摘要
饮用水水垢是用户普遍关注的问题，其不但影响饮水感官，质疑饮水安全，而且易在供水设施及饮水器壁上结垢，对用户生活与工业生产中产生影响。现有对生水检测的水质指标不能直接反映烧水水垢生成量，且同样条件下不同器壁上结垢差异较大，表明器壁材料及表面特性对结垢有重要影响。本文基于烧水水垢的生成原理，提出一种烧水水垢生成量快速检测方法，探究了水垢在不同器壁界面形成及附着特性，研究成果为饮用水品质提升、供水设施材料选择和开发提供理论支撑。 烧水破坏饮用水碳酸平衡而形成水垢，提出负压破坏碳酸平衡形成水垢，建立水垢引起的浊度差与水垢生成量的关系，建立烧水水垢生成量的快速检测方法；选择常见的铜、不锈钢、镀锌、铁、铝、玻璃、聚乙烯（PE）、三型聚丙烯（PPR）8种板材，经过反复长时间烧水结垢，测定水垢在不同板材界面上附着量、腐蚀量、水垢覆盖形貌、附着晶型和粘附性能等材料表面结垢的宏观特性；借助扫描电镜，探究了材料表面特性与初始微观结垢特性之间的关联关系；通过材料表面与水垢之间的界面原子力，探究不同材料表面水垢粘附聚集的成因。本论文研究如下： （1）水垢产生的原因是温度升高破坏碳酸平衡，利用负压快速破坏水中碳酸平衡，建立了水垢与浊度差之间的函数，提出了烧水水垢的快速检测方法和相应的装置。 （2）结垢宏观特性研究表明，铁表面附着量最大（59.0mg），PPR表面附着量最小（10.5mg）；材料腐蚀质量中铁的腐蚀质量最大（12.5mg），非金属材料基本无腐蚀质量，可以看出材料的抗腐蚀性能越好越难以结垢；对于宏观水垢覆盖形貌来说，在反复烧水后器壁面上的水垢存在形式有所差异，镀锌、铁主要以聚集状态的层状垢存在，不锈钢、铜、铝以及三种非金属板材主要是颗粒状态的水垢。可以看出水垢在器壁面上的分布形式是宏观结垢巨大差异的原因：如果材料表面形成一层一层覆盖的垢状将加快后续结垢，而形成散乱的颗粒垢则会防止后续结垢。不锈钢、铁、铝表面附着晶型主要都为方解石，而铜和镀锌表面主要为文石，还有少量方解石和草酸钙。玻璃表面主要为文石，PPR表面主要为草酸钙，PE表面为球霰石；利用超声去除板材上附着的水垢发现，镀锌的去除效果最差、铜、铝、铁、不锈钢次之，非金属板材的去除最好。 （3）结垢微观特性研究表明，在四种情景（60℃，pH=7、80℃，pH=7、60℃，pH=9、80℃，pH=7）条件下，无论哪一种情景下铁表面水垢结垢量最大，而玻璃表面水垢结垢量最小。对于材料特性来说，材料表面的粗糙度大，容易提供更多的成核位点，导致水垢聚集在特定区域以层状分布为主，使得后期形成大尺寸水垢并覆盖表面。反之，会形成散乱的颗粒水垢。接触角越大会导致前期水垢附着量越大，从而影响宏观结垢质量。表面自由能则影响水垢起始阶段的形貌变化从而影响宏观晶型，高表面能会形成更多的文石或混合晶型，低表面能则是形成更多的方解石。 （4）利用原子力显微镜测定不同材料表面及垢层形成后的作用力，表明当材料表面亲水时，材料表面易形成薄膜水层，能够有效防止结垢；不同时段水垢之间的粘附力受到了首次结垢特性的影响，未形成垢层时颗粒间粘附力小于形成垢层时颗粒将粘附力，其原因可能是垢层导致粘附界面粗糙度变大，粘附力增加而水垢颗粒容易聚集，形成不同的水垢覆盖形貌现象。
NETL