林振朗，陳庭杰，彭開泉，羅煒軍，林宇釗，曾育鋒*,2

(華南師范大學(xué) 1.物理與電信工程學(xué)院；2.物理國家級實驗教學(xué)示范中心，廣東 廣州 510006)

隨著國家對節(jié)能減排要求的不斷提高，換熱設(shè)備因結(jié)垢帶來的一系列問題逐漸引起工作者們的高度重視。為了節(jié)能環(huán)保，提高能量利用率，減少機(jī)件報廢引起的經(jīng)濟(jì)損失，阻垢除垢顯得尤為重要。

目前為止，國內(nèi)外對于阻垢除垢的研究并沒有完全一致的理論得到廣泛的認(rèn)同，缺少權(quán)威機(jī)構(gòu)關(guān)于機(jī)理的解釋說明。現(xiàn)階段存在的磁場阻垢除垢機(jī)理均處于假說提出和論證的過程中，許多理論成果也是基于各自阻垢除垢實驗測量的數(shù)據(jù)得到的結(jié)論。目前主要的物理法水處理方法有磁場處理法[1]、高壓靜電場處理法[2]、電磁場處理法[3,4]等。

基于上述考慮，本文搭建了雙極性脈沖磁場阻垢裝置，在裝置中利用產(chǎn)生的脈沖磁場處理人工硬水，結(jié)合磁場對雙電層、水微觀結(jié)構(gòu)的影響原理，達(dá)到磁場阻垢效果。同時使用EDTA滴定測量裝置和簡易光度計測鈣量裝置測量人工硬水中的鈣離子濃度，得到不同頻率的雙極性脈沖磁場下鈣離子濃度變化趨勢、擬合函數(shù)、阻垢系數(shù)，通過比較上述參量得到阻垢效果。當(dāng)下學(xué)生在中學(xué)與大學(xué)的學(xué)習(xí)過程對于電磁學(xué)的理論方面有著較深的理解，但是缺乏對磁場實際應(yīng)用的認(rèn)識。本實驗彌補(bǔ)了大學(xué)及中學(xué)教學(xué)中缺乏聯(lián)系實際應(yīng)用的實驗缺口，更好地激發(fā)了同學(xué)們的動手能力和探索精神，鼓勵學(xué)生將所學(xué)知識運(yùn)用至生產(chǎn)生活中，具有深刻的教育意義。

1 實驗原理

1.1 磁場對雙電層的影響

在本實驗中，受到磁場的影響，溶液中正負(fù)電荷的定向運(yùn)動使得管壁與溶液這兩種不同物質(zhì)的界面上形成由正負(fù)電荷分別排列而成的面層，影響膠粒的雙電層結(jié)構(gòu),促進(jìn)雙電層的形成為均相成核提供了晶種，加快均相成核過程，抑制異相成核[5]。各種帶電離子如鈣離子，碳酸根離子等將在其內(nèi)層發(fā)生吸附現(xiàn)象，發(fā)生沉淀現(xiàn)象，而這種沉淀現(xiàn)象中結(jié)晶沉淀之后生成的晶體數(shù)量、形貌也會發(fā)生改變，形成的晶體相比之下較軟而疏松，容易隨著水體一起流動，也使得沉淀物不易在管壁上結(jié)垢。

1.2 磁場對水微觀結(jié)構(gòu)的影響

一種觀點[6]認(rèn)為：磁場產(chǎn)生的能量使水分子偶極矩提高，使水分子間的氫鍵作用力增強(qiáng)，導(dǎo)致水分子間的締合狀態(tài)更加牢固，晶體難以發(fā)生聚集而難以生長，因此生成的水垢晶體小，不容易被吸附沉積在容器壁而變成疏松的泥絮狀；Raj等[7]認(rèn)為水溶液在磁場的作用下會發(fā)生電解反應(yīng)，產(chǎn)生的活性基團(tuán)如氫原子、臭氧、過氧化氫等新的活性基因是水經(jīng)過磁化后阻垢的關(guān)鍵要素之一；Colic[8]和Morse[9]提出把二氧化碳與水的接觸面看作磁場的受體，由于受到磁場的影響，接觸面出現(xiàn)紊亂現(xiàn)象，導(dǎo)致碳酸根離子周圍的水分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，對晶核沉淀過程產(chǎn)生影響。磁場對于水微觀結(jié)構(gòu)的影響還沒有一個權(quán)威的客觀解釋，但是都能夠為磁場的阻垢效應(yīng)提供理論支撐。

1.3 水垢形成的原理

1.3.1 水垢的結(jié)晶過程

碳酸鈣的結(jié)晶過程可分為晶核形成、晶體生長、晶體聚集這三個過程。晶核以均相成核或異相成核這兩種方式析出，之后不斷從溶液中獲取鈣離子和碳酸根離子來使晶核顆粒逐漸生長。生長之后的碳酸鈣晶體又稱方解石晶體，其結(jié)構(gòu)致密且硬度大，因而具有很強(qiáng)的附著能力，附著在管道上以至于很難被流體帶走[10]。在一般外界條件下，附著在管道上的水垢存在一定程度的再溶解與再結(jié)晶，但碳酸鈣等鹽類在水中的結(jié)晶速率大于其溶解速率，致使產(chǎn)生的水垢越來越多[11]。

1.3.2 雙電層對水垢形成的影響

雙電層的電位差越大，則越在器壁內(nèi)側(cè)形成負(fù)極電位，導(dǎo)致離子被吸附而產(chǎn)生水垢。實驗所用的循環(huán)水中鈣離子與碳酸根離子都是具有電性引力的離子，而雙電層具有吸引陰陽離子的能力，因此當(dāng)帶電離子在管道中隨著水流流動進(jìn)入雙電層引力范圍內(nèi)時，會使得正負(fù)離子在雙電層相對，并使得趨陽離子將電子讓給鄰近的一個趨陰離子，從而排列成晶體，形成結(jié)晶垢層。

1.4 磁場處理裝置選擇與產(chǎn)生原理

1.4.1 磁場選擇原理

磁場的發(fā)生裝置主要分為兩種：恒定磁場發(fā)生裝置和交變磁場發(fā)生裝置。在圖1中，PVC管道內(nèi)的陰陽離子因受恒定磁場的影響，陰陽離子的運(yùn)動方向?qū)②呄騊VC管兩側(cè)，并在兩側(cè)堆積。但這也導(dǎo)致了霍爾電場的形成，使得水中的陰陽離子受到了與洛倫茲力方向相反的霍爾電場力，部分極性相反的離子會移動到管壁并發(fā)生結(jié)垢，降低了磁場的阻垢效果，如圖2所示。因此，恒定磁場具有一定的阻垢效果

圖1 靜止恒定磁場示意圖

圖2 離子在靜止恒定磁場中的運(yùn)動軌跡

而在圖3中，若將PVC管道放置于該磁場下，當(dāng)水流動時，就相當(dāng)于受到了交變磁場的影響。由于磁場方向會改變，離子所受到洛倫茲力的方向也其沿水管方向的移動而發(fā)生變化。在該磁場的影響下，通過管道中心附近的陰陽離子將會以近似圖4的軌跡運(yùn)動，相比于磁場方向恒定的磁場，水中陰陽離子的運(yùn)動更加劇烈、無序，受霍爾電場的影響也減小。因此該磁場的阻垢效果會優(yōu)于磁場方向不變的恒定磁場。C.GABRIELLI等人的對比實驗[12]也表明：交變磁場產(chǎn)生的阻垢效果要好于恒定磁場的實驗效果。

圖3 靜止的交變磁場示意圖

圖4 離子在雙極性脈沖磁場中的運(yùn)動軌跡

雙極性脈沖技術(shù)是一種有效的水處理方法,根據(jù)國內(nèi)外研究表明，相比于上文所提到的靜止交變磁場，水中的離子在雙極性脈沖磁場中承受的磁場方向和磁場強(qiáng)度每一時刻都在發(fā)生變化，阻垢效果相比于恒定交變磁場效果更好。

為實現(xiàn)雙極性脈沖磁場，有全橋逆變電路方案及電動機(jī)與永磁體組合方案兩種方案[13]。在全橋逆變電路方案中，通過驅(qū)動信號控制 IGBT 的通斷，實現(xiàn)輸出為雙極性的脈沖。改變負(fù)載的阻抗值，即可改變輸出的電流峰值。運(yùn)用該方法來改變電流峰值從而改變磁場強(qiáng)度峰值，達(dá)到脈沖效果，產(chǎn)生雙極性脈沖磁場。但在此方法中，所要求的電流強(qiáng)度較大，施行可行性較低，并且耗費(fèi)能源，成本較大，不適合本次實驗。因此本次實驗采用電動機(jī)與永磁體組合，通過電動機(jī)帶動四組異極相對的永磁體，通過空間位置的改變來達(dá)到改變磁場強(qiáng)度峰值，操作簡單且成本較低。

2 實驗裝置平臺

2.1 磁場產(chǎn)生裝置

本次實驗采用電動機(jī)與永磁體組合方案來產(chǎn)生雙極性脈沖磁場。根據(jù)異極相對的原則，在塑料轉(zhuǎn)盤上固定四對交錯排列的異極圓形永磁體，每對永磁體間留有3.8 cm的氣隙。將塑料轉(zhuǎn)盤與步進(jìn)電機(jī)相連接，由STM32單片機(jī)產(chǎn)生電脈沖信號給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移信號，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而讓步進(jìn)電機(jī)帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，在氣隙中形成雙極性脈沖磁場，裝置示意圖如圖5所示。

圖5 雙極性脈沖磁場產(chǎn)生裝置圓盤示意圖

磁場產(chǎn)生裝置包含STM32單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、一對塑料圓盤、四對異性圓形永磁體，學(xué)生電源，導(dǎo)線，下圖為裝置實物圖。

圖6 電脈沖信號產(chǎn)生裝置

2.2 散熱裝置和電機(jī)固定減震裝置

本次實驗由兩個尺寸為6 cm×6 cm×2 cm，功率12 V的散熱風(fēng)扇和兩個由EPE珍珠棉泡沫組成的基座構(gòu)成散熱裝置。同時利用木塊、木板和EPE珍珠綿組成固定減震裝置。散熱裝置和電機(jī)固定減震裝置如圖7所示。

圖7 散熱裝置和電機(jī)固定減震裝置

2.3 循環(huán)取樣和排水裝置

本次實驗利用PVC水管與多種PVC小零件搭建閉合裝置，并利用水泵使水箱中的溶液在閉合水管中循環(huán)流動。本裝置包含了取樣裝置、排水裝置(包含兩部分)。上述裝置如圖8所示。

圖8 循環(huán)、取樣與排水裝置

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 磁場強(qiáng)度測量和表征

3.1.1 靜態(tài)磁場強(qiáng)度測量和表征

由于圓盤與永磁體呈中心對稱，本次測量實驗在圓盤上選取長7.6 cm，寬5.4 cm的矩形區(qū)域作為測量范圍。基于畢奧-薩伐爾定律，運(yùn)用“phyphox”軟件對磁場進(jìn)行測量，利用MATLAB軟件擬合繪制出三維磁場分布圖。

圖9 正向磁場主視圖

圖10 反向磁場主視圖

3.1.2 旋轉(zhuǎn)磁場強(qiáng)度測量和表征

在兩個圓盤的中心高度上，選取一條同時經(jīng)過轉(zhuǎn)軸中心和磁鐵中心的圓盤直徑，在直徑是距中心軸2.5 cm至7.5 cm，每間隔0.2 cm選取一個測量點，測量z軸方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小隨時間t的變化曲線，利用MATLAB軟件擬合繪制出B-t-x圖。

圖11 正向磁場主視圖

3.2 鈣離子濃度測量與分析

3.2.1 EDTA滴定法

1)稱量樣品、配置溶液：用電子天平在紙上稱取0.93 g的EDTA粉末，加入350 ml去離子水中并不斷攪拌，在燒杯中完全溶解，倒入500 ml容量瓶中，配置c標(biāo)=0.005 mol/L的EDTA溶液。用電子天平在紙上稱取0.16 g的鉻黑T粉末，在燒杯中用25 ml去離子水使其完全溶解，配置鉻黑T溶液。

2)運(yùn)行裝置，外加磁場。啟動磁場產(chǎn)生裝置和循環(huán)取樣和排水裝置，控制實驗流速基本相同，運(yùn)行整個實驗系統(tǒng)。

3)測量人工循環(huán)硬水相關(guān)參數(shù)。包括鈣離子濃度、鈣離子濃度變化曲線圖及相關(guān)函數(shù)、阻垢系數(shù)。以上參數(shù)每隔20 min測量一次。其中鈣離子濃度變化曲線圖及相關(guān)函數(shù)、阻垢系數(shù)都是基于鈣離子濃度推算而得，鈣離子濃度測量采用EDTA滴定法測得。

3.2.2 鈣離子濃度變化曲線圖

在實驗中通過測量循環(huán)水溶液中的鈣離子濃度變化情況，研究本次實驗中雙極性脈沖磁場對阻垢的影響，從而進(jìn)行分析。實驗開始前，通過使用人工硬水作為實驗材料，保證了實驗開始時的初始濃度保持大致一樣，消除起始濃度不一樣帶來的實驗誤差。圖13是各組的鈣離子濃度隨時間的變化曲線。

在0至40分鐘內(nèi)三組實驗組的鈣離子濃度下降速率基本一致，呈較快的速度，大約為0.054 mmol/min。在60 min之后，鈣離子濃度下降速率開始發(fā)生變化。脈沖磁場A、B兩組的鈣離子濃度下降速率開始大幅度降低，阻垢效果明顯高于靜止磁場組組。根據(jù)圖12可以知道，相較于脈沖磁場A組，脈沖磁場B組的鈣離子濃度下降速率降低幅度更大，阻垢效率明顯高于脈沖磁場A組。在160 min后三組實驗組鈣離子濃度的下降速率趨于穩(wěn)定，變化幅度較小。

t/min

3.2.3 鈣離子曲線函數(shù)分析

根據(jù)所測得的實驗數(shù)據(jù)，運(yùn)用MATLAB軟件，對實驗結(jié)果進(jìn)行擬合，擬合所得數(shù)據(jù)如表1：

表1 鈣離子濃度曲線擬合函數(shù)表

通過分析二次函數(shù)的特性，二次函數(shù)y=ax2+bx+c圖像開口大小由二次項系數(shù)a的絕對值大小決定。當(dāng)a的絕對值越小，開口越大，當(dāng)a的絕對值越大，開口越小。而鈣離子曲線圖像開口的大小直觀地體現(xiàn)出了鈣離子速率的變化。當(dāng)鈣離子濃度曲線擬合函數(shù)的開口均朝上，觀察范圍在其對稱軸的左側(cè)時，開口越大，其濃度變化速度越小。

通過計算可以知道，三組實驗組的鈣離子濃度曲線擬合而成的二次函數(shù)的二次項系數(shù)a均大于0，開口均朝上。且觀察范圍均在其對稱軸左側(cè)，比較數(shù)據(jù)可知，脈沖磁場B組的二次項系數(shù)a的絕對值最小，其次為脈沖磁場A組，靜止磁場組最大。

3.2.4 阻垢系數(shù)

本次實驗使用雙極性脈沖磁場進(jìn)行阻垢，表現(xiàn)阻垢效果的指標(biāo)之一為阻垢率，阻垢系數(shù)指的是在磁場處理中，水中鈣離子濃度相對于空白組濃度減少的比例。阻垢系數(shù)的計算公式如下：

本次實驗的阻垢系數(shù)取180 min時三組實驗組和空白組的鈣離子濃度進(jìn)行計算，計算結(jié)果如下：

通過對比空白組，如果阻垢系數(shù)數(shù)值大于0，則證明有阻垢效果；若小于0，則證明沒有阻垢效果；通過對比兩組阻垢率，若A組阻垢率大于B組阻垢率，則證明A組的阻垢效果比B組更好。表2為各組最終阻垢率的計算結(jié)果。

表2 實驗數(shù)據(jù)表

通過對比實驗所得結(jié)果，根據(jù)表格內(nèi)容可知，脈沖磁場B組的阻垢系數(shù)最大，其次為脈沖磁場A組，靜止磁場組最小。

3.2.5 實驗分析總結(jié)

通過分析空白組和三個實驗組的鈣離子濃度隨時間的變化曲線圖，三組實驗組的鈣離子濃度曲線擬合函數(shù)和三組實驗組的阻垢系數(shù)，本次實驗得出的實驗現(xiàn)象為：阻垢效率從高到低依次為：脈沖磁場B組、脈沖磁場A組、靜止磁場組?；趯嶒灛F(xiàn)象得出一下實驗結(jié)論：

①磁場具有阻垢效果。

②相比于靜止磁場，旋轉(zhuǎn)磁場阻垢效率更好。

③在低頻率下，雙極性脈沖磁場阻垢效率隨著頻率的增加而增大。

4 結(jié) 語

文章搭建了雙極性脈沖磁場阻垢裝置。首先使用3D打印技術(shù)搭建塑料框架及圓盤，并將塑料圓盤與步進(jìn)電機(jī)結(jié)合，構(gòu)建磁場發(fā)生裝置。利用STM32單片機(jī)產(chǎn)生電脈沖信號，通過電脈沖信號控制步進(jìn)電機(jī)帶動塑料圓盤上的永磁體組產(chǎn)生雙極性脈沖磁場。產(chǎn)生的脈沖磁場對流經(jīng)永磁體組氣隙的循環(huán)人工硬水進(jìn)行處理，以此來驗證磁場在阻垢方面的效果。

采用EDTA滴定法，對人工硬水中的鈣離子濃度進(jìn)行測量，并繪制出鈣離子濃度變化曲線圖。采用控制變量法和比對分析，對鈣離子變化曲線圖進(jìn)行函數(shù)分析，并且引入新變量阻垢系數(shù)來分析不同磁場下的阻垢效果。

結(jié)果表明：磁場具有阻垢效果；相比于靜止磁場，旋轉(zhuǎn)磁場阻垢效率更好；在低頻率下，雙極性脈沖磁場阻垢效率隨著頻率的增加而增大。將此裝置引入中學(xué)或大學(xué)物理教學(xué)中，可以有效彌補(bǔ)當(dāng)下物理教育缺乏聯(lián)系現(xiàn)實生活的缺口。通過該實驗激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，鼓勵學(xué)生將理論與現(xiàn)實生活相結(jié)合，達(dá)到學(xué)以致用的教學(xué)目標(biāo)。