磁场水处理阻垢机理及其应用研究

作者:龚晓明 葛…    文章来源:工业水处理    点击数:3209    更新时间:2011/5/23

[摘要]磁场水处理技术因其绿色环保节能而受到广泛关注,但有关其阻垢机理和阻垢效果一直以来众说纷纭。很多研究表明磁处理不仅可以减少管道中水垢生成的量,而且可以使已经存在的硬垢逐渐软化。但是由于水质的千差万别,目前对于磁处理的阻垢机理还没有统一的认识。作者综述了磁处理阻垢机理研究及其应用的现状,并对磁处理阻垢研究的发展进行了展望。

[关键词]磁处理;水处理;阻垢

[中图分类号] O646 [文献标识码] A [文章编号] 1005-829X201008-0010-05

Research on the scale inhibition mechanism of water treatment at magnetic fields and its application

Gong XiaomingGe HonghuaLiu Rui

Abstract Water treatment techniques at magnetic fields have been concerned widely for its environment-friendly and energy-saving characteristics. Howeverthere have been many different opinions on its scale inhibition mechanism and effects. The research and its application to the treatment of magnetism show that it can not only reduce scale depositionbut also soften the rigid scale that has already been there. Since the water quality differs in thousands waysit seems there have not been an integrated cognitionyet. The new developing of the research on the scale inhibition mechanism and its application to magnetic water treatment are summarizedand the prospect of the development in this field is proposed.

Key words magnetism treatment water treatment scale inhibition

在工业生产中,循环系统中的水运行一段时间后会产生水垢,而水垢的形成不仅会堵塞管道,减小液体流通面积,加大系统功率损耗,缩短设备使用寿命,降低热交换器传热效率,还会引起微生物细菌的大量繁衍,导致材料的腐蚀。因此如何有效地控制水垢的生成对生产的安全运行至关重要。硬水在管道表面生成的水垢主要由钙、镁等离子的碳酸盐、硫酸盐等组成〔1〕。目前采用的阻垢、抑垢方法有物理方法和化学方法。化学方法一般是通过添加药剂使硬水软化,或通过添加阻垢剂使其与成垢离子形成络合物,或使碳酸钙晶体等发生晶格畸变,或分散碳酸钙微晶等以防止钙垢、镁垢等在热交换器表面沉积,从而达到阻垢的目的。物理方法主要包括磁场水处理技术、ECOGEM 电气石防垢技术、静电水处理技术、脉冲射电水处理技术、超声波水处理技术等。其中磁场水处理技术能有效地防止管道和设备结垢,避免因投加化学药剂对设备和环境造成的影响和污染。与其他物理阻垢方法相比,磁处理技术使用方法简单、投资小,并更具有高效节能、绿色环保等优点,因而越来越受到人们的重视,系统地研究磁处理的阻垢机理具有重要的现实意义〔2-5〕。

1 磁场水处理技术的种类及应用

根据磁场来源不同,磁场水处理技术可分为永磁场水处理技术〔6〕、高频电磁场水处理技术〔7〕、低频高梯度磁场水处理技术〔8〕和变频电磁场水处理技术〔9〕。

永磁场水处理技术主要是利用强磁性材料产生的几毫特斯拉到几特斯拉的磁场进行水处理的一项技术,该技术最大的优点是不需要耗电,设备结构比较简单,加工制造相对比较容易;其缺点是磁场强度较小,除垢效果受水质的影响很大,并且会受到地球磁场的影响,而且永磁场水处理设备的有效期通常只有半年左右,对于高硬度、大流量水系统的处理效果较差。

高频电磁场水处理技术是在静电阻垢基础上发展起来的一种新型物理水处理技术。高频电磁场水处理设备一般由高频发生器和水处理器两大部分组成,其最大优点是利用了高频电磁场中的电场能与磁场能可以共存这一特性,显著提高了正、负离子相互碰撞的几率。相对于永磁场水处理设备而言,高频电磁场水处理设备更适用于高流量、高硬度的循环水系统。

低频高梯度磁场水处理技术是通过把铜线绕在螺线管上,并在螺线管内放入导磁率很高的导磁钢毛,将线圈两端接上低频电源,通过所产生的低频高梯度磁场进行水处理的方法。由于低频高梯度磁场水处理设备具有占地面积小、操作简单、不产生二次污染等优点,因此在我国一些钢铁企业中得到了广泛的应用。

变频电磁水处理技术是利用直流脉冲或交变磁场进行水处理的一项新技术,即将变频技术应用于水处理过程,并通过微电脑自动实现变频、移频、扫频控制。该技术应用起来方便灵活,使用时将导线绕在热交换器的进水管上形成螺线管,并将导线两端接在变频磁场除垢仪的两个输出端,除垢仪输出的交变电流通过螺线管,从而在进水管道内产生交变的变频脉冲磁场,可实现杀菌、灭藻、除锈和防腐蚀等多重功能〔10-14〕。

感应线圈式除垢仪是目前比较常见的一种变频磁场水处理设备,如果在其线圈内部按图1 所示建立坐标系,则线圈内某一点某一时刻的磁场强度可按式(1)进行计算〔15〕。

由式(1)可知,磁场强度与通过线圈的电流之间是增益系数的关系。在实际应用中,由于μ、nIR均为定值,所以在线圈中心位置磁场强度最强,随着偏离中心距离的增加,磁场强度逐渐减小。

其中:

式中:Bx——线圈内某点磁场强度,T

n——线圈匝数;

μ——真空中的导磁率,N/A2

I——流过线圈的电流强度,A

L——螺线管1/2 长度,cm

R——螺线管半径,cm

2 磁场水处理阻垢机理研究现状

有关磁场水处理的阻垢机理一直以来颇具争议,目前对于磁场阻垢机理的研究主要集中在磁处理对水中溶解气体含量、水分子结构、溶液表面张力、pH、阴阳离子成核速率、ζ电位、结晶晶型等的影响方面。

2.1 磁处理对水中溶解气体含量的影响

J. Bogatin16〕采用测试pH 的方法研究了磁处理对农业灌溉用水中溶解气体含量的影响,实验结果显示,磁处理会增加农业灌溉用水中溶解气体的含量,而磁处理的效果与水质有很大关系,当pH7.2、碳酸盐总硬度>50 mg/L 时,磁处理的作用效果最为明显。

2.2 磁处理对水分子结构的影响

当水流通过磁处理设备时,水分子因受到磁场的作用,其物理化学性质会发生改变。S. Ozeki 等〔17〕用6 T 的磁场对蒸馏水、曝气水(通入氧气)进行了处理,并对比了磁处理前后蒸馏水和曝气水的红外光谱和拉曼光谱。结果显示,经磁处理后水中会有一种笼形结构的拟稳态物质(O2mH2On短暂存在。同时还发现经磁处理后蒸馏水、曝气水的接触角会下降,大约处理72 h 后才回复到处理前的水平。

E. J. L. Toledo 等〔18〕测试了磁处理前后水的黏度、焓、表面张力等性质的变化,并采用密度泛函理论研究了磁处理前后水分子间的范德华力以及水分子团(H2Onn 值大小的变化。实验和计算结果表明,原本缔合成各种团状、链状的大分子间的氢键会受到磁场作用的影响,随着磁场强度的增强,团状和链状的大分子会逐渐破裂成较小水分子团,并最终形成稳定的(H2O2结构,这表明磁场有促进水分子运动的作用,磁处理增强了水分子的渗透性与活性。

2.3 磁处理对溶液表面张力、接触角等的影响

I. Otsuka 等〔19〕研究了永磁场对真空密封烧瓶中去离子水的影响以及6 T 的磁场对敞开环境中以0.20 m/s 速度循环流动的去离子水的影响,并测试了磁处理前后去离子水在铂平板上接触角的变化。实验发现:磁处理对真空密封烧瓶中去离子水的接触角不产生影响,而后向真空瓶中缓慢通入氧气,随着去离子水中溶解氧浓度的逐渐升高,接触角从初始的65°迅速下降到一个稳定的数值,当氧气真空度在9.33×104 Pa 时,接触角稳定在57.5°。作者认为只有在溶解氧存在的情况下,磁处理才会对水的接触角产生影响。

M. C. Amiri 等〔20〕采用GMX400 型磁处理仪对自来水和去离子水磁处理前后的表面张力变化进行了研究,实验发现,经磁处理后溶液的表面张力先下降然后逐步趋于稳定。结果显示自来水的表面张力从初始时的72.44 mN/m 降至处理后的57.62 mN/m。而后将磁处理后的水样室温保存,然后每隔1 h 测试其表面张力的变化,发现水的表面张力会随着放置时间的增长逐渐上升,并最终稳定在63.4 mN/m,表明磁处理后的自来水具有一定磁记忆效应。作者认为磁场对水的表面张力的影响与水中杂质物质的存在有很大的关系。

2.4 磁处理对阴阳离子成核速率的影响

L. C. Lipus 等〔21〕认为磁处理有加速成垢粒子絮凝的作用。还有研究发现磁处理会影响成垢物质的成核速率,成垢晶体的形状、大小和数目;溶液中存在的Fe2+Zn2+等杂质离子会对碳酸钙的成核速率产生影响。多项研究结果均表明磁处理会加快晶体的成核速率并能快速生成许多形状不规则的晶粒,这种结晶方式与通常发生在容器表面的结晶不一样,从而使盐类在受热面上结晶生成的坚硬水垢量大大减少〔22-23〕。

H. E. L. Madsen24〕研究了在温度为25 的普通水和重水介质中,永磁场对碳酸钙晶粒大小的影响,碳酸钙晶粒由浓度均为0.1 mol/L CaCl2NaHCO3等体积混合后得到。结果显示,在普通水介质中,碳酸钙晶粒的大小随着磁场强度的增强而减小,这表明磁处理加快了碳酸钙晶粒的成核速率;在重水介质中,磁处理对碳酸钙晶粒的大小没有明显的改变。当把NaHCO3换为Na2CO3重复以上实验时发现磁处理在2 种介质中对碳酸钙晶粒的大小均没有明显的改变。作者认为在Ca2++HCO3-→CaCO3s+H+这一反应中,质子传递过程是速度控制步骤,而磁场会对质子的旋转过程造成一定的影响。

A. D. Kney 等〔25〕采用分光光度法研究了平均磁感应强度为0.55 T 的永磁场对CaCO3沉积过程的影响。将少量经过磁处理生成的CaCO3沉淀作为晶种投入到Na2CO3CaCl2的混合溶液中,将会出现二次沉积现象,实验结果表明:当pH 10.46~10.96时,若投入经磁处理后生成的CaCO3作为晶种,其二次沉积的速度与投入未经磁化处理生成的CaCO3作为晶种相比会更快。

E. Chibowski 等〔26〕研究了磁场强度为0.1 T 的静态永磁场对碳酸钙沉淀在不同固体材料(不锈钢、铜、铝、玻璃)表面沉积量的影响,实验温度分别为20406080 。实验结果表明:表面沉积量随温度的上升而减少;经过磁处理,所有材料表面碳酸钙的沉积量均减小,但作用效果受固体表面材质的影响较大,磁场作用最明显的是在80 时的铝表面,几乎没有沉积物出现。

2.5 磁处理对ζ电位的影响

E. Chibowski 等〔27〕研究了频率为44 MHz 的射频电磁场对胶体粒子ζ电位的影响,研究发现经电磁场处理后胶体粒子的ζ电位会出现几个小时的振荡,而没有经过磁场处理的胶体粒子却不会出现这一现象。C. Gabrielli 等〔28〕认为管道的材料对磁场的阻垢效果有较大的影响。

L. Holysz 等〔29-30〕研究了磁场强度为0.2 T 的永磁场对碳酸钙粒子ζ电位的影响。碳酸钙沉淀由浓度均为0.008 mol/L Na2CO3CaCl2溶液相互混合后得到。为了研究磁处理的效果,Na2CO3溶液以1.6 m/s 的速率循环通过磁场,在不同时间内与CaCl2溶液混合,分别测试其混合后ζ电位的变化。研究发现胶体粒子的ξ电位经磁处理后有上升趋势,而且磁处理的时间越长,ζ电位的增加也越明显,但随着磁处理后放置时间的延长,ζ电位会逐渐趋于一致,磁处理不同时间后胶体粒子ζ电位的变化见图2

2.6 磁处理对结晶晶型的影响

碳酸钙属于多晶型晶体,有方解石型、文石型、球霰石型等多种晶型存在。大多数研究表明:在管壁上结成的碳酸钙垢一般都是以最稳定的方解石型晶体存在。而在磁处理的作用下,碳酸钙往往会以文石型、球霰石型存在,文石型和球霰石型水垢一般不稳定而且较疏松,相对于方解石型水垢更容易去除〔31-35〕。

近年来,国内外有许多学者采用SEMTEM等多种研究方法对磁处理前后碳酸钙沉淀晶相的变化进行了研究,S. Knez 等〔34〕研究了磁场强度、磁处理时间、流体流速等因素对碳酸钙晶型变化的影响。图3 为磁处理前后碳酸钙晶型的典型形貌。

S. Kobe等〔36〕研究了流体流速以及磁场强度对碳酸钙沉积物结晶形式的影响,并采用X-射线分析和透射电镜(TEM)研究了碳酸钙沉积物的晶体类型和颗粒大小分布。研究发现,磁场强度的变化将导致方解石型、文石型、球霰石型3 种晶型在其中所占比例的变化,流体的湍流和磁场之间存在着较强的能量耦合和转换关系,在有磁场存在的情况下更容易结晶形成文石晶体,流体的湍流可以防垢。A.Fathi 等〔37〕研究了在CaCO3硬度为300~500 mg/L 的体系中,磁场强度为0.16 T 的永磁场对碳酸钙垢沉积过程的影响,研究发现磁处理增加了总沉积量,而这种总沉淀量的变化还与pH、流速和磁处理时间等因素有关。

总之,影响磁处理阻垢效果的因素很多,流体的硬度、碱度、流速、温度、流体中溶解的CO2O2的含量以及流体中溶解的Mg2+Fe2+SO42-等杂质离子都会对磁处理阻垢效果有很大的影响〔38-39〕。而由于各地水质的差别太大,磁场对不同水质的除垢、防垢作用机理也不尽相同,只能说磁场的除垢、防垢效果是各种影响因素共同作用的结果。

3 结语

磁场水处理技术作为一种物理水处理技术,具有投资较少、安装使用方便、运行维护费用低、绿色环保无污染等优点,目前已经在工业循环冷却用水、锅炉及其管道用水、中央空调冷却用水等多个领域中得到了广泛的应用。尽管在磁场水处理的防垢与除垢的研究上取得了一些成果,但磁场处理技术作为一种绿色环保的新型水处理方法还正处于积极探索阶段。目前在磁处理阻垢、抑垢的研究中还存在以下问题:(1)由于实验环境不同或各地水质的差异,实验结果的重现性很差。(2)对于磁处理的阻垢机理目前尚缺乏系统完整的理论,磁处理前后水溶液物理化学性质的变化难以准确测定。(3)影响磁处理阻垢效果的各因素之间的定量关系不甚明确。(4)磁处理的记忆效应时间说法不一,现有理论都不能对此加以解释。

综上所述,对磁处理的除垢、抑垢效果进行定量研究与机理研究,拓宽磁处理的应用范围及建立完善的磁处理防垢理论模型是目前最需要解决的问题。

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[作者简介]龚晓明(1979),2002 年毕业于湖北大学,现为上海电力学院能源与环境工程学院在读硕士研究生。

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