防垢和除垢一直是給水系統(tǒng)的重要研究課題，每年用于垢的清洗和結垢引起的熱損失消耗的資金達百億美元�，F在最常用的防垢方法是投加化學試劑，但易產生二次污染且污染環(huán)境。自1945 年T. Vermeriren 發(fā)現“磁化水”可以減少鍋爐水垢的生成后，水磁處理防垢技術得到了較廣泛的研究與發(fā)展。在國外，磁處理裝置被廣泛用于工業(yè)與民用給水系統(tǒng)的防垢、除垢、殺菌、防腐等。我國的磁防垢、除垢技術在各大油田、煉油廠和鋼鐵冶金廠的換熱器、工業(yè)鍋爐系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、空壓機冷卻水系統(tǒng)中得到應用，并取得了顯著效益。近年來，國內外相關研究開始將磁處理與其他處理方法(化學藥劑、紅外輻射、超聲波等)結合使用來除垢和防垢。水磁處理防垢技術雖已被廣泛使用，但其效果一直存在爭議，主要是因為沒有一套完整的理論能對其防垢機理作出解釋，也無法從磁防垢機理出發(fā)提出磁防垢最佳條件及對磁處理器的結構、形狀、磁場等指導性建議。筆者分析了水磁處理防垢研究現狀并對其發(fā)展方向作了展望。
1 水磁處理防垢研究現狀
1.1 磁場對防垢效果的影響
磁場能引起水微觀多相結構的改變，很多學者一致認為，磁場能引起液體分子的內共振并誘發(fā)電偶極矩作用，使分子內部的鍵合發(fā)生變化或破裂，改變了分子構型; 磁場能在液體中引起附加磁矩和附加能量，這些附加量的綜合作用使抗磁性液體的內聚力減少，分子勢壘降低。這樣有利于水分子團的拆散，使水分子活性增強。Ran Cai 等研究了磁場作用對水的表面張力、黏度和水分子內氫鍵作用力的影響，得出磁場作用下水分子之間的氫鍵作用力增強，更多的水分子通過氫鍵聚集在一起形成更大的水分子簇，水分子活性降低。水分子結構的改變會導致水系統(tǒng)的電導、pH、表面張力、折射率、介電常數、黏度等物理化學性質的變化，最終造成了結垢過程的改變。因此通過研究不同磁場條件下水的結構、自由能、物理化學性質的變化，能更深刻地認識磁場對水結構和離子溶劑化等的影響，進一步了解水磁處理防垢機理。很多學者研究了磁處理作用下雜質離子特別是一些二價陽離子如Fe2+、Cu2+、Zn2+、Mg2+、 Si4+等對CaCO3 晶型結構的影響。L. Holysz等發(fā)現Fe2+、Mg2+、SO42-雜質離子存在時，無論是流動還是靜止狀態(tài)下磁場均能改變CaCO3 的ζ 電位、pH、沉淀速度等，只是離子種類不同導致改變的趨勢和大小不同，這些由雜質離子的水合熵決定，是磁場對水的結構和離子溶劑化等影響的結果。也有文獻報道了pH 對磁處理防垢效果的影響。柴天禹認為pH 對CaSO4 不敏感，對CaCO3 影響較明顯，當pH>8.5 時電磁場對CaCO3 防垢率有下降趨勢，同時Ca2+濃度對防垢效果影響很大。張寶銘等認為pH 在8 附近為宜，pH 過低或過高磁處理效果均不理想。
S. Raj 等比較了水在磁處理前后的紫外和熒光光譜，結果發(fā)現其特征吸收峰與臭氧、過氧化氫的特征吸收峰相似，認為這些臭氧和過氧化氫分別是水在兩磁極附近生成的氧化和還原產物。N. F. Bunkin 等用小角度激光衍射法檢測了排氣和沒排氣條件下無機鹽對水結構的影響，結果發(fā)現，在沒排氣條件下氯化鈉和乙酸鈉對水的結構有影響，而在排氣條件下則檢測不到水的結構變化。P. K. Weissenhorn等〕指出水中溶解的以微小氣泡形式存在的微量氣體對水的物理化學性質的作用遠遠超過人們想象，因此，就氣-液界面的變化是否改變水的團聚大小和反應活性、在磁場作用下產生的活性氧和氫對整個水系統(tǒng)的性質有何重要影響等問題進行研究，將是未來研究的熱點。
1.2 磁處理對CaCO3、CaSO4結晶過程的影響
磁場能影響結垢物質的成核速率、晶體大小和數量。有學者認為〔13, 14〕CaCO3 溶液中的CaCO3 結晶過程非常復雜：(1)水化Ca2+和CO32-相互作用，生成 CaCO3 球形分子;(2)相互較松散連接的Ca2+-CO32- 離子對弱化了水殼層，無規(guī)則的脫水膠束不斷形成，在過飽和溶液中此過程更為復雜;(3)在攪拌或循環(huán)流動狀態(tài)下，進一步脫水導致CaCO3 固體顆粒的形成。在磁場作用下，水分子之間的相互作用力減弱， Ca2+和CO32-的水化半徑變小，更易生成CaCO3 球形分子，同時水分子活性增強，脫水過程更易完成，水中微晶增多，造成結晶狀態(tài)變化，形成疏松有紋理的結構，不易在鍋爐壁上結垢。R. Gehr 等研究了磁場作用下的飽和CaSO4 溶液，結果表明磁場作用下CaSO4 溶解度減小，CaSO4 更易沉淀下來，避免其在管壁上沉積。Y. Wang 等研究了磁場作用下 CaCO3 的快速結晶過程，結果發(fā)現在外加強磁場作用下，CaCO3 的成核速度大大提高，生成更多小尺寸晶體。H. E. L. Madsen通過實驗證實磁場加速了碳酸鹽、磷酸鹽等反磁性弱酸鹽的結晶過程。但另一些人對這一過程的研究得到了相反的結論，周開學等 采用磁矩相互作用簡化模型，定量計算了磁效應與外加磁場強度的關系，解釋了磁處理對CaSO4 型結垢的影響。計算結果表明，水分子之間的磁偶極相互作用勢能產生附加內聚力，會使第二級水化層中有更多的水分子與離子較牢固地結合起來，這樣就增大了離子的水化分子數，離子水化半徑也將增大。離子的水化作用越強，越難生成CaCO3 球形分子，同時水分子活性減弱，脫水過程更難，所以晶體成長更大，晶核數目越少。K. Higashitani 等也通過試驗得出其直接磁處理后硅水化層變厚，而且發(fā)現在磁處理后晶核數目減少。這完全相反的實驗結果可能是磁處理條件不同造成的，還有待進一步研究。磁場能改變成垢物質晶體的生長方向、形狀和大小。J. D. Donaldson提出，磁阻垢效應是帶電顆粒經過磁場時，磁場會改變顆粒表面的帶電性質從而改變晶體的成長過程，特別是某一特定生長方向，這就改變了晶體的形狀和大小。且?guī)щ娏Ｗ釉诖艌鲎饔孟逻\動產生的洛侖茲力也可能在磁阻垢方面起到協同作用。M. G. Mwaba 等研究了大磁場(4.75 T)對CaSO4 晶型的影響，結果表明在磁場作用下CaSO4 晶體在一定幾何面上具有更大的表面，CaSO4 晶體可能朝某一優(yōu)先方向生長，而有些方向則受到抑制。朝某一方向優(yōu)先生成的晶體可能更脆弱易被打碎沖走，也可能在容器中間發(fā)生凝聚而成為晶核成長中心，避免其沉積在容器或管壁上。磁場能改變CaCO3 晶體的晶型組成。CaCO3 的常見晶型為方解石、文石，其中文石有六方晶系和斜方晶系兩種晶型。在磁場作用下，致密、頑固的方解石晶型有向更軟、多孔、易溶的針狀斜方文石晶型轉變的趨勢。S. Kobe 等研究了磁場作用下的 CaCO3 重結晶過程，發(fā)現隨著磁場強度的增大文石結構的CaCO3 晶體比例不斷上升而方解石結構的CaCO3 晶體比例不斷降低。用從頭算法計算了文石和方解石的不同基態(tài)電子能量，得出文石的基態(tài)電子能量比方解石高28 eV，而文石的基態(tài)比方解石更穩(wěn)定，外加磁場剛好提供了方解石向文石轉變的動力學能量，這和文石結構的CaCO3 晶體在更高壓力和溫度下才能熔解的性質相一致。F. Myrian 等 認為磁場會改變CaCO3 的生成焓，在磁場作用下優(yōu)先生成斜方文石結構的CaCO3 晶體，它由處于亞穩(wěn)狀態(tài)的六方文石晶核轉變而成，呈針狀外形，較難附在容器底層，易被流動液體所沖走。
1.3 磁場對CaCO3沉淀ζ 電勢的影響
從膠體理論出發(fā)進行解釋，磁場之所以能改變碳酸鈣、硫酸鈣的成核速率、晶體大小和數量，是因為磁場改變了碳酸鈣、硫酸鈣膠體的ζ 電位和表面自由能。采用雙電層變形理論解釋磁水處理防垢機理，膠粒的ζ 電勢發(fā)生變化，使溶液本體中粒子聚集產生大量微粒，從而提供了預制晶核，這些晶核一方面降低了溶液的過飽和度，同時使溶液結晶能力增強，減少器壁上結垢的機會，形成軟泥。實驗發(fā)現 CaCO3 飽和溶液在磁場作用下CaCO3 膠粒發(fā)生凝結，表面積減小，其表面吸附的離子發(fā)生脫附重新回到溶液中，擴散層變薄，ζ 電勢下降。A. D. Kney 等〕 證實磁場對溶液中CaCO3 沉淀的影響主要在于磁場改變了水中固體顆粒的表面電荷和表面積，從而改變了CaCO3 的沉淀速度。L. Holysz 等對磁場作用下碳酸鈣的ζ 電位和表面自由能進行了深入研究，認為其變化是磁場改變了CaCO3 的表面電荷和水結構的結果。
1.4 磁作用參數的影響
磁處理器的形式多種多樣，根據產生磁場的方式可分為永磁和電磁，根據磁體與流體是否接觸分為浸入式與非浸入式，根據磁場方向與流體流動方向間的關系可分為正交式和平行式�，F有文獻報道的多為正交式設備，故目前的研究與應用中使用的多為正交式，至于產生磁場的方式及磁體是否與流體接觸似乎不重要。
磁處理的時間與次數是影響防垢效果和除垢的重要因素之一。通常磁處理一次的防垢效果較差，而循環(huán)作用的效果較好。J. S. Baker 等研究發(fā)現，即使在最佳的磁接觸條件下，磁處理一次后CaCO3 的結晶速率等不受影響。磁處理時間與水的流速緊密相關，因此磁處理存在最佳流速。有研究認為磁場強度與水流速的乘積有一恒定的最佳值，當磁處理器的磁場強時，其最佳流速就小，反之亦然。目前磁處理器選擇的流速為2 m/s 左右，但也有選擇較高的流速。
除磁場方向、作用時間和流體速度外,磁處理器的形狀和材料也是影響防垢效果的重要因素。如果磁場與流體磁場直接接觸，則操作過程中會產生雜散電流，并產生一些侵蝕產物，這可以是磁處理裝置的刻意設計或操作產物。有些磁處理器用鋅或鋁作為犧牲電極，其刻意產生鋅或鋁離子而形成鋅或鋁的氫氧化物。在沒有犧牲電極的情況下，一些離子膠體可以由磁處理器腐蝕形成，這些腐蝕產物可以影響結垢礦物的沉淀。J. Y. Gal 等研究發(fā)現磁處理器對流體造成的紊亂也是結垢的一個重要因素。流體的紊亂會使溶液脫氣加速，二氧化碳溶解量相應減少，影響溶液的pH 以及結垢速率。在適當條件下，磁處理能加速亞穩(wěn)狀態(tài)下膠體的絮凝，促進晶核生成，也會影響結垢速率。具體參見http://www.yiban123.com更多相關技術文檔。
2 水磁處理研究遇到的困難
雖然國內外學者、工程師在水磁處理防垢的基礎研究方面作了許多工作，提出了水磁處理阻垢機理的不同理論模型，對各種最佳應用條件進行了探索性研究，但仍然存在很多亟待解決的問題：(1)水磁處理防垢缺乏一套完整的能解釋實驗現象的理論;(2)現有理論不能很好地解決磁處理的“記憶效應”問題;(3)無法解釋磁化效果的多極值特征;(4)磁場能否使水分子發(fā)生相變，能否引起氫鍵斷裂、鍵角彎曲變形、活化能增大、水分子間作用力變小〔3〕，還沒有統(tǒng)一的實驗驗證，尤其缺乏定量的理論計算〔4〕;(5)由于磁防垢的機理至今還未得到解決，在磁處理應用中往往無法根據具體情況優(yōu)化磁化參數及使用條件。在某些應用實例中，由于參數選用不當導致磁效應不明顯甚至出現負效應，直接影響了該項技術的推廣和應用。
3 研究方向與發(fā)展趨勢
就目前而言，水磁處理防垢今后的重點研究方向和發(fā)展趨勢為：(1)了解磁場對膠粒表面吸附過程的影響及磁場對離子水化、離子活度系數的作用機理。(2)建立磁場對多組分電解質溶液熱力學參量的作用模型。只有從分子水平進行研究并取得突破，才有可能揭示磁防垢及磁處理其他效應的微觀機制，揭開磁化水的奧秘。(3)水溶液中成垢物質的飽和度、離子的種類與濃度、pH、磁場強度、作用時間、流速、溫度等因素對防垢效果的定量影響及相互間的定量關系很少報道，因此在磁處理應用設計過程中缺乏定量依據作指導，加強定量的基礎理論研究將是未來的重要發(fā)展方向。(4)因為磁場會引起氣-液界面性質變化，氣-液界面性質對膠體和生物系統(tǒng)產生何種影響是將來研究的熱點課題。(5)將磁處理阻垢技術與投加化學藥劑、紅外輻射、超聲波等技術相結合，以提高阻垢、防垢效果，并探討其協同作用機理的研究也是今后磁處理防垢技術應用研究的重點。
