电磁抑垢效果及其机理研究进展

王建国，梁延东，尹 钊，王瑜瑞

(东北电力大学 自动化工程学院，吉林 吉林 132012)

电磁抑垢效果及其机理研究进展

王建国，梁延东，尹 钊，王瑜瑞

(东北电力大学 自动化工程学院，吉林 吉林 132012)

电磁水处理技术是一种物理抑垢方法，因其无添加试剂，无毒无污染，操作简单，成本低等优点，受到业界的广泛关注。针对国内外学者的研究情况，从电磁场对碳酸钙结晶过程及晶型晶貌的影响、电磁场对水溶液物化性质的影响，以及电磁场强度、频率、方向、磁处理时间与介质流速等因素对抑垢效果的影响等方面，阐述了电磁抑垢效果及机理的研究进展，分析了存在的主要问题并对其发展趋势进行了展望。

电磁场；循环水处理；抑垢

20世纪50年代中期，比利时人T.Vermeiren，将水的磁化处理应用于锅炉用水，减少了锅炉中水垢的生成并成功申请专利，以此开创了运用磁场处理循环水的先例[1]。之后，苏联、欧、美等国在70年代相继展开磁处理技术的研究，并取得了一定的进展[2]。进入80年代，各国研究学者及企业在电磁水处理技术这一领域已经取得了多项专利和大量的研究成果。但近些年来，随着应用范围的扩大，抑垢效果的良莠不齐使大家对电磁水处理技术的进一步应用产生质疑。鉴于目前电磁抑垢的作用机理仍处于探索之中，因此无法从机理出发提出抑垢的最佳参数以及对电磁水处理器最佳结构、形状等的指导性建议。

循环冷却水系统中的水垢，主要是碳酸钙垢，其次是磷酸钙垢和硅酸镁垢。因为碳酸钙垢溶解度较低，更易附着在换热表面上。本文主要针对碳酸钙类污垢的抑垢效果及机理展开综述，从电磁场对碳酸钙结晶过程及晶型晶貌、水溶液物化性质的影响以及电磁场参数变化对抑垢效果的影响等方面，阐述了电磁抑垢效果及机理的研究进展，分析了存在的主要问题并对其发展趋势进行了展望。

1 电磁水处理效果研究现状

1.1 电磁场对碳酸钙结晶过程及晶型晶貌的影响

电磁场能够影响碳酸钙的结晶及晶体生长过程[3，4]，从而改变结晶数量及晶粒大小。碳酸钙垢主要有方解石、文石和球霰石三种晶型，一般以最稳定的方解石晶型存在，容易黏附在换热器的管壁上，而文石晶型和球霰石晶型一般不稳定且较疏松，相比方解石晶型更易去除[5]。研究表明，电磁场会使碳酸钙从方解石晶型向文石晶型及球霰石晶型转变[6，7]，东北电力大学利用SEM和XRD技术对换热器表面污垢的晶型、晶貌进行了分析，发现电磁场能降低结垢速率，并且垢样中方解石质量分数由100% 降低为40.55%，文石质量分数增加为59.45%[8]；同样研究晶型、晶貌的变化，Chang和Tai等认为只有在一定条件下电磁场才会对晶型产生影响，将磁场强度为0.18T的交变磁场和0.02T的永磁场组合使用，对循环水进行加磁处理，实验结果表明，只是在pH值较低的情况下，文石型晶体才迅速生长，此时方解石型晶体生长缓慢甚至停滞，其余情况则不然[9，10]。碳酸钙晶核的生长对之后的结晶有着重要的意义，Alimi等将纯水在电磁场中以恒定的流速循环，发现电磁处理改变了溶液中晶体均相成核与异相成核的比例，水的pH值、流速和处理时间的增加均促进了均相成核，磁处理15分钟时使该比例达到最大[11]。对于晶貌而言，宋飞等在实验过程中发现未加磁时碳酸钙颗粒形状为立方形和菱形，加磁后为偏三角面体形和玫瑰花形[12]，加磁前后变化较大。但是也有研究表明，电磁处理前后碳酸钙的晶型并无太大变化，且均为文石型晶体，但是溶液中污垢的总量大幅减少[13]。学者们通过在选定的条件下开展的大量实验研究，证实电磁场对成垢物质结晶及晶体生长过程的产生了影响，但目前通用的影响规律及微观影响机理尚需进一步探讨。

1.2 电磁场对水溶液物化性质的影响

电磁场对水的作用是一个复杂的多因素现象，研究表明电磁场会改变水溶液的氢键、表面张力、Zeta电势、电导率、pH值、分子结构等物理化学性质[14]，很多抑垢机理的描述也是由此建立起来。其中电磁场作用下水分子间氢键的变化一直是研究的热点，一些学者认为电磁处理会使水溶液产生更多自由电子，使氢键的稳定性增强[15，16]；Fujimura和Cai分别对电磁处理后氢键的变化与水溶液表面张力的关系进行了实验探究，但是他们的结论不尽相同，前者认为电磁处理后氢键稳定性的增强是导致水溶液表面张力增加的主要原因[17，18]，而后者的实验结果表明水溶液的表面张力在电磁处理后有所下降，认为造成这种现象的原因是由于电磁处理降低了水分子的能量并且促进了新氢键的生成，而不是由于氢键稳定性的增强[19]。除此以外，在电磁处理过程中水溶液的硬度、磁处理的时间等因素也会影响到表面张力的变化[20，21]。但是Amiri和Dadkhah则认为溶液表面张力的变化受实验工况影响过大，所以不适合作为探究电磁处理对溶液影响的重要依据[22]。

就Zeta电势而言，Parsons等发现碳酸钙溶液经过磁处理后，Zeta电位下降了16%。并且他们认为溶液中Ca2+浓度是决定Zeta电位变化的重要因素[23]，这与葛红花等在实验中得到的结论相一致，并且葛红花等还发现Zeta电位的下降会使碳酸钙颗粒表面能减小[24]；也有研究认为电磁处理对溶液中颗粒的Zeta电势没有影响[25]。

在电导率和pH值方面，重庆大学对循环的实验溶液进行了加磁与未加磁的对照实验，结果发现加磁组的电导率相对于初始值只下降了17%，而未加磁组却下降了31%，加磁后电导率的上升说明电磁场的作用增加了碳酸钙的溶解度[26]；但是也有研究发现电磁处理会使溶液的电导率降低[27]。pH值的大小对水溶液的物化性质也至关重要，Busch等在研究溶液pH值的变化时发现该变化是一种多极值现象，并且他们认为是洛伦兹力引起了溶液中的电化学反应并最终导致溶液pH值的变化[28]。许多国内外文献对电导率及pH值的变化都进行过相关报道[29，30]，但是由于实验条件的不同以及水体的多样性，使得大家的研究结论不尽相同。

1.3 电磁场参数对抑垢效果的影响

1.3.1 电磁场强度对抑垢效果的影响

电磁场强度是磁化处理中的一个重要参数，对最终结垢量、碳酸钙颗粒粒径分布、成核速率等有显著影响[31，32]。在微观研究方面，Han通过分子动力学模拟研究了不同频率和幅值的电磁场对抑垢效果的影响，发现在400 KHz和70 v/m的电磁场下，水合钙离子的半径最小，自扩散系数最大，并且研究表明电磁场的幅值相比频率更能有效的增加水分子的自扩散系数[33]；Wang对电磁场作用下晶粒尺寸和数量的变化进行了研究，发现当电磁场强度小于0.3 T时，晶粒尺寸会随着磁场强度的增大而减小，而当强度低于0.8 T时，晶粒的数量与强度成正比例关系[34]；在宏观研究方面，金贞花等对硬度为300 mg/L的水溶液施加交变电信号进行处理，认为激磁线圈内的电流越大，黏附在换热管壁的污垢量越小，抑垢效果越显著[35]，而Long等则认为电磁场强度存在某一最佳处理区间，超过这一区间处理效果会迅速下降[36]。可见，不同的实验工况下，电磁场强度对抑垢效果的影响存在较大差异。

1.3.2 电磁场频率对抑垢效果的影响

关于电磁场频率对抑垢效果的影响研究者们各抒己见，部分学者利用溶液的污垢热阻、电导率、CaCO3的溶解度等参数作为反馈量，分别得到了各自实验工况下的最佳抑垢频率[37-39]。但是由于水系统是一个复杂的多相体系，在电磁处理的过程中，水溶液的各种参数一直在不断变化，所以有些学者认为扫频可能达到更好的抑垢效果[40]。除了进行具体的实验研究外，东北电力大学针对缠绕式变频电磁水处理系统，利用 ANSYS 仿真软件分析感生电流做功与激励信号频率的内在关系，结果表明，电磁频率在分界频率附近时水处理系统能达到较长的污垢诱导期以及较高的抑垢率[41]。综上所述，虽然得出的结论不尽相同，但是可以看出最佳电磁场频率的寻找对最终的抑垢效果有着重要的意义。

1.3.3 电磁处理时间与流速对抑垢效果的影响

电磁处理的作用时间对抑垢效果也至关重要，目前普遍认为多次电磁处理较单次磁处理效果更优，即水溶液在电磁场中停留的时间越长，电磁作用的效果越明显[42]。Knaz和Pohar也在文献中提到，影响碳酸钙中文石含量的一个主要参数就是磁暴露时间(T)，在磁通量不变的情况下，文石含量与T呈正比[25]。这都说明电磁处理时间对抑垢效果有着十分重要的意义。除此之外，水的流速也与抑垢效果有着密切的联系，米海松认为磁场强度与流速的乘积有一恒定的最佳值[43]；Lee等人在特定工况下对不同流速下的抑垢效果进行了对比，发现当流速为0.6 m/s时，抑垢率高达80%[44]。但是也有学者认为流速对最终抑垢效果的影响并不明显[45]。

1.3.4 电磁场方向对抑垢效果的影响

根据电磁场方向与流体流动方向的关系，电磁处理装置一般分为平行式和正交式两种。目前很多研究应用中多采用正交式，并且取得了较好的抑垢效果[46-48]。但是也有研究表明，正交式加磁装置的抑垢效果不明显，例如重庆大学就采用自制的加磁装置实现了磁场方向与水流方向的垂直效果，可是得到的抑垢率只有33%[49]。而哈尔滨工业大学采用缠绕式脉冲加磁装置，在磁场方向与水流方向平行的条件下进行实验，发现水垢明显减少，垢样疏松，也达到了的良好抑垢效果[50]。所以，磁场方向与水流方向是选择水平还是垂直，还需要大量实验研究才能得到更具说服力的结论。

2 电磁水处理机理分析现状

近些年来，虽然电磁水处理技术已经在国内外得到一定范围的应用，但是到目前为止，对于除垢抑垢的作用机理还没有形成统一的结论，这主要是由于水系统是一个复杂多变的多相体系，使得机理的微观研究比较困难。就现阶段而言，作用机理主要分为五大类：

(1)“洛伦兹力”机理分析：磁场作用下，由于溶液中带正负电荷的离子在洛伦兹力作用下，会做方向相反的运动，致使水分子电偶极距变强，水分子缔合状态改变，而阴阳离子碰触后会形成大量离子缔合体，其便成为了结晶核心，以较高稳定性的悬浮颗粒出现在水中[51]。

(2)“磁滞效应”机理分析：由于磁场的作用，盐溶液中各类类分子和离子会产生磁滞效应，从而改变了盐类的溶解度，而致使得盐类分子间的结晶能力减弱乃至消失，进而抑制了某些大晶体产生结晶[52]。

(3)“量子力学 ”机理分析：碳酸钙晶体形状有文石和方解石两种，方解石致密厚硬，易附着在换热器表面形成水垢，而文石细小粘附性差，在循环的过程中随着水流被冲走，不易附着在换热器表面。所以为了达到防垢、抑垢的目的我们希望多生成文石晶体形态[53]。由于晶体形态是由于热力学势不同，当外加磁场能够提供稳态的方解石向亚稳态文石转变所需的基态能时，溶液中生成两种晶体的比例就会不同，文石数量就会增多。Srebrenik[54]等人就是利用“量子力学”机理解释了“磁记忆”效应问题，但是此模型不适用水溶液中除Ca2+以外的其他阳离子。

(4)“氢键变形”机理分析：很多研究倾向于磁场能够对水分子的氢键产生影响，致使其发生变形、扭曲甚至断裂，进而对溶液离子产生特殊作用，以达到抑垢效果。一些学者认为，当对溶液施加的磁场频率是水分子氢键固有频率的倍数关系时，水分子团会分散成单体水分子，进而增加水分子活性，增强盐类溶解度，抑制结晶过程，使管壁界面结垢量减少[55]。

(5)“双电层变形”机理分析：由于磁场的作用，洛伦兹力致使双电层内电荷的分布，从而引起了腹层边界电荷出现短暂改变，而电势也随之呈现短暂性改变[55]。如今的许多研究表明双电层变形理论存在其合理性，能够解释很多的实验现象，但是不能解释Higashitani等人在文中提到的静态条件下的凝聚现象[7]。

3 电磁抑垢研究尚需解决的主要问题和发展趋势

目前国内外学者针对电磁水处理技术已经做了很多研究，探索电磁处理应用中各种最佳参数，并提出了不同的电磁抑垢机理理论模型，但仍存在很多亟待解决的问题：由于实验工况、环境以及水质等方面的差异，使得实验结论统一性差，归纳不便；对电磁抑垢机理的认知还有待明确化，现存的几种机理分析，只能针对性的解释部分现象，对机理的研究尚缺乏一套完整的理论体系；有关磁场对水分子的作用如氢键断裂、分子间作用力减小、粒子活化能增大等定量的计算分析较少；急需一个检测方法或者是理论模型，能够给出“磁记忆时间”以及“磁化多极值”的合理解释[56]；影响电磁抑垢的因素繁多，在实际应用中并不能做到实时优化电磁参数达到最佳抑垢效果。这些都将影响电磁抑垢技术的推广和应用。

要解决以上问题，实现电磁水处理器的闭环控制还需要研究者的不懈努力。而就今后的发展趋势而言，需要在以下几个方面寻求突破：

(1)以影响抑垢效果的多个参数为输入，污垢热阻为输出，建立预测模型。以预测模型来预测污垢下阶段的生长情况，结合控制理论实现对某一或某些参量的自适应调节和修正。

(2)研究磁场作用下溶液中粒子变化规律，如胶体颗粒的表面积、表面电荷及Zeta电位等，进而讨论磁场对溶液中离子水合化、脱水和粒子活性的作用机理，加强机理理论支撑。

(3)建立磁场对污垢中常见无机盐溶液作用的参量模型。研究电磁对污垢形成影响的微观行为，从而揭示电磁水处理的本质，可深化电磁抑垢机理研究。

(4)建立抑垢机理的数学模型，实现量化分析，使作用机理的假设模型变成以数学理论分析为基础的数学模型

(5)将电磁水处理技术与其他阻垢方式，如高压静电水处理、超声波水处理、红外辐射水处理等技术相结合，并研究探讨其协同作用机理，设计出效果更好、更具实用意义的处理方法。

4 结 论

电磁水处理技术虽然发展较晚，相关的研究和理论尚不完善，但是却突破了传统方法的弊端，具有无添加试剂，无毒无污染，操作简单，成本低等优点，其应用必将有效地提高换热设备的换热效率，降低能源消耗，减少化学除垢废液排放，抑制水资源的二次污染。随着电磁抑垢作用机理的深入研究以及实验方法和分析手段的不断提高，电磁水处理作为一种高效、节能、环保型水处理技术，有着广阔的应用前景。

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AResearch Review of Electromagnetic Anti-scale Effect and its Mechanism

WANG Jian-guo，LIANG Yan-dong，YIN Zhao，WANG Yu-rui

(School of Automation Engineering，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

Electromagnetic water treatment technology is a kind of physical methods of anti-scaling.It has attracted more and more attention because of no added reagents，non-toxic，non polluting，simple operation and low cost and so on.According to the researches of home and abroad，the influence of electromagnetic field on the crystallization process，crystal morphology and physicochemical properties of solution and the variation of the electromagnetic field parameters(like electromagnetic field intensity，frequency，direction，electromagnetic treatment time and velocity) on the anti-scale effect are reviewed.And on the basis of these，the paper introduces the progress of the research on the mechanism of electromagnetic anti-scaling and the problems to be solved.Finally，the development trend of the technology is prospected.

Electromagnetic field；Circulating water treatment；Anti-scaling

2016-03-09

国家自然科学基金项目(51176028)；吉林省重点科技攻关项目(20140204006SF)

王建国(1963-)，男，吉林省吉林市人，东北电力大学自动化工程学院教授，博士生导师，主要研究方向：发电设备节能与故障诊断.

1005-2992(2016)06-0001-06

TQ085

A