高频电磁阻垢的影响因素及其机理研究

张　池，刘文冬，于　萍，罗运柏

（武汉大学化学与分子科学学院，湖北武汉430072）

高频电磁阻垢的影响因素及其机理研究

张池，刘文冬，于萍，罗运柏

（武汉大学化学与分子科学学院，湖北武汉430072）

在模拟动态阻垢实验条件下，采用自行设计组装的高频电磁水处理装置，研究pH、流速和Ca2+浓度对阻垢效率的影响，得出电磁阻垢的适宜条件。利用扫描电镜、X射线衍射和热重分析探讨了电磁阻垢机理。结果表明，经高频电磁场处理后，部分水垢由方解石型晶体变为文石型晶体而易被水流带走，从而起到阻垢作用。

电磁阻垢；循环冷却水；水处理

在工业循环冷却水系统中，随着系统的运行换热表面会生成水垢，水垢的大量沉积将降低换热表面的传热效果，使水的流动阻力增大甚至阻塞水流，还会诱发垢下腐蚀，严重影响系统的正常运行〔1-2〕。为了解决循环水系统的结垢问题，必须对系统进行阻垢处理，常用的有化学法和物理法〔3〕。化学阻垢法主要有石灰软化法、离子交换法、投加阻垢剂和化学清洗法，但这些方法操作复杂、运行成本高，并且会对环境造成二次污染。随着水资源的日益短缺和环境保护要求的提高，各种用于防垢处理的物理方法及技术应运而生〔4〕。其中，电磁阻垢技术因具有使用方便、无污染、成本低等优点而受到广泛的关注和研究〔5-6〕。

笔者利用自行设计组装的高频电磁循环冷却水阻垢处理装置，研究pH、流速和Ca2+浓度对电磁阻垢效率的影响，并且通过扫描电镜、X射线衍射和热重分析分析形成的污垢晶体样品，探讨了其阻垢机理。

1　实验部分

1.1实验仪器

QUANTA 200扫描电子显微镜，荷兰FEI公司；DDS-12DW电导率仪，上海理达仪器厂；WGZ-200浊度计，上海昕瑞仪器仪表有限公司；pHS-3C型pH计，上海仪电科学仪器股份有限公司；D8 Advance X射线衍射仪，德国Bruker公司；Nexus 670傅里叶红外光谱仪，美国Nicolet公司；Setsys综合热分析仪，法国Aetaram公司；Mastersizer 2000激光粒度仪，英国马尔文仪器有限公司。

1.2实验装置及阻垢实验

搭建了动态循环系统，装置如图1所示。实验时，在处理腔的2个电极上连接高频信号发生器的输出端，水流经泵由下向上通过处理腔，使其充分受到电磁场的作用。示波器用来监测阴阳两级之间的电压及频率信号，旁路管用来调节水流流速。图1的处理腔是高频电磁水处理器的重要组成部分，目前常用的处理腔电极结构有同轴电极式和缠绕电极式，有研究表明，同轴电极式处理腔的阻垢效果要优于缠绕电极式处理腔〔7〕。所以笔者设计的是同轴电极式处理腔，该同轴电极式处理腔的外腔筒为不锈钢圆柱体，作为阴极；阳极是半径8 mm的实心细不锈钢棒，长度300 mm，外层有厚度约为2 mm的绝缘套，通过聚四氟乙烯垫圈将阳极固定在圆柱腔体中轴处，阳极电极芯外包有绝缘材料与水隔开，以保证运行安全。水直接流经阴、阳两极之间，以达到更佳效果。

图1　动态循环实验系统

实验在恒温循环水条件下进行，通过旁路管控制水体流速，通过加热装置（功率为800 W加热棒）和温度传感器使水温保持在60℃左右，对同轴式处理腔的阳极施加幅值100 V的双极性方波信号，频率在1～10 MHz可调。向去离子水中添加物质的量比为1∶2的CaCl2和NaHCO3，以利于结垢。

实验采用挂片法对阻垢效果进行评价：（1）取同样大小的薄黄铜片，用稀盐酸清洗表面后再用去离子水冲洗，放入循环系统中。（2）用精密电子天平称量黄铜片放入前的质量m1，经高频电磁场处理后，取出黄铜片，烘干后称量黄铜片的质量m2。（3）不加高频电磁场进行空白实验，实验前后黄铜片增加的质量为Δm=m3-m4，则电磁场作用下的阻垢率可表示为：

2　实验结果与讨论

2.1pH对阻垢效果的影响

在循环冷却水系统中，pH是很重要的控制指标。电磁效应受溶液pH的影响，pH的微小变化会导致碳酸盐平衡的改变，影响阻垢效果〔8〕。选取装置的输出频率为1.5 MHz，控制循环冷却水的Ca2+为200 mg/L，流速为1.8 m/s，温度为60℃，调节pH，进行高频电磁阻垢实验。实验结果表明，当溶液呈偏酸性或偏碱性时，电磁处理效果较差，阻垢率较低。当pH在8左右时，经电磁处理后结垢量比较稳定且阻垢率较高。即电磁处理对偏酸或偏碱性溶液的效果不理想，当pH介于7.5～8.5时，阻垢效果最好，阻垢率为39%。

2.2流速对阻垢效果的影响

动态实验环境下，流速对结垢量及阻垢效果有较大影响。选取装置的输出频率为1.5 MHz，控制循环冷却水的Ca2+为200 mg/L，pH为8，温度为60℃，取相同溶液在不同流速下进行阻垢实验，考察流速对阻垢率的影响。

当流速较小时，流体对试片的冲刷力较小，阻垢率较低。增大流速后，结垢速率减小，流体对试片的冲刷力变大，被水流冲走的文石增多，阻垢率增大。继续增大流速，流速对阻垢过程的影响变小，阻垢率的变化变缓。这是因为经电磁处理后，部分碳酸钙型水垢由方解石型转变为文石型，经流体冲刷，文石易从垢层脱除，从而起到阻垢效果〔9〕。实验中最佳流速范围为1.8～2.5 m/s，阻垢率为42%。

2.3钙离子对阻垢效果的影响

选取装置的输出频率为1.5 MHz，控制循环冷却水的流速为1.8 m/s，pH为8，温度为60℃，考察Ca2+对阻垢效果的影响。当Ca2+＞250 mg/L时阻垢率开始下降，而且随着Ca2+质量浓度的升高，阻垢率下降速度加快，说明Ca2+过高会降低电磁处理效果。电磁处理使水中的Ca2+生成晶粒的速度增快，形成小体积晶粒，不易形成大颗粒而导致结垢。为了保证电磁处理的效果，原水中Ca2+应该＜300 mg/L。

2.4水垢样品的粒度分析

配制CaCl2和NaHCO3混合溶液（物质的量比为1∶2），取相同体积的溶液，1份不作电磁处理，另1份置于电磁阻垢装置中（频率为1.5 MHz），实验水温均为60℃，pH为8，流速1.8 m/s。12 h后取垢样，真空干燥后采用激光粒度仪分别对空白组水垢和实验组水垢进行粒度分析，结果如图2所示。

由图2可以看出，经高频电磁阻垢处理后，实验组水垢的粒度在1～10 μm范围内的颗粒含量增多，粒度在40～80 μm范围内的颗粒含量减少。空白组水垢的表面积平均粒径为33.346 μm，体积平均粒径为49.683 μm；实验组水垢的表面积平均粒径为19.518μm，体积平均粒径为46.568 μm。由此可知，经高频电磁阻垢处理后，水垢中粒度较小的碳酸钙晶体含量增多，粒度较大的碳酸钙晶体含量减少。

图2　水垢的粒度分析曲线

2.5水垢样品的热重分析

分别对空白组水垢和实验组水垢进行热重分析测试，在氮气氛围下以10℃/min的升温速率得到的热失重（TG）曲线，如图3所示。

图3　水垢的热重曲线

由图3可知，空白组垢样的起始分解温度为700℃，880℃时基本分解完毕，总失重率为45%；实验组垢样的起始分解温度为610℃，800℃时基本分解完毕，总失重率为45%。经高频电磁阻垢处理后，水垢的热分解温度降低。其原因是高频电磁阻垢处理后，碳酸钙晶体的分散度变大，晶粒粒度减小，非晶化程度增大，从而引起晶体热分解温度降低。

2.6水垢样品的红外光谱分析

分别对空白组水垢和实验组水垢进行红外光谱分析，结果表明，空白组中碳酸钙晶体在1 421.3、875.18、711.75cm-1处存在特征吸收峰，其中1421.3cm-1的强吸收峰是方解石型碳酸钙晶体的V3特征吸收峰，代表C—O键的不对称伸缩振动，875.18、711.75 cm-1的吸收峰分别为方解石晶体中的V2、V4吸收峰，它们与C—O键的弯曲振动有关；实验组碳酸钙晶体在1 438.01、880.82、728.66 cm-1处存在特征吸收峰。由此可知，经高频电磁阻垢处理后，实验组碳酸钙晶体的3个红外吸收峰均存在不同程度的蓝移，其中以728.66 cm-1处的C—O弯曲振动吸收峰最为明显，蓝移达到16.91 cm-1。造成红外吸收峰蓝移的主要原因有〔10〕：（1）量子尺寸效应。当粒子尺寸下降到某一值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级，能级间距变宽，晶体呈现出量子尺寸效应，引起吸收带移向短波长方向。（2）晶体场效应。随着颗粒粒度的减小，界面张力显著增大，界面引起的对晶粒组元的负压强使得晶粒的微结构发生变化从而引起晶格膨胀。在有较大晶格膨胀的晶体中，会存在较大的晶格畸变和应变能，当晶粒越小，畸变程度越大，原子缺陷越多，碳酸钙晶体的红外光谱就出现蓝移现象。

2.7水垢样品的X射线衍射分析

CaCO3型水垢主要包括方解石和文石2种晶型，根据结晶理论，碳酸钙晶体中方解石最稳定，文石则为非稳晶体。以方解石晶体为主的水垢被称为硬垢，其结构稳定，易在换热表面沉积而影响传热效率，以文石晶体为主的水垢被称为软垢，其结构疏松，易随水流冲走而减少在换热表面的沉积，提高了传热系数。为确定电磁阻垢实验条件下水垢的存在形式，分别对空白组垢样和电磁阻垢处理垢样进行XRD分析，如图4所示。

图4　空白组垢样（a）及电磁阻垢处理垢样（b）的XRD谱图

由方解石晶体和文石晶体的XRD标准谱图可知，位于29.4°处的（104）衍射峰为方解石型水垢的特征峰，位于26.21°处的（111）衍射峰为文石型水垢的特征峰〔11〕。从图4可以看出，空白组垢样XRD谱图的特征峰为位于29.4°处的（104）衍射峰，说明该垢样的主要成分为方解石晶体，而电磁阻垢处理垢样的XRD谱图的特征峰为位于26.21°处的（111）衍射峰，说明经电磁阻垢处理后水垢的主要成分为文石晶体。由此可知，经电磁阻垢处理后垢样中的方解石晶体减少，文石晶体增多。

2.8水垢样品的扫描电镜分析

分别对高频电磁阻垢处理实验组垢样和空白组垢样进行扫描电镜分析，得到放大2 000倍的SEM照片，如图5所示。

图5　垢样的扫描电镜照片

由图5可知，未经处理的垢样主要以方解石晶体为主，且晶体排列紧密，呈团簇状；经高频电磁阻垢处理的垢样中方解石晶体变少，文石晶体增多，且晶体排列疏松。由此可知，高频电磁阻垢处理抑制了方解石晶体的生长，促进了文石晶体的生长，且晶体的排列变得疏松，从而使水垢从致密的方解石型晶体转变为疏松的文石型晶体。

由以上实验结果可以推测，高频电磁阻垢装置的工作机理是产生同晶异构体。当水溶液流过强磁场时，水中的成垢物质从磁场中获得能量，使结构紧密、晶粒尺寸较大的方解石型晶体转变为结构疏松、晶粒尺寸较小的文石型晶体，疏松的文石易随水流冲走而减少了在换热表面的沉积，从而达到阻垢目的。

3　结论

（1）利用自行设计组装的高频电磁水处理器，研究了pH、流速和Ca2+质量浓度对阻垢过程的影响。实验结果表明，pH在7.5～8.5之间、流速在1.8～2.5 m/s、Ca2+在100～200 mg/L时阻垢率最高。

（2）利用X射线衍射、扫描电镜和热重分析等技术，探讨了高频电磁水处理器的阻垢机理。实验结果表明，经高频电磁水处理器处理后，碳酸钙型水垢由方解石型晶体向文石型晶体转变，文石易随水流冲走而减少在换热表面的沉积，从而达到阻垢目的。

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Research on the influential factors and mechanism of high-frequency electromagnetic scale inhibition

Zhang Chi，Liu Wendong，Yu Ping，Luo Yunbai
（College of Chemistry and Molecular Sciences，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

Under the condition of simulated dynamic scale inhibition experiments，the self-designed and assembled high-frequency electromagnetic water treatment equipment has been used，and the influences of pH，velocity of flow and calcium ion concentration on the scale inhibition efficiency are studied.The appropriate conditions for electromagnetic scale inhibition are obtained.The electromagnetic scale inhibition mechanism is investigated by using scanning electron microscopy、X-ray diffraction and thermal gravimetric analysis technology.The results reveal that after the high-frequency electromagnetic field treatment，part of the scale is changed from calcite crystals into aragonite crystals，and easily taken away by water flow，so as to bring about scale inhibition.

electromagnetic scale inhibition；circulating cooling water；water treatment

TQ085+.4

A

1005-829X（2016）04-0061-04

国家科技支撑计划项目（2012BAC02B03）

张池（1988—），硕士研究生。E-mail：linhy0401@163. com。通讯联系人：于萍，博士，博士生导师，E-mail：yuping@whu.edu.cn。

2016-03-02（修改稿）