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            磁場水處理阻垢機理及其應用研究

            來源:環保新聞網|上海市環境保護產業協會(滬環協)官方網 作者:環保新聞網|上海市環境保護產業協會(滬環協)官方網 發布時間:2012-01-03 查看次數:3193

            在工業生產中,循環系統中的水運行一段時間后會產生水垢,而水垢的形成不僅會堵塞管道,減小液體流通面積,加大系統功率損耗,縮短設備使用壽命,降低熱交換器傳熱效率,還會引起微生物細菌的大量繁衍,導致材料的腐蝕。因此如何有效地控制水垢的生成對生產的安全運行至關重要。硬水在管道表面生成的水垢主要由鈣、鎂等離子的碳酸鹽、硫酸鹽等組成〔1〕。目前采用的阻垢、抑垢方法有物理方法和化學方法;瘜W方法一般是通過添加藥劑使硬水軟化,或通過添加阻垢劑使其與成垢離子形成絡合物,或使碳酸鈣晶體等發生晶格畸變,或分散碳酸鈣微晶等以防止鈣垢、鎂垢等在熱交換器表面沉積,從而達到阻垢的目的。物理方法主要包括磁場水處理技術、ECO-GEM 電氣石防垢技術、靜電水處理技術、脈沖射電水處理技術、超聲波水處理技術等。其中磁場水處理技術能有效地防止管道和設備結垢,避免因投加化學藥劑對設備和環境造成的影響和污染。與其他物理阻垢方法相比,磁處理技術使用方法簡單、投資小,并更具有高效節能、綠色環保等優點,因而越來越受到人們的重視,系統地研究磁處理的阻垢機理具有重要的現實意義〔2-5〕。

            1 磁場水處理技術的種類及應用

            根據磁場來源不同,磁場水處理技術可分為永磁場水處理技術〔6〕、高頻電磁場水處理技術〔7〕、低頻高梯度磁場水處理技術〔8〕和變頻電磁場水處理技術〔9〕。

            永磁場水處理技術主要是利用強磁性材料產生的幾毫特斯拉到幾特斯拉的磁場進行水處理的一項技術,該技術最大的優點是不需要耗電,設備結構比較簡單,加工制造相對比較容易;其缺點是磁場強度較小,除垢效果受水質的影響很大,并且會受到地球磁場的影響,而且永磁場水處理設備的有效期通常只有半年左右,對于高硬度、大流量水系統的處理效果較差。

            高頻電磁場水處理技術是在靜電阻垢基礎上發展起來的一種新型物理水處理技術。高頻電磁場水處理設備一般由高頻發生器和水處理器兩大部分組成,其最大優點是利用了高頻電磁場中的電場能與磁場能可以共存這一特性,顯著提高了正、負離子相互碰撞的幾率。相對于永磁場水處理設備而言,高頻電磁場水處理設備更適用于高流量、高硬度的循環水系統。

            低頻高梯度磁場水處理技術是通過把銅線繞在螺線管上,并在螺線管內放入導磁率很高的導磁鋼毛,將線圈兩端接上低頻電源,通過所產生的低頻高梯度磁場進行水處理的方法。由于低頻高梯度磁場水處理設備具有占地面積小、操作簡單、不產生二次污染等優點,因此在我國一些鋼鐵企業中得到了廣泛的應用。

            變頻電磁水處理技術是利用直流脈沖或交變磁場進行水處理的一項新技術,即將變頻技術應用于水處理過程,并通過微電腦自動實現變頻、移頻、掃頻控制。該技術應用起來方便靈活,使用時將導線繞在熱交換器的進水管上形成螺線管,并將導線兩端接在變頻磁場除垢儀的兩個輸出端,除垢儀輸出的交變電流通過螺線管,從而在進水管道內產生交變的變頻脈沖磁場,可實現殺菌、滅藻、除銹和防腐蝕等多重功能〔10-14〕。

            感應線圈式除垢儀是目前比較常見的一種變頻磁場水處理設備,如果在其線圈內部按圖1 所示建立坐標系,則線圈內某一點某一時刻的磁場強度可按式(1)進行計算〔15〕。

            由式(1)可知,磁場強度與通過線圈的電流之間是增益系數的關系。在實際應用中,由于μ、n、I、R均為定值,所以在線圈中心位置磁場強度最強,隨著偏離中心距離的增加,磁場強度逐漸減小。

             

            其中:

            式中:Bx——線圈內某點磁場強度,T;

            n——線圈匝數;

            μ——真空中的導磁率,N/A2;

            I——流過線圈的電流強度,A;

            L——螺線管1/2 長度,cm;

            R——螺線管半徑,cm。

            2 磁場水處理阻垢機理研究現狀

            有關磁場水處理的阻垢機理一直以來頗具爭議,目前對于磁場阻垢機理的研究主要集中在磁處理對水中溶解氣體含量、水分子結構、溶液表面張力、pH、陰陽離子成核速率、ζ電位、結晶晶型等的影響方面。

            2.1 磁處理對水中溶解氣體含量的影響

            J. Bogatin〔16〕采用測試pH 的方法研究了磁處理對農業灌溉用水中溶解氣體含量的影響,實驗結果顯示,磁處理會增加農業灌溉用水中溶解氣體的含量,而磁處理的效果與水質有很大關系,當pH>7.2、碳酸鹽總硬度>50 mg/L 時,磁處理的作用效果最為明顯。

            2.2 磁處理對水分子結構的影響

            當水流通過磁處理設備時,水分子因受到磁場的作用,其物理化學性質會發生改變。S. Ozeki 等〔17〕用6 T 的磁場對蒸餾水、曝氣水(通入氧氣)進行了處理,并對比了磁處理前后蒸餾水和曝氣水的紅外光譜和拉曼光譜。結果顯示,經磁處理后水中會有一種籠形結構的擬穩態物質(O2)m(H2O)n短暫存在。同時還發現經磁處理后蒸餾水、曝氣水的接觸角會下降,大約處理72 h 后才回復到處理前的水平。

            E. J. L. Toledo 等〔18〕測試了磁處理前后水的黏度、焓、表面張力等性質的變化,并采用密度泛函理論研究了磁處理前后水分子間的范德華力以及水分子團(H2O)n中n 值大小的變化。實驗和計算結果表明,原本締合成各種團狀、鏈狀的大分子間的氫鍵會受到磁場作用的影響,隨著磁場強度的增強,團狀和鏈狀的大分子會逐漸破裂成較小水分子團,并最終形成穩定的(H2O)2結構,這表明磁場有促進水分子運動的作用,磁處理增強了水分子的滲透性與活性。

            2.3 磁處理對溶液表面張力、接觸角等的影響

            I. Otsuka 等〔19〕研究了永磁場對真空密封燒瓶中去離子水的影響以及6 T 的磁場對敞開環境中以0.20 m/s 速度循環流動的去離子水的影響,并測試了磁處理前后去離子水在鉑平板上接觸角的變化。實驗發現:磁處理對真空密封燒瓶中去離子水的接觸角不產生影響,而后向真空瓶中緩慢通入氧氣,隨著去離子水中溶解氧濃度的逐漸升高,接觸角從初始的65°迅速下降到一個穩定的數值,當氧氣真空度在9.33×104 Pa 時,接觸角穩定在57.5°。作者認為只有在溶解氧存在的情況下,磁處理才會對水的接觸角產生影響。

            M. C. Amiri 等〔20〕采用GMX-400 型磁處理儀對自來水和去離子水磁處理前后的表面張力變化進行了研究,實驗發現,經磁處理后溶液的表面張力先下降然后逐步趨于穩定。結果顯示自來水的表面張力從初始時的72.44 mN/m 降至處理后的57.62 mN/m。而后將磁處理后的水樣室溫保存,然后每隔1 h 測試其表面張力的變化,發現水的表面張力會隨著放置時間的增長逐漸上升,并最終穩定在63.4 mN/m,表明磁處理后的自來水具有一定磁記憶效應。作者認為磁場對水的表面張力的影響與水中雜質物質的存在有很大的關系。

            2.4 磁處理對陰陽離子成核速率的影響

            L. C. Lipus 等〔21〕認為磁處理有加速成垢粒子絮凝的作用。還有研究發現磁處理會影響成垢物質的成核速率,成垢晶體的形狀、大小和數目;溶液中存在的Fe2+或Zn2+等雜質離子會對碳酸鈣的成核速率產生影響。多項研究結果均表明磁處理會加快晶體的成核速率并能快速生成許多形狀不規則的晶粒,這種結晶方式與通常發生在容器表面的結晶不一樣,從而使鹽類在受熱面上結晶生成的堅硬水垢量大大減少〔22-23〕。

            H. E. L. Madsen〔24〕研究了在溫度為25 ℃的普通水和重水介質中,永磁場對碳酸鈣晶粒大小的影響,碳酸鈣晶粒由濃度均為0.1 mol/L 的CaCl2與NaHCO3等體積混合后得到。結果顯示,在普通水介質中,碳酸鈣晶粒的大小隨著磁場強度的增強而減小,這表明磁處理加快了碳酸鈣晶粒的成核速率;在重水介質中,磁處理對碳酸鈣晶粒的大小沒有明顯的改變。當把NaHCO3換為Na2CO3重復以上實驗時發現磁處理在2 種介質中對碳酸鈣晶粒的大小均沒有明顯的改變。作者認為在Ca2++HCO3-→CaCO3(s)+H+這一反應中,質子傳遞過程是速度控制步驟,而磁場會對質子的旋轉過程造成一定的影響。

            A. D. Kney 等〔25〕采用分光光度法研究了平均磁感應強度為0.55 T 的永磁場對CaCO3沉積過程的影響。將少量經過磁處理生成的CaCO3沉淀作為晶種投入到Na2CO3與CaCl2的混合溶液中,將會出現二次沉積現象,實驗結果表明:當pH 為10.46~10.96時,若投入經磁處理后生成的CaCO3作為晶種,其二次沉積的速度與投入未經磁化處理生成的CaCO3作為晶種相比會更快。

            E. Chibowski 等〔26〕研究了磁場強度為0.1 T 的靜態永磁場對碳酸鈣沉淀在不同固體材料(不銹鋼、銅、鋁、玻璃)表面沉積量的影響,實驗溫度分別為20、40、60、80 ℃。實驗結果表明:表面沉積量隨溫度的上升而減少;經過磁處理,所有材料表面碳酸鈣的沉積量均減小,但作用效果受固體表面材質的影響較大,磁場作用最明顯的是在80 ℃時的鋁表面,幾乎沒有沉積物出現。

            2.5 磁處理對ζ電位的影響

            E. Chibowski 等〔27〕研究了頻率為44 MHz 的射頻電磁場對膠體粒子ζ電位的影響,研究發現經電磁場處理后膠體粒子的ζ電位會出現幾個小時的振蕩,而沒有經過磁場處理的膠體粒子卻不會出現這一現象。C. Gabrielli 等〔28〕認為管道的材料對磁場的阻垢效果有較大的影響。

            L. Holysz 等〔29-30〕研究了磁場強度為0.2 T 的永磁場對碳酸鈣粒子ζ電位的影響。碳酸鈣沉淀由濃度均為0.008 mol/L 的Na2CO3與CaCl2溶液相互混合后得到。為了研究磁處理的效果,Na2CO3溶液以1.6 m/s 的速率循環通過磁場,在不同時間內與CaCl2溶液混合,分別測試其混合后ζ電位的變化。研究發現膠體粒子的ξ電位經磁處理后有上升趨勢,而且磁處理的時間越長,ζ電位的增加也越明顯,但隨著磁處理后放置時間的延長,ζ電位會逐漸趨于一致,磁處理不同時間后膠體粒子ζ電位的變化見圖2。

             

            2.6 磁處理對結晶晶型的影響

            碳酸鈣屬于多晶型晶體,有方解石型、文石型、球霰石型等多種晶型存在。大多數研究表明:在管壁上結成的碳酸鈣垢一般都是以最穩定的方解石型晶體存在。而在磁處理的作用下,碳酸鈣往往會以文石型、球霰石型存在,文石型和球霰石型水垢一般不穩定而且較疏松,相對于方解石型水垢更容易去除〔31-35〕。

            近年來,國內外有許多學者采用SEM、TEM等多種研究方法對磁處理前后碳酸鈣沉淀晶相的變化進行了研究,如S. Knez 等〔34〕研究了磁場強度、磁處理時間、流體流速等因素對碳酸鈣晶型變化的影響。圖3 為磁處理前后碳酸鈣晶型的典型形貌。

             

            S. Kobe等〔36〕研究了流體流速以及磁場強度對碳酸鈣沉積物結晶形式的影響,并采用X-射線分析和透射電鏡(TEM)研究了碳酸鈣沉積物的晶體類型和顆粒大小分布。研究發現,磁場強度的變化將導致方解石型、文石型、球霰石型3 種晶型在其中所占比例的變化,流體的湍流和磁場之間存在著較強的能量耦合和轉換關系,在有磁場存在的情況下更容易結晶形成文石晶體,流體的湍流可以防垢。A.Fathi 等〔37〕研究了在CaCO3硬度為300~500 mg/L 的體系中,磁場強度為0.16 T 的永磁場對碳酸鈣垢沉積過程的影響,研究發現磁處理增加了總沉積量,而這種總沉淀量的變化還與pH、流速和磁處理時間等因素有關。

            總之,影響磁處理阻垢效果的因素很多,流體的硬度、堿度、流速、溫度、流體中溶解的CO2和O2的含量以及流體中溶解的Mg2+、Fe2+、SO42-等雜質離子都會對磁處理阻垢效果有很大的影響〔38-39〕。而由于各地水質的差別太大,磁場對不同水質的除垢、防垢作用機理也不盡相同,只能說磁場的除垢、防垢效果是各種影響因素共同作用的結果。

            3 結語

            磁場水處理技術作為一種物理水處理技術,具有投資較少、安裝使用方便、運行維護費用低、綠色環保無污染等優點,目前已經在工業循環冷卻用水、鍋爐及其管道用水、中央空調冷卻用水等多個領域中得到了廣泛的應用。盡管在磁場水處理的防垢與除垢的研究上取得了一些成果,但磁場處理技術作為一種綠色環保的新型水處理方法還正處于積極探索階段。目前在磁處理阻垢、抑垢的研究中還存在以下問題:(1)由于實驗環境不同或各地水質的差異,實驗結果的重現性很差。(2)對于磁處理的阻垢機理目前尚缺乏系統完整的理論,磁處理前后水溶液物理化學性質的變化難以準確測定。(3)影響磁處理阻垢效果的各因素之間的定量關系不甚明確。(4)磁處理的記憶效應時間說法不一,現有理論都不能對此加以解釋。

            綜上所述,對磁處理的除垢、抑垢效果進行定量研究與機理研究,拓寬磁處理的應用范圍及建立完善的磁處理防垢理論模型是目前最需要解決的問題。

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            [作者簡介]龔曉明(1979—),2002 年畢業于湖北大學,現為上海電力學院能源與環境工程學院在讀碩士研究生。

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