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电磁水处理技术的防垢机理了解

作者:北京水处理公司发布时间:2010-05-25

  工业用水由于存在着钙盐和镁盐,通常在加热到 35 度以上时,就会析出针状结晶体,并牢固的附着在器 壁上,形成一层厚厚的水垢。水垢的导热系数很低,只有钢材的 1/15~1/100 ,因此水垢的存在将大大降低热效率,浪费能源,严重时还会引 起管路的堵塞,甚至出现由于传热的不均匀,引起器壁热膨胀的不均匀,导致管壁破裂爆炸,因此水垢的存在危害极大。

  传统上利用离子交换法去除水中的钙镁离子达到防垢的效果,或利用化学清洗法作为除垢的方法,这类化学方法的优点是效果明显,见效快,但 存在着设备投资大,或腐蚀管道,引起环境污染,在清洗的过程中需要停机等缺点。因此人们一直在探索着简单有效的物理方法,以代替成本 高,有污染的化学方法。物理方法自产生到现在,经历了五代产品的更新换代。

  第一代产品是永磁法, 1945 年比利时工程 师 Vermeiren 发现通过 3000 高斯磁场的水具有防垢除垢的特征,并开发了永久磁铁作成的,具有无须人管,无须加药,无须通电,无污染, 节能型的防垢除垢设备,开创了物理法的先河。但有一个致命的缺点:褪磁。金属管路形成磁路导致退磁较快,刚开始使用效果良好,一年半 载后效果逐渐减退,直至无效。

  为了消除退磁的弱点,用电磁铁代替永久磁铁开发了第二代产品。其缺点是需要较大的电流 ,导致线圈发热,不能连续工作,且耗能较大。既然磁场能防垢除垢,电场是否也能达到防垢除垢的效果呢?人们发现经 3500V 以上高压静电 处理过的水同样具有防垢除垢、防腐阻锈的作用,同时还具有杀菌灭藻功能。它克服了前一代产品的缺点却产生了新的缺点:绝缘材料在水中 易老化,设备常需检修;而且高压电容易对其他控制设备产生影响。为了克服以上缺点,人们研制成功了利用电解法的第四代产品。由一根金 属阳极和筒体阴极组成,在极间加 10—20V 的直流电,形成电场以达处理水目的,其弱点是阳极由于氧化易腐浊,需经常更换,水处理也不大 。

  第五代产品对水施以高频电磁场以达到防垢除垢、防腐阻锈的目的。它克服了前四代产品的缺点,且具有水处理量大,效 果稳定,使用寿命长等优点。以上五代产品都是利用电磁场来达到防垢除垢,防腐阴锈目的的。那么他们的作用机理又是怎样的呢? 机理探讨

  前面介绍了五类水处理技术产品,在一定条件下都有较好的防垢除垢效果,只是各有的特点。第一二代用磁来处理, 第三四代用电来处理,第五代用电磁场来处理,然而从更高层次看,电磁场是一个统一体的不同侧面,静电场在运动参考系看同样存在磁场。 因此,从本质上看,这五代产品具有相似性,因此在防垢除垢的机理上也应相同。根据电场、磁场、电磁场的共同特性,电磁水处理技术的防 垢除垢的统一机理应是水分子的有序化,导致水分子电偶极矩的增大,加强了水分子与钙镁离子的结合力,从而使水对钙镁离子的溶解力大大 提高,达到防垢除垢的目的。水分子是有极分子,在电场力的作用下,将作定向排列,最终出现,如图 1 的变化;同时极板对正负离子产生一 定的吸附作用,但由于水在流动,电场作用时间有限,所以吸附是次要的,主要效应是有序化。若所加的是静电场由于水的介电常数 ε =78 较大,水中的电场强度比绝缘层中的电场要小几十倍,而且由于水中正负离子的存在逐渐吸附到电极上,将大大抵消静电场的作用,因此要达 到一定的有序化程度需要较高的静电场,而且要有一定的作用时间。

  若所加的是磁场而不是电场的话,由于水分子的流动, 将受洛仑兹力的作用,同样会出现水分子的有序化,如图 2 所示“ X ”表示磁场方向垂直指向纸面,在洛仑兹力的作用下,最后有极水分子 正电部分在上,负电部分在下,有序化程度要达到电场力所产生的类似效果,则必需加足够强的磁场。

  若所加的高频电磁场 ,同样会导致水分子和正负离子的有序化,其原理类似于电泳,虽然电极在作不断的正负变化。但电场只有作两个方向的变化,有极分子在这 样的电场力作用下,只好作整齐的排列,正负相接,最后的极化方向决定于水离开电场作用时那一瞬间的电场方向,事实上电场方向的变化更 有利于水分子的有序化。这好比铁粉放在玻璃板上,玻璃板下放磁铁一般会导致铁粉的有序化,但若磁铁转动一下方向使得铁粉间有相对的运 动,结果更容易达到铁粉的有序化,道理是一样的。值得注意的是交变电场变化频率太低,则与直流电差别不大,若频率太高,则水分子由于 惯性来不及响应,效果反而差,所以存在一个最佳频率范围。

  前面指出水分子由于是有极分子,在外加电场、磁场 或交变电场的作用下会出现有序化,不分子有序化后又是怎样达到防垢除垢作用的呢?

  水分子在外加电磁场的作用 下是以分子电偶极矩的方向作有序化排列的,钙离子在水分子包围下也将有序地分布于其中,分子电偶极矩的增大,加强了水分子与钙、镁离 子的结合力,减少形成钙盐、镁盐的机会,从而减少了结垢几率,另减少了相互碰撞凝聚的机会,从而提高了水对钙镁离子的溶解力。

  水分子按电偶极矩方向的有序化,使得水体产生取向极化。由于氢键的形成,这种取向极化具有“记忆”效应,在水体离 开电场作用以后,仍能保持一定时间的局部有序化,并在界面上出现剩余束缚电荷。束缚电荷碰撞到已结垢于管壁上的钙盐、镁盐,将使它们 转人为易于不的氢氧化物;这些束缚电荷的存在也有利于水渗透到结垢内部,使大块的结垢物松化变细,最后从管壁上脱落,达到除垢的效果 。

  实验现象及解释

  我们对电子除垢仪进行了长期的试验,并对该设备的用户作了跟踪调查,发现设备对水连续 循环处理后,与对照组比较,处理组水对钙镁离子的溶解力有明显提高,结垢量显著减少;处理前后对照电导率有确定提高, PH 值略有上升 ,混浊度明显下降,水质变清;经过电磁场处理的水可以保持数小时的防垢除垢效果;对高温水的处理效果不及对低温水的处理效果,当水温 达到沸点时效果不大。

  处理后的水对钙镁离子溶解力的增强和水垢减少现象,上节已作详细分析。主要是高频电磁 场对水的作用使得水分子按其电偶极矩矢量方向作有序化排列,增强了水分子对钙镁离子的结合力,从而达到水与钙镁离子溶解力的提高,并 达到防垢除垢效果。由于钙镁离子浓度的提高,自然有导电率的增加和 PH 值的上升。由于杂质离子被有序化的水分子分隔包围,不能凝结成 团,导致混浊度下降,水质变清。水经过长时间的流动,各分子团间会相互碰撞最后失去所有的有序化恢复到原有状态,失去防垢除垢的作用 。但若在有序化被破坏掉之前重新加上电磁场给予有序化,即循环或多次处理,则防垢除垢作用就会持续下去。水温升高,意味着水分子热运 动的加剧,一方面将破坏水分子的有序化,另一方面也促进杂质离子碰撞而结垢。因此温度的升高将缩短防垢的持续时间。温度达到一定程度 如沸点,将使防垢除垢效果完全丧失。

  讨论

  从前面的分析可知,通过高频电磁场对中央空调系统,各种冷却系 统,热交换系统等的循环水进行处理会产生防垢除垢、变清水质的效果。它与化学清洗法比较具有无污染,无需停机,费用低的优点。与离子 交换法比较具有投资少,无需管理,免维修,费用低等优点。但也有它的缺点。因为此方法只是提高了水对钙、镁离子的溶解力,减少了钙盐 、镁盐的结垢几率,并没有减少杂质离子的浓度。因此对水的纯度要求较高的某些工业用水,此法不可行,而且即使对纯度没有要求但工作温 度很高的场合(如高温锅炉)此法也不适用。

  从前节分析可知,所加高频在电磁场存在着电场强度和频率的最佳值 。要使水分子有序化排列需要一定的电场强度的理所当然的,但也不是强度越大越好,因为当大部分水分子都有序化以后再增加强度将是得不 偿失的。前面已讨论过高频电磁场更有利于水分子的有序化,但水分子存在着转动惯量,它有一个几百兆赫以上的本征转动频率(与所加电场 强度有关),所加电磁场的频率超过此本征频率,水分子就来不及跟着转动,有序化效果将更差。

  由于水分子由微 弱的氢键结合而成大分子团,其结构是动态的且对外界的变化很敏感,因此对水分子团的研究是世界性难题,对其作深入研究,揭开水的奥秘 ,开发水的功能还有大量的工作要做。

  高频电场磁化水在防垢、杀菌方面的研究

  水处理技术 有离子交换、蒸馏、膜处理等方法,它们能较彻底除去水中阴、阳离子,达到防止结垢的目的,而有些低压、低温设备,只需达到防止结垢, 且投资愈省愈好,此类水处理无须以上方法,静电在低温低压水处理上有广泛的应用。

  高频电磁场是集高频、电磁 场与一身,是由电子电路产生的高频电磁震荡在固定的两极间形成一定强度的高频电磁场,水通过高频电磁场时,水分子作为偶级子被不断反 复极化而产生扭曲、变形、反转、震动,且与外加电磁场共振使其分子运动加强,从而使原来缔合形成的各种综合链状、团状大分子( H 2 O ) n 解离成单个水分子,最后形成比较稳定的双水分子( H 2 O ) 2 ,增加了水的活性,改变了水分子与其他离子的结合状态,使碳酸钙晶 体析出的时间拖后,并以细小的颗粒析出,而不形成坚硬的水垢。细菌在高频电场作用下,细胞壁和细胞膜受到严重的损伤,不能继续在水中 生长、繁殖,而达到杀菌的目的。

  实验装置

  实验装置由高频电磁场发生器、绝缘内筒、正极、外筒、绝缘层组成, 内筒有正极,外筒接负极。

  实验条件

  高频电磁场发生器产生 16Mhz 的频率, 60V 的电场,平均场强为 300V/cm ,作用时间为 0.5s ,室温 21 ℃,设备输出功 率为 15W 。

  阻垢实验

  不同硬度和不同甲基橙碱度的水样,分别通过电磁场后,取 500ml , 快速升温到 100 ℃后降到室温,用定量滤纸过滤,取过滤水样 100ml ,用 EDTA 滴定水中的硬度,计算高频电磁场水减少结垢量与正常结垢 量的比(即阻垢率),与 a 和原水硬度的关系( a= 碱度 / 硬度(摩尔比),硬度 H=1/2[Ca 2+ ]+[Mg 2+ ] )。

  结论

  ⑴浊度比较。在低温时,浊度没有差别。当温度升到 75 ℃以上时,原水开始浑浊,高频电磁场磁化水较清,继续加热保 持 100 ℃, 4min 后,高频电磁场磁化水也开始浑浊。即高频电磁场磁化水延续水垢析出 2~3min (水硬度为 9.6mmol/L ,碱度为 4.2mmol/L )。

  ⑵当把高频电磁场磁化水与原水同样升温煮沸一段时间后,高频电磁场磁化水水杯上水垢明显少于原水水杯上水垢。

  ⑶当原水碱度升高时,高频电磁场磁化水阻垢效果明显降低,当原水硬度增大时,其阻垢效果也明显减低,在硬度小于 300mg/L (以 CaCO 3 计), a 小于 0.5 时,阻垢效果很明显。

  ⑷高频电磁场磁化水杀菌率在 95% 以上,随频率的升高,杀菌效果也明显增强。

  ⑸水系统 在高频电场作用下发生的变化,随电场强度、频率的变化而变化(频率变化对水系统的作用有待进一步研究),它防垢和杀菌方面的作用在工 业循环水上有较大的应用价值。

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