超強永磁場處理對鋼鐵工業循環水pH值影響的研究

李東魁，姜麗麗，左海濱，譚贊林

（1.北京科技大學 冶金與生態工程學院，北京 100083；2.包頭師范學院 信息科學與技術學院，包頭 014030；3.深圳市怡天磁性材料有限公司，深圳 518066）

0 引言

大多數鋼鐵廠的循環冷卻水系統，由于熱負荷較高，冷卻水在水冷構件內有過熱現象，防垢、防腐蝕成為突出問題[1～3]。循環冷卻水的水質對高爐等冶金設備的壽命也有重要影響[4,5]。

工業循環水質的變化可通過監測基本檢測指標來實現，循環水的基本監測指標可選擇為：水溫、pH值、SS、總硬度、總堿度、TP、葉綠素a和濃縮倍數[6～8]。

在工業生產實際中，磁場處理循環水用于阻垢、防垢、防腐蝕方面已經取得顯著效果[9～11]。實驗室的研究表明，磁場處理引起了水的物理特性的變化[12,22～29]；磁場處理工業循環水的模擬實驗表明，循環水的pH值隨磁場強度和循環水的速度變化而呈現一定的規律性[13～15]，邢曉凱[16]等指出溶液pH值與碳酸鈣結構有重要影響。

本文研究，利用超強永磁場循環水模擬處理設備，在超強永磁場強度、循環水溶液、液體流動速度變化的情況下，循環水溶液pH值變化規律，從而為進一步研究磁場處理對水質影響的變化規律，并為在防垢、除垢、防腐方面應用奠定基礎。

1 實驗

1.1 實驗設備和測量儀器

實驗設備如圖 1 所示，其中核心為超強永磁場可調設備，是具有開閉磁路的超強永磁設備，磁場方向與循環水流動方向垂直。該設備的磁場工作面與水管管壁接觸足夠大，有足夠的磁通量穿透管壁使水活化，該設備從運輸到安裝前都處于無磁狀態，安裝完畢才由密碼鎖轉到工作狀態。

1）深圳市怡天磁性材料有限公司生產超強永磁場可調設備（YT-CQY-0702），磁場強度變化范圍：300Gs～34000Gs；1Gs=10-4T；

2）Mettler-Toledo公司產Delta320pH計，具有溫度補償功能；

3）溫度計；

4）實驗用水為自來水；實驗用藥品為氯化鈣（分析純）與碳酸鈉（分析純）；

5）樂清市奧特儀表有限公司生產的數顯溫度調節儀。

圖1 超強永磁場循環水處理模擬裝置

1.2 實驗方法和步驟

1.2.1 循環水為自來水

1）實驗方案

磁場強度分別選取：300 Gs，7000 Gs，17000 Gs，26500 Gs和34000Gs；實驗中水流速度分別為：0.6m/s 、1.2m/s和2.3m/s。pH計進行校準。記錄磁場強度、水流速度、取樣時刻、pH值和水的溫度。

2）實驗過程

取自來水30L加入水箱中；確定循環水流速0.6m/s；確定場強300Gs；取第一次水樣；準確記錄實驗開始水溫、取樣時刻。實驗開始起，每間隔1h取樣一次，每次取200ml（100ml用于滴定總堿度，另100ml滴定鈣濃度），每個水樣分別測水溫、pH值；冷卻12h后，再測水溫、pH值。把模擬設備中處理過的循環水放掉，清洗模擬設備；清洗取樣瓶；再取30L自來水加入到模擬設備的水箱中，確定磁場強度為7000Gs，重復前述過程；直到需要的各種磁場強度下實驗完成；然后變化循環水速度，再按照以上過程完成各磁場強度下的實驗為止。

1.2.2 循環水為工業仿真溶液

實驗方案同1.2.1，不同的是需要配置循環水溶液，配置過程如下：稱取2.22 g 碳酸鈉溶于20 L 的水中，使其混合均勻，加入水箱中，再稱取6 .24 g氯化鈣溶于10 L水中，倒入水箱中，使其充分混合。

取水樣過程為：先取200 mL 的循環水測pH值，調節磁場強度和水流速度，設備運轉后，每隔 1.5 h 取 200 mL 的水溶液測pH 值，共取6個水樣。所有水樣取完之后放置12 h，再次測量上述指標。再次試驗時，調節水速和磁場強度，重復上述過程。

2 實驗結果和分析

2.1 實驗數據

循環水為自來水時的實驗數據見表1，循環水為配制水溶液時的實驗數據見表2。

2.2 實驗數據處理

可疑數據利用迪克遜（Dixon）檢驗法[18]處理，計算機編程進行檢驗，標*的為偏離值、標**的為離群值。

表1 循環水為自來水時在不同磁場強度和時間下測得的pH值

表2 循環水為配置水溶液在不同磁場強度和時間下測得的pH值

在表1、表2中，去掉包含離群值數據的行，利用統計軟件OriginPro8 SR1進行二因素無重復方差分析，并對數據進行擬合。計算機配置為：CPU 為：Genuine Intel(R) CPU T1400@1.73GHz，1.73GHz，1G內存；操作系統為Windows XPProfessional XP3。

表3 兩因素方差分析結果

方差分析結果[19]見表3。

2.3 pH值與循環水速度、時間和磁場強度關系

2.3.1 循環水為自來水

當水流速度0.6m/s時，時間和磁場強度對pH值有顯著影響。磁場對循環水的處理時間越長，pH值增加值越大；磁場強度是26500Gs時，磁場強度對pH值增長的影響最大。

當水流速度1.2m/s時，時間和磁場強度對pH值有顯著影響。磁場對循環水的處理時間越長，pH值增加值越大；磁場強度是26500Gs時，磁場強度對pH值增長的影響最大。

當水流速度2.3m/s時，時間對pH值有顯著影響，磁場強度對pH值有影響。磁場對循環水的處理時間越長，pH值增加值越大；磁場強度是17000Gs時，磁場強度對pH值增長的影響比較大。

循環水為自來水時pH值與時間的定量關系見表4。

2.3.2 循環水為配制溶液

循環水速度為0.6m/s，時間和磁場強度對pH值影響，處理時間對pH值變化沒有影響；磁場強度變化對pH值有顯著影響。磁場強度是26500Gs時，磁場強度對pH值減少的影響最大。

循環水速度為1.2m/s，時間和磁場強度對pH值影響，處理時間和磁場強度對pH值變化有顯著影響；處理時間為6h，pH值下降最多；磁場強度是34000Gs時，磁場強度對pH值減少的影響最大。

表4 自來水pH值與時間的關系

表5 配制水pH值與時間的關系

循環水速度為2.3m/s，時間和磁場強度對pH值影響，處理時間和磁場強度對pH值變化沒有顯著影響。

循環水為配制溶液時pH值與時間定量關系見表5(表中只給出了在給定磁場強度下，pH值與時間具有較好定量關系的曲線方程)。

2.3.3 循環水速度與磁場強度對pH值的共同影響

循環水為自來水時，構造速度、磁場強度和pH值關系，兩因素等重復試驗方差分析[20]，結果見表3。在循環水速度為1.2m/s、磁場強度為26500Gs的時候，pH值增加的幅度最大。

循環水為配制溶液時，構造速度、磁場強度和pH值關系，兩因素等重復試驗方差分析，結果見表3。在循環水速度為0.6m/s、磁場強度為26500Gs的時候，pH值下降的幅度最大。

3 作用機理

天然水中的碳酸化合物主要來自空氣中二氧化碳的溶解、巖石礦物中碳酸鹽、重碳酸鹽的溶解、水中動植物的生命活動以及水中有機物的生物氧化等[18]。水中的碳酸化合物有四種存在形態：溶于水的二氧化碳氣體、溶于水的分子態碳酸、碳酸氫根和碳酸根。在水溶液中，存在著以下幾種化學平衡：

如果水中碳含量固定，在達到平衡時三種類型的碳酸量應在碳酸物總量中占有一定比例，該比例取決于溶液的pH值；在低pH值區間內，溶液中只有CO2+H2CO3，在高pH值區間內只有C，而HC在中等pH值區間內占絕對優勢；三種碳酸在平衡時的濃度比例與溶液pH值有完全相應的關系。水與空氣之間有CO2交換，水中碳酸物總量有同樣數量的增減，引起的變化則是pH值的改變，而溶液的總堿度保持不變。這時溶液中碳酸平衡可能發生的變化是2 HC= CO2+H2O+C當向水中加入CO2時有一部分C轉化為HCO3，而CO2從水中脫出時，有一部分HCO3-轉化為C，由于這種轉換是等當量的，總堿度數值保持不變。在pH值小于8.34范圍內，向水中增加CO2，pH值降低；水中CO2脫氣時，pH值增加。

Fathia, Kneya 和 Pang 等人[25～29]應用非線性理論和方法, 并結合一些實驗結果, 提出了水的磁化的機理和理論。這一理論認為在水中存在具有1.8Dabye 偶極矩的水分子，通過氫鍵組成了一些鏈狀和環狀的氫鍵水分子鏈的團簇結構。按照被實驗證實了的質子(氫離子)在氫鍵系統中的傳導理論，在這些氫鍵分子鏈中也存在質子的傳遞，在外加磁場作用時，處于環形氫鍵鏈中的質子在磁場的洛侖茲力的作用下能形成環形電荷傳導，從而形成了像磁體中的“分子電流”，則在它們之間或它們與外加磁場之間存在的相互作用使得這些水分子的分布和自身特性改變，從而引起了水的性質如光學特性和電磁特性的改變。

磁場處理自來水以及碳酸鈉與綠化鈣配置的水溶液時，水中的一些水分子長鏈或團簇的極化和分布狀態等在磁場處理后都發生了改變，從而在循環水是自來水的情況下，促進了CO2的脫氣，自來水pH值升高；當循環水為碳酸鈉與綠化鈣配制的水溶液情況下，促進了CO2溶解，PH值降低[15,20,21]。

4 結論

磁場對以一定速度和磁場方向正交的循環水和配制水溶液的pH值產生了影響。當循環水是自來水的情況下，隨著磁場處理時間增加，pH值呈直線上升；水流的速度和磁場強度對pH值有交互影響；水的循環速度為1.2m/s，磁場強度為26500Gs時，pH值增加幅度最大。當循環水是配制的水溶液情況下，隨著磁場處理時間的增加pH值先下降，以后出現緩慢上升趨勢；速度和磁場強度有交互作用，當循環水的速度為0.6m/s和磁場強度為26500Gs的時候，pH值下降的幅度最大。實驗結果對磁場用于控制鋼鐵工業循環水的水質，從而實現防腐、防垢具有參考價值。

[1] 王大中, 鋼鐵廠循環冷卻水處理的特點[J]. 工業水處理,1989, (02).

[2] 陳常洲. 高爐冷卻水系統的發展與應用[J]. 化工給排水設計, 1997, (01).

[3] 沈華樞. 鋼鐵工業用水[J]. 國外鋼鐵, 1992, (07).

[4] 顧飛, 姚家瑜, 李靜, 宋忠平. 我國高爐冷卻水水質調查及評價[J]. 煉鐵, 1996, (04).

[5] 左海濱, 程素森, 楊天鈞. 高爐長壽關鍵技術的研究[A].魏壽昆院士百歲壽辰紀念文集[C]. 科學出版社, 2006.

[6] 周本省, 循環冷卻水系統的結垢問題[J]. 化學清洗,1999, (03).

[7] 周本省, 楊文忠. 冷卻水系統中腐蝕和水質的現場監測[J]. 化學清洗, 1997, (02).

[8] 任成忠. 工業循環水監測指標體系的探討[J]. 環境監測管理與技術, 2005, (02).

[9] 撫順石油化工公司石油二廠. 磁處理技術用于水的防垢研究[J]. 磁能應用技術, 1993, (02).

[10] 張玉春. 磁化除垢器在循環水系統的應用[J]. 石油化工環境保護, 1997, (02).

[11] 陳慶生, 陳松林. 水的磁化處理研究和在冷卻水系統中應用[J]. 工業水處理, 2003, (06).

[12] 姚慶釧, 熊瑞生, 李恒. 磁處理對水的導電性能影響的研究[J]. 理化檢驗-化學分冊, 2004, (09).

[13] 牛永紅,等, 磁處理對煉鐵廠循環冷卻水pH值的影響研究[J]. 包頭鋼鐵學院學報, 2005, (02).

[14] 張雪峰, 等, 高梯度磁場處理循環冷卻水的機理[J]. 鋼鐵, 2006, (09).

[15] 黃征青, 徐洪濤, 黃光斗. 磁處理對水溶液PH值和電導率的影響[J]. 水處理技術, 2003, (01).

[16] 邢曉凱, 馬重芳, 陳永昌. 溶液PH值對碳酸鈣結垢的影響[J]. 石油化工設備, 2004, (04).

[17] 馮敏. 現代水處理技術[M]. 化學工業出版社, 2006.

[18] 時紅, 等. 水質分析方法與技術[M]. 地震出版社, 2001.

[19] 沈恒范. 概率論與數理統計教程, 高等教育出版社, 1995年5月第3版.

[20] 謝文蕙, 黃玉惠. 磁場處理水溶液過程中的化學反應[J].北京大學學報, 1987, (06).

[21] 朱元保, 顏流水, 曹祉祥, 文陵飛, 等. 磁化水的物理化學性能[J]. 湖南大學學報, 1999, (01).

[22] 鄧波, 龐小峰. 在靜磁場作用后水的光學特性的改變[J].科學通報, 2007, (09).

[23] 鄧波, 龐小峰. 在靜磁場作用下的水的性質改變[J]. 電子科技大學學報, 2008, (06).

[24] 龐小峰, 鄧波. 水在磁場作用后的特性變化研究[J]. 中國科學G輯, 2008, 38(06).

[25] Fathia A, Mohameda T, Claudeb G, et al. Effect of a magnetic water treament on homogeneous and heterogeneous precipitation of calcium carbonate. Water Res, 2006,40: 1941-1950 .

[26] Kneya A D, Parsonsb S A. A spectrophotometer-based study of magnetic water treament: Assessment of ionic vs.surface mechanisms. Water Res, 2006, 40: 517-524

[27] Pang X F. The conductivity properties of protons in ice and mechanism of magnetization of liquid water. Eur Phys J B,2006, 49: 5-23.

[28] 龐小峰. 在水中的納米水分子的發現和它的特點及實驗證實[J]. 原子與分子物理學報, 2006, 23: 1-3.

[29] 龐小峰, 鄧波. 在磁場作用后水的特性的改變和它變化的機理[J]. 原子與分子物理學報, 2007, 24: 281-290.