淺談磁場除垢防垢技術(shù)

摘 要：磁處理技術(shù)相較于化學(xué)除垢法，具有應(yīng)用方便、無毒無污染等優(yōu)點(diǎn)，在水處理等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。文章闡述了磁場除垢的發(fā)展與現(xiàn)狀，對(duì)其機(jī)理進(jìn)行了剖析與總結(jié)，對(duì)以后磁處理的研究有一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：磁場；除垢防垢；機(jī)理；氫鍵；洛侖茲力

1945年Vermeriven發(fā)現(xiàn)，經(jīng)磁處理后，鍋爐水垢得到抑制，從此，該技術(shù)得到人們的重視并迅速發(fā)展。20世紀(jì)后期，我國的大慶、遼河、玉門等油田均對(duì)磁處理技術(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用，其在減少環(huán)境污染、節(jié)能降耗等方面都發(fā)揮了舉足輕重的作用[1]。

20世紀(jì)中期以來，世界上許多國家相繼開展了磁化水理論和應(yīng)用技術(shù)研究，其中前蘇聯(lián)是這一領(lǐng)域起步較早并富有成效的國家。我國自80年代初期就開始了這方面的研究工作，并取得了一些成果。比如，水在磁場中以一定速度沿垂直磁力線方向流動(dòng)并被磁化，其表面張力系數(shù)、粘度、密度、電導(dǎo)率、pH值等均發(fā)生變化；水在靜態(tài)磁化后其光譜特性改變。磁化水技術(shù)已廣泛用于鍋爐防垢除垢、混凝土澆筑、煤層和油田注水增注、農(nóng)作物種植、液體霧化以及醫(yī)療等領(lǐng)域，并取得了一定的成績[2]。

1 磁場除防垢原理

1.1 基本原理

關(guān)于磁防垢除垢機(jī)制，目前尚沒有統(tǒng)一的權(quán)威性結(jié)論，看法很不一致。有一種基本的看法是：水溶液，本為大分子締合物nH2O，經(jīng)磁場作用后，變成小締合物或單個(gè)分子，這樣就有助于結(jié)垢物溶解[3]。

水的表面張力、溶解力、pH值和密度滲透力等性質(zhì)在磁處理后將發(fā)生變化，這些細(xì)微的改變，如溶解力、活性和滲透力的上升，會(huì)影響鎂、鈣鹽、金屬離子化合物的溶解性和結(jié)晶過程。磁處理后，水中會(huì)產(chǎn)生若干雙水分子，其會(huì)使致密的方解石晶體轉(zhuǎn)變?yōu)樗绍?、?xì)小的文石晶體，從而更有利于被水流沖走，這就是磁處理技術(shù)的防垢作用；同時(shí)，這些新產(chǎn)生的雙水分子由于體積減小、滲透力增加，更容易進(jìn)入容器壁與污垢之間的縫隙，利用其與金屬材料膨脹率的不同，在動(dòng)態(tài)溶解平衡過程中，使原有的硬垢逐漸松軟并脫落，從而達(dá)到除垢的效果[4]。

1.2 磁記憶效應(yīng)

在磁場除垢防垢技術(shù)中，人們不斷探索其中的奧秘，磁記憶效應(yīng)就是一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)，其是指：磁化處理后一段時(shí)間內(nèi)，被處理介質(zhì)仍然具有一定的防垢除垢能力，即物理化學(xué)性質(zhì)不會(huì)因?yàn)殡x開磁場而迅速恢復(fù)原來的狀態(tài)。例如，水在經(jīng)過磁場時(shí)，其電導(dǎo)率、PH值等參數(shù)均存在變化，離開磁場以后，這些已經(jīng)發(fā)生變化的參數(shù)并不會(huì)立刻恢復(fù)處理前的數(shù)值，而會(huì)保持一段時(shí)間。據(jù)文獻(xiàn)顯示，磁記憶效應(yīng)在完全靜止的水中大約能保持48小時(shí)，如果介質(zhì)（例如水）發(fā)生劇烈擾動(dòng)，則只能維持8小時(shí)。Coey等人在不斷的研究中證明了磁記憶效應(yīng)的存在性，并估算能維持20小時(shí)以上。至于磁記憶效應(yīng)在什么條件下達(dá)到最佳，尚還沒有統(tǒng)一結(jié)論，據(jù)報(bào)道，磁記憶效應(yīng)隨水溫度的升高而顯著減弱，但磁處理效果會(huì)增高[5]。

1.3 理論研究中遇到的困難

目前，磁化機(jī)理在國內(nèi)外學(xué)術(shù)界還未達(dá)成共識(shí)，定量研究較少，研究過程中遇到的主要問題有：（1）磁記憶效應(yīng)無法用現(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處理機(jī)理；（3）未能對(duì)磁場是否引起液體相變、氫鍵斷裂等問題進(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）磁場強(qiáng)度和流體流速之間的關(guān)系復(fù)雜，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[6]。因此，加強(qiáng)定量的基礎(chǔ)研究，建立和完善磁處理防垢的理論模型是將來發(fā)展趨勢之一。

磁化法抑垢除垢的機(jī)理

國內(nèi)外學(xué)者提出了許多關(guān)于磁化抑垢法機(jī)理的假設(shè)和理論，其中，廣為接受的是洛侖茲力模型理論和氫鍵斷裂理論。

洛侖茲力模型理論

洛侖茲力模型理論的解釋是：磁場作用水溶液的過程可分為兩個(gè)階段：第一階段，洛侖茲力作用占主導(dǎo)；第二階段，取向作用占主導(dǎo)。

第一階段：在磁場作用的范圍內(nèi)，CO32-和Ca2+等帶電離子將被洛侖茲力束縛于磁力線附近。此時(shí)，磁場把帶電粒子篩選出來，同時(shí)，由于陰陽離子的運(yùn)動(dòng)軌跡相反，更增加了CO32-和Ca2+間的碰撞機(jī)會(huì)。

第二階段：CO32-和Ca2+等離子通過以水合離子的形式存在于溶液中，頻繁的碰撞會(huì)使它們攜帶的水化膜部分解體，而改變離子的水合狀態(tài)，許多單體水分子伴隨著CaCO3晶粒的生成而產(chǎn)生。羅漫等人用核磁共振儀證實(shí)了，磁處理后，單體水分子數(shù)目會(huì)增加，其明顯的電偶極性有利于在磁場中取向。這些水分子群限制了CaCO3晶粒的運(yùn)動(dòng)，減少了CaCO3晶粒間的有效碰撞和運(yùn)動(dòng)的自由程度，即，CaCO3小晶粒被分散在了水中，降低了他們聚合成大晶粒的可能性。也就是說，取向作用抑制了晶粒的長大。這些剛生成的單體水分子被取向后，溶液的介電常數(shù)會(huì)增大[7]。

2 氫鍵異變理論模型

在液態(tài)水中，水分子大多以分子團(tuán)的形式存在。在0～200℃范圍內(nèi)，單分子與水分子的締合體共存的形式是液態(tài)水的基本模型，溫度越高，締合度相應(yīng)升高。若干個(gè)單分子通過氫鍵聯(lián)系起來形成締合態(tài)，即締合體。

圖1 帶電荷的水分子結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 以氫鍵形式存在的水分子結(jié)構(gòu)示意圖

氫氧鍵由氫原子和電負(fù)性很大的氧原子共同形成，質(zhì)量較大的氧原子將強(qiáng)烈吸引它們之間的共用電子對(duì)，以至氫原子幾乎成為“裸核”而帶正電，氧原子帶同等的負(fù)電荷，如圖1所示。水分子2中帶正電荷的氫原子被水分子1中帶負(fù)電荷的氧原子吸引，最終形成氫鍵，如圖2所示[5]。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，具有極性原子的物質(zhì)對(duì)磁場都有較高的敏感性。例如，由氫鍵締合而成的液態(tài)水，磁場的微弱能量雖遠(yuǎn)小于氫鍵的鍵能，即不能破壞氫鍵，但可以給液態(tài)水體系一擾動(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，磁處理中的磁場大小均較弱，因此，磁場的梯度、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[3]。endprint

3 正確認(rèn)識(shí)磁處理技術(shù)

磁場處理在國外已有40年以上歷史，在我國也已有1/3世紀(jì)以上的歷史，而且已歷經(jīng)兩度興衰。

磁場處理的優(yōu)點(diǎn)是：不用化學(xué)藥劑，沒有環(huán)境污染，設(shè)備維護(hù)操作簡便，壽命長。就節(jié)約藥劑，防止污染，節(jié)省人力而言，是理想的防垢手段。

磁場處理的缺點(diǎn)是：它是一種不穩(wěn)定的、暫時(shí)的防止結(jié)硬垢的方法。必須保證所使用的裝置有效，必須嚴(yán)格遵守關(guān)于熱負(fù)荷、水溫、硬度、鐵錳含量等的規(guī)定才有效；必須保持足夠的排污和保持在一定時(shí)間內(nèi)才有效。

自磁場防垢處理問世時(shí)起，就存在著這種防垢方法有效與無效之爭。究其原因，就是對(duì)磁場防垢的實(shí)質(zhì)不明造成的。我國有為數(shù)眾多的熱水鍋爐、熱交換器、冷卻裝置，都沒有進(jìn)行水處理，每年造成上千萬噸燃料的浪費(fèi)，造成設(shè)備停產(chǎn)、金屬過熱燒壞，有數(shù)以萬計(jì)的小鍋爐和熱交換器被迫進(jìn)行化學(xué)清洗除垢，造成藥物消耗及環(huán)境污染，因此，不用藥劑、不用或極少消耗能量、沒有環(huán)境污染的磁場處理是有廣闊天地的[8]。

4 結(jié)束語

對(duì)于磁場除垢防垢的原理，目前學(xué)術(shù)界還沒有給出一個(gè)比較確切的結(jié)論。磁場能影響成垢物質(zhì)的結(jié)晶速率、晶型、晶體大小和數(shù)目、水的pH值等，因而阻止水垢分子對(duì)管壁的附著。由于磁場對(duì)水以及其它離子（分子）的影響是暫時(shí)的，為了避免重新結(jié)垢，需要在磁處理后做進(jìn)一步處理，如在電子除垢儀下游安裝捕集器，以清除掉污垢。磁處理技術(shù)相較于其他化學(xué)除垢方法，具有投資小、操作簡單、無毒無污染等特點(diǎn)，是一種極具發(fā)展前景的防垢除垢技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]周愛東，楊紅曉，張志炳.磁處理在抑制碳酸鈣結(jié)垢中的應(yīng)用[J].應(yīng)用化工，2006，（02）：87.

[2]丁振瑞，趙亞軍，陳鳳玲等.磁化水的磁化機(jī)理研究[J].2011，（06）.

[3]齊鳳春.磁防垢除垢技術(shù)[J].學(xué)術(shù)研究，2001，（06）：22.

[4]陳璨.基于電磁場的除垢、防垢技術(shù)研究[D].北京，中國石油大學(xué)，2008.

[5]許國鳳，舒福昌，周雙君.磁化水處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀及防垢機(jī)理[J].2008，（09）：5.

[6]田黨宏，蒲春生.磁防垢除垢技術(shù)研究與應(yīng)用新進(jìn)展[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2005，（06）：13.

[7]馬秀波，周開學(xué).磁場對(duì)碳酸鈣結(jié)晶影響的探討[J].工業(yè)水處理，2003，（09）：18-19.

[8]竇照英. 磁場電場的防抬技術(shù)[J].環(huán)境保護(hù)，1994，（04）：13-14.

作者簡介：彭辰（1988-），碩士生；就讀于西南石油大學(xué)化工過程機(jī)械專業(yè)；現(xiàn)從事磁場除垢防垢的機(jī)理與試驗(yàn)研究。endprint

3 正確認(rèn)識(shí)磁處理技術(shù)

磁場處理在國外已有40年以上歷史，在我國也已有1/3世紀(jì)以上的歷史，而且已歷經(jīng)兩度興衰。

磁場處理的優(yōu)點(diǎn)是：不用化學(xué)藥劑，沒有環(huán)境污染，設(shè)備維護(hù)操作簡便，壽命長。就節(jié)約藥劑，防止污染，節(jié)省人力而言，是理想的防垢手段。

磁場處理的缺點(diǎn)是：它是一種不穩(wěn)定的、暫時(shí)的防止結(jié)硬垢的方法。必須保證所使用的裝置有效，必須嚴(yán)格遵守關(guān)于熱負(fù)荷、水溫、硬度、鐵錳含量等的規(guī)定才有效；必須保持足夠的排污和保持在一定時(shí)間內(nèi)才有效。

自磁場防垢處理問世時(shí)起，就存在著這種防垢方法有效與無效之爭。究其原因，就是對(duì)磁場防垢的實(shí)質(zhì)不明造成的。我國有為數(shù)眾多的熱水鍋爐、熱交換器、冷卻裝置，都沒有進(jìn)行水處理，每年造成上千萬噸燃料的浪費(fèi)，造成設(shè)備停產(chǎn)、金屬過熱燒壞，有數(shù)以萬計(jì)的小鍋爐和熱交換器被迫進(jìn)行化學(xué)清洗除垢，造成藥物消耗及環(huán)境污染，因此，不用藥劑、不用或極少消耗能量、沒有環(huán)境污染的磁場處理是有廣闊天地的[8]。

4 結(jié)束語

對(duì)于磁場除垢防垢的原理，目前學(xué)術(shù)界還沒有給出一個(gè)比較確切的結(jié)論。磁場能影響成垢物質(zhì)的結(jié)晶速率、晶型、晶體大小和數(shù)目、水的pH值等，因而阻止水垢分子對(duì)管壁的附著。由于磁場對(duì)水以及其它離子（分子）的影響是暫時(shí)的，為了避免重新結(jié)垢，需要在磁處理后做進(jìn)一步處理，如在電子除垢儀下游安裝捕集器，以清除掉污垢。磁處理技術(shù)相較于其他化學(xué)除垢方法，具有投資小、操作簡單、無毒無污染等特點(diǎn)，是一種極具發(fā)展前景的防垢除垢技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]周愛東，楊紅曉，張志炳.磁處理在抑制碳酸鈣結(jié)垢中的應(yīng)用[J].應(yīng)用化工，2006，（02）：87.

[2]丁振瑞，趙亞軍，陳鳳玲等.磁化水的磁化機(jī)理研究[J].2011，（06）.

[3]齊鳳春.磁防垢除垢技術(shù)[J].學(xué)術(shù)研究，2001，（06）：22.

[4]陳璨.基于電磁場的除垢、防垢技術(shù)研究[D].北京，中國石油大學(xué)，2008.

[5]許國鳳，舒福昌，周雙君.磁化水處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀及防垢機(jī)理[J].2008，（09）：5.

[6]田黨宏，蒲春生.磁防垢除垢技術(shù)研究與應(yīng)用新進(jìn)展[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2005，（06）：13.

[7]馬秀波，周開學(xué).磁場對(duì)碳酸鈣結(jié)晶影響的探討[J].工業(yè)水處理，2003，（09）：18-19.

[8]竇照英. 磁場電場的防抬技術(shù)[J].環(huán)境保護(hù)，1994，（04）：13-14.

作者簡介：彭辰（1988-），碩士生；就讀于西南石油大學(xué)化工過程機(jī)械專業(yè)；現(xiàn)從事磁場除垢防垢的機(jī)理與試驗(yàn)研究。endprint

3 正確認(rèn)識(shí)磁處理技術(shù)

磁場處理在國外已有40年以上歷史，在我國也已有1/3世紀(jì)以上的歷史，而且已歷經(jīng)兩度興衰。

磁場處理的優(yōu)點(diǎn)是：不用化學(xué)藥劑，沒有環(huán)境污染，設(shè)備維護(hù)操作簡便，壽命長。就節(jié)約藥劑，防止污染，節(jié)省人力而言，是理想的防垢手段。

磁場處理的缺點(diǎn)是：它是一種不穩(wěn)定的、暫時(shí)的防止結(jié)硬垢的方法。必須保證所使用的裝置有效，必須嚴(yán)格遵守關(guān)于熱負(fù)荷、水溫、硬度、鐵錳含量等的規(guī)定才有效；必須保持足夠的排污和保持在一定時(shí)間內(nèi)才有效。

自磁場防垢處理問世時(shí)起，就存在著這種防垢方法有效與無效之爭。究其原因，就是對(duì)磁場防垢的實(shí)質(zhì)不明造成的。我國有為數(shù)眾多的熱水鍋爐、熱交換器、冷卻裝置，都沒有進(jìn)行水處理，每年造成上千萬噸燃料的浪費(fèi)，造成設(shè)備停產(chǎn)、金屬過熱燒壞，有數(shù)以萬計(jì)的小鍋爐和熱交換器被迫進(jìn)行化學(xué)清洗除垢，造成藥物消耗及環(huán)境污染，因此，不用藥劑、不用或極少消耗能量、沒有環(huán)境污染的磁場處理是有廣闊天地的[8]。

4 結(jié)束語

對(duì)于磁場除垢防垢的原理，目前學(xué)術(shù)界還沒有給出一個(gè)比較確切的結(jié)論。磁場能影響成垢物質(zhì)的結(jié)晶速率、晶型、晶體大小和數(shù)目、水的pH值等，因而阻止水垢分子對(duì)管壁的附著。由于磁場對(duì)水以及其它離子（分子）的影響是暫時(shí)的，為了避免重新結(jié)垢，需要在磁處理后做進(jìn)一步處理，如在電子除垢儀下游安裝捕集器，以清除掉污垢。磁處理技術(shù)相較于其他化學(xué)除垢方法，具有投資小、操作簡單、無毒無污染等特點(diǎn)，是一種極具發(fā)展前景的防垢除垢技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]周愛東，楊紅曉，張志炳.磁處理在抑制碳酸鈣結(jié)垢中的應(yīng)用[J].應(yīng)用化工，2006，（02）：87.

[2]丁振瑞，趙亞軍，陳鳳玲等.磁化水的磁化機(jī)理研究[J].2011，（06）.

[3]齊鳳春.磁防垢除垢技術(shù)[J].學(xué)術(shù)研究，2001，（06）：22.

[4]陳璨.基于電磁場的除垢、防垢技術(shù)研究[D].北京，中國石油大學(xué)，2008.

[5]許國鳳，舒福昌，周雙君.磁化水處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀及防垢機(jī)理[J].2008，（09）：5.

[6]田黨宏，蒲春生.磁防垢除垢技術(shù)研究與應(yīng)用新進(jìn)展[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2005，（06）：13.

[7]馬秀波，周開學(xué).磁場對(duì)碳酸鈣結(jié)晶影響的探討[J].工業(yè)水處理，2003，（09）：18-19.

[8]竇照英. 磁場電場的防抬技術(shù)[J].環(huán)境保護(hù)，1994，（04）：13-14.

作者簡介：彭辰（1988-），碩士生；就讀于西南石油大學(xué)化工過程機(jī)械專業(yè)；現(xiàn)從事磁場除垢防垢的機(jī)理與試驗(yàn)研究。endprint