动力泵循环式微纳米气泡水清洗出水文物的方法及装置

摘要

本发明公开了一种动力泵循环式微纳米气泡水清洗出水文物的方法及装置。所述方法为：通过溶气泵将空气和水加压混合得到气水混合物，该气水混合物再通过微纳米气泡发生器生成微纳米气泡水对出水文物进行清洗。本发明利用微纳米气泡的高效界面活性、超强的渗透作用及微爆破力，减弱文物与病害附着杂质间的结合力，将文物上的不同病害附着物进行剥离，从而完成出水文物的清洗。本发明方法与常规添加酸碱络合剂、超声等方法相比，为纯物理清洗方法，在有效清洗分离文物附着凝结物的同时，对文物无损伤，处理过程不产生环境污染物，效率高，可以大规模地应用于出水文物的清洗。

说明书

技术领域

本发明涉及出水文物清洗技术领域，具体涉及一种动力泵循环式微纳米气泡水清洗出水文物的方法及装置。

背景技术

文物是不可再生的遗存，承载着丰富的人类历史文化信息。在漫长的历史长河中，中国向世界各地输出了大量陶瓷器。海运作为一种传统的运输方式，具有量大、安全、便利且运价低廉等优势。但由于海难沉船事件时有发生，致使无数外销陶瓷器被遗留在茫茫大海深处。随着当今水下考古事业的发展，大量中国古代陶瓷器被从海洋中打捞出水。通过对船上陶瓷器文物的修复保护研究，可以更好地复原历史原貌，了解当时的制作工艺、科技文化、商业贸易等历史信息。

大部分海洋出水陶瓷器等文物，经海水长期浸泡和海洋生物、海泥等钙质物的长期作用，紧密胶结形成体积大小不一的坚硬凝结物。这些凝结物在外界温湿度改变的情况下，必然会对其中包裹的陶瓷等文物本体产生物理性挤压破坏，如何在确保文物安全的前提下，将这些文物从凝结物中完整提取出来，已成为迫在眉睫的难题。因此，开展海洋出水陶瓷器周体凝结物的清洗工艺研究，对于水下考古发掘出水陶瓷器的保护和保存，具有普遍而深远的意义。然而截至目前，对于沉船内文物表面附着的凝结材料的去除研究尚未系统开展。

随着大量珍贵文物的出土出水，伴之而来的是繁重而艰巨的文物保护工作。为了妥善保存文物，必须对其进行必要的修复保护处理。古陶瓷修复保护工艺流程包括：环境分析、现状调查，状态评估、清洗除垢、脱盐处理、拼对粘接、修补缺损，加固封护，仿色做旧等各种技术手段的选择和实施。

清洗是出水文物保护修复的首要步骤。出水文物病害包括可溶性盐、表面的沉积物、有机污垢等。其中文物表面附着的难溶盐沉积物、表面的生物病害等较难清除，常常需要机械清洗、化学清洗和超声波清洗。然而这些方法在清除污垢的同时，也可能会对瓷器的胎釉产生腐蚀，造成比较严重或潜在的损伤。并且，这些清洗方法也存在着种种缺点，如机械方法无法满足高清洁度清洗要求，而化学清洗方法容易导致环境污染，获得的清洁度也很有限，特别是当污垢成分复杂时，必须选用多种清洗剂反复清洗才可能满足表面清洁度的要求。北京大学的胡东波等人研究了常用化学清洗材料对瓷器的影响，发现一般情况下，清洗能力强的清洗剂，对瓷器的损伤也很强(胡东波,张红燕,常用清洗材料对瓷器的影响研究,文物保护与考古科学,2010,22(1):49-59)。

尽管超声波清洗法清洗效果不错，但对亚微米级污粒的清洗却表现得无能为力，同时清洗槽的尺寸也限制了清洗对象的范围和复杂程度，而且清洗后的文物需要快速干燥亦是一大难题。而近年来出现的激光清洗技术，比较适合小范围的高精度清洗，对于大范围腐蚀严重的场合效果有限。

因此，研究开发新的适合出水文物上不同病害特别是坚硬凝结物的清洗方法，对文物进行高效无损清洗，对于文物修复保护及复原历史原貌具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种动力泵循环式微纳米气泡水清洗出水文物的方法及装置。研发了新的适合出水文物上不同病害特别是坚硬凝结物的清洗方法，实现对出水文物的高效无损清洗。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种动力泵循环式微纳米气泡水清洗出水文物的方法，该方法为：通过溶气泵将空气和水加压混合得到气水混合物，该气水混合物再通过微纳米气泡发生器生成微纳米气泡水，利用生成的微纳米气泡水对出水文物进行清洗。

优选地，将空气和水加压混合时，空气流量与水流量的比例小于或等于10％。

优选地，所述溶气泵的出水压力为0.2～0.4Mpa。

优选地，当清洗出水文物的微纳米气泡水的电导率不变时，结束对出水文物的清洗。

本发明的技术方案中，通过溶气泵将空气和水加压混合，产生的气水混合物再通过微纳米气泡发生器生成微纳米气泡水，利用微纳米气泡的高效界面活性、超强的渗透作用及微爆破力，减弱文物与病害附着杂质间的结合力，将文物上的不同病害附着物进行剥离，从而完成出水文物的清洗。

本发明还提供一种动力泵循环式微纳米气泡水清洗出水文物的装置，该装置包括：灌泵漏斗、灌泵阀门、灌泵水罐、溶气泵、空气针型阀、空气流量传感器、止回阀、压力传感器、pH传感器、电导传感器、清洗槽、微纳米气泡发生器、精密过滤器和流量调节阀门；

所述灌泵漏斗和灌泵阀门安装于灌泵水罐上，灌泵水罐与溶气泵的进水口相连；

所述空气针型阀、空气流量传感器和止回阀安装于溶气泵的进气口，使空气和水能同时进入溶气泵中进行加压混合；

所述压力传感器、pH传感器和电导传感器安装在所述溶气泵的出水口管路上，用于监测系统运行参数；

所述微纳米气泡发生器安装在溶气泵的出水口管路的末端，并且微纳米气泡发生器置于清洗槽底部；

所述精密过滤器安装于所述清洗槽的出口处，用以过滤掉清洗过程中产生的颗粒杂质；

所述流量调节阀门安装在所述精密过滤器之后并与所述灌泵水罐相连，用以调节清洗系统中水的流量，并使水循环至所述灌泵水罐。

优选地，所述精密过滤器为碟片式精密过滤器，过滤精度为10微米。

优选地，清洗过程中，监测微纳米气泡水的pH值和电导率，文物清洗至微纳米气泡水的电导率不变为止。

上述装置对出水文物进行清洗的具体实施步骤如下：

第一步、在溶气泵进水口安装灌泵水罐、灌泵阀门和灌泵漏斗，在溶气泵进气口安装止回阀、空气流量传感器和空气针型阀，以使空气和水能同时进入溶气泵中进行加压混合。在溶气泵出水口管路上安装压力传感器、pH传感器和电导传感器，以监测系统运行参数。

第二步、在溶气泵出水口管路的末端处安装微纳米气泡发生器，并将其置于清洗槽底部。在清洗槽出水口安装过滤精度为10微米的碟片式精密过滤器，以过滤掉清洗过程中产生的颗粒杂质。过滤器之后安装流量调节阀门以调节清洗系统中水的流量，并使清洗槽中过滤后的水循环至灌泵水罐。

第三步、打开灌泵阀门，通过灌泵漏斗将自来水灌满灌泵水罐，然后关闭灌泵阀门。在清洗槽中放置要清洗的出水文物，并向清洗槽中充入自来水使文物浸没于水中。

第四步、启动溶气泵，调节空气针型阀使空气流量在0.05-0.1m³/h，同时调节流量调节阀门使水循环流量为0.5-1m³/h，并使空气流量与水流量的比例(操作状态下的体积比)小于或等于10％，相应溶气泵的出水压力为0.2-0.4Mpa。系统运行2-5分钟后，清洗槽中原来透明的水逐渐变成雾状的微纳米气泡水。文物在清洗槽中清洗2-70h，可间歇清洗，也可连续清洗。清洗过程中，监测微纳米气泡水的pH值和电导率。文物清洗至微纳米气泡水的电导率不变为止，此时文物上的病害附着物已被微纳米气泡水清洗松软，再进行常规机械清理(如用竹签刮除)，即完成文物的清洗。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1，本发明采用的出水文物清洗方法，利用微纳米气泡水实现文物与难溶盐沉积物、生物病害、海泥及其它金属和非金属混合杂质的分离。

2，本发明方法与常规添加酸碱络合剂、超声等方法相比，为纯物理清洗方法，在有效清洗分离文物附着凝结物的同时，对文物无损伤，处理过程不产生环境污染物，效率高。本发明方法将空气以微纳米气泡的形式分散于水中形成雾状微纳米气泡水，可以大规模地应用于出水文物的清洗分离。

附图说明

图1为本发明动力泵循环式微纳米气泡水清洗出水文物装置的结构示意图。

图2a为本发明实施例1中出水文物经微纳米气泡清洗前的图片。

图2b为本发明实施例1中出水文物经微纳米气泡清洗后的图片。

图3为本发明实施例3中出水文物样品的X射线荧光光谱图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来说明本发明的技术方案。

参见图1，该图为本发明动力泵循环式微纳米气泡水清洗出水文物装置的结构示意图，以下实施例中涉及的出水文物清洗均采用该装置。如图1所示，该装置包括：灌泵漏斗1、灌泵阀门2、灌泵水罐3、空气针型阀4、空气流量传感器5、止回阀6、溶气泵7、压力传感器8、pH传感器9、电导传感器10、清洗槽11、微纳米气泡发生器12、碟片式精密过滤器13和流量调节阀门14。其中，灌泵漏斗1和灌泵阀门2安装于灌泵水罐3之上，灌泵水罐3与溶气泵7的进水口相联；针型阀4、空气流量传感器5和止回阀6依次安装于溶气泵7的进气口，使空气和水能同时进入溶气泵中进行加压混合。在溶气泵7出水口管路中安装压力传感器8、pH传感器9和电导传感器10，用以监测系统运行参数。微纳米气泡发生器12置于清洗槽11底部，微纳米气泡发生器12与溶气泵7的出水口管路末端相连。碟片式精密过滤器13安装于清洗槽11的出口处，用以过滤掉清洗过程中产生的颗粒杂质，碟片式精密过滤器13的过滤精度为10微米。碟片式精密过滤器13之后安装流量调节阀门14，用以调节清洗系统中水的流量，并使水全部回流至灌泵水罐3进行循环。

实施例1

本实施例针对出水高温烧结陶瓷器表面的沉积物病害进行清洗。

选取南海1号沉船中8号出水陶瓷片，尺寸为47*31mm，其上有坚硬附着物，经拉曼光谱分析主要成分为碳酸钙。陶瓷片清洗前如图2a所示，可以看出，该陶瓷片表面光滑，系高温烧结而成。

在溶气泵进水口安装灌泵水罐、阀门和漏斗，在进气口安装止回阀、空气流量传感器和针型阀。在溶气泵出水口管路中安装压力传感器、pH传感器和电导传感器。在溶气泵出水口管路末端安装微纳米气泡发生器，并将其置于清洗槽底部。微纳米气泡发生器采用高速旋回式微纳米气泡发生装置(马骏等，应用于含油废水处理的新型加压溶气气浮技术，全国石油与化工节能节水技术交流会暨化工节水与膜应用研讨会，2011，pp208-213)。在清洗槽出水口安装过滤精度为10微米的碟片式精密过滤器，过滤器之后安装流量调节阀门，并使水循环至灌泵水罐。

打开灌泵阀门，通过灌泵漏斗将自来水灌满灌泵水罐，然后关闭灌泵阀门。在清洗槽中放置8号出水陶瓷片，并充入自来水使文物浸没于水中。启动溶气泵，调节空气针型阀使空气流量在0.1m³/h，同时调节流量调节阀门使水循环流量为1m³/h，相应溶气泵的出水压力为0.4Mpa，使空气和水能同时进入溶气泵中进行加压混合。系统运行2分钟后，清洗槽中原来透明的水逐渐变成雾状的微纳米气泡水。文物在清洗槽中连续清洗2h。清洗过程中，监测微纳米气泡水的pH值在7-8之间。文物清洗2h后微纳米气泡水的电导率为500μS/cm并保持不变，此时文物上的病害附着物已被微纳米气泡水清洗松软，用竹签轻轻刮除剥离附着物，完成文物的清洗，清洗后的陶瓷片如图2b所示。

8号出水陶瓷片经微纳米气泡法清洗后，根据《可移动文物病害评估技术规程》文物保护行业标准(WW/T 0056-2014，WW/T 0056-2014)，采用色差、光泽度差和表面损伤等指标对清洗前后文物的状况进行安全性评估。结果表明，色差为3.21(此值小于5便认为无变化)，光泽度差为0.4(此值小于1便认为无变化)，此外显微分析表明陶瓷片表面釉面无明显变化，这表明8号出水陶瓷片表面经微纳米气泡水清洗后无损伤。

本实施例表明，微纳米气泡法对于清洗出水高温烧结陶瓷器表面的沉积物病害是安全有效的。

实施例2

本实施例针对出水低温烧结陶瓷器表面的沉积物病害进行清洗。

选取南海1号沉船中14号出水陶瓷片，尺寸为45*45mm，其上有坚硬附着物，经拉曼光谱分析主要成分为碳酸钙。从该陶瓷片外观可以看出，该陶瓷片表面粗糙，系低温烧结而成。

在溶气泵进水口安装灌泵水罐、阀门和漏斗，在进气口安装止回阀、空气流量传感器和针型阀。在溶气泵出水口管路中安装压力传感器、pH传感器和电导传感器。在溶气泵出水口管路末端安装微纳米气泡发生器，并将其置于清洗槽底部。微纳米气泡发生器采用高速旋回式微纳米气泡发生装置。在清洗槽出水口安装过滤精度为10微米的碟片式精密过滤器，过滤器之后安装流量调节阀门，并使水循环至灌泵水罐。

打开灌泵阀门，通过灌泵漏斗将自来水灌满灌泵水罐，然后关闭灌泵阀门。在清洗槽中放置14号出水陶瓷片，并充入自来水使文物浸没于水中。启动溶气泵，调节空气针型阀使空气流量在0.06m³/h，同时调节流量调节阀门使水循环流量为0.7m³/h，相应溶气泵的出水压力为0.3Mpa，使空气和水能同时进入溶气泵中进行加压混合。系统运行3分钟后，清洗槽中原来透明的水逐渐变成雾状的微纳米气泡水。文物在清洗槽中连续清洗30h。清洗过程中，监测微纳米气泡水的pH值在7-8之间。文物清洗30h后微纳米气泡水的电导率为650μS/cm并保持不变，此时文物上的病害附着物已被微纳米气泡水松软，用竹签轻轻刮除剥离附着物，完成文物的清洗。

14号出水陶瓷片经微纳米气泡法清洗后，根据《可移动文物病害评估技术规程》文物保护行业标准(WW/T 0056-2014，WW/T 0056-2014)，采用色差、光泽度差和表面损伤等指标对清洗前后文物的状况进行安全性评估。结果表明，色差为3.68(此值小于5便认为无变化)，光泽度差为0.2(此值小于1便认为无变化)，此外显微分析表明陶瓷片表面釉面无明显变化，这表明14号出水陶瓷片表面经微纳米气泡水清洗后无损伤。

本实施例表明，微纳米气泡法对于清洗出水低温烧结陶瓷器表面的沉积物病害是安全有效的。

实施例3

本实施例针对表面有金属侵蚀沉积物病害的出水陶瓷器进行清洗。

选取南海1号沉船中18号出水陶瓷片，尺寸为95*59mm，其上有金属侵蚀物，经X射线荧光光谱分析，检测出相对含量较高的铁元素，参见图3，该图为18号出水陶瓷片的X射线荧光光谱图。

在溶气泵进水口安装灌泵水罐、阀门和漏斗，在进气口安装止回阀、空气流量传感器和针型阀。在溶气泵出水口管路中安装压力传感器、pH传感器和电导传感器。在溶气泵出水口管路末端安装微纳米气泡发生器，并将其置于清洗槽底部。微纳米气泡发生器采用高速旋回式微纳米气泡发生装置。在清洗槽出水口安装过滤精度为10微米的碟片式精密过滤器，过滤器之后安装流量调节阀门，并使水循环至灌泵水罐。

打开灌泵阀门，通过灌泵漏斗将自来水灌满灌泵水罐，然后关闭灌泵阀门。在清洗槽中放置18号出水陶瓷片，并充入自来水使文物浸没于水中。启动溶气泵，调节空气针型阀使空气流量在0.05m³/h，同时调节流量调节阀门使水循环流量为0.5m³/h，相应溶气泵的出水压力为0.2Mpa，使空气和水能同时进入溶气泵中进行加压混合。系统运行5分钟后，清洗槽中原来透明的水逐渐变成雾状的微纳米气泡水。文物在清洗槽中间歇清洗70h。清洗过程中，监测微纳米气泡水的pH值在7-8之间。文物清洗70h后微纳米气泡水的电导率为600μS/cm并保持不变，此时文物上的病害附着物已被微纳米气泡水松软，用竹签轻轻刮除剥离附着物，完成文物的清洗。

18号出水陶瓷片经微纳米气泡法清洗后，根据《可移动文物病害评估技术规程》文物保护行业标准(WW/T 0056-2014，WW/T 0056-2014)，采用色差、光泽度差和表面损伤等指标对清洗前后文物的状况进行安全性评估。结果表明，色差为1.62(此值小于5便认为无变化)，光泽度差为0.1(此值小于1便认为无变化)，此外显微分析表明陶瓷片表面釉面无明显变化，这表明18号出水陶瓷片表面经微纳米气泡水清洗后无损伤。

本实施例表明，微纳米气泡法对于清洗出水陶瓷器表面的金属侵蚀沉积物病害是安全有效的。

实施例4

本实施例针对表面带有裂缝病害的出水陶瓷器进行清洗。

选取南海1号沉船中2号出水陶瓷为一残缺的器物，直径69mm，高37mm，其上有6条长短不一的裂缝，裂缝宽度为0.074-0.076mm。该样品表面带有金属侵蚀沉积物病害。

在溶气泵进水口安装灌泵水罐、阀门和漏斗，在进气口安装止回阀、空气流量传感器和针型阀。在溶气泵出水口管路中安装压力传感器、pH传感器和电导传感器。在溶气泵出水口管路末端安装微纳米气泡发生器，并将其置于清洗槽底部。微纳米气泡发生器采用高速旋回式微纳米气泡发生装置。在清洗槽出水口安装过滤精度为10微米的碟片式精密过滤器，过滤器之后安装流量调节阀门，并使水循环至灌泵水罐。

打开灌泵阀门，通过灌泵漏斗将自来水灌满灌泵水罐，然后关闭灌泵阀门。在清洗槽中放置2号出水陶瓷片，并充入自来水使文物浸没于水中。启动溶气泵，调节空气针型阀使空气流量在0.1m³/h，同时调节流量调节阀门使水循环流量为1m³/h，相应溶气泵的出水压力为0.4Mpa，使空气和水能同时进入溶气泵中进行加压混合。系统运行2分钟后，清洗槽中原来透明的水逐渐变成雾状的微纳米气泡水。文物在清洗槽中连续清洗10h。清洗过程中，监测微纳米气泡水的pH值在7-8之间。文物清洗10h后微纳米气泡水的电导率为680μS/cm并保持不变，此时文物上的病害附着物已被微纳米气泡水松软，用竹签轻轻刮除剥离附着物，完成文物的清洗。

2号出水陶瓷片经微纳米气泡法清洗后，根据《可移动文物病害评估技术规程》文物保护行业标准(WW/T 0056-2014，WW/T 0056-2014)，采用色差、光泽度差和表面损伤等指标对清洗前后文物的状况进行安全性评估。结果表明，色差为3.23(此值小于5便认为无变化)，光泽度差为0.4(此值小于1便认为无变化)，此外显微分析表明陶瓷片表面釉面无明显变化，裂缝宽度为0.074-0.076mm，无明显变化，这表明2号出水陶瓷片表面经微纳米气泡水清洗后无损伤。

本实施例表明，微纳米气泡法对于清洗带有裂缝病害的出水陶瓷器是安全有效的。

上述仅为本发明的优选实施例，本发明并不仅限于实施例的内容。对于本领域中的技术人员来说，在本发明的技术方案范围内可以有各种变化和更改，所作的任何变化和更改，均在本发明保护范围之内。