基于介穩(wěn)區(qū)的電磁抑垢最佳磁場強度探尋

王建國，李斌，梁延?xùn)|，尹釗，陳思

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基于介穩(wěn)區(qū)的電磁抑垢最佳磁場強度探尋

王建國，李斌，梁延?xùn)|，尹釗，陳思

（東北電力大學(xué)自動化工程學(xué)院，吉林省 吉林市 132012）

電磁抑垢技術(shù)以其投資少、無污染等優(yōu)點備受業(yè)內(nèi)人士矚目。合理選擇電磁參數(shù)，是達(dá)到電磁抑垢最佳效果的必要條件之一。根據(jù)電導(dǎo)率滴定法，設(shè)計了動態(tài)電磁實驗裝置，在給定實驗條件下進行了實驗，并對電導(dǎo)率隨時間變化的特征進行了對比分析，得到不同溶液濃度和不同電磁場強度作用下的碳酸鈣結(jié)晶介穩(wěn)曲線，從介穩(wěn)區(qū)的角度分析電磁場對碳酸鈣結(jié)晶成核誘導(dǎo)期的影響，確定了電磁場抑制碳酸鈣結(jié)晶的最佳磁場強度值為200Gs。

電磁抑垢；磁場強度；電導(dǎo)率；介穩(wěn)區(qū)

引 言

工業(yè)換熱設(shè)備運行過程中，循環(huán)水管側(cè)結(jié)垢問題會增大換熱設(shè)備的運行能耗，降低換熱效率，而且容易引起設(shè)備腐蝕，嚴(yán)重時會引發(fā)生產(chǎn)安全事故[1]。在眾多的抑垢技術(shù)中，電磁抑垢方法以其方便、經(jīng)濟、環(huán)保等特點備受關(guān)注，但其抑垢機制復(fù)雜，尚處于探索階段[2]。Drela等[3]提出了通過電導(dǎo)率法評定抑垢劑性能的試驗方法。國內(nèi)一些學(xué)者用該方法對多種抑垢劑進行了滴定實驗，與現(xiàn)在的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（鼓泡法）[4]相比，該方法操作簡單，相對誤差小，評定時間短，是一種值得推廣的抑垢性能評價方法。

碳酸鈣結(jié)垢熱力學(xué)觀點認(rèn)為：過飽和溶液總是處于不穩(wěn)定狀態(tài)。而在真實過飽和度下，卻存在暫時穩(wěn)定的現(xiàn)象，在可溶物質(zhì)和微溶物質(zhì)的溶液中，都發(fā)現(xiàn)存在此種介穩(wěn)狀態(tài)[5]。Nyvlt[6]從經(jīng)典成核理論出發(fā)，測定了不同冷卻速率下無機鹽的介穩(wěn)區(qū)寬度；馬勇等[7]對磷酸結(jié)晶介穩(wěn)區(qū)性質(zhì)進行了研究，發(fā)現(xiàn)攪拌強度和晶種加入量可以改變介穩(wěn)區(qū)寬度；李軍等[8]研究發(fā)現(xiàn)表面活性劑可以使氟硅酸鈉(鉀)在磷酸介質(zhì)中結(jié)晶介穩(wěn)區(qū)變寬；Terence等[9-11]針對不同物質(zhì)及物系，研究了介穩(wěn)區(qū)寬度和誘導(dǎo)期之間的關(guān)系，證明了極限過飽和度與誘導(dǎo)期之間存在緊密的聯(lián)系。本文以電導(dǎo)率法為基礎(chǔ)，就電磁場對碳酸鈣結(jié)晶臨界值及介穩(wěn)區(qū)的影響開展實驗研究，繪制不同磁場條件下的介穩(wěn)曲線，并從介穩(wěn)區(qū)的角度分析磁場對碳酸鈣結(jié)晶成核誘導(dǎo)期的影響，為了解污垢形成過程以及實施電磁抑垢策略提供支持。

1 實驗方法與實驗原理

1.1 實驗裝置

動態(tài)實驗系統(tǒng)原理示意如圖1所示。包括CDC40103哈希電導(dǎo)率儀、WK-SM3電腦智能溫控器、電動攪拌器、循環(huán)水泵、堿式滴定管、纏繞式電磁水處理器等。實驗所用到的CaCl2、Na2CO3等試劑均為分析純。

1.2 實驗方法

分別配制濃度為2、4、6、8和10 mmol·L-1的CaCl2溶液10 L作為標(biāo)準(zhǔn)母液。將10 L CaCl2溶液加入水箱中，打開智能溫控儀將溫度恒定控制在25℃，開啟電動攪拌器和循環(huán)水泵且均為定值勻速轉(zhuǎn)動，并對加磁線圈施加交變磁場。其中，加磁線圈中的磁場強度由高斯儀事先測得。配制0.1 mol·L-1的Na2CO3溶液作為滴定溶液，每次滴加2 ml，等電導(dǎo)率儀上的讀數(shù)穩(wěn)定1 min后讀出電導(dǎo)率數(shù)值。

1.3 實驗原理

電導(dǎo)率表征溶液中離子的導(dǎo)電能力，用于評價溶液中溶解鹽類物質(zhì)多少。測定溶液電導(dǎo)率是一種簡便的間接表示水中溶解鹽類物質(zhì)多少的方法。電導(dǎo)率滴定法中，溶液中可導(dǎo)電粒子隨著滴定的進行逐漸增多，電導(dǎo)率也會逐漸上升。隨著滴定進行，溶液達(dá)到過飽和度臨界值后，開始有沉淀析出，溶液中可導(dǎo)電的離子減少，電導(dǎo)率值會急劇下降。溶液從達(dá)到飽和至析出沉淀（即達(dá)到臨界值）這一階段稱為成核誘導(dǎo)期[12]。因而，電導(dǎo)率法的核心就是通過測定碳酸鈣的臨界過飽和度值（即通過尋找拐點）來比較不同磁場強度下的抑垢效果。

晶體的形成和生長受過飽和度的影響。過飽和溶液中，介穩(wěn)區(qū)的存在是一個極為重要的特性。Reddy[13]提出了介穩(wěn)區(qū)的概念，即難溶物質(zhì)結(jié)晶臨界值與其溶解度值之間的區(qū)域，臨界值即過飽和度臨界值，超過臨界值時，難溶物質(zhì)就會自發(fā)地產(chǎn)生大量的晶核[14-15]。不同溫度下的溶解度值已知，因此介穩(wěn)區(qū)的寬度就由臨界值決定。而介穩(wěn)區(qū)就是溶液處于介穩(wěn)狀態(tài)的時間，實質(zhì)上就等于成核誘導(dǎo)期時間[16]。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 介穩(wěn)區(qū)的確定方法

由實驗確定達(dá)到臨界值時所消耗的Na2CO3溶液的體積，再根據(jù)如下公式[17]計算

式中，[Ca2+]和[CO32-]分別為Ca2+和CO32-的濃度，mol·L-1；Na2CO3為滴加Na2CO3的濃度，mol·L-1；CaCl2為CaCl2母液的濃度，mol·L-1；為加入的Na2CO3溶液的體積，ml；0為CaCl2溶液的初始體積，ml。

對[Ca2+]和[CO32-]做負(fù)對數(shù)變換，如式(3)和式(4)。繪制p[CO32-]-p[Ca2+]的曲線，并對曲線進行擬合即得到CaCO3的介穩(wěn)曲線。

p[CO32-]=-lg[CO32-] (3)

p[Ca2+]=-lg[Ca2+] (4)

CaCO3在25℃時的溶度積[18]

根據(jù)式(2)求出的[Ca2+]，可計算出飽和CaCO3溶液中的[CO32-]′，然后再計算p[CO32-]′，即可得到飽和曲線。

2.2 電磁場對碳酸鈣結(jié)晶介穩(wěn)區(qū)的影響

根據(jù)結(jié)晶反應(yīng)達(dá)到臨界值時所消耗的Na2CO3溶液的體積，可以計算并繪制出介穩(wěn)曲線。不難發(fā)現(xiàn)，介穩(wěn)曲線能更加直觀地反映出成核誘導(dǎo)期的變化。相關(guān)參數(shù)計算由表1所示，表1對應(yīng)的介穩(wěn)區(qū)曲線如圖2所示。

表1 電磁場對介穩(wěn)區(qū)影響的相關(guān)計算 Table 1 Relevant calculation of influence of electromagnetic field intensity on metastable zone

如圖2所示，最上方的曲線為碳酸鈣飽和曲線，對應(yīng)右側(cè)軸，同一溫度、不同磁場強度下的碳酸鈣溶液飽和曲線相互重合。由Origin軟件計算出不同磁場強度下的飽和曲線積分面積和介穩(wěn)曲線積分面積，如表2所示。兩者之差即為該磁場強度下的介穩(wěn)區(qū)寬度，不同磁場強度下的介穩(wěn)區(qū)寬度如表3所示。

表2 不同磁場強度下飽和曲線積分面積及介穩(wěn)曲線積分面積 Table 2 Integral area of saturation curves and metastable curves under different electromagnetic field intensities

表3 不同磁場強度下介穩(wěn)區(qū)寬度 Table 3 Metastable zone width under different electromagnetic intensities

由表3可知，電磁場影響了介穩(wěn)區(qū)的寬度。在磁場強度為200 Gs之前，介穩(wěn)區(qū)的寬度基本呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，說明碳酸鈣結(jié)晶誘導(dǎo)期隨磁場強度的增加而延長。隨施加電磁場強度的增加，較大的締合水分子變成較小的水分子團，甚至成為單個水分子，這些自由化水分子在電磁場的作用下占據(jù)了溶液中各個空隙[19]，從而抑制了碳酸鈣晶體的成核過程，減緩了成核速率。羅漫等[20]通過核磁共振實驗也證明了此種現(xiàn)象。達(dá)到200 Gs的時候，介穩(wěn)區(qū)寬度達(dá)到峰值，即結(jié)晶誘導(dǎo)期達(dá)到最長。磁場強度再增加時，介穩(wěn)區(qū)寬度呈現(xiàn)減小的趨勢。200 Gs下的介穩(wěn)區(qū)寬度明顯大于150 Gs和250 Gs時的介穩(wěn)區(qū)寬度，但無法確定200 Gs為本實驗條件下的峰值點，故在200Gs附近的磁場強度下增加4組實驗，分別為175、190、210、225 Gs，進一步論證本實驗條件下介穩(wěn)區(qū)寬度的峰值點。

2.3 介穩(wěn)區(qū)寬度峰值點的確定

175、190、210、225 Gs磁場強度下，滴定消耗Na2CO3溶液的體積及相關(guān)參數(shù)如表4所示。綜合表1與表4可得0、50、100、150、175、190、200、210、225、250 Gs下的介穩(wěn)區(qū)曲線，如圖3所示。同上步驟計算出所有磁場強度下的介穩(wěn)區(qū)寬度如圖4所示。

表4 電磁場對介穩(wěn)區(qū)影響的相關(guān)計算 Table 4 Relevant calculation of influence of electromagnetic field intensity on metastable zone

由圖4可見，在0～200 Gs磁場強度范圍內(nèi)隨磁場強度的增加，介穩(wěn)區(qū)寬度逐漸增大；超過200 Gs以后，介穩(wěn)區(qū)寬度逐漸減小；200 Gs時，介穩(wěn)區(qū)寬度達(dá)到峰值。由此可知，200 Gs為本實驗條件下的最優(yōu)磁場強度，在此條件下，介穩(wěn)區(qū)寬度最大，碳酸鈣結(jié)晶誘導(dǎo)期最長，磁場對碳酸鈣結(jié)晶成核的抑制效果最好。

3 結(jié) 論

（1）磁場強度對介穩(wěn)區(qū)寬度有明顯影響，在0～200 Gs磁場強度范圍內(nèi)隨磁場強度的增加，介穩(wěn)區(qū)寬度逐漸增大；磁場強度超過200 Gs以后，介穩(wěn)區(qū)寬度逐漸減小。

（2）200 Gs為本實驗條件下的最優(yōu)磁場強度，此條件下，介穩(wěn)區(qū)寬度最大，碳酸鈣結(jié)晶誘導(dǎo)期最長，磁場對碳酸鈣結(jié)晶成核的抑制效果最好。

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Detecting the best electromagnetic field intensity in experiment of electromagnetic anti-fouling based on metastable zone

WANG Jianguo, LI Bin, LIANG Yandong, YIN Zhao, CHEN Si

(School of Automation Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, Jilin, China)

Electromagnetic field anti-fouling technology has received great attention because of its advantages of low investment, zero pollution,. Reasonable selection of electromagnetic parameter is one of the necessary conditions for the best result of electromagnetic anti-scaling. This research designed a set of dynamic electromagnetic experiment with electrical conductivity method. The characteristics of varying conductivity with time in the titration process under the given experimental conditions were compared, and the calcium carbonate crystallization metastable curve under different solution concentration and intensity of the electromagnetic field were obtained. Then, the influence of electromagnetic field on the induction period of calcium carbonate precipitation from the perspective of the metastable zone was analyzed. Finally, it was found that the 200 Gs was the best magnetic field intensity values of electromagnetic fields inhibiting calcium carbonate crystallization.

electromagnetic field anti-fouling；magnetic field intensity；electrical conductivity；metastable zone

supported by the National Natural Science Foundation of China (51176028) and the Key Scientific and Technological Project of Jilin Province of China (20140204006SF).

date: 2016-03-07.

LI Bin, 415930032@qq.com.

TQ 085

A

0438—1157（2016）09—3658—05

10.11949/j.issn.0438-1157.20160267

國家自然科學(xué)基金項目（51176028）；吉林省重點科技攻關(guān)項目(20140204006SF）。

2016-03-07收到初稿，2016-06-07收到修改稿。

聯(lián)系人：李斌。第一作者：王建國（1963—），男，教授。