吳清收

（山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院）

目前，工業(yè)用水的水質(zhì)軟化大多采用鈉離子交換器的離子交換軟化法，該方法為化學(xué)軟化方法。 離子交換軟化法采用兩個(gè)罐交替產(chǎn)水，一個(gè)罐產(chǎn)水時(shí)，另一個(gè)罐進(jìn)行調(diào)整；產(chǎn)水罐產(chǎn)水時(shí)將水中的鈣、鎂離子充分吸附在樹脂上，出水就是軟化水；調(diào)整罐調(diào)整時(shí)要經(jīng)歷松床、再生和清洗幾個(gè)步驟，松床的作用是讓樹脂的性能得以充分恢復(fù)，再生就是加鹽，通過(guò)加鹽將樹脂吸附的鈣、鎂離子置換出來(lái)，最后通過(guò)清洗將含有鈣、鎂離子的廢水排出［1，2］。 離子交換軟 化法的主要缺點(diǎn)有：生產(chǎn)成本較高，軟化過(guò)程中要用到樹脂和鹽，尤其是鹽的用量較大，一個(gè)中型企業(yè)每年在軟化水上的投入至少需要幾十萬(wàn)元， 甚至上百萬(wàn)元；形成大量的廢水，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重（交換器排出的廢水不但含有鈣、鎂離子，而且有相當(dāng)一部分多余的鹽水會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐耐寥篮偷叵滤斐蓢?yán)重污染）。

除了采用鈉離子交換器的化學(xué)軟化方法外，還有一種變頻電磁場(chǎng)阻垢除垢方法。 該方法通過(guò)對(duì)纏繞在循環(huán)水管道外的線圈施加變頻方波或正弦波脈沖，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，破壞大分子團(tuán)水的氫鍵鍵能，從而阻止循環(huán)水結(jié)垢。 該方法本質(zhì)上屬于阻止水垢的形成，并不能真正降低循環(huán)水的硬度，且設(shè)備體積大，線圈參數(shù)的調(diào)整比較困難［3～6］。筆者研究了一種基于變頻脈沖電場(chǎng)的循環(huán)水軟化方法，通過(guò)設(shè)計(jì)特殊的電極結(jié)構(gòu)形式和施加變頻電場(chǎng)的方式， 將溶垢與除垢融為一體，真正實(shí)現(xiàn)了循環(huán)水的軟化。

1 水分子的結(jié)構(gòu)與氫鍵

水分子由1個(gè)氧原子和2個(gè)氫原子構(gòu)成，分子內(nèi)部氧原子與氫原子之間由O—H共價(jià)鍵連接，由于兩個(gè)共價(jià)鍵之間的夾角是104.5°， 兩個(gè)氫原子不在一條直線上， 水分子的外圍電子分配不均勻，因此，單個(gè)水分子具有很強(qiáng)的極性。 但是，普通水一般不是由單個(gè)水分子構(gòu)成，而是幾個(gè)水分子之間形成分子團(tuán)簇， 通常由3個(gè)以上的水分子構(gòu)成，水分子團(tuán)簇再重新組合成常見(jiàn)的水，水分子團(tuán)簇之間由氫鍵連接，氫鍵的鍵能在10 ～40kJ/mol。

由大分子團(tuán)簇組成的水由于氫鍵的加強(qiáng)作用，其化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，同時(shí)它的溶解度等物理性質(zhì)較差，硬水中鈣、鎂離子的溶解度較小，所以通過(guò)外加電磁場(chǎng)或電場(chǎng)的方式可以將大分子團(tuán)簇中的氫鍵破壞，增大鈣、鎂離子的溶解度，達(dá)到阻止結(jié)垢的目的。

2 電場(chǎng)對(duì)水分子團(tuán)簇的影響

電場(chǎng)對(duì)水分子團(tuán)簇有著很大的影響［7，8］。水分子在靜電場(chǎng)中偶極矩發(fā)生極化，由于靜電場(chǎng)的方向不發(fā)生變化， 水分子偶極矩極化強(qiáng)度恒定，在這種情況下，水分子具有最穩(wěn)定的狀態(tài)，因此，在開始結(jié)垢的晶核形成階段，更加容易導(dǎo)致大分子團(tuán)簇的形成。

當(dāng)電場(chǎng)為交變電場(chǎng)時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度和電場(chǎng)方向不斷變化， 電場(chǎng)方向影響水分子的偶極矩轉(zhuǎn)向，其轉(zhuǎn)向極化強(qiáng)度也不斷變化，即有：

式中 E0——電場(chǎng)強(qiáng)度；

p——極化強(qiáng)度；

t——時(shí)間；

ε0——真空介電常數(shù)；

εr——水的真空介電常數(shù)；

ω——電場(chǎng)角頻率。

當(dāng)電場(chǎng)變化頻率合適時(shí)， 會(huì)導(dǎo)致水分子在平衡位置上不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)水分子的影響較大，使水分子聚集形成大的水分子簇的阻力大幅增加，因此，交變電場(chǎng)會(huì)阻礙水分子聚集形成水分子團(tuán)簇。

在交變電場(chǎng)中，水分子極化強(qiáng)度不斷改變，水分子將外加的電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為水分子的內(nèi)能， 水分子的熱運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，加劇了水分子的振動(dòng)，從而使水分子團(tuán)簇中水分子之間的氫鍵斷裂［9］，由大分子團(tuán)簇轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿訄F(tuán)簇，加大了硬水中鈣、鎂離子的溶解度，為接下來(lái)的吸垢環(huán)節(jié)提供了保障。

3 吸垢軟化水原理

在陽(yáng)極與陰極間交變脈沖電場(chǎng)的作用下，通過(guò)氫鍵結(jié)合在一起的大分子團(tuán)簇中的水分子被不斷反復(fù)極化，發(fā)生扭曲、變形，氫鍵被破壞，大分子團(tuán)簇細(xì)化為小分子還原水，水體還原電位下降，增大了對(duì)硬度離子的溶解能力，使硬垢以離子形式溶于水中［10］。

同時(shí)，在外加電場(chǎng)作用下，水電離產(chǎn)生的H+和OH-分別向陰極和陽(yáng)極遷移，H+在陰極被還原成H2，反應(yīng)方程式為：

陰極OH-增多， 在陰極附近形成了一個(gè)堿性區(qū)域，增大了水中CO2的溶解度，促進(jìn)了CO32-的形成，反應(yīng)方程式為：

而硬度離子Ca2+和Mg2+在電場(chǎng)的作用下被吸引到陰極附近， 與大量的CO32-生成碳酸鈣和碳酸鎂沉淀析出，沉積在陰極表面［11～15］，反應(yīng)方程式為：

硬水中鈣、鎂等硬度離子被除去，從而達(dá)到軟化水的目的。

4 特殊的電極結(jié)構(gòu)

由前述已知，在交變電場(chǎng)的作用下，大的水分子團(tuán)簇不容易形成；同時(shí)交變電場(chǎng)可以將大分子團(tuán)簇中水分子之間的氫鍵打斷，使大分子團(tuán)簇轉(zhuǎn)為小分子還原水，起到阻垢、溶垢的作用。 但是由于交變電場(chǎng)的極性不斷改變， 不能實(shí)現(xiàn)吸垢、除垢，降低硬水中鈣、鎂離子的濃度，達(dá)到真正軟化水的目的，若要實(shí)現(xiàn)吸垢、除垢，必須另外增加一套電極，這樣不僅增加了成本，而且設(shè)備復(fù)雜、體積龐大。 為此，通過(guò)對(duì)電極進(jìn)行特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將阻垢、溶垢與吸垢、除垢融為一體，達(dá)到真正軟化水的目的。

筆者設(shè)計(jì)的電極結(jié)構(gòu)如圖1所示， 陽(yáng)極與陰極均采用同心防腐蝕網(wǎng)狀鈦電極， 內(nèi)層為陽(yáng)極，外層為陰極。 陽(yáng)極與陰極之間施加的電場(chǎng)不是交變電場(chǎng)，而是變頻單極性脈沖電場(chǎng)，頻率范圍能覆蓋水分子氫鍵鍵能范圍。 由于單極性脈沖電場(chǎng)的電場(chǎng)方向不變，不能起到阻垢、溶垢的作用，為此對(duì)陽(yáng)極采用均勻分布的3片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，3片陽(yáng)極輪流工作，從而在陽(yáng)極與陰極之間產(chǎn)生方向不斷變化的電場(chǎng)，起到阻垢、溶垢的作用。 另外由于電場(chǎng)的極性沒(méi)有改變， 在陰極網(wǎng)上可以吸引鈣、鎂離子形成碳酸鈣和碳酸鎂析出，達(dá)到軟化水的目的。 這種網(wǎng)狀陽(yáng)極結(jié)構(gòu)比棒狀陽(yáng)極結(jié)構(gòu)增大了電場(chǎng)的作用面積，吸附硬度離子的效果更好。

圖1 電極結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)驗(yàn)研究表明最佳處理時(shí)間為10s，最佳電場(chǎng)強(qiáng)度約20V/cm， 若取電極供電電壓為48V（DC），則陽(yáng)極與陰極之間的距離d=48/20=2.4cm， 距離d圓整為3cm。

5 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路包括微控制器模塊、信號(hào)處理模塊、驅(qū)動(dòng)放大模塊、電流檢測(cè)模塊、顯示模塊和電源模塊6部分，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路框圖

微控制器模塊選用單片機(jī)STC12C5A60S2，產(chǎn)生兩路PWM信號(hào)，一路為低頻5Hz輸出，另一路為變頻20Hz～25kHz輸出，送信號(hào)處理模塊；轉(zhuǎn)換處理電流檢測(cè)模塊的3路電壓V1～V3輸出信號(hào)，判斷3個(gè)電極電流是否超過(guò)設(shè)定值10A，若過(guò)流則系統(tǒng)停機(jī)；輸出3路控制信號(hào)CTR1～CTR3，控制3路電極信號(hào)SIN1～SIN3的輸出； 微控制器模塊輸出顯示模塊的顯示信息［16］。

信號(hào)處理模塊對(duì)兩路PWM信號(hào)進(jìn)行處理，74HC00完成低頻PWM信號(hào)對(duì)變頻PWM信號(hào)的調(diào)制， 經(jīng)74HC14產(chǎn)生3路原始電極信號(hào)SIN1～SIN3；74HC00 接收微控制器模塊輸出的控制信號(hào)CTR1～CTR3，控制3路原始電極信號(hào)的循環(huán)輸出［17］，如圖3所示。

圖3 信號(hào)處理模塊電路

驅(qū)動(dòng)放大模塊對(duì)3路原始電極信號(hào)SIN1～SIN3驅(qū)動(dòng)放大， 原始電極信號(hào)經(jīng)Q1～Q9產(chǎn)生由主電源電壓U 直接驅(qū)動(dòng)電極的3 路信號(hào)POSE1 ～POSE3，分別接到3片網(wǎng)狀陽(yáng)極上，在陽(yáng)極與陰極之間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的變頻電場(chǎng)，由于電流較大，采用兩片MOSFET并聯(lián)驅(qū)動(dòng)；在3路驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端分別串聯(lián)精密取樣電阻R5、R10和R15，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)送電流檢測(cè)模塊［18］，如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)放大模塊電路

電流檢測(cè)模塊通過(guò)電流檢測(cè)芯片A1、B1、C1檢測(cè)驅(qū)動(dòng)放大模塊3路輸出取樣電阻上的電壓信號(hào)， 電流檢測(cè)芯片選用MAX4080， 輸出經(jīng)電阻R1～R6分壓、A2、B2、C2電壓跟隨后產(chǎn)生的3路電壓信號(hào)V1～V3送微控制器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)3路電極電流的檢測(cè)，防止水中雜質(zhì)或異物過(guò)多引起電極電流過(guò)大燒壞功率管［19］，電路如圖5所示。

圖5 電流檢測(cè)模塊電路

顯示模塊顯示工作電極、 過(guò)流報(bào)警等信息。電源模塊采用500W/48V開關(guān)電源輸出48V主電壓，20W/12V開關(guān)電源和三端穩(wěn)壓器7805為其他電路供電。

6 軟件設(shè)計(jì)

主程序首先完成單片機(jī)、定時(shí)器的初始化，啟動(dòng)定時(shí)器產(chǎn)生PWM信號(hào)；然后判斷是否需要變頻和切換工作電極， 需要?jiǎng)t改變頻率和切換工作電極； 最后檢測(cè)工作電極電流， 判斷電極電流是否過(guò)流， 過(guò)流則切斷主電源， 顯示電極過(guò)流報(bào)警信息，系統(tǒng)停機(jī)［20］，主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程

7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，在山東科技大學(xué)青島校區(qū)中央空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)水中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，循環(huán)水的原始硬度約400mg/L，循環(huán)水量約30t，每天檢測(cè)循環(huán)水電導(dǎo)率、硬度參數(shù)，運(yùn)行5天后檢測(cè)吸垢量為8.2kg，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，電導(dǎo)率開始時(shí)段比較高，反映出系統(tǒng)的阻垢、溶垢能力較強(qiáng)；隨著運(yùn)行時(shí)間的增加電導(dǎo)率不斷降低，且降低明顯，從吸垢量也可得到體現(xiàn)，說(shuō)明系統(tǒng)吸垢效果明顯。 需要注意的是，電導(dǎo)率、硬度及吸垢量等參數(shù)均與原始硬度有關(guān)， 原始硬度越大則各參數(shù)值越大，否則越小。 從檢測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)對(duì)循環(huán)水的軟化效果明顯， 設(shè)備通過(guò)電極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，既簡(jiǎn)化了設(shè)備又達(dá)到了理想的軟化目的。

8 結(jié)束語(yǔ)

筆者所提的工業(yè)循環(huán)水軟化方法為純物理方法，克服了離子交換軟化法運(yùn)行成本高、污染環(huán)境的弊端，采用變頻直流脈沖電場(chǎng)加循環(huán)工作電極的方式，將硬水的活化處理（溶垢）與硬度離子的吸附（除垢）融為一體，與將溶垢和除垢分開、采用兩套電極的軟化方法相比，簡(jiǎn)化了設(shè)備，降低了成本。 經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)對(duì)循環(huán)水軟化效果較好；控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，使用靈活方便，對(duì)于一套設(shè)備不能滿足軟化指標(biāo)要求的場(chǎng)合，可以隨時(shí)增加設(shè)備的數(shù)量；設(shè)備除垢效果良好，運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了軟化水設(shè)備的自動(dòng)運(yùn)行，在工業(yè)鍋爐、中央空調(diào)等循環(huán)水應(yīng)用場(chǎng)合具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景和較高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。