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水磁处理防垢技术  

2015-08-01 09:52:56|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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防垢和除垢一直是给水系统的重要研究课题,每年用于垢的清洗和结垢引起的热损失消耗的资金达百亿美元。现在最常用的防垢方法是投加化学试剂,但易产生二次污染且污染环境。自1945 年T. Vermeriren 发现“磁化水”可以减少锅炉水垢的生成后,水磁处理防垢技术得到了较广泛的研究与发展。在国外,磁处理装置被广泛用于工业与民用给水系统的防垢、除垢、杀菌、防腐等。我国的磁防垢、除垢技术在各大油田、炼油厂和钢铁冶金厂的换热器、工业锅炉系统、循环冷却水系统、空压机冷却水系统中得到应用,并取得了显著效益。近年来,国内外相关研究开始将磁处理与其他处理方法(化学药剂、红外辐射、超声波等)结合使用来除垢和防垢。水磁处理防垢技术虽已被广泛使用,但其效果一直存在争议,主要是因为没有一套完整的理论能对其防垢机理作出解释,也无法从磁防垢机理出发提出磁防垢最佳条件及对磁处理器的结构、形状、磁场等指导性建议。笔者分析了水磁处理防垢研究现状并对其发展方向作了展望。

1 水磁处理防垢研究现状

1.1 磁场对防垢效果的影响

磁场能引起水微观多相结构的改变,很多学者一致认为,磁场能引起液体分子的内共振并诱发电偶极矩作用,使分子内部的键合发生变化或破裂,改变了分子构型; 磁场能在液体中引起附加磁矩和附加能量,这些附加量的综合作用使抗磁性液体的内聚力减少,分子势垒降低。这样有利于水分子团的拆散,使水分子活性增强。Ran Cai 等研究了磁场作用对水的表面张力、黏度和水分子内氢键作用力的影响,得出磁场作用下水分子之间的氢键作用力增强,更多的水分子通过氢键聚集在一起形成更大的水分子簇,水分子活性降低。水分子结构的改变会导致水系统的电导、pH、表面张力、折射率、介电常数、黏度等物理化学性质的变化,最终造成了结垢过程的改变。因此通过研究不同磁场条件下水的结构、自由能、物理化学性质的变化,能更深刻地认识磁场对水结构和离子溶剂化等的影响,进一步了解水磁处理防垢机理。很多学者研究了磁处理作用下杂质离子特别是一些二价阳离子如Fe2+、Cu2+、Zn2+、Mg2+、 Si4+等对CaCO3 晶型结构的影响。L. Holysz等发现Fe2+、Mg2+、SO42-杂质离子存在时,无论是流动还是静止状态下磁场均能改变CaCO3 的ζ 电位、pH、沉淀速度等,只是离子种类不同导致改变的趋势和大小不同,这些由杂质离子的水合熵决定,是磁场对水的结构和离子溶剂化等影响的结果。也有文献报道了pH 对磁处理防垢效果的影响。柴天禹认为pH 对CaSO4 不敏感,对CaCO3 影响较明显,当pH>8.5 时电磁场对CaCO3 防垢率有下降趋势,同时Ca2+浓度对防垢效果影响很大。张宝铭等认为pH 在8 附近为宜,pH 过低或过高磁处理效果均不理想。

S. Raj 等比较了水在磁处理前后的紫外和荧光光谱,结果发现其特征吸收峰与臭氧、过氧化氢的特征吸收峰相似,认为这些臭氧和过氧化氢分别是水在两磁极附近生成的氧化和还原产物。N. F. Bunkin 等用小角度激光衍射法检测了排气和没排气条件下无机盐对水结构的影响,结果发现,在没排气条件下氯化钠和乙酸钠对水的结构有影响,而在排气条件下则检测不到水的结构变化。P. K. Weissenhorn等〕指出水中溶解的以微小气泡形式存在的微量气体对水的物理化学性质的作用远远超过人们想象,因此,就气-液界面的变化是否改变水的团聚大小和反应活性、在磁场作用下产生的活性氧和氢对整个水系统的性质有何重要影响等问题进行研究,将是未来研究的热点。

1.2 磁处理对CaCO3、CaSO4结晶过程的影响

磁场能影响结垢物质的成核速率、晶体大小和数量。有学者认为〔13, 14〕CaCO3 溶液中的CaCO3 结晶过程非常复杂:(1)水化Ca2+和CO32-相互作用,生成 CaCO3 球形分子;(2)相互较松散连接的Ca2+-CO32- 离子对弱化了水壳层,无规则的脱水胶束不断形成,在过饱和溶液中此过程更为复杂;(3)在搅拌或循环流动状态下,进一步脱水导致CaCO3 固体颗粒的形成。在磁场作用下,水分子之间的相互作用力减弱, Ca2+和CO32-的水化半径变小,更易生成CaCO3 球形分子,同时水分子活性增强,脱水过程更易完成,水中微晶增多,造成结晶状态变化,形成疏松有纹理的结构,不易在锅炉壁上结垢。R. Gehr 等研究了磁场作用下的饱和CaSO4 溶液,结果表明磁场作用下CaSO4 溶解度减小,CaSO4 更易沉淀下来,避免其在管壁上沉积。Y. Wang 等研究了磁场作用下 CaCO3 的快速结晶过程,结果发现在外加强磁场作用下,CaCO3 的成核速度大大提高,生成更多小尺寸晶体。H. E. L. Madsen通过实验证实磁场加速了碳酸盐、磷酸盐等反磁性弱酸盐的结晶过程。但另一些人对这一过程的研究得到了相反的结论,周开学等 采用磁矩相互作用简化模型,定量计算了磁效应与外加磁场强度的关系,解释了磁处理对CaSO4 型结垢的影响。计算结果表明,水分子之间的磁偶极相互作用势能产生附加内聚力,会使第二级水化层中有更多的水分子与离子较牢固地结合起来,这样就增大了离子的水化分子数,离子水化半径也将增大。离子的水化作用越强,越难生成CaCO3 球形分子,同时水分子活性减弱,脱水过程更难,所以晶体成长更大,晶核数目越少。K. Higashitani 等也通过试验得出其直接磁处理后硅水化层变厚,而且发现在磁处理后晶核数目减少。这完全相反的实验结果可能是磁处理条件不同造成的,还有待进一步研究。磁场能改变成垢物质晶体的生长方向、形状和大小。J. D. Donaldson提出,磁阻垢效应是带电颗粒经过磁场时,磁场会改变颗粒表面的带电性质从而改变晶体的成长过程,特别是某一特定生长方向,这就改变了晶体的形状和大小。且带电粒子在磁场作用下运动产生的洛仑兹力也可能在磁阻垢方面起到协同作用。M. G. Mwaba 等研究了大磁场(4.75 T)对CaSO4 晶型的影响,结果表明在磁场作用下CaSO4 晶体在一定几何面上具有更大的表面,CaSO4 晶体可能朝某一优先方向生长,而有些方向则受到抑制。朝某一方向优先生成的晶体可能更脆弱易被打碎冲走,也可能在容器中间发生凝聚而成为晶核成长中心,避免其沉积在容器或管壁上。磁场能改变CaCO3 晶体的晶型组成。CaCO3 的常见晶型为方解石、文石,其中文石有六方晶系和斜方晶系两种晶型。在磁场作用下,致密、顽固的方解石晶型有向更软、多孔、易溶的针状斜方文石晶型转变的趋势。S. Kobe 等研究了磁场作用下的 CaCO3 重结晶过程,发现随着磁场强度的增大文石结构的CaCO3 晶体比例不断上升而方解石结构的CaCO3 晶体比例不断降低。用从头算法计算了文石和方解石的不同基态电子能量,得出文石的基态电子能量比方解石高28 eV,而文石的基态比方解石更稳定,外加磁场刚好提供了方解石向文石转变的动力学能量,这和文石结构的CaCO3 晶体在更高压力和温度下才能熔解的性质相一致。F. Myrian 等 认为磁场会改变CaCO3 的生成焓,在磁场作用下优先生成斜方文石结构的CaCO3 晶体,它由处于亚稳状态的六方文石晶核转变而成,呈针状外形,较难附在容器底层,易被流动液体所冲走。

1.3 磁场对CaCO3沉淀ζ 电势的影响

从胶体理论出发进行解释,磁场之所以能改变碳酸钙、硫酸钙的成核速率、晶体大小和数量,是因为磁场改变了碳酸钙、硫酸钙胶体的ζ 电位和表面自由能。采用双电层变形理论解释磁水处理防垢机理,胶粒的ζ 电势发生变化,使溶液本体中粒子聚集产生大量微粒,从而提供了预制晶核,这些晶核一方面降低了溶液的过饱和度,同时使溶液结晶能力增强,减少器壁上结垢的机会,形成软泥。实验发现 CaCO3 饱和溶液在磁场作用下CaCO3 胶粒发生凝结,表面积减小,其表面吸附的离子发生脱附重新回到溶液中,扩散层变薄,ζ 电势下降。A. D. Kney 等〕 证实磁场对溶液中CaCO3 沉淀的影响主要在于磁场改变了水中固体颗粒的表面电荷和表面积,从而改变了CaCO3 的沉淀速度。L. Holysz 等对磁场作用下碳酸钙的ζ 电位和表面自由能进行了深入研究,认为其变化是磁场改变了CaCO3 的表面电荷和水结构的结果。

1.4 磁作用参数的影响

磁处理器的形式多种多样,根据产生磁场的方式可分为永磁和电磁,根据磁体与流体是否接触分为浸入式与非浸入式,根据磁场方向与流体流动方向间的关系可分为正交式和平行式。现有文献报道的多为正交式设备,故目前的研究与应用中使用的多为正交式,至于产生磁场的方式及磁体是否与流体接触似乎不重要。

磁处理的时间与次数是影响防垢效果和除垢的重要因素之一。通常磁处理一次的防垢效果较差,而循环作用的效果较好。J. S. Baker 等研究发现,即使在最佳的磁接触条件下,磁处理一次后CaCO3 的结晶速率等不受影响。磁处理时间与水的流速紧密相关,因此磁处理存在最佳流速。有研究认为磁场强度与水流速的乘积有一恒定的最佳值,当磁处理器的磁场强时,其最佳流速就小,反之亦然。目前磁处理器选择的流速为2 m/s 左右,但也有选择较高的流速。

除磁场方向、作用时间和流体速度外,磁处理器的形状和材料也是影响防垢效果的重要因素。如果磁场与流体磁场直接接触,则操作过程中会产生杂散电流,并产生一些侵蚀产物,这可以是磁处理装置的刻意设计或操作产物。有些磁处理器用锌或铝作为牺牲电极,其刻意产生锌或铝离子而形成锌或铝的氢氧化物。在没有牺牲电极的情况下,一些离子胶体可以由磁处理器腐蚀形成,这些腐蚀产物可以影响结垢矿物的沉淀。J. Y. Gal 等研究发现磁处理器对流体造成的紊乱也是结垢的一个重要因素。流体的紊乱会使溶液脱气加速,二氧化碳溶解量相应减少,影响溶液的pH 以及结垢速率。在适当条件下,磁处理能加速亚稳状态下胶体的絮凝,促进晶核生成,也会影响结垢速率。

2 水磁处理研究遇到的困难

虽然国内外学者、工程师在水磁处理防垢的基础研究方面作了许多工作,提出了水磁处理阻垢机理的不同理论模型,对各种最佳应用条件进行了探索性研究,但仍然存在很多亟待解决的问题:(1)水磁处理防垢缺乏一套完整的能解释实验现象的理论;(2)现有理论不能很好地解决磁处理的“记忆效应”问题;(3)无法解释磁化效果的多极值特征;(4)磁场能否使水分子发生相变,能否引起氢键断裂、键角弯曲变形、活化能增大、水分子间作用力变小〔3〕,还没有统一的实验验证,尤其缺乏定量的理论计算〔4〕;(5)由于磁防垢的机理至今还未得到解决,在磁处理应用中往往无法根据具体情况优化磁化参数及使用条件。在某些应用实例中,由于参数选用不当导致磁效应不明显甚至出现负效应,直接影响了该项技术的推广和应用。

3 研究方向与发展趋势

就目前而言,水磁处理防垢今后的重点研究方向和发展趋势为:(1)了解磁场对胶粒表面吸附过程的影响及磁场对离子水化、离子活度系数的作用机理。(2)建立磁场对多组分电解质溶液热力学参量的作用模型。只有从分子水平进行研究并取得突破,才有可能揭示磁防垢及磁处理其他效应的微观机制,揭开磁化水的奥秘。(3)水溶液中成垢物质的饱和度、离子的种类与浓度、pH、磁场强度、作用时间、流速、温度等因素对防垢效果的定量影响及相互间的定量关系很少报道,因此在磁处理应用设计过程中缺乏定量依据作指导,加强定量的基础理论研究将是未来的重要发展方向。(4)因为磁场会引起气-液界面性质变化,气-液界面性质对胶体和生物系统产生何种影响是将来研究的热点课题。(5)将磁处理阻垢技术与投加化学药剂、红外辐射、超声波等技术相结合,以提高阻垢、防垢效果,并探讨其协同作用机理的研究也是今后磁处理防垢技术应用研究的重点。

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