【精品论文】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.doc 12页

'摘耍］磁场水处理技术因其绿色坏保节能血受到广泛关注，但有关其阻垢机理和阻垢效果一克以來众说纷纭。很多研究农明磁处理不仅可以减少管道中水垢生成的量，而II可以使己经存在的硬垢逐渐软化。但是山于水质的千差万别，目前对于磁处理的阻垢机理述没有统一的认识。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］0646［文献标识码］A［文章编号］1005-829X(2010)08-0010-05ResearchonthescaleinhibitionmechanisniofwatertreatmentatmagneticfieldsanditsappliedtionGongXiaoming,GeHonghua,LiuRuiAbstract：Watertreatmenttechniquesatmagneticfieldshavebeenconcernedwidelyforitsenvironment-friendlyandenergy-savingcharacteristics・However,therehavebeenmanydifferentopinionsoniIsscaleinhibitionmechanismandeffects.Theresearchanditsapplicationtothetrentmentofmagnetismshowthatitcannotonlyreducescaledeposition,butalsosoftentherigidscalethathasalreadybeenthere・Sincethewaterqualitydiffersinthousandsways,itseemstherehavenotbeenanintegrdtedcognition,yet.Thenewdevelopingoftheresearchonthescaleinhibitionniechanismanditsapplicationtomagneticwatertreatmentaresummarized,andtheprospectofthedevelopmentinthisfieldisproposed・Keywords：magnetismtreatment；watertreatment；sealeinhibit!on在工业生产屮，循环系统屮的水运行一段吋间后会产生水垢，而水垢的形成不仅会堵塞管道，减小液休流通面积，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。硬水在管道表而生成的水垢主要山鈣、镁等离子的碳酸盐、硫酸盐等纽成〔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、镁垢等在热交换器衣面沉积，从而达到阻垢的目的。物理方法主要包括磁场水处理技 术、ECO-GEM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，并更具有髙效节能、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，加工制造相対比较容易；其缺点是磁场强度较小，除垢效果受水质的影响很大，并口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，对于高硕度、大流量水系统的处理效果较羞。高频电磁场水处理技术是在静电阻垢基础上发展起來的一种新型物理水处理技术。高频电磁场水处理设备一般山髙频发生器和水处理器两大部分纽•成，其最大优点是利用了高频电磁场中的电场能与磁场能町以共存这一特性，显著提高了止、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、髙硬度的循环水系统。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。山于低频高梯度磁场水处理设备具有占地而积小、操作简中、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F1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，从血在进 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）o感应线圈式除垢仪是目询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）。山式（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，山于卩、门、I、R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。1厂17.2、碳酸盐总硬度〉50mg/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6T的磁场对蒸懈水、曝气水（通入氧气）进行了处理，并对比了磁处理前后蒸他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-种笼形结构的拟稳态物质（02）m（H20）n短桝存在。同吋还发现经磁处理后蒸谓水、曝气水的接触角会下降，大约处理72h后才冋复到处理前的水平。E.J.L.Toledo等〔18）测试了磁处理前后水的黏度、焙、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徳华力以及水分子团（1120）n中门值大小的变化。实验和计算结果表明，原本缔合成各种团状、链状的大分子间的氮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彼裂成较小水分子团，并最终形成稳定的（H20）2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磁处理对溶液农面张力、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6T的磁场対敞开环境中以0.20m/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钳平板上接触角的变化。实验发现：磁处理对真空密封烧瓶屮去离子水的接他角不产生影响，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9.33X104 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GMX-400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，经磁处理后溶液的农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72.44niN/m降至处理后的57.62mN/m0|fu后将磁处理后的水样室温保存，然后每隔1h测试英衣面张力的变化，发现水的表而张力会随着放置吋间的增长逐渐上升，并最终稳定在63.4mN/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农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，成垢品体的形状、大小和数目；溶液中存在的Fe2+或Zn2+等杂质离了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休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品生成的坚硬水垢量大大减少(22-23)oII.E.L.Madsen(24〕研究了在温度为25°C的普通水和重水介质中，永磁场对碳酸钙晶粒大小的影响，碳酸钙晶粒山浓度均为0.1mol/L的CaC12与N&HC03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，这农明磁处理加快了碳酸钙品粒的成核速率；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NaHC03换为Na2C03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++IIC03一~>CaC03(s)+H+这一反应中，质子传递过程是速度控制步骤，而磁场会対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0.55T的永磁场対C&C03沉积过程的影响。将少量经过磁处理生成的CaC03沉淀作为品种投入到N&2C03与C&C12的混合溶液中，将会出现二次沉积现象，实验结果表明：当pH为10.4610.96时，若投入经磁处理后生成的CaC03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作为品种相比会更快。 E.Chibowski等（26〕研究了磁场强度为0.1T的静态永磁场对碳酸鈣沉淀在不同|古|体材料（不锈钢、铜、铝、玻璃）衣面沉积量的影响，实验温度分别为20、40、60、80°C。实验结果表明：农而沉积量随温度的上升而减少；经过磁处理，所有材料表而碳酸鈣的沉积量均减小，但作用效果受固体表而材质的影响较大，磁场作用最明显的是在80°C时的铝表面，几乎没有沉积物出现。2.5磁处理对二电位的影响E.Chibowski等（27）研究了频率为44MHz的射频电磁场対胶体粒子©电位的影响，研究发现经电磁场处理后胶体粒子的©电位会出现几个小时的振荡，I何没有经过磁场处理的胶体粒子却不会出现这一现彖。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0.2T的永磁场对碳酸钙粒子：电位的彩响。碳酸钙沉淀山浓度均为0.008mol/L的Na2C03与C“C12溶液相互混合后得到。为了研究磁处理的效果，Na2C03溶液以1.6m/s的速率循环通过磁场，在不同时间内与CaC12溶液混合，分别测试英混合后：电位的变化。研究发现胶体粒子的g电位经磁处理后有上升趋势，而且磁处理的时间越长，©电位的增加也越明竝，但随着磁处理后放置时间的延长，©电位会逐渐趋于一致，磁处理不同时间后胶体粒子©电位的变化见图2。-15050100150200250移出磁场后的放詈时间/minS2磁处理不同时间后胶体粒子｛电位的变化2.6磁处理对结晶晶型的影响碳酸钙屈于多晶世晶体，有方解石烈、文冇型、球霰石烈等多种晶型存在。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品体存在。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血且较疏松，相对于方解石熨水垢更容易去除（31-35）。近年來，国内外有许多学者采用SEM、TEM等多种研究方法対磁处理前后碳酸钙沉淀晶相的变化进行了研究，如S.Knez等（34）研究了磁场强度、磁处理吋间、流体流速等因素対碳酸钙品型变化的影响。图3为磁处理前后碳酸钙品型的典型形貌。5）未经廻处理（b）檢处坪垢磁处理前后礦酸钙品体的不同形貌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品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、球嵌石型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.Fdthi等（37）研究了在CaC03硬度为300^500mg/L的体系中，磁场强度为0.16T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，而这种总沉淀昴的变化还与pH、流速和磁处理吋间等因素有关。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C02和02的含量以及流体中溶解的Mg2+、Fe2+、S042-等杂质离子都会对磁处理阻垢效果有很大的影响〔38-39）。而山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（2经在工业循环冷却用水、锅炉及英管道用水、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収得了一些成果，但磁场处理技术作为-•种绿色环保的新熨水处理方法还正处于积极探索阶段。日前在磁处理阻垢、抑垢的研究屮还存在以下问题：（1）山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齐因素Z间的定杲关系不菇明确。（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，対磁处理的除垢、抑垢效果进行定昴研究与机理研究，拓宽磁处理的应用范I韦I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。[参考文献][1]MacadamJ,ParsonsSA.Calciumcarbonatescaleformationtmclcontrol[j].EnvironmentdlScienceandBiotechnology,2004,3（3）:159—169.[2]PotenzaL,UbaldiL,SanetisRD,etal•Effectsof竝st竝ticmagneticfieldoncellgrowthandgeneexpressioninEscherichiacoli[J].MutationResearch,2004,561（9）:53—62.[3]KobeS,Dw俅ic"G,McguinessPJ,etdl.Theinfluenceofthemagneticfieldonthecrystal1isationformofcalciumcarbonateandthetestingofamagneticwater-treatmentdevice[J].MagnetismandMagneticMaterials,2001,236（3）:71-76.[4]ShelverWL,KampLM,ChurchJL,etal・Measurement,oftriclosaninwaterusingamagneticparticleenzymeimmunoassay[J].Joui^nalofAgriculturalandFoodChemistry,2007,55（10）:3758—3763.[5]KimWT,ChoYI,BaiC・Effectofelectronicanti-foulingtreatmentonfoulingmitigationwithcirculatingcooling-towerwater[J].InternationalCommunicationsinIleatandMassTransfer,2001,28(5):671—680. 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