磁場阻垢機理研究現狀

趙 靖，張 仂

(中鹽工程技術研究院有限公司，天津 300450)

1 前言

板式換熱器在工業生產、農業生產及日常生活中得到廣泛使用，但大多數換熱器表面都不同程度存在著污垢問題。換熱設備結垢一方面降低了傳熱率，增加燃料費；另一方面還會常常因局部過熱或高溫導致機械性能的下降，嚴重時還會引發生產事故。Surrey大學的Steinhagen教授調查發現90%以上的換熱器存在不同程度的結垢問題[1]。控制結垢的方法一般有化學方法和物理方法。磁力防結垢技術屬于物理法的一種，具有應用方便、投資少、運行費用低、無污染等優點，正日益引起人們的關注，具有廣闊的應用前景。

由于水體的復雜性、實驗條件的限制等多種原因，對于磁阻垢機理的深化研究比較困難，迄今為止沒有統一的理論。國內外許多研究工作者在該領域進行了大量的試驗研究，同時也提出了一些有價值的理論模型。

2 磁場阻垢理論

2.1 洛倫茲力理論

2.2 磁滯效應理論

水中的鹽類分子和離子受磁場作用力產生磁滯效應，改變了鹽類在水中的溶解能力(溶解度)，而使得鹽類分子間的結晶性消失，阻礙了一些大晶體產生結晶[4]。

2.3 氫鍵斷裂理論

自然條件下的水是通過分子間的氫鍵形成分子團簇形式，經電磁場作用后，這些不斷振動的團簇結構、水中懸浮顆粒因磁感應而振動，當水分子的振動頻率正好等于磁感應振動頻率或成比例時，就會發生共振現象，導致一些分子簇團發生畸形、扭曲，甚至會造成破壞。經電磁處理后的水活性增強，增大了水垢的溶解度。

實驗發現，具有極性原子的物質對磁場都有較高的敏感性。例如，由氫鍵締合而成的液態水，磁場的微弱能量雖遠小于氫鍵的鍵能，即不能破壞氫鍵，但可以給液態水體系擾動，使其價電子發生新的取向，此時，締合分子重新排列組合，這樣就可以改變氫鍵的形態，以致其發生扭動、彎曲、改變鍵的強度或鍵角。通常情況下，磁處理中的磁場大小均較弱，因此，磁場的梯度、方向、作用時間以及磁處理時的流速均影響擾動的程度。在不同的磁處理參數下，介質的物理化學性質將發生變化，如水經磁場處理后，其蒸發速度加快，溶解性能加強，表面張力下降，這些微觀的改變在宏觀上就體現出防垢除垢的效果[5]。

2.4 極化作用理論

磁場能產生極化作用使鹽類的結晶成分結構發生改變。使微粒子極性增強，凝聚能力減弱，將水中存在的較長的締合分子結構鏈改變為較短的締合分子結構鏈，同時使得帶電粒子的結構改變，破壞了各個離子之間的靜電引力，重新構成結晶條件，逐漸形成分散的性質穩定的小晶體[6]。

2.5 活化能改變理論

系統的轉化會受到磁場變化的影響。當水受到磁化時，其獲得的能量很少，在系統的發生過程中會存在一種能障，必須向系統輸送相當量的能量才能觸發活化能，最終克服這種能障。由于磁場短時間的作用力，使得水系活化能得到“催化”之后改變，最后會使整個系統的性質發生相應的變化。美國Drexel大學的專家在這一方面曾用自由能定律做過解釋[7]，但其理論在有些方面還是不能對污垢的形成機理作出很好的解釋。

此外還有一些學者從分子結構角度提出了機理假說：碳酸鈣的同晶異構現象生成四種同晶異構體，對循環水系統加磁使得系統Gibbs自由能變化，形成相對于方解石易溶解的文石，球文石，膠體碳酸鈣[8]。

3 結論

目前，磁化機理在國內外學術界還未達成共識，定量研究較少，研究過程中遇到的主要問題有：1)磁場作用的時效性無法用現有的理論得到定量解釋；2) 實驗結果不能較好地解釋磁場阻垢機理；3)未能對磁場是否引起液體相變、氫鍵斷裂等問題進行全面系統的研究，缺乏定量計算，從而使理論落后于應用，降低了應用的成功性；4) 影響水體結垢的因素很多，與磁場強度之間的關系復雜，比如部分人認為存在最佳流速，但也有學者指出，兩者是多極值關系[9]；5) 對于含多種復雜離子的飽和溶液(如高鹽廢水)阻垢機理研究不足。因此，加強定量的基礎研究和系統研究，建立和完善磁處理防垢的理論模型是將來發展趨勢之一。