水的磁化处理 水垢的预测与磁化处理技术

刘军营, 张 明,李素玲

(山东理工大学,山东 淄博 255012)

摘 要 :本文分析了我国北方水系水垢的形成原因和水垢的常规防治及清除方法存在的局限性 ,研究了磁化除垢的机理, 介绍了磁化除垢设备的结构和应用 。

关键词 :水垢;磁化;碳酸垢

1 水垢的种类

根据水垢的成分, 水垢的种类分为碳酸钙垢 、硫酸钙垢 、硅酸钙垢 、磷酸钙垢, 其中 ,根据水的硬度分为碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度两大类。非碳酸盐硬度的水含有钙的氯化物、镁的氯化物、硫酸盐等, 即使经过长时间加热煮沸也不能祛除 。天然水中, 质量浓度比较高(1 ～99mgL)的阴离子有 HCO3 、SO4 、CI 、H3 SO4 , 阳离子有Na 、K 、Ca 、Mg ;CO3 离子的质量浓度在 0.1 ～ 9mgL ;而HPO4 、2PO4 离子的质量浓度在 0.1mgL 以下, 故不会成为水垢的主要成分 。Na 、K 离子的浓度虽然高, 但 Na 、K 离子与SO4 、CI离子的生产物在水中的溶解度比较大 ,不易生成水垢。所以, 我们所遇见的水垢主要是碳酸钙垢和硫酸钙垢。

碳酸钙垢是由钙离子与碳酸根离子结合而生成的 ,反应式为 :

从上式看出 ,CO3 离子与 Ca 离子作用生成 CaCO3垢,消耗了水中的CO3 离子,由于离子平衡的结果 ,水中大量存在的HCO3 离子将不断地转化为 CO3 :

去补充生成CaCO3 垢所需要的 CO3 , 所以 , 碳酸钙垢也是钙离子与碳酸氢根离子的产物 。

在天然水中,碳酸钙垢可以看作是由水中的钙 、镁离子的重碳酸盐的沉淀 ,其反应式为:

硫酸钙垢是由钙离子与硫酸根离子结合而生成的 ,反应式为 :

在常温和温度比较低情况下 , 硫酸钙沉淀物是石膏, 分子式为:

CaSO4 ·2H2O ,在温度比较高或超过 38 ℃时, 主要生成无水硫酸钙(CaSO4)。

2 结垢的预测

对于自然界的水 ,结垢是一种自然规律。结垢的预测有许多方法, 这些方法得到的参数只能作为一个指标, 表明这些液体结垢趋势的程度或结垢的可能性,所有预测结垢的方法都是基于平衡条件下在实验室获得 ,由于天然水成分的复杂性, 预测的准确度会受到影响 。但可以通过结垢的预测 ,为我们选择水源时 ,得到一种参考信号, 尽可能地避免选用已经显示出有结垢倾向较严重的水源 ,降低水垢带来的危害 , 以提高我们的工作效率。

预测结垢的方法主要有如下几种:

溶解度乘积规则 :当已知在给定温度和压力条件下,天然水中某些(类)元素的溶解度, 就可以求出它们的溶解度乘积, 然后将这个溶解度乘积与它们在饱和状态下的溶解度乘积KSP 比较 ,如果比值等于 1 ,说明已达到饱和状态 ,有结垢的倾向,如果比值大于 1 , 说明已超过饱和状态 ;如果比值小于1 , 说明还没达到饱和状态 ,一般不会出现结垢。

pH 差值法:令SI =pH -pHs 其中, pH 表示天然水的实际酸碱度 ;pHs 表示天然水饱和状态下的酸碱度 ,如果 SI 大于或等于零, 表明有结垢的可能 , 如果 SI 等于负值,表明不但不会结垢,而且还会有溶垢的可能。里兹纳(Ryznar)稳定指数法(PSI):稳定指数(PSI)=2pHs -pH ,当稳定指数(PSI)大于 6 时, 水不结垢 ,稳定指数(PSI)越大, 表明水的腐蚀性越大, 当稳定指数(PSI)等于或小于5.8 时,水就要结垢 ,稳定指数(PSI)越小, 表明结垢数量越大。

3 结垢量的计算

如果溶液处于平衡状态, 是可以计算出结垢物的数量多少。

在一般情况下, 结垢物形成的反应式为:

假定溶液是过饱和溶液 ,即(m)×(a)>KSP ,溶液将会产生沉淀直到平衡状态, 设 :p 为达到平衡状态时MA 沉淀的摩尔数 。

上式乘以克分子量 , 就可以得出单位液体结垢重量(mgL =molL ×MW ×1000)。

这个公式可用于计算可能产生的结垢物的最大数量。

4 一般的除垢方法及缺陷

一般控制结垢的方法有减缓、消除结垢和除垢两种,前者是通过对液体的预处理消除结垢, 后者是对液体已经产生的垢进行清除。具体可以分为两大类 :化学方法和物理方法 。

化学除垢处理是采用化学药剂的作用,使设备和管道中的水垢溶解、疏松、脱落 ,具体的方法有碱洗 、酸洗 、络合剂清洗、离子交换剂法等 。

化学除垢的主要缺点有四个方面 :

(1)化学除垢处理不当或缓蚀剂使用不当, 都会对设备和管道带来腐蚀 , 造成一定的损失, 缩短了这些设备和管道的使用寿命;

(2)化学除垢处理用完的废液一般要进行处理 , 否则会造成环境污染 ;

(3)化学除垢处理药剂的费用较高 ;

(4)化学除垢处理的药剂和过程对操作人员的健康有一定的损害。

物理除垢方法有高压水冲洗 、胶球清洗 、沙冲洗、气冲洗 、超声波清洗等 。

物理除垢的主要缺点有四个方面 :

(1)物理除垢通常需要中断设备运行 , 拆除部分管道和设备 ;

(2)对强度较高的硬垢和腐蚀产物, 物理除垢效果一般不理想;

(3)物理除垢费工费时 ,有时会损坏管道和设备 ;

(4)物理除垢方法大多都是被动措施, 事后处理 。

5 磁化阻垢和除垢的原理

磁化法水处理是使水流通过一个磁场, 然后再流入锅炉或管道,经过磁场切割后的水中的钙镁盐类不能结垢或不能结成坚硬的水垢 , 而是呈现松散的微小颗粒 ,随水流运动,经过沉淀装置沉淀后排除 。

磁化阻垢的原理至今尚无统一的认识, 磁场的作用使碳酸钙的结构形态发生了改变 ,从晶态结构变成无定形结构, 质地松散并不易聚积 。前苏联学者BC杜哈宁等人得出结论:磁化导致水结构疏松并使它的结构有所调整。其本质是水流经过磁场时 , 磁化导致水分子与其他离子自身极化 ,一方面改变了水分子间缔合状态 , 使大的缔合水分子变成单个水分子, 改变了水与水中离子 、微晶间的水合状态 ,单个的水分子把成垢的阴阳离子紧密包围, 使其不能凭借成垢的阴阳离子之间的静电引力结合成垢;另一方面磁化使水中其他杂质极性发生改变, 相互之间不易引起水聚结沉淀物质。有些学者用磁感应强度为0.7T 的核磁共振仪测定NaHCO3 溶液、CaCl2溶液 、自来水、蒸馏水的质子核共振线宽的变化, 通过结果分析了磁化处理对离子水合反应的影响, 定性地找出磁化过程对离子水合的作用趋势 。这四种液体磁化处理后, 核磁共振线宽都发生了变化, 均有不同程度的减小 ,最大可达 0.09Hz 。核磁共振线决定了分子间的相互作用, 核磁共振线愈宽 ,离子水合程度愈强。水有很强的溶解性 ,没有经过磁化处理的水中离子不是以单独的游离状态存在 ,而是以水合离子的形态存在, 经过磁化处理的液体中游离的单个分子数目得以增加,自由化的水分子占据了溶液的各个空隙,抑制了结晶晶体的生成。

磁化阻垢的另一机理是:磁化作用改变了钙 、镁分子的电特性和物理特性 , 从而改变了钙、镁分子之间和钙、镁分子与其他任何表面的粘附特性, 使得结垢晶核减少并不易长大, 即使已成的结垢也呈单个的微小颗粒, 不易粘附在管道壁内上或设备内, 易随水流运动经· 28 ·过循环系统中的沉淀设施排除 。磁化除垢是通过磁化方式将已有的水垢清除的过程。

磁化除垢的机理有两个方面:一方面是在磁力作用下, 水垢晶体发生极化, 降低了水垢的稳定性, 已结成的水垢晶体的稳定性由离子的极化程度而定, 离子的极化程度愈高,水垢晶体的稳定性愈低,所以磁场的存在能够促进水垢晶体稳定性降低,使得水垢被不断地溶解, 被水流冲走;另一方面,水流经过磁化处理后,可以测试出水液的pH 值减小了,这说明增加了CO2 在水中的溶解度,从如下反应方程式可以看出,平衡反应向左移动,抑制了CaCO3 、Mg(OH)2新垢的形成,并溶解了已有的水垢。

6 磁化除垢设备的种类磁化除垢设备可分为两大类 :一类是磁铁式 , 另一类是线圈式。

磁铁式采用永久磁铁作为磁场源 , 构造简单 , 易于制造 ,且不需要外接动力源, 具有节能之特点 。但永久磁铁的磁场强度小,当水流管径大或水流速度高时 , 除垢效果会受到影响,因此, 永久磁铁式除垢装置一般应用在家庭热水器或小型锅炉上 。

线圈式磁化除垢设备采用电磁原理,按电源可分为直流与交流两大类 ,直流的除垢效果不如交流的好 , 再加之直流除垢设备需要有直流电源,因此不如交流的使用起来方便,所以实际使用的除垢设备多数是交流除垢设备 ,主要应用在工业管网和循环冷却系统上 , 其结构有内绕式和外绕式 。

参考文献

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注：文章转载自《节能技术》2002年 9月,第5期

附：

量子管通环，为物理水处理法

在阻垢、缓蚀上有化学法所无法比拟的优点，只要水能够达到的地方都能够进行处理，特别是化学法无法很好处理的一些高温设备和水流死角。 而量子管通环的阻垢、缓蚀性能好坏只与它定制的振动波有关系， 水质本身对处理效果的影响并不大，所以，对水汽车间高碱度、高硬度循环水的阻垢、缓蚀处理可以尝试使用量子管通环。

量子管通环由特种合成材料（硅和铝等）组成，是一种在亚原子级能够稳定储存和记忆及释放量子信息（超精微振动波）的高科技产品。

德国 IAB 公司利用 LPL 激光振动技术将超精微振动波刻录到量子管通环中， 在量子管通环安装于管道上的瞬间， 超精微振动波即被持续恒量地释放出来，透过管壁传入水中。水接纳这种振动波并将其按水流方向传播开， 其速度远远高于水本身的流速， 就连管路中很少流动的死角也被载上这种振动波，在振动波的作用下，水的活性得到极大加强，大的水分子团变成小的分子团，甚至单个的水分子，溶解和包含垢的能力增强，对已形成的锈/垢进行分化瓦解。

同时，超精微振动波作用于水中的钙、铁、镁等相关物质，使其物理特征发生改变。

比如碳酸钙晶体的微观结构从针晶状（比表面积大，容易吸附成团形成致密的硬垢）变为圆球状（比表面积小，晶体之间不容易吸附），在有水流的情况下被带走，在静态的水中呈软絮状沉淀于容器底部，而不易板结成硬垢。新安装的管道不会结硬垢、生锈或长菌藻，旧管道中的原有锈蚀、老垢等也逐步溶解消除，并最终在管道内壁形成保护性氧化层，管道内壁不再出现腐蚀。

通过以上对量子管通环作用原理的分析， 其功能特性比较适合处理水汽车间高碱度、高硬度循环水。

量子水处理技术作为一种全新的防垢，缓蚀，除菌藻，清洁、环保水处理技术，具有其他方法所不能比拟的特点:

(1)主要试剂是“超精微震动波”，不需要添加任何化学试剂，不会产生二次污染，自然环保;使用期间不仅能达到阻蚀、除垢除锈、杀菌灭藻的效果，而且长时间保持稳定。

(2)安装简便:没有电源，不用切割管道，两个半环用螺栓紧固即可，对现有管道系统不造成任何影响，是目前所有除垢装置中安装最为简便的。

(3)零维护、运行费用:一旦安装即不用任何检测和维护，不用电源，无人工、药剂、检测等运行费用。

(4)节能节水效果好:由于结垢，管路系统热传导效率降低最多可达50%以上，系统补充用水量可高达1倍以上，能源消耗增加可达10%以上。

(5)延长系统使用寿命:对管路系统在内壁形成保护膜，若管道外无腐蚀，理论上管道寿命将无限期延长。

(6)效费比高:在达到药剂处理同等效果的条件下，综合考虑节省人工、药剂、维护、能耗、延长管道寿命等因素，其效费比是传统化学除垢方法的3～10倍。

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