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        磁場(chǎng)阻垢機(jī)理研究現(xiàn)狀

        2019-05-21 05:59:04靖,張
        鹽科學(xué)與化工 2019年5期
        關(guān)鍵詞:鹽類阻垢氫鍵

        趙 靖,張 仂

        (中鹽工程技術(shù)研究院有限公司,天津 300450)

        1 前言

        板式換熱器在工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活中得到廣泛使用,但大多數(shù)換熱器表面都不同程度存在著污垢問(wèn)題。換熱設(shè)備結(jié)垢一方面降低了傳熱率,增加燃料費(fèi);另一方面還會(huì)常常因局部過(guò)熱或高溫導(dǎo)致機(jī)械性能的下降,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引發(fā)生產(chǎn)事故。Surrey大學(xué)的Steinhagen教授調(diào)查發(fā)現(xiàn)90%以上的換熱器存在不同程度的結(jié)垢問(wèn)題[1]??刂平Y(jié)垢的方法一般有化學(xué)方法和物理方法。磁力防結(jié)垢技術(shù)屬于物理法的一種,具有應(yīng)用方便、投資少、運(yùn)行費(fèi)用低、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn),正日益引起人們的關(guān)注,具有廣闊的應(yīng)用前景。

        由于水體的復(fù)雜性、實(shí)驗(yàn)條件的限制等多種原因,對(duì)于磁阻垢機(jī)理的深化研究比較困難,迄今為止沒(méi)有統(tǒng)一的理論。國(guó)內(nèi)外許多研究工作者在該領(lǐng)域進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究,同時(shí)也提出了一些有價(jià)值的理論模型。

        2 磁場(chǎng)阻垢理論

        2.1 洛倫茲力理論

        2.2 磁滯效應(yīng)理論

        水中的鹽類分子和離子受磁場(chǎng)作用力產(chǎn)生磁滯效應(yīng),改變了鹽類在水中的溶解能力(溶解度),而使得鹽類分子間的結(jié)晶性消失,阻礙了一些大晶體產(chǎn)生結(jié)晶[4]。

        2.3 氫鍵斷裂理論

        自然條件下的水是通過(guò)分子間的氫鍵形成分子團(tuán)簇形式,經(jīng)電磁場(chǎng)作用后,這些不斷振動(dòng)的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)、水中懸浮顆粒因磁感應(yīng)而振動(dòng),當(dāng)水分子的振動(dòng)頻率正好等于磁感應(yīng)振動(dòng)頻率或成比例時(shí),就會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象,導(dǎo)致一些分子簇團(tuán)發(fā)生畸形、扭曲,甚至?xí)斐善茐?。?jīng)電磁處理后的水活性增強(qiáng),增大了水垢的溶解度。

        實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),具有極性原子的物質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)都有較高的敏感性。例如,由氫鍵締合而成的液態(tài)水,磁場(chǎng)的微弱能量雖遠(yuǎn)小于氫鍵的鍵能,即不能破壞氫鍵,但可以給液態(tài)水體系擾動(dòng),使其價(jià)電子發(fā)生新的取向,此時(shí),締合分子重新排列組合,這樣就可以改變氫鍵的形態(tài),以致其發(fā)生扭動(dòng)、彎曲、改變鍵的強(qiáng)度或鍵角。通常情況下,磁處理中的磁場(chǎng)大小均較弱,因此,磁場(chǎng)的梯度、方向、作用時(shí)間以及磁處理時(shí)的流速均影響擾動(dòng)的程度。在不同的磁處理參數(shù)下,介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)將發(fā)生變化,如水經(jīng)磁場(chǎng)處理后,其蒸發(fā)速度加快,溶解性能加強(qiáng),表面張力下降,這些微觀的改變?cè)诤暧^上就體現(xiàn)出防垢除垢的效果[5]。

        2.4 極化作用理論

        磁場(chǎng)能產(chǎn)生極化作用使鹽類的結(jié)晶成分結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。使微粒子極性增強(qiáng),凝聚能力減弱,將水中存在的較長(zhǎng)的締合分子結(jié)構(gòu)鏈改變?yōu)檩^短的締合分子結(jié)構(gòu)鏈,同時(shí)使得帶電粒子的結(jié)構(gòu)改變,破壞了各個(gè)離子之間的靜電引力,重新構(gòu)成結(jié)晶條件,逐漸形成分散的性質(zhì)穩(wěn)定的小晶體[6]。

        2.5 活化能改變理論

        系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化會(huì)受到磁場(chǎng)變化的影響。當(dāng)水受到磁化時(shí),其獲得的能量很少,在系統(tǒng)的發(fā)生過(guò)程中會(huì)存在一種能障,必須向系統(tǒng)輸送相當(dāng)量的能量才能觸發(fā)活化能,最終克服這種能障。由于磁場(chǎng)短時(shí)間的作用力,使得水系活化能得到“催化”之后改變,最后會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的性質(zhì)發(fā)生相應(yīng)的變化。美國(guó)Drexel大學(xué)的專家在這一方面曾用自由能定律做過(guò)解釋[7],但其理論在有些方面還是不能對(duì)污垢的形成機(jī)理作出很好的解釋。

        此外還有一些學(xué)者從分子結(jié)構(gòu)角度提出了機(jī)理假說(shuō):碳酸鈣的同晶異構(gòu)現(xiàn)象生成四種同晶異構(gòu)體,對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)加磁使得系統(tǒng)Gibbs自由能變化,形成相對(duì)于方解石易溶解的文石,球文石,膠體碳酸鈣[8]。

        3 結(jié)論

        目前,磁化機(jī)理在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界還未達(dá)成共識(shí),定量研究較少,研究過(guò)程中遇到的主要問(wèn)題有:1)磁場(chǎng)作用的時(shí)效性無(wú)法用現(xiàn)有的理論得到定量解釋;2) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能較好地解釋磁場(chǎng)阻垢機(jī)理;3)未能對(duì)磁場(chǎng)是否引起液體相變、氫鍵斷裂等問(wèn)題進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究,缺乏定量計(jì)算,從而使理論落后于應(yīng)用,降低了應(yīng)用的成功性;4) 影響水體結(jié)垢的因素很多,與磁場(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系復(fù)雜,比如部分人認(rèn)為存在最佳流速,但也有學(xué)者指出,兩者是多極值關(guān)系[9];5) 對(duì)于含多種復(fù)雜離子的飽和溶液(如高鹽廢水)阻垢機(jī)理研究不足。因此,加強(qiáng)定量的基礎(chǔ)研究和系統(tǒng)研究,建立和完善磁處理防垢的理論模型是將來(lái)發(fā)展趨勢(shì)之一。

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