黃征青，魯國彬
(湖北工學院 化工系，湖北 武漢　 430068)

　　摘要：闡述了電磁場對防垢體系的影響，介紹了電磁處理防垢的最佳作用條件及應用范圍；將眾多的磁處理防垢機理歸納為4類并分析了其優缺點，指出了電磁處理防垢的應用前景、存在問題及其研究方向。
　　關鍵詞：電磁；防垢；水處理
　　中圖分類號：TU991　 文獻標識碼：A　 文章編號：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

　　水系統的防垢采用化學方法，其效果顯著，但成本高、操作復雜，也增加了環境負荷。而成本低、無污染的電場、磁場防垢技術具有特有的優勢和廣闊的應用前景。
　　自1890年France和Cabel申請專利起，磁場用于水處理已有100多年的歷史。1945年T.Vermeriren發現用“磁化水”可以減少鍋爐水垢的生成后，水的磁場防垢技術得到了較廣泛的研究與發展，隨后就出現了一些用于水和其它流體的磁處理裝置；迄今為止，在國外磁處理裝置已廣泛用于工業與民用給水系統中防垢、除垢、殺菌、防腐等。
　　我國從20世紀50年代就開始了磁技術用于鍋爐水除垢和防垢的研究與應用，并于1959年生產出了第一臺永磁處理器，但應用中幾經反復，雖有一些廠家生產磁處理器，其應用的范圍還很窄、規模也小；近十年由于稀土永磁材料的開發，有些收稿日期：2003—03—10；修回日期：2003—04—14超強磁處理器新產品問世。鑒于磁場與電場的關系，電場防垢裝置：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出來。尤其是一些高出力的電場(高頻達10MHz以上、高壓達7 000V以上)防垢除垢裝置，它們彌補了永磁裝置磁感應強度小(小于1特拉斯)的缺點，因而得到了廣泛的應用，其發展勢頭已超過了永磁裝置。

1 電磁處理防垢的研究現狀

　　世界上許多國家(如前蘇聯、歐美等國)對磁處理防垢進行了較廣泛的基礎研究，由于水體的復雜性、實驗條件的限制等多方面原因，部分研究結果還存在著差異和矛盾，然而基礎研究還是取得了較好的成果，并極大地推動了該技術的應用與發展。
1.1 電磁場對作用體系的影響
　　電磁場對防垢體系的影響是一種物理作用，通常對體系的化學成分沒有明顯影響，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(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效性(即“記憶效應”)，它不是永久的，只是暫時的，并與作用體系的流動狀態有關，通常認為靜態體系的“記憶效應”達48h以上，而動態體系的“記憶效應”只有8h左右，電磁作用的流體也只能輸送8-12km，正是因為這個原因，電磁處理防垢只在循環作用下才有效。
1.2　電磁場作用的最佳條件
　　磁場強度、磁作用的方式、磁作用時間、流速、溶液的性質(電導、pH值、堿度、離子的類型等)等都能影響磁處理防垢的效果：
　　磁場強度是決定磁處理效果的關鍵參數之一，磁場在流體中是皇梯度分布的，只有磁場強度達到足夠大時，才對通過的流體都有作用，但對通過的流體的作用是有差異的，在較低的磁場作用下如0.2特拉斯左右，只對接近磁極附近的紊流流體起作用，磁場作用的這種不均勻性也決定了磁處理需要進行循環作用才能保證其作用的效果。
　　當磁場與流體的流動方向垂直時，磁作用最強＼效果也最好，故通常采用正交式磁場。流體的流速、磁場作用時間也是決定磁處理效果的關鍵參數，通常認為在磁感應強度為0.6—0.8特拉斯時，最佳的流速為2m／s左右，對特定的流體，磁場強度與流速的乘積有一最佳值，也有認為是磁場強度、流速和磁作用時間的乘積存在一最佳值，但由于文獻報道中很少提到所使用磁體的長度，一次磁作用時間很難進行計算比較。
　　溶液的酸度、堿度、硬度對磁作用的效果有明顯的影響，通常認為pH值在7-9，堿度大于硬度時磁處理防垢的效果才明顯。溶液中離子的種類對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：用磁場分別作用到CaCl2和Na2C03溶液，混合后加熱形成過飽和溶液，實驗發現單獨用磁場作用于CaCl2溶液是沒有，效果的，而單獨用磁場作用于Na2C03溶液的效果與同時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。研究表明對含SO₄^2-的體系需要較高的磁場強度才有效果，這可能與離子的磁化率有關。陽離子對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，可防止硬垢的生成；但流體中只能有痕量的鐵離子的，否則容易引起磁場短路，使永磁磁處理器失效；一般來說，大致每200mg／L的總溶解固體最多允許的鐵錳總的質量濃度為1 mg／L，否則，就需進行除鐵處理。
1.3 電磁處理防垢的應用范圍
　　目前，電磁處理防垢主要應用于各種循環冷卻水和熱水鍋爐系統，在蒸汽鍋爐中也能應用，但由于溫度大于100℃以后，溶液過飽和度大，產生的軟泥較多，排污量大，能量浪費大，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用失敗，主要是由以下兩方面的原因造成的：
　　①設備參數和應用對象不合適。有些設備的參數(如磁場強度、頻率、電壓)未達到要求；特定的設備有最佳的適用體系，不能隨意擴大其應用范圍，否則效果不理想，甚至失敗。
　　②使用不當。把磁處理器當成軟化器，在使用中沒有定期的排污；安裝不當；鐵銹引起磁場短路失效；被處理流體未全部循環作用；循環次數過高引起濃縮倍數超標等。
1.4 電磁場防垢的機理
　　有關磁處理防垢的機理很多，都是從各自的實驗結果出發提出的，都能解釋部分的試驗結果，至今還沒有能解釋所有實驗現象的統一理論，現有的機理大致可分為以下幾類：
　　①污染物影響，如磁加強腐蝕溶解，使體系中產生痕量的Fe²⁺，Fe³⁺等，而Fe²⁺，Fe³⁺等能抑制硬垢的生成11)，產生軟泥，達到防止eS壁結垢的效果；但污染物影響類的機理不能解釋非浸入式磁處理器及高純溶液的結果。
　?、谠觾炔康挠绊?，如電子構象的變化，Benson等[2]，從熵變化的角度解釋了磁場減少垢形成的原因：在沒有磁場作用的情況下，低能態旋轉能級是簡并態，而在磁場作用下，能級會分裂成磁旋量子數m=±1／2的兩個能級，能級差ΔE=（γh/4Л），其中γ 為旋磁比，h為普朗克常數，B₀為磁場強度；排列數的增加會導致體系熵的變化，在低溫下，磁性物質在磁場作用下進行定向排列而引起其熵的降低；然而成垢的抗磁性物不會向排列，體系的熵會增加，熵的增加會反映到成垢物質的溶解性、離子濃度等的變化上，因而可達到防垢效果，但原子內部的影響不能解釋“磁記憶效應”。
　?、鄯肿娱g、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，在磁場的作用下會產生極化，并進行定向排列，兩極性分子在發生異性相吸、同性相斥的作用時，會使分子產生一些變形，極性增大，水中鹽類的陰離子將被極性增強的水偶極子包圍而難運動，從而抑制鈣鎂等鹽垢的析出；再如氫鍵斷裂變形理論認為，磁作用會引起水的滲透性增強，破壞垢與器壁間的結合力從而引起水垢的脫落，但這種解釋多為定性的。Srebrenik[3]的量子機理雖能解釋磁化記憶效應，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為：在磁場作用下，由于膠粒等的(電勢變化，使溶液本體中粒子聚集產生大量的微粒，從而提供預制晶核，這些晶核一方面降低了溶液的過飽和度，同時使溶液中結晶能力增強，減少器壁上結垢的機會，形成軟泥。以界面間的影響為基礎的理論，得到了許多實驗證據的支持，并以ζ電勢形式提出了大量的性能參數，能解釋多數實驗結果。我們初步的實驗結果也證明了這一點[4]。

2 發展趨勢與應用展望

　　電磁處理防垢技術經過幾十年的曲折發展，其應用和理論研究都已取得可喜的成績，人們對該技術的認識也趨于理性化，既不否定其效果，也不夸大其作用；然而磁處理防垢技術在許多方面還有待進一步的研究與發展，主要表現在以下幾方面：
　?、倩A理論的研究還滯后于應用研究，磁處理防垢的機理還沒有真正認識，對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，關于水溶液的成垢物質的飽和度、離子的種類與濃度、PH值、磁場強度、作用時間、流速、溫度等因素對防垢效率的定量影響及相互間的定量關系報道，因而在磁處理應用設計過程中缺乏定量的依據作指導，很多依賴于經驗，影響了其應用的成功性。加強定量的基礎理論研究是將來的重要發展方向。
　?、谙嚓P的實驗手段還有待進一步發展和完善，由于水的性質復雜，實驗手段和分析方法的欠缺導致實驗結果的重復性差、誤差大、可靠性低。
　?、鄞盘幚矸拦阜椒m然有效，但也存在局限性，還必須利用其它方法來彌補其不足，以提高其應用的成功性、擴大其應用范圍。
　　由于磁場處理防垢技術是一種物理技術，在環境保護和降低生產成本等方面具有其他方法不可比擬的優勢，已日益受到人們的重視；隨著人們對磁處理防垢、除垢的作用條件、機理認識的深入，隨著實驗方法與分析手段的提高；隨著磁性材料的制備技術的提高及其相關技術的發展，我們相信磁處理防垢技術將會迎來更美好的明天。

參考文獻：
　　[1] 黃征青，黃光斗，徐洪濤.水的磁處理防垢與除垢的研究[J].工業水處理，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] 黃征青，黃光斗，徐洪濤，等。超濾對磁化水的影響及截留微粒成分分析[J]。工業水處理，2003，23（9）：35-37。

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作者簡介：黃征青（1965-），男，湖北京山人，副教授，博士，電話（027）88032316，huangzq671@sohu.com.