李東魁，姜麗麗，左海濱，譚贊林

（1.北京科技大學(xué) 冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京 100083；2.包頭師范學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，包頭 014030；3.深圳市怡天磁性材料有限公司，深圳 518066）

0 引言

大多數(shù)鋼鐵廠的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，由于熱負(fù)荷較高，冷卻水在水冷構(gòu)件內(nèi)有過熱現(xiàn)象，防垢、防腐蝕成為突出問題[1～3]。循環(huán)冷卻水的水質(zhì)對(duì)高爐等冶金設(shè)備的壽命也有重要影響[4,5]。

工業(yè)循環(huán)水質(zhì)的變化可通過監(jiān)測(cè)基本檢測(cè)指標(biāo)來實(shí)現(xiàn)，循環(huán)水的基本監(jiān)測(cè)指標(biāo)可選擇為：水溫、pH值、SS、總硬度、總堿度、TP、葉綠素a和濃縮倍數(shù)[6～8]。

在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中，磁場(chǎng)處理循環(huán)水用于阻垢、防垢、防腐蝕方面已經(jīng)取得顯著效果[9～11]。實(shí)驗(yàn)室的研究表明，磁場(chǎng)處理引起了水的物理特性的變化[12,22～29]；磁場(chǎng)處理工業(yè)循環(huán)水的模擬實(shí)驗(yàn)表明，循環(huán)水的pH值隨磁場(chǎng)強(qiáng)度和循環(huán)水的速度變化而呈現(xiàn)一定的規(guī)律性[13～15]，邢曉凱[16]等指出溶液pH值與碳酸鈣結(jié)構(gòu)有重要影響。

本文研究，利用超強(qiáng)永磁場(chǎng)循環(huán)水模擬處理設(shè)備，在超強(qiáng)永磁場(chǎng)強(qiáng)度、循環(huán)水溶液、液體流動(dòng)速度變化的情況下，循環(huán)水溶液pH值變化規(guī)律，從而為進(jìn)一步研究磁場(chǎng)處理對(duì)水質(zhì)影響的變化規(guī)律，并為在防垢、除垢、防腐方面應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和測(cè)量?jī)x器

實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖 1 所示，其中核心為超強(qiáng)永磁場(chǎng)可調(diào)設(shè)備，是具有開閉磁路的超強(qiáng)永磁設(shè)備，磁場(chǎng)方向與循環(huán)水流動(dòng)方向垂直。該設(shè)備的磁場(chǎng)工作面與水管管壁接觸足夠大，有足夠的磁通量穿透管壁使水活化，該設(shè)備從運(yùn)輸?shù)桨惭b前都處于無(wú)磁狀態(tài)，安裝完畢才由密碼鎖轉(zhuǎn)到工作狀態(tài)。

1）深圳市怡天磁性材料有限公司生產(chǎn)超強(qiáng)永磁場(chǎng)可調(diào)設(shè)備（YT-CQY-0702），磁場(chǎng)強(qiáng)度變化范圍：300Gs～34000Gs；1Gs=10-4T；

2）Mettler-Toledo公司產(chǎn)Delta320pH計(jì)，具有溫度補(bǔ)償功能；

3）溫度計(jì)；

4）實(shí)驗(yàn)用水為自來水；實(shí)驗(yàn)用藥品為氯化鈣（分析純）與碳酸鈉（分析純）；

5）樂清市奧特儀表有限公司生產(chǎn)的數(shù)顯溫度調(diào)節(jié)儀。

圖1 超強(qiáng)永磁場(chǎng)循環(huán)水處理模擬裝置

1.2 實(shí)驗(yàn)方法和步驟

1.2.1 循環(huán)水為自來水

1）實(shí)驗(yàn)方案

磁場(chǎng)強(qiáng)度分別選取：300 Gs，7000 Gs，17000 Gs，26500 Gs和34000Gs；實(shí)驗(yàn)中水流速度分別為：0.6m/s 、1.2m/s和2.3m/s。pH計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。記錄磁場(chǎng)強(qiáng)度、水流速度、取樣時(shí)刻、pH值和水的溫度。

2）實(shí)驗(yàn)過程

取自來水30L加入水箱中；確定循環(huán)水流速0.6m/s；確定場(chǎng)強(qiáng)300Gs；取第一次水樣；準(zhǔn)確記錄實(shí)驗(yàn)開始水溫、取樣時(shí)刻。實(shí)驗(yàn)開始起，每間隔1h取樣一次，每次取200ml（100ml用于滴定總堿度，另100ml滴定鈣濃度），每個(gè)水樣分別測(cè)水溫、pH值；冷卻12h后，再測(cè)水溫、pH值。把模擬設(shè)備中處理過的循環(huán)水放掉，清洗模擬設(shè)備；清洗取樣瓶；再取30L自來水加入到模擬設(shè)備的水箱中，確定磁場(chǎng)強(qiáng)度為7000Gs，重復(fù)前述過程；直到需要的各種磁場(chǎng)強(qiáng)度下實(shí)驗(yàn)完成；然后變化循環(huán)水速度，再按照以上過程完成各磁場(chǎng)強(qiáng)度下的實(shí)驗(yàn)為止。

1.2.2 循環(huán)水為工業(yè)仿真溶液

實(shí)驗(yàn)方案同1.2.1，不同的是需要配置循環(huán)水溶液，配置過程如下：稱取2.22 g 碳酸鈉溶于20 L 的水中，使其混合均勻，加入水箱中，再稱取6 .24 g氯化鈣溶于10 L水中，倒入水箱中，使其充分混合。

取水樣過程為：先取200 mL 的循環(huán)水測(cè)pH值，調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度和水流速度，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)后，每隔 1.5 h 取 200 mL 的水溶液測(cè)pH 值，共取6個(gè)水樣。所有水樣取完之后放置12 h，再次測(cè)量上述指標(biāo)。再次試驗(yàn)時(shí)，調(diào)節(jié)水速和磁場(chǎng)強(qiáng)度，重復(fù)上述過程。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

循環(huán)水為自來水時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1，循環(huán)水為配制水溶液時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

可疑數(shù)據(jù)利用迪克遜（Dixon）檢驗(yàn)法[18]處理，計(jì)算機(jī)編程進(jìn)行檢驗(yàn)，標(biāo)*的為偏離值、標(biāo)**的為離群值。

表1 循環(huán)水為自來水時(shí)在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度和時(shí)間下測(cè)得的pH值

表2 循環(huán)水為配置水溶液在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度和時(shí)間下測(cè)得的pH值

在表1、表2中，去掉包含離群值數(shù)據(jù)的行，利用統(tǒng)計(jì)軟件OriginPro8 SR1進(jìn)行二因素?zé)o重復(fù)方差分析，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。計(jì)算機(jī)配置為：CPU 為：Genuine Intel(R) CPU T1400@1.73GHz，1.73GHz，1G內(nèi)存；操作系統(tǒng)為Windows XPProfessional XP3。

表3 兩因素方差分析結(jié)果

方差分析結(jié)果[19]見表3。

2.3 pH值與循環(huán)水速度、時(shí)間和磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系

2.3.1 循環(huán)水為自來水

當(dāng)水流速度0.6m/s時(shí)，時(shí)間和磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)pH值有顯著影響。磁場(chǎng)對(duì)循環(huán)水的處理時(shí)間越長(zhǎng)，pH值增加值越大；磁場(chǎng)強(qiáng)度是26500Gs時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)pH值增長(zhǎng)的影響最大。

當(dāng)水流速度1.2m/s時(shí)，時(shí)間和磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)pH值有顯著影響。磁場(chǎng)對(duì)循環(huán)水的處理時(shí)間越長(zhǎng)，pH值增加值越大；磁場(chǎng)強(qiáng)度是26500Gs時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)pH值增長(zhǎng)的影響最大。

當(dāng)水流速度2.3m/s時(shí)，時(shí)間對(duì)pH值有顯著影響，磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)pH值有影響。磁場(chǎng)對(duì)循環(huán)水的處理時(shí)間越長(zhǎng)，pH值增加值越大；磁場(chǎng)強(qiáng)度是17000Gs時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)pH值增長(zhǎng)的影響比較大。

循環(huán)水為自來水時(shí)pH值與時(shí)間的定量關(guān)系見表4。

2.3.2 循環(huán)水為配制溶液

循環(huán)水速度為0.6m/s，時(shí)間和磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)pH值影響，處理時(shí)間對(duì)pH值變化沒有影響；磁場(chǎng)強(qiáng)度變化對(duì)pH值有顯著影響。磁場(chǎng)強(qiáng)度是26500Gs時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)pH值減少的影響最大。

循環(huán)水速度為1.2m/s，時(shí)間和磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)pH值影響，處理時(shí)間和磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)pH值變化有顯著影響；處理時(shí)間為6h，pH值下降最多；磁場(chǎng)強(qiáng)度是34000Gs時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)pH值減少的影響最大。

表4 自來水pH值與時(shí)間的關(guān)系

表5 配制水pH值與時(shí)間的關(guān)系

循環(huán)水速度為2.3m/s，時(shí)間和磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)pH值影響，處理時(shí)間和磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)pH值變化沒有顯著影響。

循環(huán)水為配制溶液時(shí)pH值與時(shí)間定量關(guān)系見表5(表中只給出了在給定磁場(chǎng)強(qiáng)度下，pH值與時(shí)間具有較好定量關(guān)系的曲線方程)。

2.3.3 循環(huán)水速度與磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)pH值的共同影響

循環(huán)水為自來水時(shí)，構(gòu)造速度、磁場(chǎng)強(qiáng)度和pH值關(guān)系，兩因素等重復(fù)試驗(yàn)方差分析[20]，結(jié)果見表3。在循環(huán)水速度為1.2m/s、磁場(chǎng)強(qiáng)度為26500Gs的時(shí)候，pH值增加的幅度最大。

循環(huán)水為配制溶液時(shí)，構(gòu)造速度、磁場(chǎng)強(qiáng)度和pH值關(guān)系，兩因素等重復(fù)試驗(yàn)方差分析，結(jié)果見表3。在循環(huán)水速度為0.6m/s、磁場(chǎng)強(qiáng)度為26500Gs的時(shí)候，pH值下降的幅度最大。

3 作用機(jī)理

天然水中的碳酸化合物主要來自空氣中二氧化碳的溶解、巖石礦物中碳酸鹽、重碳酸鹽的溶解、水中動(dòng)植物的生命活動(dòng)以及水中有機(jī)物的生物氧化等[18]。水中的碳酸化合物有四種存在形態(tài)：溶于水的二氧化碳?xì)怏w、溶于水的分子態(tài)碳酸、碳酸氫根和碳酸根。在水溶液中，存在著以下幾種化學(xué)平衡：

如果水中碳含量固定，在達(dá)到平衡時(shí)三種類型的碳酸量應(yīng)在碳酸物總量中占有一定比例，該比例取決于溶液的pH值；在低pH值區(qū)間內(nèi)，溶液中只有CO2+H2CO3，在高pH值區(qū)間內(nèi)只有C，而HC在中等pH值區(qū)間內(nèi)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)；三種碳酸在平衡時(shí)的濃度比例與溶液pH值有完全相應(yīng)的關(guān)系。水與空氣之間有CO2交換，水中碳酸物總量有同樣數(shù)量的增減，引起的變化則是pH值的改變，而溶液的總堿度保持不變。這時(shí)溶液中碳酸平衡可能發(fā)生的變化是2 HC= CO2+H2O+C當(dāng)向水中加入CO2時(shí)有一部分C轉(zhuǎn)化為HCO3，而CO2從水中脫出時(shí)，有一部分HCO3-轉(zhuǎn)化為C，由于這種轉(zhuǎn)換是等當(dāng)量的，總堿度數(shù)值保持不變。在pH值小于8.34范圍內(nèi)，向水中增加CO2，pH值降低；水中CO2脫氣時(shí)，pH值增加。

Fathia, Kneya 和 Pang 等人[25～29]應(yīng)用非線性理論和方法, 并結(jié)合一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 提出了水的磁化的機(jī)理和理論。這一理論認(rèn)為在水中存在具有1.8Dabye 偶極矩的水分子，通過氫鍵組成了一些鏈狀和環(huán)狀的氫鍵水分子鏈的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)。按照被實(shí)驗(yàn)證實(shí)了的質(zhì)子(氫離子)在氫鍵系統(tǒng)中的傳導(dǎo)理論，在這些氫鍵分子鏈中也存在質(zhì)子的傳遞，在外加磁場(chǎng)作用時(shí)，處于環(huán)形氫鍵鏈中的質(zhì)子在磁場(chǎng)的洛侖茲力的作用下能形成環(huán)形電荷傳導(dǎo)，從而形成了像磁體中的“分子電流”，則在它們之間或它們與外加磁場(chǎng)之間存在的相互作用使得這些水分子的分布和自身特性改變，從而引起了水的性質(zhì)如光學(xué)特性和電磁特性的改變。

磁場(chǎng)處理自來水以及碳酸鈉與綠化鈣配置的水溶液時(shí)，水中的一些水分子長(zhǎng)鏈或團(tuán)簇的極化和分布狀態(tài)等在磁場(chǎng)處理后都發(fā)生了改變，從而在循環(huán)水是自來水的情況下，促進(jìn)了CO2的脫氣，自來水pH值升高；當(dāng)循環(huán)水為碳酸鈉與綠化鈣配制的水溶液情況下，促進(jìn)了CO2溶解，PH值降低[15,20,21]。

4 結(jié)論

磁場(chǎng)對(duì)以一定速度和磁場(chǎng)方向正交的循環(huán)水和配制水溶液的pH值產(chǎn)生了影響。當(dāng)循環(huán)水是自來水的情況下，隨著磁場(chǎng)處理時(shí)間增加，pH值呈直線上升；水流的速度和磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)pH值有交互影響；水的循環(huán)速度為1.2m/s，磁場(chǎng)強(qiáng)度為26500Gs時(shí)，pH值增加幅度最大。當(dāng)循環(huán)水是配制的水溶液情況下，隨著磁場(chǎng)處理時(shí)間的增加pH值先下降，以后出現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)；速度和磁場(chǎng)強(qiáng)度有交互作用，當(dāng)循環(huán)水的速度為0.6m/s和磁場(chǎng)強(qiáng)度為26500Gs的時(shí)候，pH值下降的幅度最大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)磁場(chǎng)用于控制鋼鐵工業(yè)循環(huán)水的水質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)防腐、防垢具有參考價(jià)值。

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