黃征青，魯國(guó)彬
(湖北工學(xué)院 化工系，湖北 武漢　 430068)

　　摘要：闡述了電磁場(chǎng)對(duì)防垢體系的影響，介紹了電磁處理防垢的最佳作用條件及應(yīng)用范圍；將眾多的磁處理防垢機(jī)理歸納為4類并分析了其優(yōu)缺點(diǎn)，指出了電磁處理防垢的應(yīng)用前景、存在問題及其研究方向。
　　關(guān)鍵詞：電磁；防垢；水處理
　　中圖分類號(hào)：TU991　 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A　 文章編號(hào)：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

　　水系統(tǒng)的防垢采用化學(xué)方法，其效果顯著，但成本高、操作復(fù)雜，也增加了環(huán)境負(fù)荷。而成本低、無污染的電場(chǎng)、磁場(chǎng)防垢技術(shù)具有特有的優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景。
　　自1890年France和Cabel申請(qǐng)專利起，磁場(chǎng)用于水處理已有100多年的歷史。1945年T.Vermeriren發(fā)現(xiàn)用“磁化水”可以減少鍋爐水垢的生成后，水的磁場(chǎng)防垢技術(shù)得到了較廣泛的研究與發(fā)展，隨后就出現(xiàn)了一些用于水和其它流體的磁處理裝置；迄今為止，在國(guó)外磁處理裝置已廣泛用于工業(yè)與民用給水系統(tǒng)中防垢、除垢、殺菌、防腐等。
　　我國(guó)從20世紀(jì)50年代就開始了磁技術(shù)用于鍋爐水除垢和防垢的研究與應(yīng)用，并于1959年生產(chǎn)出了第一臺(tái)永磁處理器，但應(yīng)用中幾經(jīng)反復(fù)，雖有一些廠家生產(chǎn)磁處理器，其應(yīng)用的范圍還很窄、規(guī)模也小；近十年由于稀土永磁材料的開發(fā)，有些收稿日期：2003—03—10；修回日期：2003—04—14超強(qiáng)磁處理器新產(chǎn)品問世。鑒于磁場(chǎng)與電場(chǎng)的關(guān)系，電場(chǎng)防垢裝置：靜電水處理器(高壓直流)、電子水處理器(低壓直流)和高頻電子水處理器等也相繼被開發(fā)出來。尤其是一些高出力的電場(chǎng)(高頻達(dá)10MHz以上、高壓達(dá)7 000V以上)防垢除垢裝置，它們彌補(bǔ)了永磁裝置磁感應(yīng)強(qiáng)度小(小于1特拉斯)的缺點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用，其發(fā)展勢(shì)頭已超過了永磁裝置。

1 電磁處理防垢的研究現(xiàn)狀

　　世界上許多國(guó)家(如前蘇聯(lián)、歐美等國(guó))對(duì)磁處理防垢進(jìn)行了較廣泛的基礎(chǔ)研究，由于水體的復(fù)雜性、實(shí)驗(yàn)條件的限制等多方面原因，部分研究結(jié)果還存在著差異和矛盾，然而基礎(chǔ)研究還是取得了較好的成果，并極大地推動(dòng)了該技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。
1.1 電磁場(chǎng)對(duì)作用體系的影響
　　電磁場(chǎng)對(duì)防垢體系的影響是一種物理作用，通常對(duì)體系的化學(xué)成分沒有明顯影響，即電磁防垢沒有明顯的軟化和脫鹽作用；電磁作用能引起體系的一些物理性質(zhì)(如粘度、滲透性、表面張力、氣體的溶解性、離子的水合作用、膠體的C電位等)的變化，這種物理的影響有一定的時(shí)效性(即“記憶效應(yīng)”)，它不是永久的，只是暫時(shí)的，并與作用體系的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，通常認(rèn)為靜態(tài)體系的“記憶效應(yīng)”達(dá)48h以上，而動(dòng)態(tài)體系的“記憶效應(yīng)”只有8h左右，電磁作用的流體也只能輸送8-12km，正是因?yàn)檫@個(gè)原因，電磁處理防垢只在循環(huán)作用下才有效。
1.2　電磁場(chǎng)作用的最佳條件
　　磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁作用的方式、磁作用時(shí)間、流速、溶液的性質(zhì)(電導(dǎo)、pH值、堿度、離子的類型等)等都能影響磁處理防垢的效果：
　　磁場(chǎng)強(qiáng)度是決定磁處理效果的關(guān)鍵參數(shù)之一，磁場(chǎng)在流體中是皇梯度分布的，只有磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到足夠大時(shí)，才對(duì)通過的流體都有作用，但對(duì)通過的流體的作用是有差異的，在較低的磁場(chǎng)作用下如0.2特拉斯左右，只對(duì)接近磁極附近的紊流流體起作用，磁場(chǎng)作用的這種不均勻性也決定了磁處理需要進(jìn)行循環(huán)作用才能保證其作用的效果。
　　當(dāng)磁場(chǎng)與流體的流動(dòng)方向垂直時(shí)，磁作用最強(qiáng)＼效果也最好，故通常采用正交式磁場(chǎng)。流體的流速、磁場(chǎng)作用時(shí)間也是決定磁處理效果的關(guān)鍵參數(shù)，通常認(rèn)為在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.6—0.8特拉斯時(shí)，最佳的流速為2m／s左右，對(duì)特定的流體，磁場(chǎng)強(qiáng)度與流速的乘積有一最佳值，也有認(rèn)為是磁場(chǎng)強(qiáng)度、流速和磁作用時(shí)間的乘積存在一最佳值，但由于文獻(xiàn)報(bào)道中很少提到所使用磁體的長(zhǎng)度，一次磁作用時(shí)間很難進(jìn)行計(jì)算比較。
　　溶液的酸度、堿度、硬度對(duì)磁作用的效果有明顯的影響，通常認(rèn)為pH值在7-9，堿度大于硬度時(shí)磁處理防垢的效果才明顯。溶液中離子的種類對(duì)磁處理效果有明顯的影響，有研究表明磁處理主要是通過陰離子起作用的，如：用磁場(chǎng)分別作用到CaCl2和Na2C03溶液，混合后加熱形成過飽和溶液，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)單獨(dú)用磁場(chǎng)作用于CaCl2溶液是沒有，效果的，而單獨(dú)用磁場(chǎng)作用于Na2C03溶液的效果與同時(shí)作用于兩種溶液的效果一樣。陰離子的種類不同磁處理防垢的效果是不同的：通常對(duì)含CO₃^2- (磁化率-0.381 cgsu)的體系的作用效果比含SO₄^2-(磁化率-36.4cgsu)的作用效果要好。研究表明對(duì)含SO₄^2-的體系需要較高的磁場(chǎng)強(qiáng)度才有效果，這可能與離子的磁化率有關(guān)。陽離子對(duì)磁處理的效果也是有影響的。如Fe²⁺能阻礙方解石晶體的增長(zhǎng)，可防止硬垢的生成；但流體中只能有痕量的鐵離子的，否則容易引起磁場(chǎng)短路，使永磁磁處理器失效；一般來說，大致每200mg／L的總?cè)芙夤腆w最多允許的鐵錳總的質(zhì)量濃度為1 mg／L，否則，就需進(jìn)行除鐵處理。
1.3 電磁處理防垢的應(yīng)用范圍
　　目前，電磁處理防垢主要應(yīng)用于各種循環(huán)冷卻水和熱水鍋爐系統(tǒng)，在蒸汽鍋爐中也能應(yīng)用，但由于溫度大于100℃以后，溶液過飽和度大，產(chǎn)生的軟泥較多，排污量大，能量浪費(fèi)大，故磁處理防垢比較適合90℃以下的體系防垢。
　　從理論上講，磁處理防垢應(yīng)適用于所有體系，只是不同的體系有不同的最佳作用條件。目前有些磁處理器應(yīng)用失敗，主要是由以下兩方面的原因造成的：
　　①設(shè)備參數(shù)和應(yīng)用對(duì)象不合適。有些設(shè)備的參數(shù)(如磁場(chǎng)強(qiáng)度、頻率、電壓)未達(dá)到要求；特定的設(shè)備有最佳的適用體系，不能隨意擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，否則效果不理想，甚至失敗。
　　②使用不當(dāng)。把磁處理器當(dāng)成軟化器，在使用中沒有定期的排污；安裝不當(dāng)；鐵銹引起磁場(chǎng)短路失效；被處理流體未全部循環(huán)作用；循環(huán)次數(shù)過高引起濃縮倍數(shù)超標(biāo)等。
1.4 電磁場(chǎng)防垢的機(jī)理
　　有關(guān)磁處理防垢的機(jī)理很多，都是從各自的實(shí)驗(yàn)結(jié)果出發(fā)提出的，都能解釋部分的試驗(yàn)結(jié)果，至今還沒有能解釋所有實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的統(tǒng)一理論，現(xiàn)有的機(jī)理大致可分為以下幾類：
　　①污染物影響，如磁加強(qiáng)腐蝕溶解，使體系中產(chǎn)生痕量的Fe²⁺，F(xiàn)e³⁺等，而Fe²⁺，F(xiàn)e³⁺等能抑制硬垢的生成11)，產(chǎn)生軟泥，達(dá)到防止eS壁結(jié)垢的效果；但污染物影響類的機(jī)理不能解釋非浸入式磁處理器及高純?nèi)芤旱慕Y(jié)果。
　　②原子內(nèi)部的影響，如電子構(gòu)象的變化，Benson等[2]，從熵變化的角度解釋了磁場(chǎng)減少垢形成的原因：在沒有磁場(chǎng)作用的情況下，低能態(tài)旋轉(zhuǎn)能級(jí)是簡(jiǎn)并態(tài)，而在磁場(chǎng)作用下，能級(jí)會(huì)分裂成磁旋量子數(shù)m=±1／2的兩個(gè)能級(jí)，能級(jí)差ΔE=（γh/4Л），其中γ 為旋磁比，h為普朗克常數(shù)，B₀為磁場(chǎng)強(qiáng)度；排列數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致體系熵的變化，在低溫下，磁性物質(zhì)在磁場(chǎng)作用下進(jìn)行定向排列而引起其熵的降低；然而成垢的抗磁性物不會(huì)向排列，體系的熵會(huì)增加，熵的增加會(huì)反映到成垢物質(zhì)的溶解性、離子濃度等的變化上，因而可達(dá)到防垢效果，但原子內(nèi)部的影響不能解釋“磁記憶效應(yīng)”。
　　③分子間、離子間作用的影響，如分子的極性化變形理論。無論是極性分子還是非極性分子，在磁場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生極化，并進(jìn)行定向排列，兩極性分子在發(fā)生異性相吸、同性相斥的作用時(shí)，會(huì)使分子產(chǎn)生一些變形，極性增大，水中鹽類的陰離子將被極性增強(qiáng)的水偶極子包圍而難運(yùn)動(dòng)，從而抑制鈣鎂等鹽垢的析出；再如氫鍵斷裂變形理論認(rèn)為，磁作用會(huì)引起水的滲透性增強(qiáng)，破壞垢與器壁間的結(jié)合力從而引起水垢的脫落，但這種解釋多為定性的。Srebrenik[3]的量子機(jī)理雖能解釋磁化記憶效應(yīng)，但該模型還不適合水溶液中除鈣以外的其它陽離子。
　　④界面間的影響，如雙電層變形理論認(rèn)為：在磁場(chǎng)作用下，由于膠粒等的(電勢(shì)變化，使溶液本體中粒子聚集產(chǎn)生大量的微粒，從而提供預(yù)制晶核，這些晶核一方面降低了溶液的過飽和度，同時(shí)使溶液中結(jié)晶能力增強(qiáng)，減少器壁上結(jié)垢的機(jī)會(huì)，形成軟泥。以界面間的影響為基礎(chǔ)的理論，得到了許多實(shí)驗(yàn)證據(jù)的支持，并以ζ電勢(shì)形式提出了大量的性能參數(shù)，能解釋多數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。我們初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)[4]。

2 發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用展望

　　電磁處理防垢技術(shù)經(jīng)過幾十年的曲折發(fā)展，其應(yīng)用和理論研究都已取得可喜的成績(jī)，人們對(duì)該技術(shù)的認(rèn)識(shí)也趨于理性化，既不否定其效果，也不夸大其作用；然而磁處理防垢技術(shù)在許多方面還有待進(jìn)一步的研究與發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾方面：
　　①基礎(chǔ)理論的研究還滯后于應(yīng)用研究，磁處理防垢的機(jī)理還沒有真正認(rèn)識(shí)，對(duì)磁處理作用的最佳條件、影響因素還沒有完全了解，尤其是定量研究還較少，關(guān)于水溶液的成垢物質(zhì)的飽和度、離子的種類與濃度、PH值、磁場(chǎng)強(qiáng)度、作用時(shí)間、流速、溫度等因素對(duì)防垢效率的定量影響及相互間的定量關(guān)系報(bào)道，因而在磁處理應(yīng)用設(shè)計(jì)過程中缺乏定量的依據(jù)作指導(dǎo)，很多依賴于經(jīng)驗(yàn)，影響了其應(yīng)用的成功性。加強(qiáng)定量的基礎(chǔ)理論研究是將來的重要發(fā)展方向。
　　②相關(guān)的實(shí)驗(yàn)手段還有待進(jìn)一步發(fā)展和完善，由于水的性質(zhì)復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)手段和分析方法的欠缺導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性差、誤差大、可靠性低。
　　③磁處理防垢方法雖然有效，但也存在局限性，還必須利用其它方法來彌補(bǔ)其不足，以提高其應(yīng)用的成功性、擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。
　　由于磁場(chǎng)處理防垢技術(shù)是一種物理技術(shù)，在環(huán)境保護(hù)和降低生產(chǎn)成本等方面具有其他方法不可比擬的優(yōu)勢(shì)，已日益受到人們的重視；隨著人們對(duì)磁處理防垢、除垢的作用條件、機(jī)理認(rèn)識(shí)的深入，隨著實(shí)驗(yàn)方法與分析手段的提高；隨著磁性材料的制備技術(shù)的提高及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，我們相信磁處理防垢技術(shù)將會(huì)迎來更美好的明天。

參考文獻(xiàn)：
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　　[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.
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作者簡(jiǎn)介：黃征青（1965-），男，湖北京山人，副教授，博士，電話（027）88032316，huangzq671@sohu.com.