工業(yè)生產(chǎn)需要使用大量淡水資源，特別是工業(yè)冷卻水系統(tǒng)，其用水量約占工業(yè)用水總量的60%~70%。冷卻水通常被用作熱量轉(zhuǎn)移的載體，在目前全球用水形勢(shì)持續(xù)緊張的情況下，循環(huán)利用冷卻水并在高濃縮倍率下運(yùn)行已成為許多企業(yè)的選擇。工業(yè)冷卻水通常來(lái)自地表水、地下水等水源，水中含有一定量的鈣、鎂等礦物陽(yáng)離子和碳酸氫根等陰離子，在循環(huán)使用過(guò)程中，由于不斷蒸發(fā)濃縮并與空氣長(zhǎng)期接觸，水中成垢離子和侵蝕性離子含量持續(xù)增大，硬度和堿度相應(yīng)提高，水的結(jié)垢趨勢(shì)增大，對(duì)金屬的侵蝕性增強(qiáng)。碳酸氫鹽是工業(yè)循環(huán)水中鈣的主要存在形式，其在水中會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成CaCO3。CaCO3是一般水垢的主要成分，其在換熱面的沉積會(huì)使換熱效率顯著下降，并造成沉積物下腐蝕。

目前常用的抑制換熱面結(jié)垢和腐蝕的方法是采用阻垢緩蝕劑，如有機(jī)膦酸、聚環(huán)氧琥鉑酸、聚天冬胺酸等。然而化學(xué)藥劑的使用成本較高，并有可能產(chǎn)生二次污染。采用物理水處理技術(shù)如磁場(chǎng)、靜電場(chǎng)、超聲波等進(jìn)行阻垢，具有綠色環(huán)保、低成本等特點(diǎn)，其中電磁水處理在循環(huán)水量較小的場(chǎng)合已有較好應(yīng)用，但其在大型循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的應(yīng)用較少。

一、應(yīng)用于水處理的電磁場(chǎng)類型

當(dāng)纏繞在管道表面的銅線圈（電磁感應(yīng)線圈）通入電流時(shí)，在管道內(nèi)可感生出電磁場(chǎng)。改變輸入電信號(hào)的頻率，可產(chǎn)生不同的電磁場(chǎng)。頻率的改變可通過(guò)電磁控制單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。常見(jiàn)的可用于水處理的電磁場(chǎng)主要有高頻電磁場(chǎng)、低頻高梯度磁場(chǎng)和變頻電磁場(chǎng)。高頻電磁場(chǎng)水處理裝置的核心是高頻發(fā)生器，一般采用方波來(lái)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，因?yàn)榉讲ㄖ兄C波成分較高，產(chǎn)生的電磁場(chǎng)可與水分子團(tuán)產(chǎn)生共振，使污垢易于從換熱面剝落。高頻電磁場(chǎng)水處理裝置由信號(hào)發(fā)生器、能量交換器和功率放大器等部分組成，通過(guò)功率放大器可以增強(qiáng)電磁場(chǎng)強(qiáng)度。高梯度磁場(chǎng)處理器和低頻電源可以產(chǎn)生低頻高梯度磁場(chǎng)，高梯度磁場(chǎng)處理器由螺線管和管外纏繞的銅線圈組成，在螺線管內(nèi)放置有導(dǎo)磁鋼毛。低頻高梯度磁場(chǎng)水處理器在國(guó)內(nèi)開(kāi)采和鋼鐵冶煉等行業(yè)有較多的應(yīng)用。在電磁感應(yīng)線圈中通入變頻電流，可產(chǎn)生變頻磁場(chǎng)。變頻電流由變頻電源產(chǎn)生。對(duì)水進(jìn)行交流變頻單脈沖電磁處理，可實(shí)現(xiàn)殺菌、去藻、防銹、抗腐蝕等效果。

二、電磁處理對(duì)水溶液物理化學(xué)性質(zhì)的影響

電磁處理可以使水的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生較為復(fù)雜的變化，一般來(lái)說(shuō)可使水的氫鍵、表面張力、Zeta電位、pH等發(fā)生變化。

1、對(duì)溶液中水的氫鍵的影響

溶液中的水分子一般以水分子團(tuán)的形式存在，電磁處理可以使水的大分子團(tuán)破裂為小分子團(tuán)，破壞水分子間形成的氫鍵。有研究發(fā)現(xiàn)，電磁場(chǎng)作用于水溶液時(shí)，磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛倫茲力可導(dǎo)致氫鍵斷裂，且磁場(chǎng)對(duì)氫鍵的破壞可使氫鍵從有序向無(wú)序轉(zhuǎn)變，即磁場(chǎng)打亂了氫鍵的排序。但另有研究認(rèn)為磁場(chǎng)的能量可影響氫鍵的形成。在流動(dòng)狀態(tài)下，外加電磁場(chǎng)可加強(qiáng)氫鍵網(wǎng)絡(luò)，CHEN等在NH4Cl溶液中也發(fā)現(xiàn)了外加電磁場(chǎng)對(duì)氫鍵網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)作用。

2、對(duì)水溶液表面張力系數(shù)的影響

一般認(rèn)為，磁處理可以降低水溶液的表面張力系數(shù)。在一定溫度下，水分子間氫鍵的產(chǎn)生和斷裂處于平衡狀態(tài)，當(dāng)水分子團(tuán)與單個(gè)水分子平衡共存時(shí)，水的表面張力系數(shù)達(dá)到某一確定值。在電磁水處理過(guò)程中，水分子中的電子受到磁場(chǎng)擾動(dòng)，使其狀態(tài)發(fā)生變化，這對(duì)電子間的相互作用產(chǎn)生影響，使部分氫鍵斷裂，氫鍵被破壞導(dǎo)致分子間作用力減弱而使水的表面張力系數(shù)減小。表面張力系數(shù)的下降使水溶液更易浸潤(rùn)金屬表面，導(dǎo)致水與金屬表面的接觸角降低。

3、對(duì)成垢溶液Zeta電位的影響

Zeta電位指水中帶電粒子表面剪切層的電位。垢離子在水中形成固體小顆粒時(shí)，這些膠體狀微粒之間存在靜電相互作用，可用Zeta電位表征該膠體的穩(wěn)定性，Zeta電位絕對(duì)值越大，膠體穩(wěn)定性越好，微粒越不容易聚沉。研究發(fā)現(xiàn)，在磁場(chǎng)作用下碳酸鈣溶液的Zeta電位絕對(duì)值減小，而溶液中Ca2+含量是決定Zeta電位變化的重要因素。電磁處理導(dǎo)致碳酸鈣微粒Zeta電位絕對(duì)值減小，加速水溶液中碳酸鈣微粒沉降，如圖1所示，這可能是磁場(chǎng)促進(jìn)了碳酸鈣的成核過(guò)程或成核速率，使碳酸鈣的沉積量增大。

圖1 磁處理前后水溶液CaCO3微粒沉降量隨時(shí)間的變化

4、對(duì)水溶液電導(dǎo)率的影響

電磁場(chǎng)作用可以提高水溶液的電導(dǎo)率。CHEN等發(fā)現(xiàn)交變磁場(chǎng)使NaCl溶液的電導(dǎo)率增大，原因是交變磁場(chǎng)周期性影響了NaCl溶液中水分子的磁矩偏轉(zhuǎn)，使水分子獲得了額外的動(dòng)能，因此水的電導(dǎo)率隨磁場(chǎng)處理時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。陳小磚等對(duì)掃頻電磁場(chǎng)處理后的溶液進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)掃頻電磁場(chǎng)處理的成垢溶液具有更高的電導(dǎo)率，這是因?yàn)樵趻哳l電磁場(chǎng)的作用下，溶液中水的大分子團(tuán)轉(zhuǎn)變成小分子團(tuán)，甚至形成單一水分子，這增加了溶液的導(dǎo)電性，使水的電導(dǎo)率增大。

5、對(duì)水溶液pH的影響

磁場(chǎng)會(huì)改變循環(huán)冷卻水中碳酸氫鈉的水解過(guò)程，使水樣中氫氧根離子濃度增大，水樣pH升高。BUSCH等研究發(fā)現(xiàn)，水中具有偶極矩的水分子通過(guò)氫鍵形成了鏈狀或環(huán)狀的水分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，在外加磁場(chǎng)的洛侖茲力作用下，這些水分子團(tuán)可發(fā)生極化，促進(jìn)自來(lái)水中溶解CO2的析出，使自來(lái)水的pH上升。

三、電磁阻垢的影響因素

電磁場(chǎng)頻率

電磁水處理的阻垢性能與磁場(chǎng)頻率有很大關(guān)系。YANG等研究了高頻脈沖電磁場(chǎng)的阻垢作用，發(fā)現(xiàn)脈沖頻率對(duì)電磁場(chǎng)在水溶液中的阻垢性能有較大影響，根據(jù)脈沖頻率的不同，電磁場(chǎng)可以起到阻垢作用，也可以起到促進(jìn)結(jié)垢的作用。當(dāng)脈沖頻率和氫鍵共振頻率接近時(shí)，電磁場(chǎng)主要起到阻垢作用；當(dāng)脈沖頻率和結(jié)垢顆粒的共振頻率接近時(shí)，電磁場(chǎng)則主要起到促進(jìn)結(jié)垢的作用。即具有適當(dāng)頻率的脈沖電磁場(chǎng)可以起到較好的阻垢作用。另外，由于成垢水溶液是一個(gè)復(fù)雜的多相體系，在電磁處理過(guò)程中，水溶液的各種參數(shù)不斷變化，有學(xué)者認(rèn)為掃頻電磁場(chǎng)能達(dá)到更好的阻垢效果。DOOSTI等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頻率為20~80 kHz時(shí)，隨著電磁場(chǎng)頻率的提高，電磁場(chǎng)的阻垢性能提高。

電磁場(chǎng)方向

電磁水處理裝置一般分為平行式和正交式兩種，目前，多數(shù)研究采用的是正交式，且取得了較好的抑垢效果。LIPUS等研究發(fā)現(xiàn)，垂直于水流方向的阻垢效果明顯優(yōu)于水平方向，且交變方向的磁場(chǎng)較單一方向的具有更好的阻垢性能。GLIAN等通過(guò)有限元軟件仿真分析，證明垂直水流方向的加磁方式，更適合用于處理大容量水流。蔣文斌等設(shè)計(jì)制作了電磁處理裝置，使磁場(chǎng)方向與水流方向垂直，平均阻垢率達(dá)到55%~65%。

電磁水處理的記憶效應(yīng)

經(jīng)電磁處理的水溶液，其物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了一定改變，也具有了一定的阻垢性能。當(dāng)電磁場(chǎng)消失時(shí)，上述變化還會(huì)保留一段時(shí)間，這稱為磁處理的“記憶效應(yīng)”。MAHMOUD等證明電磁水處理會(huì)產(chǎn)生“記憶效應(yīng)”，發(fā)現(xiàn)處理后水的阻垢性能可以維持約72小時(shí)。WANG等研究發(fā)現(xiàn)，電磁處理可以使水溶液具有磁記憶效應(yīng)，記憶時(shí)間約78小時(shí)。DENG等的研究結(jié)果也表明，暴露在磁場(chǎng)中的水具有飽和記憶效應(yīng)，磁場(chǎng)處理可以使水在一定時(shí)間內(nèi)保持磁處理特性。上述研究都表明，電磁處理后的水溶液，在磁場(chǎng)消失后仍可維持某些特性。但有關(guān)電磁處理“記憶效應(yīng)”的形成原因，還有待進(jìn)一步的探討。

四、電磁處理的阻垢機(jī)理

1、洛倫茲力作用機(jī)理

根據(jù)洛倫茲力作用機(jī)理，在電磁場(chǎng)作用下，水中的成垢物質(zhì)可以加速成核，但成垢顆粒的繼續(xù)長(zhǎng)大會(huì)受到抑制。當(dāng)水溶液受磁場(chǎng)作用時(shí)，水溶液中的帶電離子（如Ca2+和CO32-）被約束在磁力線周圍，使得這兩種離子相互撞擊的幾率增大并加速了CaCO3的成核過(guò)程，而在這種快速成核情況下生成的碳酸鈣晶體是不穩(wěn)定的，多呈現(xiàn)文石或球霰石結(jié)構(gòu)。另外當(dāng)水通過(guò)電磁場(chǎng)時(shí)，水同時(shí)做著切割電場(chǎng)線和磁場(chǎng)線的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使水分子的偶極矩和極性增大，即電磁場(chǎng)限制了極性水分子的運(yùn)動(dòng)，將快速生成的CaCO3微小晶粒束縛在溶液中，從而抑制了CaCO3晶粒的繼續(xù)長(zhǎng)大，導(dǎo)致水中微小的CaCO3晶粒增多，但穩(wěn)定性減弱，使其不易附著于管壁而達(dá)到阻垢的目的。

2、氫鍵斷裂機(jī)理

在自然條件下，水分子通過(guò)分子間的氫鍵締合為分子團(tuán)簇。在電磁場(chǎng)作用下，這些水分子團(tuán)和水中的成垢顆粒發(fā)生持續(xù)性的振動(dòng)。當(dāng)水分子的振動(dòng)頻率等于或正比于電磁場(chǎng)的振動(dòng)頻率時(shí)，便產(chǎn)生了共振，使得一些水分子團(tuán)發(fā)生變化。在電磁場(chǎng)作用下，磁場(chǎng)提供的能量使價(jià)電子重新定向，導(dǎo)致締合水分子重新排列，改變了氫鍵的形狀，使其發(fā)生扭曲和彎曲，甚至部分氫鍵發(fā)生斷裂，或改變氫鍵的強(qiáng)度或角度。一般來(lái)說(shuō)，磁場(chǎng)梯度、磁場(chǎng)方向、磁處理時(shí)間、水溶液流速等均可對(duì)氫鍵產(chǎn)生擾動(dòng)，從而改變水的物理化學(xué)性質(zhì)，降低水的表面張力，增大成垢物質(zhì)在水中的溶解度，可起到阻垢目的。

3、晶體轉(zhuǎn)換機(jī)理

碳酸鈣晶體主要有三種晶型：方解石、文石和球霰石。方解石型碳酸鈣具有菱形的立方體晶體結(jié)構(gòu)；文石型碳酸鈣具有長(zhǎng)度和直徑相對(duì)較大的斜方體晶體結(jié)構(gòu)，通常呈針狀或柱狀；而球霰石碳酸鈣大多具有六方體結(jié)構(gòu)，通常呈球形。文石型和球霰石在熱力學(xué)上較為不穩(wěn)定，在水環(huán)境中一般會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的方解石。但方解石型碳酸鈣在換熱面沉積通常會(huì)形成致密的硬垢，不易去除；而文石和球霰石通常形成易清除軟垢，危害性較小。研究發(fā)現(xiàn)，在電磁場(chǎng)作用下，水中的碳酸鈣晶體通常以文石和球霰石的形式存在，即電磁處理通過(guò)改變碳酸鈣的晶型來(lái)達(dá)到阻垢的目的。

五、電磁處理對(duì)水中金屬腐蝕行為的影響

對(duì)水中金屬的腐蝕促進(jìn)作用

而非鐵磁性金屬，在磁場(chǎng)作用下，水中氫鍵會(huì)發(fā)生部分?jǐn)嗔眩瑫r(shí)由于氫鍵被破壞，水分子間相互作用力減弱，水的黏度和表面張力系數(shù)減小。磁場(chǎng)作用同時(shí)提高了水的pH和電導(dǎo)率，水物理、化學(xué)性質(zhì)的改變一般會(huì)加速金屬腐蝕。而且電磁場(chǎng)可以促進(jìn)非鐵磁性金屬發(fā)生腐蝕時(shí)的傳質(zhì)過(guò)程，加快溶液中侵蝕性的氧氣分子、氯離子等的擴(kuò)散速率，使金屬表面的腐蝕溶解速率增大，并增加金屬的點(diǎn)蝕風(fēng)險(xiǎn)，從而降低非鐵磁性金屬在溶液中的耐蝕性。

對(duì)水中金屬的腐蝕抑制作用

對(duì)鐵磁性金屬，磁場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)梯度力，該力作用在順磁性金屬上可使順磁性的腐蝕產(chǎn)物更好地吸附在金屬表面，形成一層較為致密的保護(hù)膜，有效抑制金屬腐蝕。ZHAO等發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)處理對(duì)碳鋼腐蝕可產(chǎn)生影響，在磁場(chǎng)作用下，點(diǎn)蝕坑內(nèi)會(huì)形成磁場(chǎng)梯度力，而最大的磁通密度位于點(diǎn)蝕坑的邊緣。該磁場(chǎng)梯度力作用于順磁性材料，可吸引具有順磁性的侵蝕性離子轉(zhuǎn)移到點(diǎn)蝕坑的外部，以減緩點(diǎn)蝕的發(fā)生。在碳鋼的電化學(xué)腐蝕過(guò)程中，磁場(chǎng)可以通過(guò)洛倫茲力效應(yīng)來(lái)抑制電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程，這種抑制作用產(chǎn)生的主要原因是磁場(chǎng)通過(guò)對(duì)電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程的控制和鐵磁性離子的吸附影響了碳鋼表面中間產(chǎn)物的形成，磁場(chǎng)預(yù)處理可能會(huì)為海洋環(huán)境中金屬防腐蝕提供一種新技術(shù)。李嘯南等在某油田作業(yè)區(qū)注水管線上開(kāi)展了電磁防腐蝕試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在電磁防腐裝置運(yùn)行后，管線金屬的腐蝕速率下降了1038倍。另外研究還發(fā)現(xiàn)，電磁處理可以降低水中的氧氣含量，從而減緩金屬的耗氧腐蝕，同時(shí)金屬表面的腐蝕產(chǎn)物與電磁場(chǎng)提供的微弱電子流發(fā)生反應(yīng)，可生成常溫下較為穩(wěn)定的Fe3O4，也對(duì)金屬有一定保護(hù)作用。

六、總結(jié)與展望

電磁水處理屬于物理水處理技術(shù)，利用電磁處理進(jìn)行工業(yè)冷卻水的阻垢和腐蝕控制，具有操作方便、投資少、運(yùn)行費(fèi)用低、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用前景。電磁水處理可以改變水溶液的物理化學(xué)性質(zhì)，如降低成垢溶液的Zeta電位，提高溶液電導(dǎo)率和pH，破壞部分水分子間氫鍵。電磁水處理通過(guò)洛倫茲力作用加快成垢物質(zhì)的成核過(guò)程、使碳酸鈣等成垢物質(zhì)晶型從方解石轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰赘街奈氖颓蝣笔?、促進(jìn)水分子間氫鍵斷裂以提高成垢物質(zhì)溶解度等機(jī)制而起到阻垢作用。同時(shí)電磁水處理還對(duì)金屬腐蝕行為造成影響，電磁場(chǎng)導(dǎo)致的水的表面張力系數(shù)減小和電導(dǎo)率升高使非鐵磁性金屬的腐蝕速率加快；但對(duì)鐵磁性金屬，電磁水處理可以使金屬表面形成致密性腐蝕產(chǎn)物膜，反而抑制了鐵磁性金屬的腐蝕。對(duì)鐵磁性金屬如鋼鐵，可以通過(guò)電磁處理進(jìn)行腐蝕控制。目前，對(duì)電磁水處理的作用機(jī)理研究主要以定性為主，定量研究較少，在對(duì)電磁處理的“記憶效應(yīng)”、對(duì)氫鍵的影響機(jī)制、電磁處理的阻垢緩蝕機(jī)制等方面的研究還不完善，甚至存在不同觀點(diǎn)。因此，加強(qiáng)電磁水處理的基礎(chǔ)理論研究，建立和完善電磁處理的阻垢緩蝕理論模型，對(duì)工業(yè)中電磁水處理的進(jìn)一步應(yīng)用有重要意義。

七、夢(mèng)能服務(wù)與支持

1、免費(fèi)樣品

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3、服務(wù)團(tuán)隊(duì)

夢(mèng)能對(duì)技術(shù)服務(wù)團(tuán)隊(duì)始終進(jìn)行一系列的標(biāo)準(zhǔn)化管理，從專業(yè)培訓(xùn)到日常報(bào)告的管理都有一整套完善的體系。夢(mèng)能公司每年都會(huì)對(duì)技術(shù)服務(wù)人員進(jìn)行定期的技術(shù)培訓(xùn)和能力審計(jì)，以使每一位技術(shù)服務(wù)人員保持高水準(zhǔn)的專業(yè)素質(zhì)，每一位技術(shù)服務(wù)人員都配備先進(jìn)的涂裝檢驗(yàn)儀器，儀器設(shè)備均按規(guī)定的時(shí)間期限進(jìn)行定期校驗(yàn)，以保證每套儀器設(shè)備工作狀況良好。

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