流速對磁場阻垢效果的影響.docx

1、第26卷第5期工業(yè)水處理2006年5月IndustrialWaterTreatmentVol.26No.5May,2006試驗研究流速對磁場阻垢效果的影響李陳，朱國棟，茍華剛，李杰（同濟大學(xué)物理系環(huán)境物理研究室，上海200092）摘要利用雙道的實時監(jiān)測系統(tǒng)，通過監(jiān)測碳酸竊過飽和溶液中的pH和Ca2,濃度在析晶過程中的變化.系統(tǒng)的研究了不同流速下磁場的阻垢效果。準確、可重復(fù)的試驗數(shù)據(jù)表明，磁場對碳酸鈣過飽和溶液有阻垢效果并且不同流速下磁場的阻垢效果不同°同時試驗結(jié)果還表明在磁處理時間恒定的條件下，在06m/s的流速范圍內(nèi)，溶液通過磁場的流速越高磁處理的阻垢效果越強。關(guān)鍵調(diào)流速；阻垢；碳

2、酸鈣；磁處理中圖分類號-I1J991.27；0646文獻標(biāo)識瑪A文章編號1005-829X(2006)05-0018-03EffectofmagneticfieldontheantiscaleoftheCaCO3solution:astudyofflowrateLiChen,ZhuGuodong,GcuHuagang,LiJic(EnvironmentResearchGroup,PhysicsDepartment,TongjiUniversitytShanghai200092,China)Abstract：TheeffectofmagneticfieldontheCaC03precipitat

3、ionwithdifferenttreatedflowrateshasbeenstudiedwiththesystemwhichcouldmeasurethepHandtheconcentrationofCa2+ofthesupersaturatedcalciumcarbonatesolution.Thequantitativeexperimentaldatarevealthatthescalecouldbereducedwiththeeffectofmagnetictreatmentandtheeffectoftheantiscaleindifferentflowrateisdifferen

4、tInconstantexposuretimeandwithinourconcernedvelocityscopeintherangeof06m/s,thehigherflowrate；thebettereffectonantiscale.Keywords:flowrate；antiscale;calciumcarbonate；magnetictreatment基金項目】國家自然科學(xué)基金資助項目（59738150）工業(yè)冷卻水系統(tǒng)中，水垢是普遍存在的現(xiàn)象，且造成了巨大的經(jīng)濟損失。現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用含磷化學(xué)阻垢劑來阻止水垢的生成，怛其廢水的排放造成了嚴重的環(huán)境污染。為此，人們一直致力于開發(fā)“綠

5、色”阻垢劑和阻垢技術(shù)C磁處理技術(shù)由于其無污染等優(yōu)點亦一直受到人們的普遍關(guān)注。磁場阻垢技術(shù)的應(yīng)用已有一百多年的歷史，大雖的工業(yè)實踐表明磁處理有明顯的阻垢效果C例如：J.I）.Donaldson報道，使用IIDL磁處理器件經(jīng)過磁場處理大約六個月后管壁上沉積的水垢明顯減少，最終基本完全消失。其他許多國際知名的磁處理器件的生產(chǎn)商（如Polar.CEP1等）也都明確聲稱磁處理有明顯的阻垢效果。在實驗室和機理研究中，同樣也有許多研究報道肯定了磁處理的阻垢效果°在有大匿肯定磁處理阻垢效果報告的同時，卻有同樣大最否定磁處理效果的報道°例如,G.J.C.Limpert等把經(jīng)過磁處理與未經(jīng)磁處

6、理的溶液通過相同的管道，對磁處理器件進行了長達36個星期的測試，發(fā)現(xiàn)兩個相同管道上沉積的水垢的厚度沒有明顯的區(qū)別。對于這些相互矛盾的報道和實驗數(shù)據(jù)，許多研究者認為是由于實驗條件的不同以及所使用的磁處理器件的不同造成的°同時大成的現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)也都是由各個磁處理生產(chǎn)廠商提供的，并且這些生產(chǎn)廠商并沒有給出磁處理器件的具體參數(shù)，然而參數(shù)卻對磁處理阻垢效果有著不可忽略的影響°因此，就各個參數(shù)對磁處理阻垢效果的影響進行準確、可重復(fù)的研究，對于磁處理技術(shù)在水處理中的推廣應(yīng)用來說，意義非常重大。根據(jù)文獻報道，影響磁處理效果的因素和參數(shù)有很多，例如：磁場強度、pll、流速以及磁處理時間等玷）

7、。對F給定的磁處理器件，其磁場強度和磁場類型大多不可改變c因而諸多因素中我們最容易控制的就是流速和磁處理時間。因此，我們從各種影響因素中首先選取了流速作為研究對象，來考察其對磁處理阻垢效果的影響。筆者根據(jù)CaCO3溶液中的水化學(xué)平衡理論建立了雙道實驗測最系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實時定址地監(jiān)測兩杯溶液中各離子組分的變化情況，從而在相同的條件卜對比磁處理的阻垢效果。采用Ca2選擇電極直接監(jiān)測在碳酸鈣整個析晶過程中溶液中CaCO,晶體的沉降速率，從而精確、可重復(fù)的研究了流速對磁場阻垢效果的影響。I實驗系統(tǒng)和方法實驗中配制CaC03過飽和溶液的方法是用去高子水分別配制相同濃度的CaCl2溶液和Na2CO3溶液

8、，取其中一種溶液，以不同的流速經(jīng)磁場處理相同的時間后，取100mLCaCl2(Na2CO3)溶液與Na2CO3(CaCl2)溶液充分混合。實驗中所用藥品均為分析純，去高子水電導(dǎo)率小于0.005mS/cmo實驗中使用pH/ISE測試儀測量溶液的pH和濃度，實驗前用標(biāo)準緩沖液進行校正。C電極在實驗前也用標(biāo)準緩沖液標(biāo)定校正。采用流量閥控制磁處理的流速，使其在06m/s內(nèi)可調(diào)，從流量計可以讀取磁處理的流速。實驗過程中溶液置于恒溫水浴中，溫度控制在(25±1)弋,溶液磁處理時間均為15min,并控制溶液的初始pH為8.5。外加處理磁場采用恒磁場，磁場強度為0.2T,磁場方向與水流方向正交。2實

9、驗結(jié)果和討論2.1磁處理效果驗證實驗通過直接監(jiān)測溶液中CaCO3的析晶速率就可以鑒別處理陰、陽離子的磁場阻垢效果。結(jié)果見圖1。5.45.0464.23.83.43.0經(jīng)過豪處理未經(jīng)豪處理gig,"o50100150200酎間/min用肉子(C)處理效果對比圖1磁處理效果驗證圖la為經(jīng)磁處理陽離子(Ca2*)與未處理的阻垢效果對比圖，圖lb為經(jīng)磁處理陰離子(CO、')與未處理的阻垢效果對比圖,>如圖la所示，我們以3m/s的流速處理CaCh溶液，與未處理的溶液進行比較，約30min后，未處理的溶液中Ca?濃度從5mmol/L卜降至4.2mmol/L；磁處理的溶液中Ca&a

10、mp;濃度基本不變。在整個實驗過程中磁處理的溶液中C&2濃度變化約為0.4mmol/L,未處理的溶液中Ca?+濃度變化約為1.4mmol/L。由上述定量數(shù)據(jù)分析明顯地表明：經(jīng)過磁場處理以后CaCO3的析晶速率變慢，磁場有明顯的阻垢效果。此外，未經(jīng)磁處理的溶液在大約30min后就可以用肉眼觀察到溶液變渾濁；而經(jīng)過磁處理的溶液在約3h后實驗結(jié)束時仍未觀察到明顯的渾濁現(xiàn)象°對陰離子(用Na2CO3溶液)處理效果與陽離子(用CaCh溶液)的阻垢效果相同c可見，在我們的實驗條件R處理陰、陽離子均有明顯的阻垢效果。2.2不同流速對碰處理效果的影響同樣的，以不同的流速處理陰離子(用Na2C

11、O3溶液)的阻垢效果的變化趨勢同處理CaCl2溶液的完全相同：流速較高時磁處理的阻垢效果較好，見圖2。圖3為四種不同流速以及空白實驗的對比數(shù)據(jù)。我們測雖了CaCh溶液以四種不同流速流經(jīng)磁處理器的阻垢效果。由圖3曲線比較可知：當(dāng)流速為約5.88m/s時，其對應(yīng)溶液中的CaC03沉降最緩慢；并旦隨著流速的降低，其對應(yīng)溶液中的C&CCh沉降也越來越迅速；未經(jīng)磁處理的溶液中CaCO3沉降最迅速。對處理陰離子的效果，我們亦得到相同的結(jié)論。實驗結(jié)果清楚地表明：磁處理有阻垢效果，并旦隨著流速的升高，磁處理的阻垢效果越強。2.3實驗結(jié)果討論在我們的實驗條件R可重復(fù)的、定域?qū)嶒灁?shù)據(jù)(«)不同渡

12、速下建處理陽胃于電垢效果對比(5不同液速batt理陰肉子阻垢效果對比圖2不同流速下磁場阻垢效果比較3.0050100150200時間/min圖3四種流速下對陽離子的磁處理效果比較清楚地表明：在溶液流速06m/s范圍內(nèi)，磁處理的流速越高，磁處理阻垢效果越好。與我們的實驗數(shù)據(jù)不同的是許多文獻中報道存在“最佳流速”。例如.Polar公司報道其磁處理器件的最佳流速為1.53.0m/s。J.K.Klans的研究結(jié)果亦表明磁處理存在最佳流速(8)。謝偉明通過對CaCOj的析晶動力學(xué)過程的研究，也發(fā)現(xiàn)存在最佳流速。需要強調(diào)的是以上文獻報道中所使用的磁處理系統(tǒng)均為單循環(huán)系統(tǒng)。這種實驗系統(tǒng)磁處理的時間與磁處理的

13、流速可能有著-定的依賴關(guān)系。即磁處理流速越快，則磁處理時間就越短。根據(jù)我們的實驗結(jié)果，我們認為最佳流速是由于不同流速情況下造成溶液與磁場的接觸時間不同造成的。磁處理流速越高，磁處理時間就越短；磁處理流速降低，磁處理時間也就隨之變長°據(jù)有關(guān)文獻報道，磁處理的時間越長，磁處理的效果越好(心氣所以，流速增加使得磁處理的阻垢效果增加的同時，相應(yīng)的磁處理時間減短，從而乂降低了磁處理的阻垢效果c在這一意義上，由于參數(shù)的選擇不同可能導(dǎo)致出現(xiàn)最佳流速°3結(jié)論我們建立雙參數(shù)的實驗測域系統(tǒng)，可直接監(jiān)測溶液中Ca2濃度的變化，用以評定不同流速下的磁場的阻垢效果。在我們的實驗條件下，在定的流速范闈

14、內(nèi)(06m/s),不同的流速導(dǎo)致了不同的磁場阻垢效果;并且流速越高，磁場阻垢效果越好。，考文獻】陸柱，陳中興，蔡蘭坤，等.水處理技術(shù)M.上海：華東理工大學(xué)出版社：2000：2-7.2 DonaldsonJD.MagnetictreatmentoffluidsJ.Brewers'guardian,1990(7):20-24.3 JohnSB.SimonJJ.MagneticameliorationofscaleformationJ.Wat.Res.1996,30(2):247-260.L4JL»mpertGJC,RaberJLTeatsofnonvhemicalscalecon

15、troldevicesinaoncethmngh*yutcmJJ.Mater.Perform.,1985(24):40-45.5 l)ala8E,KoutsoukosPG.Theeffect</magneticfieldsoncalciumcarbonatescalefoanationJJ,Cryst.Growth,1989,96:802-806.6 (»HbneUiC.MagneticwaterIrralmentforscalepreventionJ.Wat.Res.2OO1,35;3249-3259.7LoewenthalRE,MaraisGVR.CarbonatechemistryofaquaticsyMtems:Voll：TheoryandapplicationM|.Michigan：AnnArborSciencePublisher,lnc.,l978：5-12.8KlansJK.Experimentalevidenceforcffeclj*ofmagneticfieldsonmovingwaterJJ.AMrxnHtionsonmagnetics,1985,21(5)：2059-2061.9Ji»偉明.威化水阻垢技術(shù)研究J.水處理技術(shù),1990,16(2)：!-5.10羽漫，陸柱.碳酸鈣結(jié)晶過程的動力學(xué)研究JJ.精細化工，