双极性脉冲磁场阻水垢装置的研究

林振朗，陈庭杰，彭开泉，罗炜军，林宇钊，曾育锋*,2

(华南师范大学 1.物理与电信工程学院；2.物理国家级实验教学示范中心，广东 广州 510006)

随着国家对节能减排要求的不断提高，换热设备因结垢带来的一系列问题逐渐引起工作者们的高度重视。为了节能环保，提高能量利用率，减少机件报废引起的经济损失，阻垢除垢显得尤为重要。

目前为止，国内外对于阻垢除垢的研究并没有完全一致的理论得到广泛的认同，缺少权威机构关于机理的解释说明。现阶段存在的磁场阻垢除垢机理均处于假说提出和论证的过程中，许多理论成果也是基于各自阻垢除垢实验测量的数据得到的结论。目前主要的物理法水处理方法有磁场处理法[1]、高压静电场处理法[2]、电磁场处理法[3,4]等。

基于上述考虑，本文搭建了双极性脉冲磁场阻垢装置，在装置中利用产生的脉冲磁场处理人工硬水，结合磁场对双电层、水微观结构的影响原理，达到磁场阻垢效果。同时使用EDTA滴定测量装置和简易光度计测钙量装置测量人工硬水中的钙离子浓度，得到不同频率的双极性脉冲磁场下钙离子浓度变化趋势、拟合函数、阻垢系数，通过比较上述参量得到阻垢效果。当下学生在中学与大学的学习过程对于电磁学的理论方面有着较深的理解，但是缺乏对磁场实际应用的认识。本实验弥补了大学及中学教学中缺乏联系实际应用的实验缺口，更好地激发了同学们的动手能力和探索精神，鼓励学生将所学知识运用至生产生活中，具有深刻的教育意义。

1 实验原理

1.1 磁场对双电层的影响

在本实验中，受到磁场的影响，溶液中正负电荷的定向运动使得管壁与溶液这两种不同物质的界面上形成由正负电荷分别排列而成的面层，影响胶粒的双电层结构,促进双电层的形成为均相成核提供了晶种，加快均相成核过程，抑制异相成核[5]。各种带电离子如钙离子，碳酸根离子等将在其内层发生吸附现象，发生沉淀现象，而这种沉淀现象中结晶沉淀之后生成的晶体数量、形貌也会发生改变，形成的晶体相比之下较软而疏松，容易随着水体一起流动，也使得沉淀物不易在管壁上结垢。

1.2 磁场对水微观结构的影响

一种观点[6]认为：磁场产生的能量使水分子偶极矩提高，使水分子间的氢键作用力增强，导致水分子间的缔合状态更加牢固，晶体难以发生聚集而难以生长，因此生成的水垢晶体小，不容易被吸附沉积在容器壁而变成疏松的泥絮状；Raj等[7]认为水溶液在磁场的作用下会发生电解反应，产生的活性基团如氢原子、臭氧、过氧化氢等新的活性基因是水经过磁化后阻垢的关键要素之一；Colic[8]和Morse[9]提出把二氧化碳与水的接触面看作磁场的受体，由于受到磁场的影响，接触面出现紊乱现象，导致碳酸根离子周围的水分子结构发生变化，对晶核沉淀过程产生影响。磁场对于水微观结构的影响还没有一个权威的客观解释，但是都能够为磁场的阻垢效应提供理论支撑。

1.3 水垢形成的原理

1.3.1 水垢的结晶过程

碳酸钙的结晶过程可分为晶核形成、晶体生长、晶体聚集这三个过程。晶核以均相成核或异相成核这两种方式析出，之后不断从溶液中获取钙离子和碳酸根离子来使晶核颗粒逐渐生长。生长之后的碳酸钙晶体又称方解石晶体，其结构致密且硬度大，因而具有很强的附着能力，附着在管道上以至于很难被流体带走[10]。在一般外界条件下，附着在管道上的水垢存在一定程度的再溶解与再结晶，但碳酸钙等盐类在水中的结晶速率大于其溶解速率，致使产生的水垢越来越多[11]。

1.3.2 双电层对水垢形成的影响

双电层的电位差越大，则越在器壁内侧形成负极电位，导致离子被吸附而产生水垢。实验所用的循环水中钙离子与碳酸根离子都是具有电性引力的离子，而双电层具有吸引阴阳离子的能力，因此当带电离子在管道中随着水流流动进入双电层引力范围内时，会使得正负离子在双电层相对，并使得趋阳离子将电子让给邻近的一个趋阴离子，从而排列成晶体，形成结晶垢层。

1.4 磁场处理装置选择与产生原理

1.4.1 磁场选择原理

磁场的发生装置主要分为两种：恒定磁场发生装置和交变磁场发生装置。在图1中，PVC管道内的阴阳离子因受恒定磁场的影响，阴阳离子的运动方向将趋向PVC管两侧，并在两侧堆积。但这也导致了霍尔电场的形成，使得水中的阴阳离子受到了与洛伦兹力方向相反的霍尔电场力，部分极性相反的离子会移动到管壁并发生结垢，降低了磁场的阻垢效果，如图2所示。因此，恒定磁场具有一定的阻垢效果

图1 静止恒定磁场示意图

图2 离子在静止恒定磁场中的运动轨迹

而在图3中，若将PVC管道放置于该磁场下，当水流动时，就相当于受到了交变磁场的影响。由于磁场方向会改变，离子所受到洛伦兹力的方向也其沿水管方向的移动而发生变化。在该磁场的影响下，通过管道中心附近的阴阳离子将会以近似图4的轨迹运动，相比于磁场方向恒定的磁场，水中阴阳离子的运动更加剧烈、无序，受霍尔电场的影响也减小。因此该磁场的阻垢效果会优于磁场方向不变的恒定磁场。C.GABRIELLI等人的对比实验[12]也表明：交变磁场产生的阻垢效果要好于恒定磁场的实验效果。

图3 静止的交变磁场示意图

图4 离子在双极性脉冲磁场中的运动轨迹

双极性脉冲技术是一种有效的水处理方法,根据国内外研究表明，相比于上文所提到的静止交变磁场，水中的离子在双极性脉冲磁场中承受的磁场方向和磁场强度每一时刻都在发生变化，阻垢效果相比于恒定交变磁场效果更好。

为实现双极性脉冲磁场，有全桥逆变电路方案及电动机与永磁体组合方案两种方案[13]。在全桥逆变电路方案中，通过驱动信号控制 IGBT 的通断，实现输出为双极性的脉冲。改变负载的阻抗值，即可改变输出的电流峰值。运用该方法来改变电流峰值从而改变磁场强度峰值，达到脉冲效果，产生双极性脉冲磁场。但在此方法中，所要求的电流强度较大，施行可行性较低，并且耗费能源，成本较大，不适合本次实验。因此本次实验采用电动机与永磁体组合，通过电动机带动四组异极相对的永磁体，通过空间位置的改变来达到改变磁场强度峰值，操作简单且成本较低。

2 实验装置平台

2.1 磁场产生装置

本次实验采用电动机与永磁体组合方案来产生双极性脉冲磁场。根据异极相对的原则，在塑料转盘上固定四对交错排列的异极圆形永磁体，每对永磁体间留有3.8 cm的气隙。将塑料转盘与步进电机相连接，由STM32单片机产生电脉冲信号给步进电机驱动器，步进电机驱动器将电脉冲信号转化为角位移信号，驱动步进电机运转，进而让步进电机带动转盘转动，在气隙中形成双极性脉冲磁场，装置示意图如图5所示。

图5 双极性脉冲磁场产生装置圆盘示意图

磁场产生装置包含STM32单片机、步进电机、步进电机驱动器、一对塑料圆盘、四对异性圆形永磁体，学生电源，导线，下图为装置实物图。

图6 电脉冲信号产生装置

2.2 散热装置和电机固定减震装置

本次实验由两个尺寸为6 cm×6 cm×2 cm，功率12 V的散热风扇和两个由EPE珍珠棉泡沫组成的基座构成散热装置。同时利用木块、木板和EPE珍珠绵组成固定减震装置。散热装置和电机固定减震装置如图7所示。

图7 散热装置和电机固定减震装置

2.3 循环取样和排水装置

本次实验利用PVC水管与多种PVC小零件搭建闭合装置，并利用水泵使水箱中的溶液在闭合水管中循环流动。本装置包含了取样装置、排水装置(包含两部分)。上述装置如图8所示。

图8 循环、取样与排水装置

3 实验结果与分析

3.1 磁场强度测量和表征

3.1.1 静态磁场强度测量和表征

由于圆盘与永磁体呈中心对称，本次测量实验在圆盘上选取长7.6 cm，宽5.4 cm的矩形区域作为测量范围。基于毕奥-萨伐尔定律，运用“phyphox”软件对磁场进行测量，利用MATLAB软件拟合绘制出三维磁场分布图。

图9 正向磁场主视图

图10 反向磁场主视图

3.1.2 旋转磁场强度测量和表征

在两个圆盘的中心高度上，选取一条同时经过转轴中心和磁铁中心的圆盘直径，在直径是距中心轴2.5 cm至7.5 cm，每间隔0.2 cm选取一个测量点，测量z轴方向上的磁感应强度B的大小随时间t的变化曲线，利用MATLAB软件拟合绘制出B-t-x图。

图11 正向磁场主视图

3.2 钙离子浓度测量与分析

3.2.1 EDTA滴定法

1)称量样品、配置溶液：用电子天平在纸上称取0.93 g的EDTA粉末，加入350 ml去离子水中并不断搅拌，在烧杯中完全溶解，倒入500 ml容量瓶中，配置c标=0.005 mol/L的EDTA溶液。用电子天平在纸上称取0.16 g的铬黑T粉末，在烧杯中用25 ml去离子水使其完全溶解，配置铬黑T溶液。

2)运行装置，外加磁场。启动磁场产生装置和循环取样和排水装置，控制实验流速基本相同，运行整个实验系统。

3)测量人工循环硬水相关参数。包括钙离子浓度、钙离子浓度变化曲线图及相关函数、阻垢系数。以上参数每隔20 min测量一次。其中钙离子浓度变化曲线图及相关函数、阻垢系数都是基于钙离子浓度推算而得，钙离子浓度测量采用EDTA滴定法测得。

3.2.2 钙离子浓度变化曲线图

在实验中通过测量循环水溶液中的钙离子浓度变化情况，研究本次实验中双极性脉冲磁场对阻垢的影响，从而进行分析。实验开始前，通过使用人工硬水作为实验材料，保证了实验开始时的初始浓度保持大致一样，消除起始浓度不一样带来的实验误差。图13是各组的钙离子浓度随时间的变化曲线。

在0至40分钟内三组实验组的钙离子浓度下降速率基本一致，呈较快的速度，大约为0.054 mmol/min。在60 min之后，钙离子浓度下降速率开始发生变化。脉冲磁场A、B两组的钙离子浓度下降速率开始大幅度降低，阻垢效果明显高于静止磁场组组。根据图12可以知道，相较于脉冲磁场A组，脉冲磁场B组的钙离子浓度下降速率降低幅度更大，阻垢效率明显高于脉冲磁场A组。在160 min后三组实验组钙离子浓度的下降速率趋于稳定，变化幅度较小。

t/min

3.2.3 钙离子曲线函数分析

根据所测得的实验数据，运用MATLAB软件，对实验结果进行拟合，拟合所得数据如表1：

表1 钙离子浓度曲线拟合函数表

通过分析二次函数的特性，二次函数y=ax2+bx+c图像开口大小由二次项系数a的绝对值大小决定。当a的绝对值越小，开口越大，当a的绝对值越大，开口越小。而钙离子曲线图像开口的大小直观地体现出了钙离子速率的变化。当钙离子浓度曲线拟合函数的开口均朝上，观察范围在其对称轴的左侧时，开口越大，其浓度变化速度越小。

通过计算可以知道，三组实验组的钙离子浓度曲线拟合而成的二次函数的二次项系数a均大于0，开口均朝上。且观察范围均在其对称轴左侧，比较数据可知，脉冲磁场B组的二次项系数a的绝对值最小，其次为脉冲磁场A组，静止磁场组最大。

3.2.4 阻垢系数

本次实验使用双极性脉冲磁场进行阻垢，表现阻垢效果的指标之一为阻垢率，阻垢系数指的是在磁场处理中，水中钙离子浓度相对于空白组浓度减少的比例。阻垢系数的计算公式如下：

本次实验的阻垢系数取180 min时三组实验组和空白组的钙离子浓度进行计算，计算结果如下：

通过对比空白组，如果阻垢系数数值大于0，则证明有阻垢效果；若小于0，则证明没有阻垢效果；通过对比两组阻垢率，若A组阻垢率大于B组阻垢率，则证明A组的阻垢效果比B组更好。表2为各组最终阻垢率的计算结果。

表2 实验数据表

通过对比实验所得结果，根据表格内容可知，脉冲磁场B组的阻垢系数最大，其次为脉冲磁场A组，静止磁场组最小。

3.2.5 实验分析总结

通过分析空白组和三个实验组的钙离子浓度随时间的变化曲线图，三组实验组的钙离子浓度曲线拟合函数和三组实验组的阻垢系数，本次实验得出的实验现象为：阻垢效率从高到低依次为：脉冲磁场B组、脉冲磁场A组、静止磁场组。基于实验现象得出一下实验结论：

①磁场具有阻垢效果。

②相比于静止磁场，旋转磁场阻垢效率更好。

③在低频率下，双极性脉冲磁场阻垢效率随着频率的增加而增大。

4 结 语

文章搭建了双极性脉冲磁场阻垢装置。首先使用3D打印技术搭建塑料框架及圆盘，并将塑料圆盘与步进电机结合，构建磁场发生装置。利用STM32单片机产生电脉冲信号，通过电脉冲信号控制步进电机带动塑料圆盘上的永磁体组产生双极性脉冲磁场。产生的脉冲磁场对流经永磁体组气隙的循环人工硬水进行处理，以此来验证磁场在阻垢方面的效果。

采用EDTA滴定法，对人工硬水中的钙离子浓度进行测量，并绘制出钙离子浓度变化曲线图。采用控制变量法和比对分析，对钙离子变化曲线图进行函数分析，并且引入新变量阻垢系数来分析不同磁场下的阻垢效果。

结果表明：磁场具有阻垢效果；相比于静止磁场，旋转磁场阻垢效率更好；在低频率下，双极性脉冲磁场阻垢效率随着频率的增加而增大。将此装置引入中学或大学物理教学中，可以有效弥补当下物理教育缺乏联系现实生活的缺口。通过该实验激发学生的创造力，鼓励学生将理论与现实生活相结合，达到学以致用的教学目标。