王建國(guó),梁延?xùn)|,尹 釗,王瑜瑞
(東北電力大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)
電磁抑垢效果及其機(jī)理研究進(jìn)展
王建國(guó),梁延?xùn)|,尹 釗,王瑜瑞
(東北電力大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)
電磁水處理技術(shù)是一種物理抑垢方法,因其無(wú)添加試劑,無(wú)毒無(wú)污染,操作簡(jiǎn)單,成本低等優(yōu)點(diǎn),受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。針對(duì)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究情況,從電磁場(chǎng)對(duì)碳酸鈣結(jié)晶過(guò)程及晶型晶貌的影響、電磁場(chǎng)對(duì)水溶液物化性質(zhì)的影響,以及電磁場(chǎng)強(qiáng)度、頻率、方向、磁處理時(shí)間與介質(zhì)流速等因素對(duì)抑垢效果的影響等方面,闡述了電磁抑垢效果及機(jī)理的研究進(jìn)展,分析了存在的主要問(wèn)題并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。
電磁場(chǎng);循環(huán)水處理;抑垢
20世紀(jì)50年代中期,比利時(shí)人T.Vermeiren,將水的磁化處理應(yīng)用于鍋爐用水,減少了鍋爐中水垢的生成并成功申請(qǐng)專利,以此開(kāi)創(chuàng)了運(yùn)用磁場(chǎng)處理循環(huán)水的先例[1]。之后,蘇聯(lián)、歐、美等國(guó)在70年代相繼展開(kāi)磁處理技術(shù)的研究,并取得了一定的進(jìn)展[2]。進(jìn)入80年代,各國(guó)研究學(xué)者及企業(yè)在電磁水處理技術(shù)這一領(lǐng)域已經(jīng)取得了多項(xiàng)專利和大量的研究成果。但近些年來(lái),隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大,抑垢效果的良莠不齊使大家對(duì)電磁水處理技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用產(chǎn)生質(zhì)疑。鑒于目前電磁抑垢的作用機(jī)理仍處于探索之中,因此無(wú)法從機(jī)理出發(fā)提出抑垢的最佳參數(shù)以及對(duì)電磁水處理器最佳結(jié)構(gòu)、形狀等的指導(dǎo)性建議。
循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的水垢,主要是碳酸鈣垢,其次是磷酸鈣垢和硅酸鎂垢。因?yàn)樘妓徕}垢溶解度較低,更易附著在換熱表面上。本文主要針對(duì)碳酸鈣類污垢的抑垢效果及機(jī)理展開(kāi)綜述,從電磁場(chǎng)對(duì)碳酸鈣結(jié)晶過(guò)程及晶型晶貌、水溶液物化性質(zhì)的影響以及電磁場(chǎng)參數(shù)變化對(duì)抑垢效果的影響等方面,闡述了電磁抑垢效果及機(jī)理的研究進(jìn)展,分析了存在的主要問(wèn)題并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。
1.1 電磁場(chǎng)對(duì)碳酸鈣結(jié)晶過(guò)程及晶型晶貌的影響
電磁場(chǎng)能夠影響碳酸鈣的結(jié)晶及晶體生長(zhǎng)過(guò)程[3,4],從而改變結(jié)晶數(shù)量及晶粒大小。碳酸鈣垢主要有方解石、文石和球霰石三種晶型,一般以最穩(wěn)定的方解石晶型存在,容易黏附在換熱器的管壁上,而文石晶型和球霰石晶型一般不穩(wěn)定且較疏松,相比方解石晶型更易去除[5]。研究表明,電磁場(chǎng)會(huì)使碳酸鈣從方解石晶型向文石晶型及球霰石晶型轉(zhuǎn)變[6,7],東北電力大學(xué)利用SEM和XRD技術(shù)對(duì)換熱器表面污垢的晶型、晶貌進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)電磁場(chǎng)能降低結(jié)垢速率,并且垢樣中方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)由100% 降低為40.55%,文石質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加為59.45%[8];同樣研究晶型、晶貌的變化,Chang和Tai等認(rèn)為只有在一定條件下電磁場(chǎng)才會(huì)對(duì)晶型產(chǎn)生影響,將磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.18T的交變磁場(chǎng)和0.02T的永磁場(chǎng)組合使用,對(duì)循環(huán)水進(jìn)行加磁處理,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,只是在pH值較低的情況下,文石型晶體才迅速生長(zhǎng),此時(shí)方解石型晶體生長(zhǎng)緩慢甚至停滯,其余情況則不然[9,10]。碳酸鈣晶核的生長(zhǎng)對(duì)之后的結(jié)晶有著重要的意義,Alimi等將純水在電磁場(chǎng)中以恒定的流速循環(huán),發(fā)現(xiàn)電磁處理改變了溶液中晶體均相成核與異相成核的比例,水的pH值、流速和處理時(shí)間的增加均促進(jìn)了均相成核,磁處理15分鐘時(shí)使該比例達(dá)到最大[11]。對(duì)于晶貌而言,宋飛等在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)未加磁時(shí)碳酸鈣顆粒形狀為立方形和菱形,加磁后為偏三角面體形和玫瑰花形[12],加磁前后變化較大。但是也有研究表明,電磁處理前后碳酸鈣的晶型并無(wú)太大變化,且均為文石型晶體,但是溶液中污垢的總量大幅減少[13]。學(xué)者們通過(guò)在選定的條件下開(kāi)展的大量實(shí)驗(yàn)研究,證實(shí)電磁場(chǎng)對(duì)成垢物質(zhì)結(jié)晶及晶體生長(zhǎng)過(guò)程的產(chǎn)生了影響,但目前通用的影響規(guī)律及微觀影響機(jī)理尚需進(jìn)一步探討。
1.2 電磁場(chǎng)對(duì)水溶液物化性質(zhì)的影響
電磁場(chǎng)對(duì)水的作用是一個(gè)復(fù)雜的多因素現(xiàn)象,研究表明電磁場(chǎng)會(huì)改變水溶液的氫鍵、表面張力、Zeta電勢(shì)、電導(dǎo)率、pH值、分子結(jié)構(gòu)等物理化學(xué)性質(zhì)[14],很多抑垢機(jī)理的描述也是由此建立起來(lái)。其中電磁場(chǎng)作用下水分子間氫鍵的變化一直是研究的熱點(diǎn),一些學(xué)者認(rèn)為電磁處理會(huì)使水溶液產(chǎn)生更多自由電子,使氫鍵的穩(wěn)定性增強(qiáng)[15,16];Fujimura和Cai分別對(duì)電磁處理后氫鍵的變化與水溶液表面張力的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究,但是他們的結(jié)論不盡相同,前者認(rèn)為電磁處理后氫鍵穩(wěn)定性的增強(qiáng)是導(dǎo)致水溶液表面張力增加的主要原因[17,18],而后者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明水溶液的表面張力在電磁處理后有所下降,認(rèn)為造成這種現(xiàn)象的原因是由于電磁處理降低了水分子的能量并且促進(jìn)了新氫鍵的生成,而不是由于氫鍵穩(wěn)定性的增強(qiáng)[19]。除此以外,在電磁處理過(guò)程中水溶液的硬度、磁處理的時(shí)間等因素也會(huì)影響到表面張力的變化[20,21]。但是Amiri和Dadkhah則認(rèn)為溶液表面張力的變化受實(shí)驗(yàn)工況影響過(guò)大,所以不適合作為探究電磁處理對(duì)溶液影響的重要依據(jù)[22]。
就Zeta電勢(shì)而言,Parsons等發(fā)現(xiàn)碳酸鈣溶液經(jīng)過(guò)磁處理后,Zeta電位下降了16%。并且他們認(rèn)為溶液中Ca2+濃度是決定Zeta電位變化的重要因素[23],這與葛紅花等在實(shí)驗(yàn)中得到的結(jié)論相一致,并且葛紅花等還發(fā)現(xiàn)Zeta電位的下降會(huì)使碳酸鈣顆粒表面能減小[24];也有研究認(rèn)為電磁處理對(duì)溶液中顆粒的Zeta電勢(shì)沒(méi)有影響[25]。
在電導(dǎo)率和pH值方面,重慶大學(xué)對(duì)循環(huán)的實(shí)驗(yàn)溶液進(jìn)行了加磁與未加磁的對(duì)照實(shí)驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)加磁組的電導(dǎo)率相對(duì)于初始值只下降了17%,而未加磁組卻下降了31%,加磁后電導(dǎo)率的上升說(shuō)明電磁場(chǎng)的作用增加了碳酸鈣的溶解度[26];但是也有研究發(fā)現(xiàn)電磁處理會(huì)使溶液的電導(dǎo)率降低[27]。pH值的大小對(duì)水溶液的物化性質(zhì)也至關(guān)重要,Busch等在研究溶液pH值的變化時(shí)發(fā)現(xiàn)該變化是一種多極值現(xiàn)象,并且他們認(rèn)為是洛倫茲力引起了溶液中的電化學(xué)反應(yīng)并最終導(dǎo)致溶液pH值的變化[28]。許多國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)電導(dǎo)率及pH值的變化都進(jìn)行過(guò)相關(guān)報(bào)道[29,30],但是由于實(shí)驗(yàn)條件的不同以及水體的多樣性,使得大家的研究結(jié)論不盡相同。
1.3 電磁場(chǎng)參數(shù)對(duì)抑垢效果的影響
1.3.1 電磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)抑垢效果的影響
電磁場(chǎng)強(qiáng)度是磁化處理中的一個(gè)重要參數(shù),對(duì)最終結(jié)垢量、碳酸鈣顆粒粒徑分布、成核速率等有顯著影響[31,32]。在微觀研究方面,Han通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了不同頻率和幅值的電磁場(chǎng)對(duì)抑垢效果的影響,發(fā)現(xiàn)在400 KHz和70 v/m的電磁場(chǎng)下,水合鈣離子的半徑最小,自擴(kuò)散系數(shù)最大,并且研究表明電磁場(chǎng)的幅值相比頻率更能有效的增加水分子的自擴(kuò)散系數(shù)[33];Wang對(duì)電磁場(chǎng)作用下晶粒尺寸和數(shù)量的變化進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)電磁場(chǎng)強(qiáng)度小于0.3 T時(shí),晶粒尺寸會(huì)隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而減小,而當(dāng)強(qiáng)度低于0.8 T時(shí),晶粒的數(shù)量與強(qiáng)度成正比例關(guān)系[34];在宏觀研究方面,金貞花等對(duì)硬度為300 mg/L的水溶液施加交變電信號(hào)進(jìn)行處理,認(rèn)為激磁線圈內(nèi)的電流越大,黏附在換熱管壁的污垢量越小,抑垢效果越顯著[35],而Long等則認(rèn)為電磁場(chǎng)強(qiáng)度存在某一最佳處理區(qū)間,超過(guò)這一區(qū)間處理效果會(huì)迅速下降[36]??梢?jiàn),不同的實(shí)驗(yàn)工況下,電磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)抑垢效果的影響存在較大差異。
1.3.2 電磁場(chǎng)頻率對(duì)抑垢效果的影響
關(guān)于電磁場(chǎng)頻率對(duì)抑垢效果的影響研究者們各抒己見(jiàn),部分學(xué)者利用溶液的污垢熱阻、電導(dǎo)率、CaCO3的溶解度等參數(shù)作為反饋量,分別得到了各自實(shí)驗(yàn)工況下的最佳抑垢頻率[37-39]。但是由于水系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多相體系,在電磁處理的過(guò)程中,水溶液的各種參數(shù)一直在不斷變化,所以有些學(xué)者認(rèn)為掃頻可能達(dá)到更好的抑垢效果[40]。除了進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)研究外,東北電力大學(xué)針對(duì)纏繞式變頻電磁水處理系統(tǒng),利用 ANSYS 仿真軟件分析感生電流做功與激勵(lì)信號(hào)頻率的內(nèi)在關(guān)系,結(jié)果表明,電磁頻率在分界頻率附近時(shí)水處理系統(tǒng)能達(dá)到較長(zhǎng)的污垢誘導(dǎo)期以及較高的抑垢率[41]。綜上所述,雖然得出的結(jié)論不盡相同,但是可以看出最佳電磁場(chǎng)頻率的尋找對(duì)最終的抑垢效果有著重要的意義。
1.3.3 電磁處理時(shí)間與流速對(duì)抑垢效果的影響
電磁處理的作用時(shí)間對(duì)抑垢效果也至關(guān)重要,目前普遍認(rèn)為多次電磁處理較單次磁處理效果更優(yōu),即水溶液在電磁場(chǎng)中停留的時(shí)間越長(zhǎng),電磁作用的效果越明顯[42]。Knaz和Pohar也在文獻(xiàn)中提到,影響碳酸鈣中文石含量的一個(gè)主要參數(shù)就是磁暴露時(shí)間(T),在磁通量不變的情況下,文石含量與T呈正比[25]。這都說(shuō)明電磁處理時(shí)間對(duì)抑垢效果有著十分重要的意義。除此之外,水的流速也與抑垢效果有著密切的聯(lián)系,米海松認(rèn)為磁場(chǎng)強(qiáng)度與流速的乘積有一恒定的最佳值[43];Lee等人在特定工況下對(duì)不同流速下的抑垢效果進(jìn)行了對(duì)比,發(fā)現(xiàn)當(dāng)流速為0.6 m/s時(shí),抑垢率高達(dá)80%[44]。但是也有學(xué)者認(rèn)為流速對(duì)最終抑垢效果的影響并不明顯[45]。
1.3.4 電磁場(chǎng)方向?qū)σ止感Ч挠绊?/p>
根據(jù)電磁場(chǎng)方向與流體流動(dòng)方向的關(guān)系,電磁處理裝置一般分為平行式和正交式兩種。目前很多研究應(yīng)用中多采用正交式,并且取得了較好的抑垢效果[46-48]。但是也有研究表明,正交式加磁裝置的抑垢效果不明顯,例如重慶大學(xué)就采用自制的加磁裝置實(shí)現(xiàn)了磁場(chǎng)方向與水流方向的垂直效果,可是得到的抑垢率只有33%[49]。而哈爾濱工業(yè)大學(xué)采用纏繞式脈沖加磁裝置,在磁場(chǎng)方向與水流方向平行的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)水垢明顯減少,垢樣疏松,也達(dá)到了的良好抑垢效果[50]。所以,磁場(chǎng)方向與水流方向是選擇水平還是垂直,還需要大量實(shí)驗(yàn)研究才能得到更具說(shuō)服力的結(jié)論。
近些年來(lái),雖然電磁水處理技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外得到一定范圍的應(yīng)用,但是到目前為止,對(duì)于除垢抑垢的作用機(jī)理還沒(méi)有形成統(tǒng)一的結(jié)論,這主要是由于水系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜多變的多相體系,使得機(jī)理的微觀研究比較困難。就現(xiàn)階段而言,作用機(jī)理主要分為五大類:
(1)“洛倫茲力”機(jī)理分析:磁場(chǎng)作用下,由于溶液中帶正負(fù)電荷的離子在洛倫茲力作用下,會(huì)做方向相反的運(yùn)動(dòng),致使水分子電偶極距變強(qiáng),水分子締合狀態(tài)改變,而陰陽(yáng)離子碰觸后會(huì)形成大量離子締合體,其便成為了結(jié)晶核心,以較高穩(wěn)定性的懸浮顆粒出現(xiàn)在水中[51]。
(2)“磁滯效應(yīng)”機(jī)理分析:由于磁場(chǎng)的作用,鹽溶液中各類類分子和離子會(huì)產(chǎn)生磁滯效應(yīng),從而改變了鹽類的溶解度,而致使得鹽類分子間的結(jié)晶能力減弱乃至消失,進(jìn)而抑制了某些大晶體產(chǎn)生結(jié)晶[52]。
(3)“量子力學(xué) ”機(jī)理分析:碳酸鈣晶體形狀有文石和方解石兩種,方解石致密厚硬,易附著在換熱器表面形成水垢,而文石細(xì)小粘附性差,在循環(huán)的過(guò)程中隨著水流被沖走,不易附著在換熱器表面。所以為了達(dá)到防垢、抑垢的目的我們希望多生成文石晶體形態(tài)[53]。由于晶體形態(tài)是由于熱力學(xué)勢(shì)不同,當(dāng)外加磁場(chǎng)能夠提供穩(wěn)態(tài)的方解石向亞穩(wěn)態(tài)文石轉(zhuǎn)變所需的基態(tài)能時(shí),溶液中生成兩種晶體的比例就會(huì)不同,文石數(shù)量就會(huì)增多。Srebrenik[54]等人就是利用“量子力學(xué)”機(jī)理解釋了“磁記憶”效應(yīng)問(wèn)題,但是此模型不適用水溶液中除Ca2+以外的其他陽(yáng)離子。
(4)“氫鍵變形”機(jī)理分析:很多研究?jī)A向于磁場(chǎng)能夠?qū)λ肿拥臍滏I產(chǎn)生影響,致使其發(fā)生變形、扭曲甚至斷裂,進(jìn)而對(duì)溶液離子產(chǎn)生特殊作用,以達(dá)到抑垢效果。一些學(xué)者認(rèn)為,當(dāng)對(duì)溶液施加的磁場(chǎng)頻率是水分子氫鍵固有頻率的倍數(shù)關(guān)系時(shí),水分子團(tuán)會(huì)分散成單體水分子,進(jìn)而增加水分子活性,增強(qiáng)鹽類溶解度,抑制結(jié)晶過(guò)程,使管壁界面結(jié)垢量減少[55]。
(5)“雙電層變形”機(jī)理分析:由于磁場(chǎng)的作用,洛倫茲力致使雙電層內(nèi)電荷的分布,從而引起了腹層邊界電荷出現(xiàn)短暫改變,而電勢(shì)也隨之呈現(xiàn)短暫性改變[55]。如今的許多研究表明雙電層變形理論存在其合理性,能夠解釋很多的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,但是不能解釋Higashitani等人在文中提到的靜態(tài)條件下的凝聚現(xiàn)象[7]。
目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)電磁水處理技術(shù)已經(jīng)做了很多研究,探索電磁處理應(yīng)用中各種最佳參數(shù),并提出了不同的電磁抑垢機(jī)理理論模型,但仍存在很多亟待解決的問(wèn)題:由于實(shí)驗(yàn)工況、環(huán)境以及水質(zhì)等方面的差異,使得實(shí)驗(yàn)結(jié)論統(tǒng)一性差,歸納不便;對(duì)電磁抑垢機(jī)理的認(rèn)知還有待明確化,現(xiàn)存的幾種機(jī)理分析,只能針對(duì)性的解釋部分現(xiàn)象,對(duì)機(jī)理的研究尚缺乏一套完整的理論體系;有關(guān)磁場(chǎng)對(duì)水分子的作用如氫鍵斷裂、分子間作用力減小、粒子活化能增大等定量的計(jì)算分析較少;急需一個(gè)檢測(cè)方法或者是理論模型,能夠給出“磁記憶時(shí)間”以及“磁化多極值”的合理解釋[56];影響電磁抑垢的因素繁多,在實(shí)際應(yīng)用中并不能做到實(shí)時(shí)優(yōu)化電磁參數(shù)達(dá)到最佳抑垢效果。這些都將影響電磁抑垢技術(shù)的推廣和應(yīng)用。
要解決以上問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)電磁水處理器的閉環(huán)控制還需要研究者的不懈努力。而就今后的發(fā)展趨勢(shì)而言,需要在以下幾個(gè)方面尋求突破:
(1)以影響抑垢效果的多個(gè)參數(shù)為輸入,污垢熱阻為輸出,建立預(yù)測(cè)模型。以預(yù)測(cè)模型來(lái)預(yù)測(cè)污垢下階段的生長(zhǎng)情況,結(jié)合控制理論實(shí)現(xiàn)對(duì)某一或某些參量的自適應(yīng)調(diào)節(jié)和修正。
(2)研究磁場(chǎng)作用下溶液中粒子變化規(guī)律,如膠體顆粒的表面積、表面電荷及Zeta電位等,進(jìn)而討論磁場(chǎng)對(duì)溶液中離子水合化、脫水和粒子活性的作用機(jī)理,加強(qiáng)機(jī)理理論支撐。
(3)建立磁場(chǎng)對(duì)污垢中常見(jiàn)無(wú)機(jī)鹽溶液作用的參量模型。研究電磁對(duì)污垢形成影響的微觀行為,從而揭示電磁水處理的本質(zhì),可深化電磁抑垢機(jī)理研究。
(4)建立抑垢機(jī)理的數(shù)學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)量化分析,使作用機(jī)理的假設(shè)模型變成以數(shù)學(xué)理論分析為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模型
(5)將電磁水處理技術(shù)與其他阻垢方式,如高壓靜電水處理、超聲波水處理、紅外輻射水處理等技術(shù)相結(jié)合,并研究探討其協(xié)同作用機(jī)理,設(shè)計(jì)出效果更好、更具實(shí)用意義的處理方法。
電磁水處理技術(shù)雖然發(fā)展較晚,相關(guān)的研究和理論尚不完善,但是卻突破了傳統(tǒng)方法的弊端,具有無(wú)添加試劑,無(wú)毒無(wú)污染,操作簡(jiǎn)單,成本低等優(yōu)點(diǎn),其應(yīng)用必將有效地提高換熱設(shè)備的換熱效率,降低能源消耗,減少化學(xué)除垢廢液排放,抑制水資源的二次污染。隨著電磁抑垢作用機(jī)理的深入研究以及實(shí)驗(yàn)方法和分析手段的不斷提高,電磁水處理作為一種高效、節(jié)能、環(huán)保型水處理技術(shù),有著廣闊的應(yīng)用前景。
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AResearch Review of Electromagnetic Anti-scale Effect and its Mechanism
WANG Jian-guo,LIANG Yan-dong,YIN Zhao,WANG Yu-rui
(School of Automation Engineering,Northeast Dianli University,Jilin Jilin 132012)
Electromagnetic water treatment technology is a kind of physical methods of anti-scaling.It has attracted more and more attention because of no added reagents,non-toxic,non polluting,simple operation and low cost and so on.According to the researches of home and abroad,the influence of electromagnetic field on the crystallization process,crystal morphology and physicochemical properties of solution and the variation of the electromagnetic field parameters(like electromagnetic field intensity,frequency,direction,electromagnetic treatment time and velocity) on the anti-scale effect are reviewed.And on the basis of these,the paper introduces the progress of the research on the mechanism of electromagnetic anti-scaling and the problems to be solved.Finally,the development trend of the technology is prospected.
Electromagnetic field;Circulating water treatment;Anti-scaling
2016-03-09
國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51176028);吉林省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(20140204006SF)
王建國(guó)(1963-),男,吉林省吉林市人,東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向:發(fā)電設(shè)備節(jié)能與故障診斷.
1005-2992(2016)06-0001-06
TQ085
A