ET-W磁流体动力除垢仪除垢原理

磁流体动力共振方法防除水垢的理化基础

作者：高诗墨

前言

化学、食品和其它工业领域最常见的热力工程学问题是热交换设备、工艺装置和管道热交换表面的结垢问题。水垢严重影响热交换过程，增加能源消耗，减少设备和管道的通过面积，增加水的阻力和液体的输送费用。

形成晶体水垢的主要物质是碳酸钙。几乎所有的天然水中都含有碳酸钙，正是这样的水价格便宜，适合做热载体。所以下面主要说明碳酸钙结晶的问题。这种盐具有“反”溶解性当溶液的温度升高时，碳酸钙的溶解性不像大多数盐那样增加，反而下降。

表面结晶

结晶是伴随物质聚合状态改变而发生的物相变化的典型例子。结晶导致在液体、熔体和气体中生成固相。结晶过程的动力是过饱和，即结晶物质的实际浓度高于该条件下它的平衡浓度。

**个异质成核理论是由Volmer研究出来的。这个理论认为，与结晶物质分子之间的相互碰撞相比，结晶物质更容易在与晶体异质的固态杂质表面形成晶核。

多年的研究证明，任何有能量的非均匀物质都可能成为晶核：充电粒子、自由基；具有自由表面能量的晶体表面；晶核表面的结构缺陷。但并不是任何具有能量的非均匀物质和表面都能引发晶核的形成。

1935年物理学家Royer在多年研究异质表面结晶过程的基础上得出了几何结构相似原则。这个原则的实质为，非均匀物质表面可以成为结晶盐结晶的基质。当材料表面晶体的晶系与结晶物质的晶系接近、晶格参数差异不超过20%的时候，才能形成晶核。此时，最重要的因素是过饱和。过饱和的程度越高，作为结晶条件的表面晶格参数差异允许范围就越大。

作为表面（基质）种晶活性标准使用晶格失配度的绝对值来衡量。

δ=|a_sf-a_cr|/a_cr=|a_sf/a_cr-1|=|1-a_cr/a_sf|

这里：

a_sf – 基质晶格的参数值a（本文是指热交换表面材料）；

a_cr – 结晶物质的晶格参数a（本文指碳酸钙）

晶格失配度的值越小，引发结晶物质成核的强度就越大，对过饱和度的要求就越小。

碳酸盐在热交换表面的结晶

从碳酸钙结晶诱因的角度讲，热交换器和管道的材质不是最后的原因。碳酸钙可以形成两种形式的晶体：方解石和霰石。如果热交换表面是钢，在使用的过程，因为与水中的碳酸和氧发生化学反应，表面会被碳酸铁、氧化物、氢氧化铁覆盖。钙和铁的碳酸盐以及他们与氧、碳酸反应生成物的晶格失配度见表1，表中只列出了属于三角晶系的物质。

表1 一些晶体的晶格参数和相互失配度的数据

从表1中可以看出，在铁表面不应该发生碳酸钙结晶，因为晶格失配度指数大于0.2。但实际上可以发现结晶。显然，结晶出现的必要条件是形成中间氧化层或者碳酸铁。碳酸钙对他们的晶格失配度为0.03-0.19（所以很明显，为什么在电站和锅炉房很注重原水的脱气）

建立在溶液结构重组基础上的预防表面结晶的方法

1936年比利时工程师维尔梅林发现，加热横向穿过磁场磁力线的水，在热交换表面不会形成水垢。世界上**个磁处理水的仪器专利是由维尔梅林1946年10月1日申请的。“EPURO”股份公司（比利时，安特卫普）在1980年之前卖掉130000个这样的仪器。现在这家公司的接手人是Cepi-CO Ltd。CEPI系统的仪器成功地运用在锅炉房、啤酒厂、糖厂和海洋运输行业的淡水制造装置上。这期间“CEPI”生产了处理能力从0.03到32000m³/h，每年向世界各地销售5000台仪器。

在上世纪50年代初维尔梅林公布了使用СЕPI系统仪器的结果，全世界的工程师都他的方案喝彩，结果世界各国的很多公司开始生产水处理仪器：Pakard（美国，佛罗里达）、Wortington（美国，芝加哥）、Polar（英国）、CKD Dukla（捷克斯洛伐克）、原子能研究所（波兰，克拉科夫）等。中国和日本研究了“磁处理水”的问题。前苏联也花了很大经理研究这个题目，而且前苏联的工程师和学者成了拓展“磁处理”应用领域的先行者。几十年来，这种新的技术方案伴随这一个共识：这种方案没有理论基础且使用这个方案的效果也无法解释。实质上这些公司能够成功地在“磁处理水仪器”市场存活这么长时间主要靠的是研究者的直觉和运气。他们把这种方案称作“专有技术”。当然学者们这些年也在努力解释观察到的事实。

最成功的理论是经过在实践中观察到的事实多次证实的磁流体动力共振理论。

磁流体动力共振理论

根据这一理论，液体横向穿过磁力线时产生洛伦兹力，如果洛伦兹力和液体中的充电粒子（分子、粉尘、离子、自由基）的振动产生共振，这种力能引发结构重组，即熵的改变。熵的改变不仅能改变过饱和盐的成核速度，还能使它们结晶为常见晶体形式之一。

在通常的条件下，碳酸钙结晶为方解石。对加热并经过磁流体动力学共振作用后的固相悬浮物进行晶体学分析，证明碳酸钙结晶形式不是方解石，而是霰石。

Fe₂O₃和陨铁可以引发方解石结晶：氧化铁和碳酸铁的晶格失配度为δ=0.027和0.054。如果迫使碳酸钙结晶为霰石，则Fe₂O₃和陨铁只有在更高的饱和度下引发方解石的形成。氧化铁和碳酸铁的晶格失配度分别为δ=0.121和0.191。保证表面成核速度所需的饱和度和晶格失配度成正比。所以当饱和度是方解石的4.5和3.5倍时，霰石在Fe₂O₃和陨铁上开始结晶。正是因为这个原因，霰石不会在覆盖Fe₂O₃和陨铁的装置和热交换表面结晶。

霰石晶体向热交换表面材料的附着力较低，晶体之间的内聚力较小。因为和方解石相比，霰石晶体的自由表面能量值更小。所以，即使饱和度高于“极限”值，在表面形成的霰石晶粒也可以被从热交换表面流动的液流冲走。

如果碳酸钙的原始浓度小于5毫克当量/升，可以在低压水加热锅炉和蒸汽再生锅炉中使用，不需要事先清理和脱气，可以直接使用磁流体动力除垢仪。

把水中的碳酸钙含量清理到1.1-1.4毫克当量/升以下时，或者把水加热到+130°С时，就表面结垢强度而言，磁流体动力学共振能达到同样的效果。

磁流体动力共振脉冲信号处理过的水能冲走碳酸盐沉积

经磁流体动力共振脉冲信号处理过的水还具有一个特性，就是能除掉早期形成的碳酸钙沉积。

请看表格1中的数据，方解石和霰石的晶格失配度为：

δ=|1-a_cr/a_sf|=1-4.893/5.720=0.144

这就是说，存在过饱和情况时，在热交换表面沉积的方解石晶体可以在自己的表面引发霰石结晶。一旦被磁流体动力共振脉冲信号处理过的水开始冲刷方解石沉积，碳酸钙会继续在方解石的表面形成霰石。

晶体和过饱和溶液之间存在一种动态平衡：不间断地形成新的晶体和早期形成的晶体的溶解。该动态过程的发展方向受饱和状态、温度、晶体尺寸和结构缺陷浓度影响。晶体越小和缺陷越大，则就越倾向于增长和溶解。晶体越大、结构越完善，增长和溶解就越缓慢。如果被磁流体动力学共振脉冲信号处理过的水冲刷早期形成的碳酸钙，在逐渐溶解细小晶体的过程中，发生方解石的再结晶，形成霰石。而且这个过程随着温度的升高而加快。结果，具有较低吸附能力和相互之间内聚力的霰石晶体开始结层，沉积变得松软。