磁场抑垢的影响因素与机理研究

韩 良 敏 冯  毅

(华南理工大学机械与汽车工程学院，广州510640)

摘要 通过动态对比抑垢试验，研究了磁场强度及磁程和溶液流速对磁场抑垢的影响，得出磁 场抑垢的适宜条件；同时研究了磁场处理对管道化学腐蚀的影响。最后，探讨了磁场的抑垢机理，为 磁场防垢的实际应用提供了一定的理论依据。

关键词 磁 场 抑 垢 率 防 腐 蚀

工业用水在整个用水量中占得比重最大，对于 工业用水如果不加处理，将对设备和管道产生腐蚀、 结垢和微生物粘泥等障碍。由于水中含有盐类杂 质，当达到各盐类的饱和溶解度时，容易形成坚硬的  固态附着物，这些附着物就称为水垢。水垢的形成 会大大降低设备的传热效率，加大能耗、运行成本， 因结垢产生的垢下腐蚀会缩短设备的使用寿命。因 此，在工业用水循环系统中需要对其水垢进行控制。

采用化学方法对循环水水垢进行控制，成本较 高、操作复杂同时存在二次污染，磁处理作为一种高 效、节能、无污染的治理技术，具有应用方便、投资少 和无再次污染等特点，近年来在抑垢、防腐等水处理 中得到广泛应用。但是关于磁处理效果的存在两种 截然不同的结果，即效果显著和无效果。对于这两 种结果，大多研究者认为是由于试验条件不同以及 所使用的磁处理器件不同所导致的。在一定水质条 件下对磁处理参数的研究，对于水在磁场作用下的 结垢性研究意义重大。

1 磁化防垢防腐机理

水垢是由许多化合物组成的混合物，主要成分 是钙、镁离子的盐类，能形成水垢的物质通常有钙、 tceoccgcceccewoococeeccegceg

的相对关系，从而合理的确定管径、坡度、检查井间 距及街坊预留管，并依据不同的地形及地质条件选 择合理地管道敷设方式。尽量做到节约投资、减小 施工难度，积极尝试采用管道新材料。

参考文献

1 GB 50014--2006 室外排水设计规范

镁的碳酸盐、硫酸盐、硅酸盐等。其中以碳酸盐为代  表进行讨论。由于水分子是一种高度极性分子，水  中的氢键在一定温度下存在着一种平衡状态，水经  过磁场作用之后可以降低水的聚合度，使水分子间 的氢键发生扭曲或伸长，以致断裂。经磁场处理的  水物理性质会发生许多变化，如介电常数、电导率、 表面张力、粘滞系数、渗透压等都发生了不同程度的  改变[1,2]。根据洛伦兹力的理论认为，水溶液中带  电粒子流过磁场时会受到洛伦兹力的作用做螺旋式  圆周运动，且正、负离子旋转方向相反。这将破坏离  子的物理溶剂化层，在足够的磁场强度作用下，离子 的化学溶剂化层也将被破坏[3]。形成水垢的主要离  子Ca²+ 、CO₃- 被解脱后，发生直接碰撞而结合成  CaCO₃分子的机会增加，形成大量的微晶(结晶中 心),这些CaCO₃ 晶体就主要在水中形成分散的小  颗粒，由于结晶中心的形成和沉积速度受到影响，因 此能防止管壁上水垢的形成。磁化也可以是单个水  分子增多，提高了水的溶解能力，促进老垢脱落，同 时水分子容易渗入壁垢的微细间隙中并在温度高的  体系中汽化膨胀，使垢层松散，同时在水流冲击下， 容易破裂和脱落。

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2 陈月英.丘陵地区排水设计的几点体会.浙江建筑，2004,21(3): 69~70

3 杨自雄，陈顺霞，肖睿书，等.新型钢筋混凝土管用于高流速山地 排水工程.中国给水排水，2008,24(24);48～51

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收稿日期：2010-04-12

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一般输水管道内发生的腐蚀多属于电化学腐 蚀。金属管壁的Fe 以离子形式进到水中，经过一系 列变化形成肉眼可见的红锈Fe₂O₃·nH₂O 。 当 水 中的正、负离子在洛伦兹力作用下有方向的运动，运 动的结果是磁场的两极有电位差并产生微小的电 流，铁锈会发生质的变化：3Fe₂O₃·nH₂O+2e→

2Fe₃O₄+0.50₂+3nH₂O    此时生成的黑色的磁性氧 化物 Fe₃O₄,能不再被氧化而处于稳定状态，被称为 磁性氧化铁。磁性氧化铁成膜后可把铁管壁与水完 全隔开，腐蚀即可停止，出水水质得到了改善[4]。

由机理分析可以知道水的流速以及磁处理器参  数，如磁场强度、磁程等是影响磁化抑垢效果的主要  因素，影响管道腐蚀的因素通常为水的溶氧量和  pH。本试验在不同频率的电磁场条件下进行试验， 针对磁处理参数对抑垢效果的影响，总结影响磁场  抑垢效应的关键因素。同时通过水中含氧量及pH   的变化，探讨磁场处理对管道中电化学腐蚀的影响。

2  试验系统和方法

试验装置采用电磁水处理设备，磁处理部分 主要由铁芯、线圈和直流稳压电源构成。在铁芯 上紧密缠绕直径为1 mm 的漆包线，然后接入控制 电路中，此装置绕线匝数、负载电流可以在调节范 围内连续任意调节，以得到不同大小的磁场强度 和不同的磁程。配置一定浓度的CaCl₂ 溶液，用转 子流量计调节流量，经泵循环后经过该磁水处理器， 通过挂片称重法测量抑垢率。试验运行每8h, 将悬 挂在水箱中的已知表面积的铁皮取出，用酒精棉球 揩干铁片表面水剂并烘干、称重，按式(1)计算抑 垢率。

η=(G₁-G₂)/G₁×100%                        (1)

式中G      未经磁处理水的结垢量，g;

G₂———磁处理水的结垢量，g; η —抑垢率。

空白试验装置与电磁水处理系统大致相同，但 是不接有磁处理器。磁处理试验装置简图见图1。

3 试验结果

3.1 磁场强度对抑垢率的影响

磁场强度是磁场的重要参数，对磁处理效果 起到了重要作用。通过调节电流得到不同的磁场 强度，在不同场强条件下进行抑垢试验，试验结果

图 1 电磁水处理设备

如下图2所示。由图示可以看出，随着磁场强度 的增大，经过电磁场处理的溶液抑垢率呈上升趋 势。即为了使抑垢效果显著,磁场强度需要达到一 定数值。当磁场强度达到700 mT 时，抑垢率最佳 为93.38%。

磁场强度mT

图 2 磁场强度对抑垢率的影响

3.2 磁程对抑垢率的影响

磁场强度一定的情况下，增加绕线铁芯线圈的 组数改变水流经磁场的磁程，测量其对抑垢率的影  响，试验结果如图3所示。由图3看出，抑垢率随着  铁芯线圈的增加而提高。所以为了提高抑垢效率， 综合考虑经济因素，可以适当增加线圈组数。当铁 芯组数从1组增加到4组时，抑垢率从25.33%上  升至38.74%。

磁铁组数

图 3 磁程对抑垢率的影响

3.3 流速对抑垢效果的影响

以上的试验都是在流速0.4 m/s   条件下进行

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的。水处理过程中流速的大小决定了磁处理时间的 长短，因此在不同流速下，含盐溶液在磁系统中循环 处理一定时间，得到抑垢率与流速的关系曲线，试验 结果如图4所示。由图4可以看出，流速对提高磁 设备的抑垢效果有重要的作用。对于给定的磁处理 器，存在一个最佳流速。在本试验装置下，选择流速 0.8m/s,    抑垢效果较好，抑垢率为83.65%。

流速/m/s

图 4 流速对抑垢率的影响

3.4 磁场处理对管道中电化学腐蚀因素的影响

电化学腐蚀受到水中含氧量、pH 等影响。通

过对比试验，分析循环水经过磁处理之后以及未经 磁化的空白试验中pH 发生变化。试验结果如图5 所示，从结果可以看出，经过磁化处理的水溶液pH  大幅度增加，这样有利于阻止腐蚀的进行。

舌

时间/d

图5 磁化处理对水溶液pH的影响

4 结论

试验结果表明磁场水处理效果受到磁处理装置 参数的影响。实际应用中需要综合考虑磁场强度和 处理时间的影响，选择最佳流速。磁场水处理可以 起到防腐的效果。

(1)在相同的试验温度下，增加磁场强度，抑垢

率上升。本试验中在场强700 mT  时，抑垢率最佳 为93.38%。

(2)在一定的磁场强度和流速下，增加磁程，可 以增加水处理时间，抑垢率上升。在磁场强度为

400  mT时，铁芯线圈达到4组，抑垢效果最好。

(3)在一定磁场强度下，存在最佳流速使抑垢 率最大。流速过低，磁作用力小，流速过高，水处理 时间缩短，会影响抑垢效果。在本试验中，当流速达 到0.8 m/s  时，抑垢效果最好，可达83.65%。

(4)磁化后的水垢比空白试验水垢松散，这样 水垢易于清除。

(5)管道中的腐蚀红锈(Fe₂O₃·nH₂O)       变黑 (磁性氧化铁Fe₃O₄)。

(6)水流经磁场水处理装置时，水中含有的正 负离子受到洛伦兹力的作用分别向相反方向移动， 在运动过程中产生微小的电子流，CO3- 在电极放 电 使CO₂   减少引起pH 上升。pH  的上升使磁性氧 化铁 Fe₃O₄  形成稳定的阻隔膜，从而达到防腐的 目的。

参考文献

1  克拉辛BN.  水系统的磁处理.北京：宇航出版社，1998

2 陈蓬西.浅谈水的磁场处理及前景.工业水处理，1984,4(5):

34～35

3  陈昭威.磁场处理水的机理的探讨.物理，1992,21(2):109～112

4  徐寿昌.工业冷却水处理技术.北京：化学工业出版社，1984

5  黄征清，黄光斗，徐洪涛.水的磁处理防垢与除垢的研究.工业水 处理，2001,5～6

6  张宝铭，刘宝昌.水的磁化处理研究.工业水处理，1994,14(3):

10～11

7  丁昭.磁化防垢机理及适用范围研究.科技通报，1997,13(6):

378～379

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收稿日期：2010-05-13

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