磁化水防垢研究综述 - 1 - 磁化水防垢研究综述 邓小雄 (广西师范学院物电学院 广西南宁 530023)
[摘 要]从水垢种类和形成机理、磁化水理化特性、影响磁化水防垢的因素以及磁化水防垢机理方面对目前磁化水在防垢方面的研究进行综述。最后总结目前磁化水防垢研究的主要问题,以期对磁化水防垢的进一步研究有所帮助。 [关键词]磁化水;水垢;防垢;综述 Abstract:This paper summarizes the current study of anti-scaling based on magnetized water from the types and forming mechanism of the scale,the physics and chemistry characteristics of the magnetized water,the factors of influencing the effect of the magnetic water anti-scaling and the mechanism of anti-scaling.Finally the questions of the scale research are summarized in order to improve the further research of the anti-scaling based on magnetized water. Key words: magnetized water;scale;anti-scaling;summary
引言 水垢一般由水中难溶或微溶的无机盐组成，附着在结垢材料容器表面，降低其热交换能力和反应效率的物质。在受热面与传热表面上沉积的附着物层均可称作水垢。水垢不管在日常生活还是在工农业生产中，都带来了严重的危害。除了除垢所造成的巨大经济损失外，还会给生产和生活带来安全问题，如造成锅炉爆炸等。在太阳能行业中，水垢的危害更显严重，真空管内壁一旦结垢，其热量转化值会大幅度下降，再高效的真空管也会因为水垢变得毫无办法。因此，研究如何防止水垢形成具有重大的现实意义。 磁化水指经磁场处理后的水，也叫磁处理水。本文主要讨论的是经永久磁铁产生的静磁场磁化的水。磁化水防垢具有使用方便、经济、无毒和无污染的特点。磁化水还具有除垢、 缓蚀、杀菌等多种功能,是一种很有发展前途的水处理方法,磁化水防垢研究综述 - 2 - 其应用于防垢方面的机理还有待深入研究。磁化水防垢是磁化水的一种重要应用,本文主要从水垢种类和形成机理、磁化水理化特性、影响磁化水防垢的因素以及磁化水防垢机理方面对目前的研究进行综述。
1 水垢的种类和形成机理 1.1水垢的种类
水垢按化学成分一般可分为钙盐、镁盐或碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐、硅酸盐和氧化铁等[1]。其中碳酸钙垢和硫酸钙垢是水垢的常见成分[2]。水垢的组成和结晶形状与水质条件、流动状态以及受热面温度等因素有关[1]。 1.2 水垢的形成机理 水垢的形成与成垢离子、水质密切相关。一般认为水垢是水中过饱和的CaCO3、CaSO4 、Mg(OH)2等盐类析出、沉淀所致。这些物质在受热面上结垢时要经过一系列过程: 形成过饱和溶液，微细的结晶在过饱和溶液中处于溶解-结晶平衡的亚稳定状态；结晶长大聚集而失去稳定,成垢物质在受热面上粘附并有序地使晶粒长大,结成水垢[1]。结垢是成垢离子沿固液界面的固体一侧发生的化学吸附与物理吸附作用的延伸,即无机盐或氧化物在固体表面结晶的过程[1]。 水垢形成的主要机制主要为以下五种： (1)受热分解 暂时硬度的水在加热过程中,一些钙镁盐类受热分解,从溶于水的物质转变成难溶于水的物质,附着于金属等表面上结为水垢,钙和镁盐类分解如下: Ca(HC03)2→CaC03↓+H2O+C02↑ Mg(HC03)2→MgC03+H2O+C02↑ MgC03+H2O→Mg(OH)2↓+C02↑ (2)某些盐类超过了其溶解度 由于水的不断蒸发和浓缩,水中的溶解盐类含量不断增加,当某些盐类达到过饱和时,盐类在蒸发面上析出固相,结成水垢。 (3)溶解度下降 磁化水防垢研究综述 - 3 - 随着水温度的升高,水中某些盐类溶解度下降,如CaS04和CaSi03等盐类。 (4)相互反应 水中原溶解度较大的盐类和水中其他盐类、碱反应后,生成难溶于水的化合物,从而结生水垢。一些盐和碱相互反应如下: Ca(HC03)2+2NaOH=CaC03↓+Na2C03+H20 CaCl2+Na2C03=CaC03↓+2NaCl (5)水渣转化 当水渣过多而且又粘时,如 Mg(OH)2 和Mg3(P04)2等,如果排污不及时,很容 易由泥渣转化为水垢。
2 磁化水的制备及理化特性 2.1磁化水的制备 磁化水的制备一般是使待处理水垂直经过磁场而得到。水的磁化处理系统的核心部件是磁水器，它是由产生磁场的装置和水通路两部分组成。水流以一定的流速在通路内依次通过一个或多个磁路间隙, 一般水流的方向与磁场的方向垂直[1，3]。 磁处理系统按磁源位置可分为内磁式和外磁式。外磁式比内磁式有更大的优越性，因为检修时不必停水或拆卸管道，也不易形成磁短路现象[1，3]。按磁场形成方式分为永磁式和电磁式。永磁式的优点是不消耗能源,结构简单,操作维护方便,因此在国内外得到广泛应用。但缺点是磁场强度较小，一般是从几毫特斯拉到几特斯拉，并随时间的延长和温度的提高存在退磁现象。电磁式的磁场强度可调节，磁场稳定且不受时间和温度的影响，但存在耗电问题[1，3-5]。对于电磁处理防垢机理的研究, 至今尚未形成统一的理论, 这也是当前该领域研究的重点与难点。 磁水器设计一般要考虑永磁材料、比磁通和比磁能等因素[6-7]。比磁通指水以某一流速穿过磁水器时,一小时内一立方米水所穿透的磁通数量。在一定磁密条件下,水被磁化时间长,即磁路路程长,磁化效果好,其比磁通量增高。比磁通值磁化水防垢研究综述 - 4 - 决定磁水器尺寸及所用磁性材料多少。因此,它是磁水器设计中的一个重要参数。比磁能指的是磁化水以一定速度流过磁水器时,在一小时内一立方米的水在磁水器内所获得的磁场能量。这也是一个表明水的磁化处理强度的参数。 在磁路设计方面,应使磁场尽量均匀,以维持其能量和力的平衡,因此国内外一般采用聚磁磁路或吸着磁路[7]。 2.2 磁化水的理化特性 水经磁化后,外观上与一般的水没有差别,但其物理和化学性质会发生显著的变化。磁化水对水垢的溶解性增强,有的研究指出磁化水对某些物质的溶解度增加20%~70%[8-10]。不同磁场强度下获得的磁化水的表面张力差别很大,有的表面张力增加了,有的减少了[10-12]。如有的文献指出B=0.55T时，表面张力增加，B=0.305T或B=0.58T时，表面张力减小[11]。磁化水的电导率普遍比自来水高[11,13]，有的研究指出电导率提高2%[11]。磁化水的溶解氧的能力增强,因此磁化水含氧量增加[9,10,14]，有的文献指出含氧量增加20%左右[9]，这是磁化水能杀菌的主要原因。磁化水的PH值升高约0.4~1.0[10]，有的认为约提高0.2左右[12]。磁化水的渗透压提高约1.34倍[10]。 磁化水的理化特性变化还包括其他方面,如粘度、接触角、密度、挥发性、沸点、紫外光谱、红外光谱、核磁共振谱等的变化。
3 影响磁化水防垢效果的因素 影响磁化水防垢效果的因素很多,目前多数研究主要通过实验从不同方面探讨了各种因素的影响。笔者认为磁化水防垢效果应该是各种因素综合作用的结果。但鉴于磁化水的复杂性，目前这些因素之间的关系还没有明确一致的结果。很多研究者各自从自己的实验出发给出了一些结论。但由于实验条件与采用的水质样品等因素的不同，这些结论有的相差较大，有的甚至相反。以下分别从11方面总结一下各个因素与防垢效果之间的关系。 3.1磁场强度对防垢效果的影响 磁场强度是磁化水处理中最重要的一个参数。它影响水溶液中结晶颗粒的大磁化水防垢研究综述 - 5 - 小、成垢速率等。有的研究指出当磁感应强度B在1300Gs以上时,磁化所带来的抑垢效果更为明显[15]。有的认为为了使抑垢效果显著,磁场强度需要达到一定数值,并指出当磁场强度达到0.7T时,抑垢率最佳为93.38%[16]。米海松认为磁场强度与水流速的乘积有一个恒定的最佳值，即水的流速越小所需的最佳磁场强度就越大，反之亦然。Polar公司认为通过磁处理器的最佳流速为1.5-3.0m/s，相应的磁场强度应达到0.6-0.8T。有学者还发现磁场强度增加到一定值就没有进一步的效果了。Long等人在研究磁场强度为0，0.1，0.3，0.5，0.7T的磁化效果时，发现磁场强度高于0.1T时，就没有进一步的效果[17]。有的文献则认为若磁场大于0.4T,处理时间大于5min,则磁处理可使电解质的溶解度发生改变,对于CaCO3, BaCO3和BaSO4型水垢, 磁处理具有减缓甚至防止水垢形成的作用[18]。 由于不同研究者采用的水质,实验条件等的不一样,造成了实验结果的较大差异。因此,关于磁场强度对磁化水防垢效果还需进一步研究。
3.2水流速度对防垢效果的影响 流体流速也是影响磁防垢效果的一个重要因素。有的文献认为流速最低不应小于1.5m/s[10]，有研究认为流速0.8m/s时抑垢效果较好,抑垢率为83.65%[16]。也有的研究者认为目前磁处理器选择的流速多为2m/s左右,也有选择较高的,如Grutsch等发现在碱性环境中,采用6m/s的流速就可有效控制CaCO3和CaSO4 垢的沉积,但是Coey和StepHen的实验结果却表明流速不产生明显的影响[17,19]。 磁处理器不同,处理的水质不同,最佳流速也不同,因此,流速要由具体的试验来确定。 3.3 磁处理时间对防垢效果的影响 根据已有文献报道,磁处理时间对防垢效果有影响[17,19,20]。通常循环通过磁处理器的防垢效果比单次通过要好[17,19]。有文献指出Baker和Judd的研究表明, 即使在最佳的磁接触条件下,水一次通过磁处理器后,CaCO3的结晶速率等也不受影响；而在循环和重复的磁暴露的条件下,CaCO3沉淀的颗粒却变大,形成的沉淀是多孔性的[19]。 如果水是单次通过磁处理器,笔者认为应综合考虑水的流速和磁处理时间之