防垢和除垢一直是給水系統的重要研究課題，每年用于垢的清洗和結垢引起的熱損失消耗的資金達百億美元�，F在最常用的防垢方法是投加化學(xué)試劑，但易產(chǎn)生二次污染且污染環(huán)境。自1945 年T. Vermeriren 發(fā)現“磁化水”可以減少鍋爐水垢的生成后，水磁處理防垢技術(shù)得到了較廣泛的研究與發(fā)展。在國外，磁處理裝置被廣泛用于工業(yè)與民用給水系統的防垢、除垢、殺菌、防腐等。我國的磁防垢、除垢技術(shù)在各大油田、煉油廠(chǎng)和鋼鐵冶金廠(chǎng)的換熱器、工業(yè)鍋爐系統、循環(huán)冷卻水系統、空壓機冷卻水系統中得到應用，并取得了顯著(zhù)效益。近年來(lái)，國內外相關(guān)研究開(kāi)始將磁處理與其他處理方法(化學(xué)藥劑、紅外輻射、超聲波等)結合使用來(lái)除垢和防垢。水磁處理防垢技術(shù)雖已被廣泛使用，但其效果一直存在爭議，主要是因為沒(méi)有一套完整的理論能對其防垢機理作出解釋?zhuān)矡o(wú)法從磁防垢機理出發(fā)提出磁防垢最佳條件及對磁處理器的結構、形狀、磁場(chǎng)等指導性建議。筆者分析了水磁處理防垢研究現狀并對其發(fā)展方向作了展望。
1 水磁處理防垢研究現狀
1.1 磁場(chǎng)對防垢效果的影響
磁場(chǎng)能引起水微觀(guān)多相結構的改變，很多學(xué)者一致認為，磁場(chǎng)能引起液體分子的內共振并誘發(fā)電偶極矩作用，使分子內部的鍵合發(fā)生變化或破裂，改變了分子構型; 磁場(chǎng)能在液體中引起附加磁矩和附加能量，這些附加量的綜合作用使抗磁性液體的內聚力減少，分子勢壘降低。這樣有利于水分子團的拆散，使水分子活性增強。Ran Cai 等研究了磁場(chǎng)作用對水的表面張力、黏度和水分子內氫鍵作用力的影響，得出磁場(chǎng)作用下水分子之間的氫鍵作用力增強，更多的水分子通過(guò)氫鍵聚集在一起形成更大的水分子簇，水分子活性降低。水分子結構的改變會(huì )導致水系統的電導、pH、表面張力、折射率、介電常數、黏度等物理化學(xué)性質(zhì)的變化，最終造成了結垢過(guò)程的改變。因此通過(guò)研究不同磁場(chǎng)條件下水的結構、自由能、物理化學(xué)性質(zhì)的變化，能更深刻地認識磁場(chǎng)對水結構和離子溶劑化等的影響，進(jìn)一步了解水磁處理防垢機理。很多學(xué)者研究了磁處理作用下雜質(zhì)離子特別是一些二價(jià)陽(yáng)離子如Fe2+、Cu2+、Zn2+、Mg2+、 Si4+等對CaCO3 晶型結構的影響。L. Holysz等發(fā)現Fe2+、Mg2+、SO42-雜質(zhì)離子存在時(shí)，無(wú)論是流動(dòng)還是靜止狀態(tài)下磁場(chǎng)均能改變CaCO3 的ζ 電位、pH、沉淀速度等，只是離子種類(lèi)不同導致改變的趨勢和大小不同，這些由雜質(zhì)離子的水合熵決定，是磁場(chǎng)對水的結構和離子溶劑化等影響的結果。也有文獻報道了pH 對磁處理防垢效果的影響。柴天禹認為pH 對CaSO4 不敏感，對CaCO3 影響較明顯，當pH>8.5 時(shí)電磁場(chǎng)對CaCO3 防垢率有下降趨勢，同時(shí)Ca2+濃度對防垢效果影響很大。張寶銘等認為pH 在8 附近為宜，pH 過(guò)低或過(guò)高磁處理效果均不理想。
S. Raj 等比較了水在磁處理前后的紫外和熒光光譜，結果發(fā)現其特征吸收峰與臭氧、過(guò)氧化氫的特征吸收峰相似，認為這些臭氧和過(guò)氧化氫分別是水在兩磁極附近生成的氧化和還原產(chǎn)物。N. F. Bunkin 等用小角度激光衍射法檢測了排氣和沒(méi)排氣條件下無(wú)機鹽對水結構的影響，結果發(fā)現，在沒(méi)排氣條件下氯化鈉和乙酸鈉對水的結構有影響，而在排氣條件下則檢測不到水的結構變化。P. K. Weissenhorn等〕指出水中溶解的以微小氣泡形式存在的微量氣體對水的物理化學(xué)性質(zhì)的作用遠遠超過(guò)人們想象，因此，就氣-液界面的變化是否改變水的團聚大小和反應活性、在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的活性氧和氫對整個(gè)水系統的性質(zhì)有何重要影響等問(wèn)題進(jìn)行研究，將是未來(lái)研究的熱點(diǎn)。
1.2 磁處理對CaCO3、CaSO4結晶過(guò)程的影響
磁場(chǎng)能影響結垢物質(zhì)的成核速率、晶體大小和數量。有學(xué)者認為〔13, 14〕CaCO3 溶液中的CaCO3 結晶過(guò)程非常復雜：(1)水化Ca2+和CO32-相互作用，生成 CaCO3 球形分子;(2)相互較松散連接的Ca2+-CO32- 離子對弱化了水殼層，無(wú)規則的脫水膠束不斷形成，在過(guò)飽和溶液中此過(guò)程更為復雜;(3)在攪拌或循環(huán)流動(dòng)狀態(tài)下，進(jìn)一步脫水導致CaCO3 固體顆粒的形成。在磁場(chǎng)作用下，水分子之間的相互作用力減弱， Ca2+和CO32-的水化半徑變小，更易生成CaCO3 球形分子，同時(shí)水分子活性增強，脫水過(guò)程更易完成，水中微晶增多，造成結晶狀態(tài)變化，形成疏松有紋理的結構，不易在鍋爐壁上結垢。R. Gehr 等研究了磁場(chǎng)作用下的飽和CaSO4 溶液，結果表明磁場(chǎng)作用下CaSO4 溶解度減小，CaSO4 更易沉淀下來(lái)，避免其在管壁上沉積。Y. Wang 等研究了磁場(chǎng)作用下 CaCO3 的快速結晶過(guò)程，結果發(fā)現在外加強磁場(chǎng)作用下，CaCO3 的成核速度大大提高，生成更多小尺寸晶體。H. E. L. Madsen通過(guò)實(shí)驗證實(shí)磁場(chǎng)加速了碳酸鹽、磷酸鹽等反磁性弱酸鹽的結晶過(guò)程。但另一些人對這一過(guò)程的研究得到了相反的結論，周開(kāi)學(xué)等 采用磁矩相互作用簡(jiǎn)化模型，定量計算了磁效應與外加磁場(chǎng)強度的關(guān)系，解釋了磁處理對CaSO4 型結垢的影響。計算結果表明，水分子之間的磁偶極相互作用勢能產(chǎn)生附加內聚力，會(huì )使第二級水化層中有更多的水分子與離子較牢固地結合起來(lái)，這樣就增大了離子的水化分子數，離子水化半徑也將增大。離子的水化作用越強，越難生成CaCO3 球形分子，同時(shí)水分子活性減弱，脫水過(guò)程更難，所以晶體成長(cháng)更大，晶核數目越少。K. Higashitani 等也通過(guò)試驗得出其直接磁處理后硅水化層變厚，而且發(fā)現在磁處理后晶核數目減少。這完全相反的實(shí)驗結果可能是磁處理條件不同造成的，還有待進(jìn)一步研究。磁場(chǎng)能改變成垢物質(zhì)晶體的生長(cháng)方向、形狀和大小。J. D. Donaldson提出，磁阻垢效應是帶電顆粒經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)時(shí)，磁場(chǎng)會(huì )改變顆粒表面的帶電性質(zhì)從而改變晶體的成長(cháng)過(guò)程，特別是某一特定生長(cháng)方向，這就改變了晶體的形狀和大小。且帶電粒子在磁場(chǎng)作用下運動(dòng)產(chǎn)生的洛侖茲力也可能在磁阻垢方面起到協(xié)同作用。M. G. Mwaba 等研究了大磁場(chǎng)(4.75 T)對CaSO4 晶型的影響，結果表明在磁場(chǎng)作用下CaSO4 晶體在一定幾何面上具有更大的表面，CaSO4 晶體可能朝某一優(yōu)先方向生長(cháng)，而有些方向則受到抑制。朝某一方向優(yōu)先生成的晶體可能更脆弱易被打碎沖走，也可能在容器中間發(fā)生凝聚而成為晶核成長(cháng)中心，避免其沉積在容器或管壁上。磁場(chǎng)能改變CaCO3 晶體的晶型組成。CaCO3 的常見(jiàn)晶型為方解石、文石，其中文石有六方晶系和斜方晶系兩種晶型。在磁場(chǎng)作用下，致密、頑固的方解石晶型有向更軟、多孔、易溶的針狀斜方文石晶型轉變的趨勢。S. Kobe 等研究了磁場(chǎng)作用下的 CaCO3 重結晶過(guò)程，發(fā)現隨著(zhù)磁場(chǎng)強度的增大文石結構的CaCO3 晶體比例不斷上升而方解石結構的CaCO3 晶體比例不斷降低。用從頭算法計算了文石和方解石的不同基態(tài)電子能量，得出文石的基態(tài)電子能量比方解石高28 eV，而文石的基態(tài)比方解石更穩定，外加磁場(chǎng)剛好提供了方解石向文石轉變的動(dòng)力學(xué)能量，這和文石結構的CaCO3 晶體在更高壓力和溫度下才能熔解的性質(zhì)相一致。F. Myrian 等 認為磁場(chǎng)會(huì )改變CaCO3 的生成焓，在磁場(chǎng)作用下優(yōu)先生成斜方文石結構的CaCO3 晶體，它由處于亞穩狀態(tài)的六方文石晶核轉變而成，呈針狀外形，較難附在容器底層，易被流動(dòng)液體所沖走。
1.3 磁場(chǎng)對CaCO3沉淀ζ 電勢的影響
從膠體理論出發(fā)進(jìn)行解釋?zhuān)艌?chǎng)之所以能改變碳酸鈣、硫酸鈣的成核速率、晶體大小和數量，是因為磁場(chǎng)改變了碳酸鈣、硫酸鈣膠體的ζ 電位和表面自由能。采用雙電層變形理論解釋磁水處理防垢機理，膠粒的ζ 電勢發(fā)生變化，使溶液本體中粒子聚集產(chǎn)生大量微粒，從而提供了預制晶核，這些晶核一方面降低了溶液的過(guò)飽和度，同時(shí)使溶液結晶能力增強，減少器壁上結垢的機會(huì )，形成軟泥。實(shí)驗發(fā)現 CaCO3 飽和溶液在磁場(chǎng)作用下CaCO3 膠粒發(fā)生凝結，表面積減小，其表面吸附的離子發(fā)生脫附重新回到溶液中，擴散層變薄，ζ 電勢下降。A. D. Kney 等〕 證實(shí)磁場(chǎng)對溶液中CaCO3 沉淀的影響主要在于磁場(chǎng)改變了水中固體顆粒的表面電荷和表面積，從而改變了CaCO3 的沉淀速度。L. Holysz 等對磁場(chǎng)作用下碳酸鈣的ζ 電位和表面自由能進(jìn)行了深入研究，認為其變化是磁場(chǎng)改變了CaCO3 的表面電荷和水結構的結果。
1.4 磁作用參數的影響
磁處理器的形式多種多樣，根據產(chǎn)生磁場(chǎng)的方式可分為永磁和電磁，根據磁體與流體是否接觸分為浸入式與非浸入式，根據磁場(chǎng)方向與流體流動(dòng)方向間的關(guān)系可分為正交式和平行式�，F有文獻報道的多為正交式設備，故目前的研究與應用中使用的多為正交式，至于產(chǎn)生磁場(chǎng)的方式及磁體是否與流體接觸似乎不重要。
磁處理的時(shí)間與次數是影響防垢效果和除垢的重要因素之一。通常磁處理一次的防垢效果較差，而循環(huán)作用的效果較好。J. S. Baker 等研究發(fā)現，即使在最佳的磁接觸條件下，磁處理一次后CaCO3 的結晶速率等不受影響。磁處理時(shí)間與水的流速緊密相關(guān)，因此磁處理存在最佳流速。有研究認為磁場(chǎng)強度與水流速的乘積有一恒定的最佳值，當磁處理器的磁場(chǎng)強時(shí)，其最佳流速就小，反之亦然。目前磁處理器選擇的流速為2 m/s 左右，但也有選擇較高的流速。
除磁場(chǎng)方向、作用時(shí)間和流體速度外,磁處理器的形狀和材料也是影響防垢效果的重要因素。如果磁場(chǎng)與流體磁場(chǎng)直接接觸，則操作過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生雜散電流，并產(chǎn)生一些侵蝕產(chǎn)物，這可以是磁處理裝置的刻意設計或操作產(chǎn)物。有些磁處理器用鋅或鋁作為犧牲電極，其刻意產(chǎn)生鋅或鋁離子而形成鋅或鋁的氫氧化物。在沒(méi)有犧牲電極的情況下，一些離子膠體可以由磁處理器腐蝕形成，這些腐蝕產(chǎn)物可以影響結垢礦物的沉淀。J. Y. Gal 等研究發(fā)現磁處理器對流體造成的紊亂也是結垢的一個(gè)重要因素。流體的紊亂會(huì )使溶液脫氣加速，二氧化碳溶解量相應減少，影響溶液的pH 以及結垢速率。在適當條件下，磁處理能加速亞穩狀態(tài)下膠體的絮凝，促進(jìn)晶核生成，也會(huì )影響結垢速率。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
2 水磁處理研究遇到的困難
雖然國內外學(xué)者、工程師在水磁處理防垢的基礎研究方面作了許多工作，提出了水磁處理阻垢機理的不同理論模型，對各種最佳應用條件進(jìn)行了探索性研究，但仍然存在很多亟待解決的問(wèn)題：(1)水磁處理防垢缺乏一套完整的能解釋實(shí)驗現象的理論;(2)現有理論不能很好地解決磁處理的“記憶效應”問(wèn)題;(3)無(wú)法解釋磁化效果的多極值特征;(4)磁場(chǎng)能否使水分子發(fā)生相變，能否引起氫鍵斷裂、鍵角彎曲變形、活化能增大、水分子間作用力變小〔3〕，還沒(méi)有統一的實(shí)驗驗證，尤其缺乏定量的理論計算〔4〕;(5)由于磁防垢的機理至今還未得到解決，在磁處理應用中往往無(wú)法根據具體情況優(yōu)化磁化參數及使用條件。在某些應用實(shí)例中，由于參數選用不當導致磁效應不明顯甚至出現負效應，直接影響了該項技術(shù)的推廣和應用。
3 研究方向與發(fā)展趨勢
就目前而言，水磁處理防垢今后的重點(diǎn)研究方向和發(fā)展趨勢為：(1)了解磁場(chǎng)對膠粒表面吸附過(guò)程的影響及磁場(chǎng)對離子水化、離子活度系數的作用機理。(2)建立磁場(chǎng)對多組分電解質(zhì)溶液熱力學(xué)參量的作用模型。只有從分子水平進(jìn)行研究并取得突破，才有可能揭示磁防垢及磁處理其他效應的微觀(guān)機制，揭開(kāi)磁化水的奧秘。(3)水溶液中成垢物質(zhì)的飽和度、離子的種類(lèi)與濃度、pH、磁場(chǎng)強度、作用時(shí)間、流速、溫度等因素對防垢效果的定量影響及相互間的定量關(guān)系很少報道，因此在磁處理應用設計過(guò)程中缺乏定量依據作指導，加強定量的基礎理論研究將是未來(lái)的重要發(fā)展方向。(4)因為磁場(chǎng)會(huì )引起氣-液界面性質(zhì)變化，氣-液界面性質(zhì)對膠體和生物系統產(chǎn)生何種影響是將來(lái)研究的熱點(diǎn)課題。(5)將磁處理阻垢技術(shù)與投加化學(xué)藥劑、紅外輻射、超聲波等技術(shù)相結合，以提高阻垢、防垢效果，并探討其協(xié)同作用機理的研究也是今后磁處理防垢技術(shù)應用研究的重點(diǎn)。
