电磁处理防垢的研究与应用展望

黄征青，鲁国彬
(湖北工学院 化工系，湖北 武汉　 430068)

　　摘要：阐述了电磁场对防垢体系的影响，介绍了电磁处理防垢的最佳作用条件及应用范围；将众多的磁处理防垢机理归纳为4类并分析了其优缺点，指出了电磁处理防垢的应用前景、存在问题及其研究方向。
　　关键词：电磁；防垢；水处理
　　中图分类号：TU991　 文献标识码：A　 文章编号：1009—2455(2003)05—0010—03

A Study of Electromagnetic Anti-Fouling Treatment and Prospects for Its Applications

HUANG Zheng-qing，LU Guo-bin
(Chemical Department of Hubei Instiute of Industy,Wuhan 430068,China)

　 Abstract：The effect of electromagnetic field on anti-fouling systems is explained，the optimum conditions for the functioning of electromagnetic field and the scope of its application are introduced，and a great deal of anti-fouling mechanisms of magnetic treatment are summarized into 4 types，with the advantages and disadvantages of each type analyzed and the prospects for the application of electromagnetic anti-fouling treatment，the is sues existing with it as well as the direction of the research into it pointed out.
　　Key words：electromagnetic；anti-fouling；water treatment

　　水系统的防垢采用化学方法，其效果显著，但成本高、操作复杂，也增加了环境负荷。而成本低、无污染的电场、磁场防垢技术具有特有的优势和广阔的应用前景。
　　自1890年France和Cabel申请专利起，磁场用于水处理已有100多年的历史。1945年T.Vermeriren发现用“磁化水”可以减少锅炉水垢的生成后，水的磁场防垢技术得到了较广泛的研究与发展，随后就出现了一些用于水和其它流体的磁处理装置；迄今为止，在国外磁处理装置已广泛用于工业与民用给水系统中防垢、除垢、杀菌、防腐等。
　　我国从20世纪50年代就开始了磁技术用于锅炉水除垢和防垢的研究与应用，并于1959年生产出了第一台永磁处理器，但应用中几经反复，虽有一些厂家生产磁处理器，其应用的范围还很窄、规模也小；近十年由于稀土永磁材料的开发，有些收稿日期：2003—03—10；修回日期：2003—04—14超强磁处理器新产品问世。鉴于磁场与电场的关系，电场防垢装置：静电水处理器(高压直流)、电子水处理器(低压直流)和高频电子水处理器等也相继被开发出来。尤其是一些高出力的电场(高频达10MHz以上、高压达7 000V以上)防垢除垢装置，它们弥补了永磁装置磁感应强度小(小于1特拉斯)的缺点，因而得到了广泛的应用，其发展势头已超过了永磁装置。

1 电磁处理防垢的研究现状

　　世界上许多国家(如前苏联、欧美等国)对磁处理防垢进行了较广泛的基础研究，由于水体的复杂性、实验条件的限制等多方面原因，部分研究结果还存在着差异和矛盾，然而基础研究还是取得了较好的成果，并极大地推动了该技术的应用与发展。
1.1 电磁场对作用体系的影响
　　电磁场对防垢体系的影响是一种物理作用，通常对体系的化学成分没有明显影响，即电磁防垢没有明显的软化和脱盐作用；电磁作用能引起体系的一些物理性质(如粘度、渗透性、表面张力、气体的溶解性、离子的水合作用、胶体的C电位等)的变化，这种物理的影响有一定的时效性(即“记忆效应”)，它不是永久的，只是暂时的，并与作用体系的流动状态有关，通常认为静态体系的“记忆效应”达48h以上，而动态体系的“记忆效应”只有8h左右，电磁作用的流体也只能输送8-12km，正是因为这个原因，电磁处理防垢只在循环作用下才有效。
1.2　电磁场作用的最佳条件
　　磁场强度、磁作用的方式、磁作用时间、流速、溶液的性质(电导、pH值、碱度、离子的类型等)等都能影响磁处理防垢的效果：
　　磁场强度是决定磁处理效果的关键参数之一，磁场在流体中是皇梯度分布的，只有磁场强度达到足够大时，才对通过的流体都有作用，但对通过的流体的作用是有差异的，在较低的磁场作用下如0.2特拉斯左右，只对接近磁极附近的紊流流体起作用，磁场作用的这种不均匀性也决定了磁处理需要进行循环作用才能保证其作用的效果。
　　当磁场与流体的流动方向垂直时，磁作用最强＼效果也最好，故通常采用正交式磁场。流体的流速、磁场作用时间也是决定磁处理效果的关键参数，通常认为在磁感应强度为0.6—0.8特拉斯时，最佳的流速为2m／s左右，对特定的流体，磁场强度与流速的乘积有一最佳值，也有认为是磁场强度、流速和磁作用时间的乘积存在一最佳值，但由于文献报道中很少提到所使用磁体的长度，一次磁作用时间很难进行计算比较。
　　溶液的酸度、碱度、硬度对磁作用的效果有明显的影响，通常认为pH值在7-9，碱度大于硬度时磁处理防垢的效果才明显。溶液中离子的种类对磁处理效果有明显的影响，有研究表明磁处理主要是通过阴离子起作用的，如：用磁场分别作用到CaCl2和Na2C03溶液，混合后加热形成过饱和溶液，实验发现单独用磁场作用于CaCl2溶液是没有，效果的，而单独用磁场作用于Na2C03溶液的效果与同时作用于两种溶液的效果一样。阴离子的种类不同磁处理防垢的效果是不同的：通常对含CO₃^2- (磁化率-0.381 cgsu)的体系的作用效果比含SO₄^2-(磁化率-36.4cgsu)的作用效果要好。研究表明对含SO₄^2-的体系需要较高的磁场强度才有效果，这可能与离子的磁化率有关。阳离子对磁处理的效果也是有影响的。如Fe²⁺能阻碍方解石晶体的增长，可防止硬垢的生成；但流体中只能有痕量的铁离子的，否则容易引起磁场短路，使永磁磁处理器失效；一般来说，大致每200mg／L的总溶解固体最多允许的铁锰总的质量浓度为1 mg／L，否则，就需进行除铁处理。
1.3 电磁处理防垢的应用范围
　　目前，电磁处理防垢主要应用于各种循环冷却水和热水锅炉系统，在蒸汽锅炉中也能应用，但由于温度大于100℃以后，溶液过饱和度大，产生的软泥较多，排污量大，能量浪费大，故磁处理防垢比较适合90℃以下的体系防垢。
　　从理论上讲，磁处理防垢应适用于所有体系，只是不同的体系有不同的最佳作用条件。目前有些磁处理器应用失败，主要是由以下两方面的原因造成的：
　　①设备参数和应用对象不合适。有些设备的参数(如磁场强度、频率、电压)未达到要求；特定的设备有最佳的适用体系，不能随意扩大其应用范围，否则效果不理想，甚至失败。
　　②使用不当。把磁处理器当成软化器，在使用中没有定期的排污；安装不当；铁锈引起磁场短路失效；被处理流体未全部循环作用；循环次数过高引起浓缩倍数超标等。
1.4 电磁场防垢的机理
　　有关磁处理防垢的机理很多，都是从各自的实验结果出发提出的，都能解释部分的试验结果，至今还没有能解释所有实验现象的统一理论，现有的机理大致可分为以下几类：
　　①污染物影响，如磁加强腐蚀溶解，使体系中产生痕量的Fe²⁺，Fe³⁺等，而Fe²⁺，Fe³⁺等能抑制硬垢的生成11)，产生软泥，达到防止eS壁结垢的效果；但污染物影响类的机理不能解释非浸入式磁处理器及高纯溶液的结果。
　　②原子内部的影响，如电子构象的变化，Benson等[2]，从熵变化的角度解释了磁场减少垢形成的原因：在没有磁场作用的情况下，低能态旋转能级是简并态，而在磁场作用下，能级会分裂成磁旋量子数m=±1／2的两个能级，能级差ΔE=（γh/4Л），其中γ 为旋磁比，h为普朗克常数，B₀为磁场强度；排列数的增加会导致体系熵的变化，在低温下，磁性物质在磁场作用下进行定向排列而引起其熵的降低；然而成垢的抗磁性物不会向排列，体系的熵会增加，熵的增加会反映到成垢物质的溶解性、离子浓度等的变化上，因而可达到防垢效果，但原子内部的影响不能解释“磁记忆效应”。
　　③分子间、离子间作用的影响，如分子的极性化变形理论。无论是极性分子还是非极性分子，在磁场的作用下会产生极化，并进行定向排列，两极性分子在发生异性相吸、同性相斥的作用时，会使分子产生一些变形，极性增大，水中盐类的阴离子将被极性增强的水偶极子包围而难运动，从而抑制钙镁等盐垢的析出；再如氢键断裂变形理论认为，磁作用会引起水的渗透性增强，破坏垢与器壁间的结合力从而引起水垢的脱落，但这种解释多为定性的。Srebrenik[3]的量子机理虽能解释磁化记忆效应，但该模型还不适合水溶液中除钙以外的其它阳离子。
　　④界面间的影响，如双电层变形理论认为：在磁场作用下，由于胶粒等的(电势变化，使溶液本体中粒子聚集产生大量的微粒，从而提供预制晶核，这些晶核一方面降低了溶液的过饱和度，同时使溶液中结晶能力增强，减少器壁上结垢的机会，形成软泥。以界面间的影响为基础的理论，得到了许多实验证据的支持，并以ζ电势形式提出了大量的性能参数，能解释多数实验结果。我们初步的实验结果也证明了这一点[4]。

2 发展趋势与应用展望

　　电磁处理防垢技术经过几十年的曲折发展，其应用和理论研究都已取得可喜的成绩，人们对该技术的认识也趋于理性化，既不否定其效果，也不夸大其作用；然而磁处理防垢技术在许多方面还有待进一步的研究与发展，主要表现在以下几方面：
　　①基础理论的研究还滞后于应用研究，磁处理防垢的机理还没有真正认识，对磁处理作用的最佳条件、影响因素还没有完全了解，尤其是定量研究还较少，关于水溶液的成垢物质的饱和度、离子的种类与浓度、PH值、磁场强度、作用时间、流速、温度等因素对防垢效率的定量影响及相互间的定量关系报道，因而在磁处理应用设计过程中缺乏定量的依据作指导，很多依赖于经验，影响了其应用的成功性。加强定量的基础理论研究是将来的重要发展方向。
　　②相关的实验手段还有待进一步发展和完善，由于水的性质复杂，实验手段和分析方法的欠缺导致实验结果的重复性差、误差大、可靠性低。
　　③磁处理防垢方法虽然有效，但也存在局限性，还必须利用其它方法来弥补其不足，以提高其应用的成功性、扩大其应用范围。
　　由于磁场处理防垢技术是一种物理技术，在环境保护和降低生产成本等方面具有其他方法不可比拟的优势，已日益受到人们的重视；随着人们对磁处理防垢、除垢的作用条件、机理认识的深入，随着实验方法与分析手段的提高；随着磁性材料的制备技术的提高及其相关技术的发展，我们相信磁处理防垢技术将会迎来更美好的明天。

参考文献：
　　[1] 黄征青，黄光斗，徐洪涛.水的磁处理防垢与除垢的研究[J].工业水处理，2001，21（1）：5-8。
　　[2] Benson R F ,Carpenter R K ,Martin B B ,et al. Using magnetic fields to prevent scale[J].Chem　 Tech , 1997 , 27(4):34-38.
　　[3]Srebrenik S , Nadiv R F , Lin I J. Magnetic treatment of water-A theoretical quantum model[J]. Magn Electric Sep, 1993,(5):71-91.
　　[4] 黄征青，黄光斗，徐洪涛，等。超滤对磁化水的影响及截留微粒成分分析[J]。工业水处理，2003，23（9）：35-37。

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作者简介：黄征青（1965-），男，湖北京山人，副教授，博士，电话（027）88032316，[email protected].