工業(yè)生產(chǎn)需要使用大量淡水資源，特別是工業(yè)冷卻水系統(tǒng)，其用水量約占工業(yè)用水總量的60%~70%。冷卻水通常被用作熱量轉(zhuǎn)移的載體，在目前全球用水形勢持續(xù)緊張的情況下，循環(huán)利用冷卻水并在高濃縮倍率下運(yùn)行已成為許多企業(yè)的選擇。 工業(yè)冷卻水通常來自地表水、地下水等水源，水中含有一定量的鈣、鎂等礦物陽離子和碳酸氫根等陰離子，在循環(huán)使用過程中，由于不斷蒸發(fā)濃縮并與空氣長期接觸，水中成垢離子和侵蝕性離子含量持續(xù)增大，硬度和堿度相應(yīng)提高，水的結(jié)垢趨勢增大，對金屬的侵蝕性增強(qiáng)。 碳酸氫鹽是工業(yè)循環(huán)水中鈣的主要存在形式，其在水中會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成CaCO3。CaCO3是一般水垢的主要成分，其在換熱面的沉積會使換熱效率顯著下降，并造成沉積物下腐蝕。 目前常用的抑制換熱面結(jié)垢和腐蝕的方法是采用阻垢緩蝕劑，如有機(jī)膦酸、聚環(huán)氧琥鉑酸、聚天冬胺酸等。然而化學(xué)藥劑的使用成本較高，并有可能產(chǎn)生二次污染。采用物理水處理技術(shù)如磁場、靜電場、超聲波等進(jìn)行阻垢，具有綠色環(huán)保、低成本等特點(diǎn)，其中電磁水處理在循環(huán)水量較小的場合已有較好應(yīng)用，但其在大型循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的應(yīng)用較少。 應(yīng)用于水處理的電磁場類型 當(dāng)纏繞在管道表面的銅線圈（電磁感應(yīng)線圈）通入電流時，在管道內(nèi)可感生出電磁場。改變輸入電信號的頻率，可產(chǎn)生不同的電磁場。頻率的改變可通過電磁控制單元來實(shí)現(xiàn)。 常見的可用于水處理的電磁場主要有高頻電磁場、低頻高梯度磁場和變頻電磁場。 高頻電磁場水處理裝置的核心是高頻發(fā)生器，一般采用方波來產(chǎn)生電磁場，因?yàn)榉讲ㄖ兄C波成分較高，產(chǎn)生的電磁場可與水分子團(tuán)產(chǎn)生共振，使污垢易于從換熱面剝落。高頻電磁場水處理裝置由信號發(fā)生器、能量交換器和功率放大器等部分組成，通過功率放大器可以增強(qiáng)電磁場強(qiáng)度。 高梯度磁場處理器和低頻電源可以產(chǎn)生低頻高梯度磁場，高梯度磁場處理器由螺線管和管外纏繞的銅線圈組成，在螺線管內(nèi)放置有導(dǎo)磁鋼毛。低頻高梯度磁場水處理器在國內(nèi)開采和鋼鐵冶煉等行業(yè)有較多的應(yīng)用。 在電磁感應(yīng)線圈中通入變頻電流，可產(chǎn)生變頻磁場。變頻電流由變頻電源產(chǎn)生。對水進(jìn)行交流變頻單脈沖電磁處理，可實(shí)現(xiàn)殺菌、去藻、防銹、抗腐蝕等效果。 電磁處理對水溶液物理化學(xué)性質(zhì)的影響 電磁處理可以使水的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生較為復(fù)雜的變化，一般來說可使水的氫鍵、表面張力、Zeta電位、pH等發(fā)生變化。 01 對溶液中水的氫鍵的影響 溶液中的水分子一般以水分子團(tuán)的形式存在，電磁處理可以使水的大分子團(tuán)破裂為小分子團(tuán)，破壞水分子間形成的氫鍵。 有研究發(fā)現(xiàn)，電磁場作用于水溶液時，磁場產(chǎn)生的洛倫茲力可導(dǎo)致氫鍵斷裂，且磁場對氫鍵的破壞可使氫鍵從有序向無序轉(zhuǎn)變，即磁場打亂了氫鍵的排序。但另有研究認(rèn)為磁場的能量可影響氫鍵的形成。在流動狀態(tài)下，外加電磁場可加強(qiáng)氫鍵網(wǎng)絡(luò)，CHEN等在NH4Cl溶液中也發(fā)現(xiàn)了外加電磁場對氫鍵網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)作用。 02 對水溶液表面張力系數(shù)的影響 一般認(rèn)為，磁處理可以降低水溶液的表面張力系數(shù)。在一定溫度下，水分子間氫鍵的產(chǎn)生和斷裂處于平衡狀態(tài)，當(dāng)水分子團(tuán)與單個水分子平衡共存時，水的表面張力系數(shù)達(dá)到某一確定值。 在電磁水處理過程中，水分子中的電子受到磁場擾動，使其狀態(tài)發(fā)生變化，這對電子間的相互作用產(chǎn)生影響，使部分氫鍵斷裂，氫鍵被破壞導(dǎo)致分子間作用力減弱而使水的表面張力系數(shù)減小。表面張力系數(shù)的下降使水溶液更易浸潤金屬表面，導(dǎo)致水與金屬表面的接觸角降低。 03 對成垢溶液Zeta電位的影響 Zeta電位指水中帶電粒子表面剪切層的電位。垢離子在水中形成固體小顆粒時，這些膠體狀微粒之間存在靜電相互作用，可用Zeta電位表征該膠體的穩(wěn)定性，Zeta電位絕對值越大，膠體穩(wěn)定性越好，微粒越不容易聚沉。 研究發(fā)現(xiàn)，在磁場作用下碳酸鈣溶液的Zeta電位絕對值減小，而溶液中Ca2+含量是決定Zeta電位變化的重要因素。 電磁處理導(dǎo)致碳酸鈣微粒Zeta電位絕對值減小，加速水溶液中碳酸鈣微粒沉降，如圖1所示，這可能是磁場促進(jìn)了碳酸鈣的成核過程或成核速率，使碳酸鈣的沉積量增大。 圖1 磁處理前后水溶液CaCO3微粒沉降量隨時間的變化 04 對水溶液電導(dǎo)率的影響 電磁場作用可以提高水溶液的電導(dǎo)率。CHEN等發(fā)現(xiàn)交變磁場使NaCl溶液的電導(dǎo)率增大，原因是交變磁場周期性影響了NaCl溶液中水分子的磁矩偏轉(zhuǎn)，使水分子獲得了額外的動能，因此水的電導(dǎo)率隨磁場處理時間的延長而增大。 陳小磚等對掃頻電磁場處理后的溶液進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)掃頻電磁場處理的成垢溶液具有更高的電導(dǎo)率，這是因?yàn)樵趻哳l電磁場的作用下，溶液中水的大分子團(tuán)轉(zhuǎn)變成小分子團(tuán)，甚至形成單一水分子，這增加了溶液的導(dǎo)電性，使水的電導(dǎo)率增大。 05 對水溶液pH的影響 磁場會改變循環(huán)冷卻水中碳酸氫鈉的水解過程，使水樣中氫氧根離子濃度增大，水樣pH升高。 BUSCH等研究發(fā)現(xiàn)，水中具有偶極矩的水分子通過氫鍵形成了鏈狀或環(huán)狀的水分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，在外加磁場的洛侖茲力作用下，這些水分子團(tuán)可發(fā)生極化，促進(jìn)自來水中溶解CO2的析出，使自來水的pH上升。 電磁阻垢的影響因素 電磁場頻率 電磁水處理的阻垢性能與磁場頻率有很大關(guān)系。YANG等研究了高頻脈沖電磁場的阻垢作用，發(fā)現(xiàn)脈沖頻率對電磁場在水溶液中的阻垢性能有較大影響，根據(jù)脈沖頻率的不同，電磁場可以起到阻垢作用，也可以起到促進(jìn)結(jié)垢的作用。 當(dāng)脈沖頻率和氫鍵共振頻率接近時，電磁場主要起到阻垢作用；當(dāng)脈沖頻率和結(jié)垢顆粒的共振頻率接近時，電磁場則主要起到促進(jìn)結(jié)垢的作用。即具有適當(dāng)頻率的脈沖電磁場可以起到較好的阻垢作用。 另外，由于成垢水溶液是一個復(fù)雜的多相體系，在電磁處理過程中，水溶液的各種參數(shù)不斷變化，有學(xué)者認(rèn)為掃頻電磁場能達(dá)到更好的阻垢效果。DOOSTI等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頻率為20~80 kHz時，隨著電磁場頻率的提高，電磁場的阻垢性能提高。 電磁場方向 電磁水處理裝置一般分為平行式和正交式兩種，目前，多數(shù)研究采用的是正交式，且取得了較好的抑垢效果。 LIPUS等研究發(fā)現(xiàn)，垂直于水流方向的阻垢效果明顯優(yōu)于水平方向，且交變方向的磁場較單一方向的具有更好的阻垢性能。 GLIAN等通過有限元軟件仿真分析，證明垂直水流方向的加磁方式，更適合用于處理大容量水流。 蔣文斌等設(shè)計制作了電磁處理裝置，使磁場方向與水流方向垂直，平均阻垢率達(dá)到55%~65%。 電磁水處理的記憶效應(yīng) 經(jīng)電磁處理的水溶液，其物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了一定改變，也具有了一定的阻垢性能。當(dāng)電磁場消失時，上述變化還會保留一段時間，這稱為磁處理的“記憶效應(yīng)”。 MAHMOUD等證明電磁水處理會產(chǎn)生“記憶效應(yīng)”，發(fā)現(xiàn)處理后水的阻垢性能可以維持約72小時。 WANG等研究發(fā)現(xiàn)，電磁處理可以使水溶液具有磁記憶效應(yīng)，記憶時間約78小時。 DENG等的研究結(jié)果也表明，暴露在磁場中的水具有飽和記憶效應(yīng)，磁場處理可以使水在一定時間內(nèi)保持磁處理特性。 上述研究都表明，電磁處理后的水溶液，在磁場消失后仍可維持某些特性。但有關(guān)電磁處理“記憶效應(yīng)”的形成原因，還有待進(jìn)一步的探討。 電磁處理的阻垢機(jī)理 01 洛倫茲力作用機(jī)理 根據(jù)洛倫茲力作用機(jī)理，在電磁場作用下，水中的成垢物質(zhì)可以加速成核，但成垢顆粒的繼續(xù)長大會受到抑制。當(dāng)水溶液受磁場作用時，水溶液中的帶電離子（如Ca2+和CO32-）被約束在磁力線周圍，使得這兩種離子相互撞擊的幾率增大并加速了CaCO3的成核過程，而在這種快速成核情況下生成的碳酸鈣晶體是不穩(wěn)定的，多呈現(xiàn)文石或球霰石結(jié)構(gòu)。 另外當(dāng)水通過電磁場時，水同時做著切割電場線和磁場線的運(yùn)動，進(jìn)而使水分子的偶極矩和極性增大，即電磁場限制了極性水分子的運(yùn)動，將快速生成的CaCO3微小晶粒束縛在溶液中，從而抑制了CaCO3晶粒的繼續(xù)長大，導(dǎo)致水中微小的CaCO3晶粒增多，但穩(wěn)定性減弱，使其不易附著于管壁而達(dá)到阻垢的目的。 02 氫鍵斷裂機(jī)理 在自然條件下，水分子通過分子間的氫鍵締合為分子團(tuán)簇。在電磁場作用下，這些水分子團(tuán)和水中的成垢顆粒發(fā)生持續(xù)性的振動。當(dāng)水分子的振動頻率等于或正比于電磁場的振動頻率時，便產(chǎn)生了共振，使得一些水分子團(tuán)發(fā)生變化。在電磁場作用下，磁場提供的能量使價電子重新定向，導(dǎo)致締合水分子重新排列，改變了氫鍵的形狀，使其發(fā)生扭曲和彎曲，甚至部分氫鍵發(fā)生斷裂，或改變氫鍵的強(qiáng)度或角度。 一般來說，磁場梯度、磁場方向、磁處理時間、水溶液流速等均可對氫鍵產(chǎn)生擾動，從而改變水的物理化學(xué)性質(zhì)，降低水的表面張力，增大成垢物質(zhì)在水中的溶解度，可起到阻垢目的。 03 晶體轉(zhuǎn)換機(jī)理 碳酸鈣晶體主要有三種晶型：方解石、文石和球霰石。方解石型碳酸鈣具有菱形的立方體晶體結(jié)構(gòu)；文石型碳酸鈣具有長度和直徑相對較大的斜方體晶體結(jié)構(gòu)，通常呈針狀或柱狀；而球霰石碳酸鈣大多具有六方體結(jié)構(gòu)，通常呈球形。 文石型和球霰石在熱力學(xué)上較為不穩(wěn)定，在水環(huán)境中一般會轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的方解石。但方解石型碳酸鈣在換熱面沉積通常會形成致密的硬垢，不易去除；而文石和球霰石通常形成易清除軟垢，危害性較小。 研究發(fā)現(xiàn)，在電磁場作用下，水中的碳酸鈣晶體通常以文石和球霰石的形式存在，即電磁處理通過改變碳酸鈣的晶型來達(dá)到阻垢的目的。 電磁處理對水中金屬腐蝕行為的影響 對水中金屬的腐蝕促進(jìn)作用 對非鐵磁性金屬，在磁場作用下，水中氫鍵會發(fā)生部分?jǐn)嗔眩瑫r由于氫鍵被破壞，水分子間相互作用力減弱，水的黏度和表面張力系數(shù)減小。磁場作用同時提高了水的pH和電導(dǎo)率，水物理、化學(xué)性質(zhì)的改變一般會加速金屬腐蝕。 而且電磁場可以促進(jìn)非鐵磁性金屬發(fā)生腐蝕時的傳質(zhì)過程，加快溶液中侵蝕性的氧氣分子、氯離子等的擴(kuò)散速率，使金屬表面的腐蝕溶解速率增大，并增加金屬的點(diǎn)蝕風(fēng)險，從而降低非鐵磁性金屬在溶液中的耐蝕性。 對水中金屬的腐蝕抑制作用 對鐵磁性金屬，磁場作用下會產(chǎn)生磁場梯度力，該力作用在順磁性金屬上可使順磁性的腐蝕產(chǎn)物更好地吸附在金屬表面，形成一層較為致密的保護(hù)膜，有效抑制金屬腐蝕。 ZHAO等發(fā)現(xiàn)磁場處理對碳鋼腐蝕可產(chǎn)生影響，在磁場作用下，點(diǎn)蝕坑內(nèi)會形成磁場梯度力，而最大的磁通密度位于點(diǎn)蝕坑的邊緣。該磁場梯度力作用于順磁性材料，可吸引具有順磁性的侵蝕性離子轉(zhuǎn)移到點(diǎn)蝕坑的外部，以減緩點(diǎn)蝕的發(fā)生。 在碳鋼的電化學(xué)腐蝕過程中，磁場可以通過洛倫茲力效應(yīng)來抑制電荷轉(zhuǎn)移過程，這種抑制作用產(chǎn)生的主要原因是磁場通過對電荷轉(zhuǎn)移過程的控制和鐵磁性離子的吸附影響了碳鋼表面中間產(chǎn)物的形成，磁場預(yù)處理可能會為海洋環(huán)境中金屬防腐蝕提供一種新技術(shù)。 李嘯南等在某油田作業(yè)區(qū)注水管線上開展了電磁防腐蝕試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在電磁防腐裝置運(yùn)行后，管線金屬的腐蝕速率下降了1038倍。 另外研究還發(fā)現(xiàn)，電磁處理可以降低水中的氧氣含量，從而減緩金屬的耗氧腐蝕，同時金屬表面的腐蝕產(chǎn)物與電磁場提供的微弱電子流發(fā)生反應(yīng)，可生成常溫下較為穩(wěn)定的Fe3O4，也對金屬有一定保護(hù)作用。 總結(jié)與展望 電磁水處理屬于物理水處理技術(shù)，利用電磁處理進(jìn)行工業(yè)冷卻水的阻垢和腐蝕控制，具有操作方便、投資少、運(yùn)行費(fèi)用低、無污染等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用前景。 電磁水處理可以改變水溶液的物理化學(xué)性質(zhì)，如降低成垢溶液的Zeta電位，提高溶液電導(dǎo)率和pH，破壞部分水分子間氫鍵。 電磁水處理通過洛倫茲力作用加快成垢物質(zhì)的成核過程、使碳酸鈣等成垢物質(zhì)晶型從方解石轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰赘街奈氖颓蝣笔⒋龠M(jìn)水分子間氫鍵斷裂以提高成垢物質(zhì)溶解度等機(jī)制而起到阻垢作用。 同時電磁水處理還對金屬腐蝕行為造成影響，電磁場導(dǎo)致的水的表面張力系數(shù)減小和電導(dǎo)率升高使非鐵磁性金屬的腐蝕速率加快；但對鐵磁性金屬，電磁水處理可以使金屬表面形成致密性腐蝕產(chǎn)物膜，反而抑制了鐵磁性金屬的腐蝕。對鐵磁性金屬如鋼鐵，可以通過電磁處理進(jìn)行腐蝕控制。 目前，對電磁水處理的作用機(jī)理研究主要以定性為主，定量研究較少，在對電磁處理的“記憶效應(yīng)”、對氫鍵的影響機(jī)制、電磁處理的阻垢緩蝕機(jī)制等方面的研究還不完善，甚至存在不同觀點(diǎn)。因此，加強(qiáng)電磁水處理的基礎(chǔ)理論研究，建立和完善電磁處理的阻垢緩蝕理論模型，對工業(yè)中電磁水處理的進(jìn)一步應(yīng)用有重要意義。
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