磁場阻垢機(jī)理研究現(xiàn)狀

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)；另一方面還會常常因局部過熱或高溫導(dǎo)致機(jī)械性能的下降，嚴(yán)重時還會引發(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，對于磁阻垢機(jī)理的深化研究比較困難，迄今為止沒有統(tǒng)一的理論。國內(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，同時也提出了一些有價值的理論模型。

2 磁場阻垢理論

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分子間的氫鍵形成分子團(tuán)簇形式，經(jīng)電磁場作用后，這些不斷振動的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)、水中懸浮顆粒因磁感應(yīng)而振動，當(dāng)水分子的振動頻率正好等于磁感應(yīng)振動頻率或成比例時，就會發(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)水體系擾動，使其價電子發(fā)生新的取向，此時，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、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、作用時間以及磁處理時的流速均影響擾動的程度。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，這些微觀的改變在宏觀上就體現(xiàn)出防垢除垢的效果[5]。

2.4 極化作用理論

磁場能產(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，同時使得帶電粒子的結(jié)構(gòu)改變，破壞了各個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)化會受到磁場變化的影響。當(dāng)水受到磁化時，其獲得的能量很少，在系統(tǒng)的發(fā)生過程中會存在一種能障，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。由于磁場短時間的作用力，使得水系活化能得到“催化”之后改變，最后會使整個系統(tǒng)的性質(zhì)發(fā)生相應(yīng)的變化。美國Drexel大學(xué)的專家在這一方面曾用自由能定律做過解釋[7]，但其理論在有些方面還是不能對污垢的形成機(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：碳酸鈣的同晶異構(gòu)現(xiàn)象生成四種同晶異構(gòu)體，對循環(huán)水系統(tǒng)加磁使得系統(tǒng)Gibbs自由能變化，形成相對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)理在國內(nèi)外學(xué)術(shù)界還未達(dá)成共識，定量研究較少，研究過程中遇到的主要問題有：1)磁場作用的時效性無法用現(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場阻垢機(jī)理；3)未能對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發(fā)展趨勢之一。