺德科技有限公司 |
| 四氢呋喃 | 分析纯(AR) | 天津市百世化工有限公司 |
| 异丙醇 | 分析纯(AR) | 天津市百世化工有限公司 |
| EDTA | 分析纯(AR) | 天津市大茂化学试剂厂 |
| 氨基磺酸 | 分析纯(AR) | 上海阿拉丁生化科技股份有限公司 |
| 水解聚马来酸酐(HPMA) | 50% | 山东优索化工科技有限公司 |
| 无水氯化钙 | 分析纯(AR) | 天津市百世化工有限公司 |
| 碳酸氢钠 | 分析纯(AR) | 烟台市双双化工有限公司 |
| 海藻酸钠 | 化学纯(AR) | 天津百伦斯生物技术有限公司 |
| 聚乙烯醇 | 分析纯(AR) | 上海臣启化工科技有限公司 |
| 聚乙二醇-600(PEG-600) | 分析纯(AR) | 无锡市亚泰联合化工有限公司 |
| 聚乙烯吡咯烷酮(PVP) | 分析纯(AR) | 天津市光复科技发展有限公司 |
| 实验仪器 | 仪器型号 | 生产厂家 |
|---|---|---|
| 电子分析天平 | BCE224I-1CCN | 赛多利斯科学仪器(北京)有限公司 |
| 超纯水仪 | WP-UP-WF-20S | 四川沃特尔水处理设备有限公司 |
| 便携式pH计 | PHBJ-260 | 上海仪电科学仪器股份有限公司 |
| 超纯水仪 | WP-UP-WF-20S | 四川沃特尔水处理设备有限公司 |
| 电热鼓风干燥箱 | 101-00B | 绍兴市沪越仪器设备有限公司 |
| 数显恒温水浴锅 | HH-6 | 常州市金坛区西城新瑞仪器厂 |
| 接触角测量仪 | CA500 | 广东北斗精密仪器有限公司 |
| 光学显微镜 | XSP-44X.9 | 上海光学仪器一厂 |
| 便携式浊度仪 | WZB-175 | 上海仪电科学仪器股份有限公司 |
| 85-2 数显控温磁力搅拌器 | MS-H280-Pro-LED | 金坛市大地自动化仪器厂 |
| 高精度便携式粗糙度仪 | SF200 | 北京时代山峰科技有限公司 |
| PosiTector200超声波涂层测厚仪 | 200 B1 | 美国迪芙斯高公司 |
| SEM扫描电子显微镜 | ZR4-6 | 赛默飞 |
| X射线光电子能谱仪XPS | EDCALAB QXi | 赛默飞 |
| X射线衍射仪 | D/Max-2400 | Rigaku公司 |
表4 实验仪器
Table 4 Experimental instruments
| 实验仪器 | 仪器型号 | 生产厂家 |
|---|---|---|
| 电子分析天平 | BCE224I-1CCN | 赛多利斯科学仪器(北京)有限公司 |
| 超纯水仪 | WP-UP-WF-20S | 四川沃特尔水处理设备有限公司 |
| 便携式pH计 | PHBJ-260 | 上海仪电科学仪器股份有限公司 |
| 超纯水仪 | WP-UP-WF-20S | 四川沃特尔水处理设备有限公司 |
| 电热鼓风干燥箱 | 101-00B | 绍兴市沪越仪器设备有限公司 |
| 数显恒温水浴锅 | HH-6 | 常州市金坛区西城新瑞仪器厂 |
| 接触角测量仪 | CA500 | 广东北斗精密仪器有限公司 |
| 光学显微镜 | XSP-44X.9 | 上海光学仪器一厂 |
| 便携式浊度仪 | WZB-175 | 上海仪电科学仪器股份有限公司 |
| 85-2 数显控温磁力搅拌器 | MS-H280-Pro-LED | 金坛市大地自动化仪器厂 |
| 高精度便携式粗糙度仪 | SF200 | 北京时代山峰科技有限公司 |
| PosiTector200超声波涂层测厚仪 | 200 B1 | 美国迪芙斯高公司 |
| SEM扫描电子显微镜 | ZR4-6 | 赛默飞 |
| X射线光电子能谱仪XPS | EDCALAB QXi | 赛默飞 |
| X射线衍射仪 | D/Max-2400 | Rigaku公司 |
| 组号 | 纳米二氧化硅/g | 四氢呋喃/ml | 异丙醇/ml | 乙醇/ml | 甲酸/ml | 表面情况 | 显微镜下观察 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0.1 | 5 | 5 | — | — | ![]() | ![]() |
| 2 | 0.1 | 5 | — | 5 | — | ![]() | ![]() |
| 3 | 0.1 | 5 | — | — | 5 | ![]() | ![]() |
表5 溶剂挥发剂筛选
Table 5 Solvent volatile screening
| 组号 | 纳米二氧化硅/g | 四氢呋喃/ml | 异丙醇/ml | 乙醇/ml | 甲酸/ml | 表面情况 | 显微镜下观察 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0.1 | 5 | 5 | — | — | ![]() | ![]() |
| 2 | 0.1 | 5 | — | 5 | — | ![]() | ![]() |
| 3 | 0.1 | 5 | — | — | 5 | ![]() | ![]() |
| 组号 | 纳米二氧化硅/g | 四氢呋喃/ml | 异丙醇/ml | 表面情况 | 显微镜下观察 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0.1 | 5 | 5 | ![]() | ![]() |
| 2 | 0.1 | 5 | 10 | ![]() | ![]() |
| 3 | 0.1 | 10 | 5 | ![]() | ![]() |
表6 筛选稀释剂与溶剂挥发剂配比(一)
Table 6 Screening diluent and solvent volatile ratio(Ⅰ)
| 组号 | 纳米二氧化硅/g | 四氢呋喃/ml | 异丙醇/ml | 表面情况 | 显微镜下观察 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0.1 | 5 | 5 | ![]() | ![]() |
| 2 | 0.1 | 5 | 10 | ![]() | ![]() |
| 3 | 0.1 | 10 | 5 | ![]() | ![]() |
| 组号 | 纳米二氧 化硅/g | 四氢呋喃/ml | 异丙醇/ml | 滚动角/(°) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 0.1 | 5 | 5 | 8.017 |
| 2 | 0.1 | 5 | 6 | 8.102 |
| 3 | 0.1 | 5 | 7 | 8.083 |
| 4 | 0.1 | 5 | 8 | 8.052 |
| 5 | 0.1 | 5 | 9 | 8.024 |
| 6 | 0.1 | 5 | 10 | 8.006 |
表7 筛选稀释剂与溶剂挥发剂配比(二)
Table 7 Screening diluent and solvent volatile ratio(Ⅱ)
| 组号 | 纳米二氧 化硅/g | 四氢呋喃/ml | 异丙醇/ml | 滚动角/(°) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 0.1 | 5 | 5 | 8.017 |
| 2 | 0.1 | 5 | 6 | 8.102 |
| 3 | 0.1 | 5 | 7 | 8.083 |
| 4 | 0.1 | 5 | 8 | 8.052 |
| 5 | 0.1 | 5 | 9 | 8.024 |
| 6 | 0.1 | 5 | 10 | 8.006 |
| 组号 | 纳米二氧化硅/g | 四氢呋喃/ml | 异丙醇/ml | 硅烷偶联剂/ml | 酚酞偶联剂/ml | 表面情况 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0.1 | 5 | 6 | 0.05 | — | ![]() |
| 2 | 0.1 | 5 | 6 | — | 0.05 | ![]() |
表8 筛选界面活性剂
Table 8 Screening interface active agent
| 组号 | 纳米二氧化硅/g | 四氢呋喃/ml | 异丙醇/ml | 硅烷偶联剂/ml | 酚酞偶联剂/ml | 表面情况 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0.1 | 5 | 6 | 0.05 | — | ![]() |
| 2 | 0.1 | 5 | 6 | — | 0.05 | ![]() |
| 组号 | 纳米二氧化硅/g | 四氢呋喃/ml | 异丙醇/ml | 硅烷偶联剂/ml | 方片表面 | 显微镜观察情况 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0.05 | 5 | 6 | 0.05 | ![]() | ![]() |
| 2 | 0.1 | 5 | 6 | 0.05 | ![]() | ![]() |
| 3 | 0.15 | 5 | 6 | 0.05 | ![]() | ![]() |
| 4 | 0.2 | 5 | 6 | 0.05 | ![]() | ![]() |
| 5 | 0.25 | 5 | 6 | 0.05 | ![]() | ![]() |
表9 确定最佳纳米填充剂用量
Table 9 Determine the optimal nano filler dosage
| 组号 | 纳米二氧化硅/g | 四氢呋喃/ml | 异丙醇/ml | 硅烷偶联剂/ml | 方片表面 | 显微镜观察情况 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0.05 | 5 | 6 | 0.05 | ![]() | ![]() |
| 2 | 0.1 | 5 | 6 | 0.05 | ![]() | ![]() |
| 3 | 0.15 | 5 | 6 | 0.05 | ![]() | ![]() |
| 4 | 0.2 | 5 | 6 | 0.05 | ![]() | ![]() |
| 5 | 0.25 | 5 | 6 | 0.05 | ![]() | ![]() |
| 因素 | 水平 | ||
|---|---|---|---|
| -1 | 0 | 1 | |
| A/ml | 3 | 3.5 | 4 |
| B/ml | 2 | 2.5 | 3 |
| C/g | 0.4 | 0.5 | 0.6 |
表10 三因素水平响应曲面分析实验设计
Table 10 Three factor horizontal response surface analysis experimental design
| 因素 | 水平 | ||
|---|---|---|---|
| -1 | 0 | 1 | |
| A/ml | 3 | 3.5 | 4 |
| B/ml | 2 | 2.5 | 3 |
| C/g | 0.4 | 0.5 | 0.6 |
| 组号 | A/ml | B/ml | C /g | 碳酸钙的结晶量/g |
|---|---|---|---|---|
| 1 | -1 | -1 | 0 | 0.1515 |
| 2 | 1 | -1 | 0 | 0.0937 |
| 3 | -1 | 1 | 0 | 0.1168 |
| 4 | 1 | 1 | 0 | 0.0272 |
| 5 | -1 | 0 | -1 | 0.2172 |
| 6 | 1 | 0 | -1 | 0.0822 |
| 7 | -1 | 0 | 1 | 0.0858 |
| 8 | 1 | 0 | 1 | 0.0388 |
| 9 | 0 | -1 | -1 | 0.1656 |
| 10 | 0 | 1 | -1 | 0.1193 |
| 11 | 0 | -1 | 1 | 0.0897 |
| 12 | 0 | 1 | 1 | 0.0225 |
| 13 | 0 | 0 | 0 | 0.0757 |
| 14 | 0 | 0 | 0 | 0.0808 |
| 15 | 0 | 0 | 0 | 0.0641 |
| 16 | 0 | 0 | 0 | 0.0796 |
| 17 | 0 | 0 | 0 | 0.0627 |
表11 响应曲面优化碳酸钙的结晶量实验设计与结果
Table 11 Experimental design and results of response surface optimization for calcium carbonate crystallization
| 组号 | A/ml | B/ml | C /g | 碳酸钙的结晶量/g |
|---|---|---|---|---|
| 1 | -1 | -1 | 0 | 0.1515 |
| 2 | 1 | -1 | 0 | 0.0937 |
| 3 | -1 | 1 | 0 | 0.1168 |
| 4 | 1 | 1 | 0 | 0.0272 |
| 5 | -1 | 0 | -1 | 0.2172 |
| 6 | 1 | 0 | -1 | 0.0822 |
| 7 | -1 | 0 | 1 | 0.0858 |
| 8 | 1 | 0 | 1 | 0.0388 |
| 9 | 0 | -1 | -1 | 0.1656 |
| 10 | 0 | 1 | -1 | 0.1193 |
| 11 | 0 | -1 | 1 | 0.0897 |
| 12 | 0 | 1 | 1 | 0.0225 |
| 13 | 0 | 0 | 0 | 0.0757 |
| 14 | 0 | 0 | 0 | 0.0808 |
| 15 | 0 | 0 | 0 | 0.0641 |
| 16 | 0 | 0 | 0 | 0.0796 |
| 17 | 0 | 0 | 0 | 0.0627 |
| 来源 | 离差平方和 | 自由度 | 均方 | F值 | P值 | 显著性 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| R2 =0.9884, R2(Adj) =0.9735, R2 (Pred)=0.9211 | ||||||
| 模型 | 0.04 | 9 | 0.00441 | 66.38 | < 0.0001 | ** |
| A | 0.014 | 1 | 0.014 | 204.08 | < 0.0001 | ** |
| B | 0.00576 | 1 | 0.00576 | 86.7 | < 0.0001 | ** |
| C | 0.015 | 1 | 0.015 | 227.12 | < 0.0001 | ** |
| AB | 0.000253 | 1 | 0.000253 | 3.8 | 0.0921 | |
| AC | 0.00194 | 1 | 0.00194 | 29.13 | 0.001 | ** |
| BC | 0.000109 | 1 | 0.000109 | 1.64 | 0.2407 | |
| A2 | 0.00104 | 1 | 0.00104 | 15.66 | 0.0055 | ** |
| B2 | 0.000341 | 1 | 0.000341 | 5.13 | 0.0579 | |
| C2 | 0.00132 | 1 | 0.00132 | 19.84 | 0.003 | ** |
| 残差 | 0.000465 | 7 | 0.0000665 | |||
| 失拟项 | 0.000169 | 3 | 0.0000564 | 0.76 | 0.5716 | ns |
| 纯误差 | 0.000296 | 4 | 0.000074 | |||
| 总和 | 0.04 | 16 | ||||
表12 碳酸钙的结晶量模型及回归系数的回归分析结果
Table 12 The results of regression analysis of calcium carbonate crystal volume model and regression coefficient
| 来源 | 离差平方和 | 自由度 | 均方 | F值 | P值 | 显著性 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| R2 =0.9884, R2(Adj) =0.9735, R2 (Pred)=0.9211 | ||||||
| 模型 | 0.04 | 9 | 0.00441 | 66.38 | < 0.0001 | ** |
| A | 0.014 | 1 | 0.014 | 204.08 | < 0.0001 | ** |
| B | 0.00576 | 1 | 0.00576 | 86.7 | < 0.0001 | ** |
| C | 0.015 | 1 | 0.015 | 227.12 | < 0.0001 | ** |
| AB | 0.000253 | 1 | 0.000253 | 3.8 | 0.0921 | |
| AC | 0.00194 | 1 | 0.00194 | 29.13 | 0.001 | ** |
| BC | 0.000109 | 1 | 0.000109 | 1.64 | 0.2407 | |
| A2 | 0.00104 | 1 | 0.00104 | 15.66 | 0.0055 | ** |
| B2 | 0.000341 | 1 | 0.000341 | 5.13 | 0.0579 | |
| C2 | 0.00132 | 1 | 0.00132 | 19.84 | 0.003 | ** |
| 残差 | 0.000465 | 7 | 0.0000665 | |||
| 失拟项 | 0.000169 | 3 | 0.0000564 | 0.76 | 0.5716 | ns |
| 纯误差 | 0.000296 | 4 | 0.000074 | |||
| 总和 | 0.04 | 16 | ||||
| 组号 | 聚乙烯醇/g | 壳聚糖/g | 断裂伸长率/% |
|---|---|---|---|
| 1 | 0.5 | 0.5 | 30 |
| 2 | 1 | 0.5 | 47 |
| 3 | 0.5 | 1 | 7 |
表13 聚乙烯醇与壳聚糖混合胶材料
Table 13 Mixed rubber materials of polyvinyl alcohol and chitosan
| 组号 | 聚乙烯醇/g | 壳聚糖/g | 断裂伸长率/% |
|---|---|---|---|
| 1 | 0.5 | 0.5 | 30 |
| 2 | 1 | 0.5 | 47 |
| 3 | 0.5 | 1 | 7 |
| 组号 | 聚乙烯醇/g | 海藻酸钠/g | 断裂伸长率/% |
|---|---|---|---|
| 1 | 0.5 | 0.5 | 87.5 |
| 2 | 1 | 0.5 | 70.0 |
| 3 | 0.5 | 1 | 40 |
表14 聚乙烯醇和海藻酸钠混合胶材料(一)
Table 14 Polyvinyl alcohol and sodium alginate mixed rubber material(Ⅰ)
| 组号 | 聚乙烯醇/g | 海藻酸钠/g | 断裂伸长率/% |
|---|---|---|---|
| 1 | 0.5 | 0.5 | 87.5 |
| 2 | 1 | 0.5 | 70.0 |
| 3 | 0.5 | 1 | 40 |
| 组号 | 聚乙烯醇/g | 海藻酸钠/g | 断裂伸长率/% |
|---|---|---|---|
| 1 | 1 | 0.8 | 400 |
| 2 | 1 | 0.5 | 700 |
| 3 | 1 | 0.3 | 1300 |
| 4 | 1 | 0.1 | 1700 |
表15 聚乙烯醇和海藻酸钠混合胶材料(二)
Table 15 Polyvinyl alcohol and chitosan mixed rubber material(Ⅱ)
| 组号 | 聚乙烯醇/g | 海藻酸钠/g | 断裂伸长率/% |
|---|---|---|---|
| 1 | 1 | 0.8 | 400 |
| 2 | 1 | 0.5 | 700 |
| 3 | 1 | 0.3 | 1300 |
| 4 | 1 | 0.1 | 1700 |
| 界面 | 原始溶液中Ca2+浓度/(mg/L) | (滤纸+垢样)/mg | 滤纸/mg | 垢样/mg | 结晶中Ca2+浓度/(mg/L) |
|---|---|---|---|---|---|
| 原始界面 | 802 | 1390.7 | 987.1 | 412.6 | 330.6 |
| 疏水界面 | 802 | 1765.2 | 983.7 | 821.4 | 660 |
| 阻垢界面 | 802 | 1000.2 | 983.1 | 67.5 | 54.0 |
表16 实验室模拟结晶情况
Table 16 Laboratory simulation of crystallization
| 界面 | 原始溶液中Ca2+浓度/(mg/L) | (滤纸+垢样)/mg | 滤纸/mg | 垢样/mg | 结晶中Ca2+浓度/(mg/L) |
|---|---|---|---|---|---|
| 原始界面 | 802 | 1390.7 | 987.1 | 412.6 | 330.6 |
| 疏水界面 | 802 | 1765.2 | 983.7 | 821.4 | 660 |
| 阻垢界面 | 802 | 1000.2 | 983.1 | 67.5 | 54.0 |
| 管材类型 | 平均粗糙度/μm | |
|---|---|---|
| 原始管材 | 11.920 | |
| 带有疏水内层材料的管材 | 0 d | 7.303 |
| 10 d | 6.864 | |
| 20 d | 6.707 | |
| 30 d | 6.645 | |
表17 涂覆有疏水内层的管壁粗糙度测量(30 d)
Table 17 Wall roughness measurement with a hydrophobic inner coating (30 d)
| 管材类型 | 平均粗糙度/μm | |
|---|---|---|
| 原始管材 | 11.920 | |
| 带有疏水内层材料的管材 | 0 d | 7.303 |
| 10 d | 6.864 | |
| 20 d | 6.707 | |
| 30 d | 6.645 | |
| 管材类型 | 平均粗糙度/μm | |
|---|---|---|
| 原始管材 | 11.920 | |
| 涂覆阻垢外层材料的管材 | 0 d | 4.214 |
| 10 d | 4.212 | |
| 20 d | 4.212 | |
| 30 d | 4.212 | |
表18 涂覆有阻垢外层的管壁粗糙度测量(30 d)
Table 18 Wall roughness measurement with a hydrophobic inner coating (30 d)
| 管材类型 | 平均粗糙度/μm | |
|---|---|---|
| 原始管材 | 11.920 | |
| 涂覆阻垢外层材料的管材 | 0 d | 4.214 |
| 10 d | 4.212 | |
| 20 d | 4.212 | |
| 30 d | 4.212 | |
| 时间/d | 材料平均厚度/μm |
|---|---|
| 0 | 36.42 |
| 10 | 34.21 |
| 20 | 33.93 |
| 30 | 33.87 |
表19 涂覆有疏水内层的管壁厚度测量(30 d)
Table 19 Wall thickness measurement with a hydrophobic inner coating (30 d)
| 时间/d | 材料平均厚度/μm |
|---|---|
| 0 | 36.42 |
| 10 | 34.21 |
| 20 | 33.93 |
| 30 | 33.87 |
| 时间/d | 材料平均厚度/μm |
|---|---|
| 0 | 987.30 |
| 10 | 867.51 |
| 20 | 843.72 |
| 30 | 830.23 |
表20 涂覆有阻垢外层的管壁厚度测量(30 d)
Table 20 Wall thickness measurement with scale resistant coating (30 d)
| 时间/d | 材料平均厚度/μm |
|---|---|
| 0 | 987.30 |
| 10 | 867.51 |
| 20 | 843.72 |
| 30 | 830.23 |
| 序号 | 粗糙度/μm | 涂层厚度/m | 磨损表面积/m2 | 平均磨损率/(kg/(m2·s)) | 时长/d | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 合计 | 450.36 | |||||
| 1 | 7.303 | 0.0000364 | 1.809557369 | 3.68×10-9 | 123.3937001 | |
| 2 | 6.864 | 0.0000342 | 1.809557369 | 4.20×10-9 | 101.6899615 | |
| 3 | 6.707 | 0.0000339 | 1.809557369 | 3.98×10-9 | 106.4081376 | |
| 4 | 6.645 | 0.0000338 | 1.809557369 | 3.56×10-9 | 118.8659072 | |
表21 Ansys fluent软件模拟疏水内层耐久时长
Table 21 Ansys fluent software simulates the duration of coating
| 序号 | 粗糙度/μm | 涂层厚度/m | 磨损表面积/m2 | 平均磨损率/(kg/(m2·s)) | 时长/d | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 合计 | 450.36 | |||||
| 1 | 7.303 | 0.0000364 | 1.809557369 | 3.68×10-9 | 123.3937001 | |
| 2 | 6.864 | 0.0000342 | 1.809557369 | 4.20×10-9 | 101.6899615 | |
| 3 | 6.707 | 0.0000339 | 1.809557369 | 3.98×10-9 | 106.4081376 | |
| 4 | 6.645 | 0.0000338 | 1.809557369 | 3.56×10-9 | 118.8659072 | |
| 序号 | 粗糙度/μm | 涂层厚度/m | 磨损表面积/m2 | 平均磨损率/(kg/(m2·s)) | 时长/d | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 合计 | 184.36 | |||||
| 1 | 4.214 | 0.9873 | 1.809557369 | 3.26×10-4 | 51.58242594 | |
| 2 | 4.212 | 0.8675 | 1.809557369 | 3.26×10-4 | 45.32336119 | |
| 3 | 4.212 | 0.8437 | 1.809557369 | 3.26×10-4 | 44.07990759 | |
| 4 | 4.212 | 0.8302 | 1.809557369 | 3.26×10-4 | 43.37458727 | |
表22 Ansys fluent软件模拟阻垢外层耐久时长
Table 22 Ansys fluent software simulates the duration of coating
| 序号 | 粗糙度/μm | 涂层厚度/m | 磨损表面积/m2 | 平均磨损率/(kg/(m2·s)) | 时长/d | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 合计 | 184.36 | |||||
| 1 | 4.214 | 0.9873 | 1.809557369 | 3.26×10-4 | 51.58242594 | |
| 2 | 4.212 | 0.8675 | 1.809557369 | 3.26×10-4 | 45.32336119 | |
| 3 | 4.212 | 0.8437 | 1.809557369 | 3.26×10-4 | 44.07990759 | |
| 4 | 4.212 | 0.8302 | 1.809557369 | 3.26×10-4 | 43.37458727 | |
| [1] | 李昕, 陈旭, 张士兵, 等. 公路隧道排水系统灰岩裂隙水结晶过程及机理分析[J]. 公路交通科技, 2023, 40(4): 136-142. |
| Li X, Chen X, Zhang S B, et al. Analysis of crystallization process and mechanism of limestone fissure water in highway tunnel drainage system[J]. Highway Transportation Technology, 2023, 40(4): 136-142. | |
| [2] | 叶飞, 王坚, 田崇明, 等. 隧道排水管结晶堵塞病害研究现状与防治技术[J]. 隧道与地下工程灾害防治, 2020, 2(3): 13-22. |
| Ye F, Wang J, Tian C M, et al. Research status and prevention technology of crystal blockage in tunnel drainage pipe[J]. Disaster Prevention and Control of Tunnel and Underground Engineering, 2020, 2(3): 13-22. | |
| [3] | 于清浩. 厦门翔安海底隧道防排水技术及防排水系统堵塞可能性研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2009. |
| Yu Q H. Study on anti-drainage technology and blockage possibility of anti-drainage system of Xiangan Undersea Tunnel in Xiamen[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2009. | |
| [4] | Hyuksang J, Yunsu H, Sungrae C, et al. Evaluation of advanced drainage treatment for old tunnel drainage system in Korea[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2013(38): 476-486. |
| [5] | 田崇明, 叶飞, 宋桂锋, 等. 隧道排水系统结晶堵塞机理及防治措施初探[J]. 现代隧道技术, 2020, 57(5): 66-76, 83. |
| Tian C M, Ye F, Song G F, et al. Study on mechanism and prevention measures of crystallization clogging in tunnel drainage system[J]. Modern Tunnel Technology, 2020, 57(5): 66-76, 83. | |
| [6] | 杨滕飞, 曹红波, 王洋. 高压水射流清洗海水管路技术[J]. 船海工程, 2018, 47(6): 111-114. |
| Yang T F, Cao H B, Wang Y. Technology of high pressure water jet cleaning seawater pipeline[J]. Marine Engineering, 2018, 47(6): 111-114. | |
| [7] | 陈昱池, 陈相阁, 张学富, 等. 基于磁处理法的隧道永磁体排水管防结晶试验[J]. 隧道建设(中英文), 2022, 42(12): 2105-2111. |
| Chen Y H, Chen X G, Zhang X F, et al. Anti-crystallization test of tunnel permanent magnet drain pipe based on magnetic treatment[J]. Tunnel Construction (Chinese & English), 2022, 42(12): 2105-2111. | |
| [8] | Wang Z, Su J, Hu X, et al. Isolation of biosynthetic crystals by microbially induced calcium carbonate precipitation and their utilization for fluoride removal from groundwater[J]. Journal of hazardous materials, 2021, 406: 124748. |
| [9] | 周厚安. 油气田开发中硫酸盐垢的形成及防垢剂和除垢剂研究与应用进展[J]. 石油与天然气化工, 1999(3): 212-214, 217. |
| Zhou H A. Formation of sulfate scale in oil and gas field development and research and application progress of anti-scale and descaling agents[J]. Petroleum & Gas Chemical Industry,1999(3): 212-214, 217. | |
| [10] | Jofre-Reche A J, Fuensanta M, Yáñez-Pacios A, et al. Improvement in adhesion, abrasion resistance, and aging of polyurethane coatings prepared with polycarbonate diol for internal pipelines[J]. Journal of Materials in CivilEngineering, 2017, 29(10): 06017009. |
| [11] | Samardžija M, Stojanović I, Kurtela M, et al. Influence of aluminum nanoparticles in epoxy resin and epoxy coating for anticorrosion and antibacterial protection in pipeline industry[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2024, 141(8): e55002. |
| [12] | Zhu Y, Li H, Zhu M, et al. Dynamic and active antiscaling via scale inhibitor pre-stored superhydrophobic coating[J]. Chemical Engineering Journal, 2021, 403: 126467. |
| [13] | 蒋雅君, 陶磊, 刘世军, 等. 岩溶隧道衬砌施工缝疏水涂层长期工作性能研究[J]. 中国公路学报, 2022, 35(4): 186-194. |
| Jiang Y J, Tao L, Liu S J, et al. Research on the long term performance of hydrophobic coating for construction joints of karst tunnel lining[J]. Chinese Journal of Highways, 2022, 35(4): 186-194. | |
| [14] | Huang X, Li C, Zuo K, et al. Predominant effect of material surface hydrophobicity on gypsum scale formation[J]. Environmental Science & Technology, 2020, 54(23): 15395-15404. |
| [15] | Wen J, Hu H, Luo Z, et al. Experimental investigation of flow past a circular cylinder with hydrophobic coating[J]. Journal of Hydrodynamics, 2018, 30: 992-1000. |
| [16] | Saji Viswanathan S. Carbon nanostructure-based superhydrophobic surfaces and coatings[J]. Nanotechnology Reviews, 2021, 10(1): 518-571. |
| [17] | Xiao Y, Hao R, Zhao S. Study on the sustained release behavior of a slow-release scale-inhibiting material[J]. Journal of Polymer Research, 2024, 31(6): 1-11. |
| [18] | 唐莉清, 李向红, 朱平, 等. 吐温-80对一种冷轧钢在氨基磺酸溶液中的缓蚀性能及机理研究[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2024, 44(6): 1538-1546. |
| Tang L Q, Li X H, Zhu P, et al. Study on corrosion inhibition properties and mechanism of a cold-rolled steel in sulfamic acid solution by Tween-80[J]. Chinese Journal of Corrosion and Protection, 2019, 44(6): 1538-1546. | |
| [19] | Devi M N, Raj K S, Subramanian V K. Synergistic effects of magnesium and EDTA on polymorphism and morphology of CaCO3 and its influence on scale[J]. Journal of crystal growth, 2021, 564: 126108. |
| [20] | Al-Roomi Y M, Hussain K F. Potential kinetic model for scaling and scale inhibition mechanism[J]. Desalination, 2016, 393: 186-195. |
| [21] | Wang C, Liu S, Li M, et al. Novel environmentally friendly waterborne epoxy coating with long-term antiscaling and anticorrosion properties[J]. Langmuir, 2021, 37(31): 9439-9450. |
| [22] | Zhu Y, Li H, Zhu M, et al. Dynamic and active antiscaling via scale inhibitor pre-stored superhydrophobic coating[J]. Chemical Engineering Journal, 2021, 403: 126467. |
| [23] | Parkash O, Kumar A, Sikarwar B S. Computational erosion wear model validation of particulate flow through mitre pipe bend[J]. Arabian Journal for Science and Engineering, 2021, 46: 12373-12390. |
| [24] | Jong-Hwi L, Ick-Chan C, Hyun-Gi K. Evaluation of technology for preventing drainage pipe blockage in deteriorated tunnel[C]//22nd International Offshore and Polar Engineering Conference. 2012: 606-611. |
| [25] | Higashitani K, Kage A, Katamura S, et al. Effects of a magnetic field on the formation of CaCO3 particles[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 1993, 156(1): 90-95. |
| [26] | Nebel H, Epple M. Continuous preparation of calcite, aragonite and vaterite, and of magnesium-substituted amorphous calcium carbonate (Mg-ACC)[J]. Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie, 2010, 634(8): 1439-1443. |
| [27] | Yang B, Zhang S H, Zou Y F, et al. Improving the thermal conductivity and mechanical properties of two-component room temperature vulcanized silicone rubber by filling with hydrophobically modified SiO2-graphene nanohybrids[J]. Chinese Journal of Polymer Science, 2019, 37: 189-196. |
| [28] | Zhang M, Zhu H, Xi B, et al. Surface hydrophobic modification of biochar by silane coupling agent KH-570[J]. Processes, 2022, 10(2): 301. |
| [29] | Sanjiv Raj K, Nirmala Devi M, Palanisamy K, et al. Individual and synergetic effect of EDTA and NTA on polymorphism and morphology of CaCO3 crystallization process in presence of Barium[J]. Journal of Solid State Chemistry, 2021, 302: 122026. |
| [30] | Jiang X, Xiang N, Zhang H, et al. Preparation and characterization of poly(vinyl alcohol)/sodium alginate hydrogel with high toughness and electric conductivity[J]. Carbohydrate polymers, 2018, 186: 377-383. |
| [31] | 国家市场监督管理总局, 中国国家标准化管理委员会, 全国塑料制品标准化技术委员会. 埋地用聚乙烯(PE)结构壁管道系统 第1部分: 聚乙烯双壁波纹管材: [S]. 北京: 中国标准出版社, 2019. |
| State Administration for Market Regulation, Standardization Administration of China, National Technical Committee for Standardization of Plastic Products. Polyethylene structure wall pipeline system for underground usage(part 1): Polyethylene double wall corrugated pipes: [S]. Beijing: Standards Press of China, 2019. | |
| [32] | Li K, Peng J, Li Y, et al. Performance prediction of solid particle erosion in fluidic oscillators for fluidic hammers based on CFD-DPM[J]. Powder Technology, 2023, 428: 118819. |
| [1] | 密晓光, 孙国刚, 程昊, 张晓慧. 印刷电路板式天然气冷却器性能仿真模型和验证[J]. 化工学报, 2025, 76(S1): 426-434. |
| [2] | 段浩磊, 陈浩远, 梁坤峰, 王林, 陈彬, 曹勇, 张晨光, 李硕鹏, 朱登宇, 何亚茹, 杨大鹏. 纯电动车热管理系统低GWP工质替代方案性能分析与综合评价[J]. 化工学报, 2025, 76(S1): 54-61. |
| [3] | 张文锋, 郭玮, 张新玉, 曹昊敏, 丁国良. 铝管铝翅片换热器模型开发及软件实现[J]. 化工学报, 2025, 76(S1): 84-92. |
| [4] | 王俊鹏, 冯佳琪, 张恩搏, 白博峰. 曲折式与阵列式迷宫阀芯结构内流动与空化特性研究[J]. 化工学报, 2025, 76(S1): 93-105. |
| [5] | 臧子晴, 李修真, 谈莹莹, 刘晓庆. 分凝器对两级分离自复叠制冷循环特性影响研究[J]. 化工学报, 2025, 76(S1): 17-25. |
| [6] | 赵子祥, 段钟弟, 孙浩然, 薛鸿祥. 大温差两相流动诱导水锤冲击的数值模型[J]. 化工学报, 2025, 76(S1): 170-180. |
| [7] | 黄灏, 王文, 贺隆坤. LNG船薄膜型液货舱预冷过程模拟与分析[J]. 化工学报, 2025, 76(S1): 187-194. |
| [8] | 汪思远, 刘国强, 熊通, 晏刚. 窗式空调器轴流风机的风速非均匀分布特性及其对冷凝器流路优化设计的影响规律[J]. 化工学报, 2025, 76(S1): 205-216. |
| [9] | 曹庆泰, 郭松源, 李建强, 蒋赞, 汪彬, 耑锐, 吴静怡, 杨光. 负过载下多孔隔板对液氧贮箱蓄液性能的影响研究[J]. 化工学报, 2025, 76(S1): 217-229. |
| [10] | 孙九春, 桑运龙, 王海涛, 贾浩, 朱艳. 泥水盾构仓体内射流对泥浆输送特性影响研究[J]. 化工学报, 2025, 76(S1): 246-257. |
| [11] | 何婷, 黄舒阳, 黄坤, 陈利琼. 基于余热利用的天然气化学吸收脱碳-高温热泵耦合流程研究[J]. 化工学报, 2025, 76(S1): 297-308. |
| [12] | 卓森庆, 陈华, 陈伟, 尚彬, 刘恒恒, 古汤汤, 白韡, 王龙炎, 曹昊敏, 丁国良. 多联式空调系统APF性能仿真的模型开发与软件实现[J]. 化工学报, 2025, 76(S1): 370-376. |
| [13] | 刘峰, 韩春硕, 张益, 刘彦成, 郁林军, 申家伟, 高晓泉, 杨凯. 高温高盐环境下单烃链和双烃链表面活性剂对油水界面性质影响的微观机理研究[J]. 化工学报, 2025, 76(6): 2939-2957. |
| [14] | 包兴, 郭雪岩. 圆柱颗粒结构修饰对填充床内流动和换热特性的影响[J]. 化工学报, 2025, 76(6): 2603-2615. |
| [15] | 张畅, 解强, 沙雨桐, 王炳杰, 梁鼎成, 刘金昌. 低灰低硅竹炭的制备及衍生硬炭的电化学性能[J]. 化工学报, 2025, 76(6): 3073-3083. |
| 阅读次数 | ||||||
|
全文 |
|
|||||
|
摘要 |
|
|||||
京公网安备 11010102001995号