磁化水阻垢技术的研究现状及进展.pdf

第2 3 卷第l 期河北省科学院学报 v 0 1 2 3 n o 1 1 1 竺! 生! 旦! ! 兰竺堂芷! 垦! 坚! 些! 垒! 唑竺z 竺兰! ! ! 竺! ! !坠! ：三塑垒 文章编号：1 0 0 1 9 3 8 3 ( 2 0 0 6 ) 0 1 0 0 6 0 0 3 磁化水阻垢技术的研究现状及进展 张东升1 ，刘振法1 2 ，张利辉2 ，闫美芳1 ( 1 河：i i ：z 业大学化工学院，天津3 0 0 1 3 0 ；2 河北省能源研究所，河北石家庄0 5 0 0 8 1 ) 摘要：阐述了国内外对磁化水阻垢技术的研究现状、进展，介绍了磁化防垢技术在锅炉、工业水处理中 的应用。 关键词：磁化水，阻垢，水处理 中图分类号：t q0 8 5文献标识码：a s t a t u sa n dp r o g r e s so nt h em a g n e t i cw a t e rt r e a t m e n tf o ra n t i - s c a l i n g z h a n gd o n g s h e n 9 1 ，l luz h e n f a l 2 ，z h a n gl i h u i 2 ，y a nm e i f a n 9 1 ( j c o l l e g eo f c h e m i c a le n g i n e e r i n g ，l t e b e iu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y ，死，衲3 0 0 1 3 0 ，c h i n a ； 2 h e b e ii n s t i t u t eo f e n e r g ys o u r c e s ，s h i y i a 矗n a n gh e b e i0 5 0 0 8 1 ；c h n a ) a b s t r a c t ：7 r h i sp a p e rs u m m a r i z e st h es t a t u sa n dp r o g r e s so nt h em a g n e t i cw a t e rt r e a t m e n tf o ra n t i s c a l i n g ，t h e 印一 p l i c a t i o no fm a g n e t i z a t i o nw a t e rt r e a t m e n ti nb o i l e ra n di n d u s t r i c a lw a t e rt r e a t m e n ti si n t r o d u c e d k e y w o r d s ：m a g n e t i cw a t e r ；a n t i s c a l e ；w a t e rt r e a t m e n t 磁化即使水流过一个磁场，与磁力线相交，水受 磁场外力作用而磁化。经过磁场处理的水即为磁化 水。磁化水处理技术已广泛应用于工业、农业、 医学等领域，目前应用较为广泛的是在锅炉、工业水 处理中的阻垢方面。磁化水阻垢研究始于1 9 4 5 年 比利时工程师t v e r m e i r e n ，他成功地将磁化水应用 于锅炉的阻垢，并申报了专利，为磁化阻垢技术的研 究拉开了序幕。当今随着环境保护的日益严格和水 资源的日益紧缺，磁化阻垢技术的研究应用得到愈 来愈广泛的重视。而磁化阻垢技术是一种物理方 法，此法无需投加任何药剂，无毒无污染，能有效防 止管道和设备结垢，且投资少，操作简单，是一种高 效节能、环保型工业水处理技术。 1磁化阻垢技术的研究现状 1 1 磁场对水的物化性质的影响 水经过磁场后物理化学性质的变化是许多实际 应用的基础。应该指出，对理想的纯水还没有进行 过研究。实验所用的是蒸馏水、工业用水、合成溶液 等引。 赵新杰【3 1 对磁化水的各种物理特性进行测试， 发现磁化水的表面张力、电导率均有所增大，磁化水 的沸点略有降低。朱元保等h 1 研究发现：磁化水的 p h 值、溶解氧和难溶盐的溶解度均增加，紫外线吸 收峰和密度降低，挥发性加快。大量文献报道磁处 理后溶液的p h 值会发生变化。通常发现p h 值是 降低的，也有发现p h 值会升高，这可能与c o ：气体 的脱气和溶解反应有关。 1 2 影响磁化阻垢效果的主要因素 1 2 1 磁场方向、作用时间的影响根据磁场方向 与流体流动方向间的关系可分正交式和平行式两 种，目前研究应用中效果较好的多为正交式。磁处 理作用时间与次数是影响阻垢的重要因素之一。通 常一次通过磁处理器的阻垢效果差，而在磁场中循 环作用下的阻垢效果好。即水在磁场中的停留时间 越长，磁作用的效果越明显。磁处理的作用时间与 水的流速是紧密相关的，磁处理存在最佳流速u 1 ， p o a l r 公司认为通过磁处理器的最佳流速为1 5 3 o m s 。m 米海松认为磁场强度与水的流速的乘 积有一恒定的最佳值，当磁处理的磁场强度大时，其 收稿日期：2 0 0 5 1 0 一1 1 基金资助：河北省自然科学基金项目( b 2 0 0 4 0 0 0 7 4 9 ) 作者简介：张东升( 1 9 7 7 一) ，男，河北省石家庄市人，在读硕士研究生，助理工程师，主要从事工业水处理方面的研究 通讯联系人：刘振法，男，在读博士，研究员 万方数据 第1 期 张东升等：磁化水阻垢技术的研究现状及进展 6 l 最佳流速就小；反之亦然。 1 2 2 溶液中离子的影响溶液中的离子种类不 同，磁处理的效果也不一样。m 米海松认为磁场能 影响碳酸钙的结晶过程，但对硫酸钙的结晶过程影 响较小。张宝铭b o 认为含s 0 2 一。的溶液磁处理 效果不佳。谢绮芬认为对含s 0 2 一。的溶液只有强 磁场才有作用】。h i g a s h i t a n i 等人的研究表明，磁 处理的影响主要是对成垢物质的阳离子起作用。但 有研究发现磁处理对阴离子也有影响，如林艺辉研 究了磁场对碳酸钙过饱和溶液析晶过程的影响，发 现磁场阻垢也通过成垢阴离子c o ；一起作用o 。 储召华哺1 通过动态模拟实验研究了c a 2 + 、m 9 2 + 总浓度对磁化水抑垢效果的影响。发现随着c a 2 + 、 m 9 2 + 总浓度的提高，磁化水的抑垢率下降。在 c a “、m g “总浓度为2 5 0 m g l 时，磁化水的抑垢效 果最差，然后随着c a “、m g “总浓度的继续增加抑 垢率又上升。那景丽等【9 1 探索了o h 一型碱度对磁 化水抑垢效果的影响，发现抑垢率随碱度增加而增 加，当水中碱度大于8 m m o l l 时，磁化水抑垢效果 较好。 研究较多的还有f e “、f e 3 + 离子。d u 母u 州最 早提出f e 2 + 化合物能阻碍方解石晶体的生长速率， 对文石的增长速率没有影响，f e 2 + 等污染物的存在 抑制了文石向方解石的转变。 1 2 3 溶液p h 值的影响磁处理的效果与p h 值 是紧密相关的。柴天禹认为p h 值对c a s o 。不敏感， 对c a c o ，影响较明显，当p h 值大于8 5 时，电磁场 对c a c o ，防垢率有下降趋势。张宝铭认为p h 值在 8 附近为宜，p h 值过低或过高，磁处理效果均不理 想。刘有昌【l 通过静态实验研究，发现p h 值大于 7 时，磁化水抑垢效果较好。 1 3 磁化阻垢机理 多年来，各国的研究人员对磁化阻垢机理进行 了大量的研究。磁化阻垢机理主要集中在磁场能改 变成垢晶体的结晶速度、晶粒大小及晶体的晶型等。 以克拉辛为代表的部分学者认为磁处理有助于 均相成核，加快结晶速度，从而生成体积小、数量多 的晶粒。y w a n g 将n a ：c 0 3 和c a c l ：混合加热到 3 0 0 c 形成过饱和溶液，通过显微镜观察，发现无磁 场作用时，主要形成少量的5 1 0 x m 的球形或棱形 晶体粒子；有磁场作用时，大部分晶体为1 斗m 以下 的粒子。一般情况下，水中的c a 2 + 、c o ；一等均以水 合离子的形式存在，当水合离子流过磁场时，会受到 洛仑兹力的作用做螺旋圆周运动，且正、负离子旋转 方向相反，这将破坏离子的物理水化层，在足够的磁 场强度下，离子的化学水化层也将被破坏。这样，成 垢离子就从水合状态中解脱出来，成为“裸露”离 子。被解脱后，c a 2 + 和c o ；一间发生直接碰撞而结 合成c a c o ，的机会增加，从而形成大量的晶核和微 晶。由于这些c a c o ，微晶体主要在水中形成，并且 颗粒细小分散，易于被水流带走，从而大大减少了在 管壁上结垢的机会。还有一些研究者，如h i g s h i t a n i 、d o n a l d s o n 、e d a l a s 等人则认为磁处理抑制了 晶粒的成核过程，生成的晶粒体积大，数量少。如 e d a l a s u 2 1 将含有等量的c a ( n 0 3 ) 2 、n a 2c 0 3 的过饱 和溶液置于电磁场中处理，与未经磁处理的溶液对 比，发现当磁场强度为1 0 t 以上时，磁场延缓了碳酸 钙的结晶速度，而且磁场强度越大，结晶速度越慢； 当磁场强度为1 0 t 以下时，现象不明显。 磁场能影响c a c o ，的晶型。c a c o ，常见晶型为 方解石和文石，方解石在室温和标准大气压下是热 力学的稳定形式。高温下，文石通常是从溶液中析 出的第一相，但文石不稳定且较疏松，会重结晶为方 解石。而磁处理有促使方解石转变为文石的趋势， 如j m d c o e y 【1 副发现经过磁化处理的水所形成的 垢中，文石与方解石的比例有所增加。d o n a l d s o n 在 c a c o ，溶液蒸发沉淀过程中发现，磁处理能使方解 石和文石的比例由无磁场作用时的8 0 ：2 0 变成2 0 ：8 0 。正是因为磁场能使已成为硬垢的方解石转变 为松软的文石，软垢随排污排走，从而达到阻垢和除 垢的目的。 2磁化阻垢技术的应用 2 0 世纪5 0 年代中期，t v e r m e i r e n 制造了称做 塞皮( c e p i ) 的磁处理器，建立了名为e p o r o 的工 厂，生产磁处理器。此时的欧洲处于二战之后，物资 匮乏，这种不使用药剂的防垢技术很受欢迎。据报 道【14 | ，在挪威，有1 0 0 余艘海船使用塞皮磁处理器 防止锅炉结水垢。在德国，许多工业企业使用塞皮 防止锅炉、热交换器结垢。在前苏联，磁化阻垢用于 循环水、锅炉给水和热水系统，均取得了很好的阻垢 效果。7 0 年代末，美国的水动力公司( h y d r o d y n a m i c s ) 制造出h u 磁力防垢装置。h u 装置用于天然 水、高含盐量水和海水，流速以2 m s 为佳，经磁场 处理后，水流输送8 k m 仍能有防垢作用。目前，世 界上有很多公司生产磁处理器，如a q u a m a g n e t i c s 万方数据 6 2 河北省科学院学报2 0 0 6 年第2 3 卷 i n t e r n a t i o n a l ，b o na q u a ，f r e i j i e ，h d lf l u i dd y n a m i c s ，p o l 盯等。 2 0 世纪5 0 年代我国就开始磁化水阻垢的研究 与应用，于1 9 5 9 年生产了第一台磁处理器。梁德 义【1 纠将磁感应强度为0 3 0 4 t 的永磁磁处理器 用于锅炉防垢实验，结果不仅可以阻垢同时发现原 有旧垢也已脱落。上海嘉定化肥厂于1 9 9 3 年将 c f g 内磁处理器用于循环冷却水，其防垢作用十分 明显6 。1 9 9 6 年，莱芜钢铁集团有限公司莱芜铁 矿马庄矿区在空压机冷却水总进水管路上安装了一 台g w 一1 0 0 大规模电磁场磁化水设备，进行防垢和 杀菌灭藻，收到了明显效果【1 7j 。刘卫国报道，在湿 式氧化装置的热交换器上使用d a m 磁处理器，发 现磁处理的阻垢效果明显u8 | 。近年来，中科院金属 研究所与沈阳新能源联合开发公司合作生产了 b c h 型波纹管式磁处理器，在应用于锅炉的防垢除 垢时，也取得了较好的使用效果。 3 磁化阻垢技术的进展 近年来，磁化阻垢技术引起人们愈来愈多兴趣。 众多的专利产品不断出现，已不局限于单纯的磁处 理，而是与其它处理方法结合在一起，如投加化学药 剂、红外辐射、超声波等。刘振法等【1 州将稀土永磁 材料与环保型高分子聚合物聚天冬氨酸相结 合，研究发现此两种水处理工艺具有很好的协同增 效阻垢作用。与井户正志( 1 9 9 0 ) 心1 设计了一种专 利产品，将永磁体和陶瓷远红外辐射材料结合在一 起，通过激活水分子阻止腐蚀和结垢。本间弘1 9 9 7 年1 月获得一项日本专利。该装置在其进口端连接 有一高频率的振荡器，永磁体产生磁场，同时配合超 声波处理。据称此装置能有效阻止管线的结垢。 4 磁化阻垢技术的前景 随着科学技术的发展，先进的观测手段不断更 新，人类对磁化阻垢的认识日益深入，必将建立更加 完善的磁化阻垢理论与模型，而无毒无污染、投资 少、应用方便的磁化防垢技术也必将成为未来水处 理领域的一个热点。 参考文献： 1 唐受印，戴友芝工业循环冷却水处理 m 北京：化学工业出 版社，2 0 0 3 2 罗漫，陆柱磁化水的研究现状及进展 j 水处理技术，1 9 9 9 ， 2 5 ( 6 ) ：3 3 9 3 4 3 3 赵新杰磁化水物理特性的测试 j 宁夏大学学报( 自然科 学报) ，1 9 9 5 ，1 6 ( 3 ) ：2 9 3 3 4 朱元保，颜流水，曹祉祥磁化水的物理化学性能 j 湖南大 学学报，1 9 9 9 ，2 6 ( 1 ) ：2 l 一3 2 5 张宝铭，刘有昌水的磁化处理 j 工业水处理，1 9 9 4 ，1 4 ( 3 ) ： 1 0 一1 1 6 谢绮芬磁水器的防垢机理及设计 j 水处理技术，1 9 8 5 ，1 1 ( 2 ) ：4 9 - 5 4 7 林艺辉，方健，李杰磁场对碳酸钙析晶过程影响的定量研究 j 工业水处理，2 0 0 2 ，2 2 ( 6 ) ：1 6 1 8 8 储召华，刘有昌c a 2 + 、m 9 2 + 总浓度对磁化水抑垢效果的影响 j 哈尔滨师范大学自然科学学报，1 9 9 8 ，1 4 ( 3 ) ：6 7 7 0 9 那景丽，储召华，郝桂霞o h 一型碱度对磁化水抑垢率的影响 j 哈尔滨师范大学自然科学学报，1 9 9 9 ，1 5 ( 1 ) ：7 0 一7 1 1 0 r e h e r z o n g t h ee f f e c to fi r o no nc a l c i u mc a r b o n a t en u d e a - t i o na n dg r o w t h j m a g n e t i cw a t e rt r e a t m e n t ，1 9 8 9 ，( 5 ) ： 8 6 1 8 6 7 1 1 刘有昌，孙晓君磁化水抑垢机理的研究 j 哈尔滨工业大 学学报，2 0 0 0 ，3 2 ( 1 ) ：8 6 9 4 1 2 ed a l a s ，pgk o u t s o u k o s t h ee f f e c to fm