超强永磁场处理对钢铁工业循环水pH值影响的研究

李东魁，姜丽丽，左海滨，谭赞林

（1.北京科技大学 冶金与生态工程学院，北京 100083；2.包头师范学院 信息科学与技术学院，包头 014030；3.深圳市怡天磁性材料有限公司，深圳 518066）

0 引言

大多数钢铁厂的循环冷却水系统，由于热负荷较高，冷却水在水冷构件内有过热现象，防垢、防腐蚀成为突出问题[1～3]。循环冷却水的水质对高炉等冶金设备的寿命也有重要影响[4,5]。

工业循环水质的变化可通过监测基本检测指标来实现，循环水的基本监测指标可选择为：水温、pH值、SS、总硬度、总碱度、TP、叶绿素a和浓缩倍数[6～8]。

在工业生产实际中，磁场处理循环水用于阻垢、防垢、防腐蚀方面已经取得显著效果[9～11]。实验室的研究表明，磁场处理引起了水的物理特性的变化[12,22～29]；磁场处理工业循环水的模拟实验表明，循环水的pH值随磁场强度和循环水的速度变化而呈现一定的规律性[13～15]，邢晓凯[16]等指出溶液pH值与碳酸钙结构有重要影响。

本文研究，利用超强永磁场循环水模拟处理设备，在超强永磁场强度、循环水溶液、液体流动速度变化的情况下，循环水溶液pH值变化规律，从而为进一步研究磁场处理对水质影响的变化规律，并为在防垢、除垢、防腐方面应用奠定基础。

1 实验

1.1 实验设备和测量仪器

实验设备如图 1 所示，其中核心为超强永磁场可调设备，是具有开闭磁路的超强永磁设备，磁场方向与循环水流动方向垂直。该设备的磁场工作面与水管管壁接触足够大，有足够的磁通量穿透管壁使水活化，该设备从运输到安装前都处于无磁状态，安装完毕才由密码锁转到工作状态。

1）深圳市怡天磁性材料有限公司生产超强永磁场可调设备（YT-CQY-0702），磁场强度变化范围：300Gs～34000Gs；1Gs=10-4T；

2）Mettler-Toledo公司产Delta320pH计，具有温度补偿功能；

3）温度计；

4）实验用水为自来水；实验用药品为氯化钙（分析纯）与碳酸钠（分析纯）；

5）乐清市奥特仪表有限公司生产的数显温度调节仪。

图1 超强永磁场循环水处理模拟装置

1.2 实验方法和步骤

1.2.1 循环水为自来水

1）实验方案

磁场强度分别选取：300 Gs，7000 Gs，17000 Gs，26500 Gs和34000Gs；实验中水流速度分别为：0.6m/s 、1.2m/s和2.3m/s。pH计进行校准。记录磁场强度、水流速度、取样时刻、pH值和水的温度。

2）实验过程

取自来水30L加入水箱中；确定循环水流速0.6m/s；确定场强300Gs；取第一次水样；准确记录实验开始水温、取样时刻。实验开始起，每间隔1h取样一次，每次取200ml（100ml用于滴定总碱度，另100ml滴定钙浓度），每个水样分别测水温、pH值；冷却12h后，再测水温、pH值。把模拟设备中处理过的循环水放掉，清洗模拟设备；清洗取样瓶；再取30L自来水加入到模拟设备的水箱中，确定磁场强度为7000Gs，重复前述过程；直到需要的各种磁场强度下实验完成；然后变化循环水速度，再按照以上过程完成各磁场强度下的实验为止。

1.2.2 循环水为工业仿真溶液

实验方案同1.2.1，不同的是需要配置循环水溶液，配置过程如下：称取2.22 g 碳酸钠溶于20 L 的水中，使其混合均匀，加入水箱中，再称取6 .24 g氯化钙溶于10 L水中，倒入水箱中，使其充分混合。

取水样过程为：先取200 mL 的循环水测pH值，调节磁场强度和水流速度，设备运转后，每隔 1.5 h 取 200 mL 的水溶液测pH 值，共取6个水样。所有水样取完之后放置12 h，再次测量上述指标。再次试验时，调节水速和磁场强度，重复上述过程。

2 实验结果和分析

2.1 实验数据

循环水为自来水时的实验数据见表1，循环水为配制水溶液时的实验数据见表2。

2.2 实验数据处理

可疑数据利用迪克逊（Dixon）检验法[18]处理，计算机编程进行检验，标*的为偏离值、标**的为离群值。

表1 循环水为自来水时在不同磁场强度和时间下测得的pH值

表2 循环水为配置水溶液在不同磁场强度和时间下测得的pH值

在表1、表2中，去掉包含离群值数据的行，利用统计软件OriginPro8 SR1进行二因素无重复方差分析，并对数据进行拟合。计算机配置为：CPU 为：Genuine Intel(R) CPU T1400@1.73GHz，1.73GHz，1G内存；操作系统为Windows XPProfessional XP3。

表3 两因素方差分析结果

方差分析结果[19]见表3。

2.3 pH值与循环水速度、时间和磁场强度关系

2.3.1 循环水为自来水

当水流速度0.6m/s时，时间和磁场强度对pH值有显著影响。磁场对循环水的处理时间越长，pH值增加值越大；磁场强度是26500Gs时，磁场强度对pH值增长的影响最大。

当水流速度1.2m/s时，时间和磁场强度对pH值有显著影响。磁场对循环水的处理时间越长，pH值增加值越大；磁场强度是26500Gs时，磁场强度对pH值增长的影响最大。

当水流速度2.3m/s时，时间对pH值有显著影响，磁场强度对pH值有影响。磁场对循环水的处理时间越长，pH值增加值越大；磁场强度是17000Gs时，磁场强度对pH值增长的影响比较大。

循环水为自来水时pH值与时间的定量关系见表4。

2.3.2 循环水为配制溶液

循环水速度为0.6m/s，时间和磁场强度对pH值影响，处理时间对pH值变化没有影响；磁场强度变化对pH值有显著影响。磁场强度是26500Gs时，磁场强度对pH值减少的影响最大。

循环水速度为1.2m/s，时间和磁场强度对pH值影响，处理时间和磁场强度对pH值变化有显著影响；处理时间为6h，pH值下降最多；磁场强度是34000Gs时，磁场强度对pH值减少的影响最大。

表4 自来水pH值与时间的关系

表5 配制水pH值与时间的关系

循环水速度为2.3m/s，时间和磁场强度对pH值影响，处理时间和磁场强度对pH值变化没有显著影响。

循环水为配制溶液时pH值与时间定量关系见表5(表中只给出了在给定磁场强度下，pH值与时间具有较好定量关系的曲线方程)。

2.3.3 循环水速度与磁场强度对pH值的共同影响

循环水为自来水时，构造速度、磁场强度和pH值关系，两因素等重复试验方差分析[20]，结果见表3。在循环水速度为1.2m/s、磁场强度为26500Gs的时候，pH值增加的幅度最大。

循环水为配制溶液时，构造速度、磁场强度和pH值关系，两因素等重复试验方差分析，结果见表3。在循环水速度为0.6m/s、磁场强度为26500Gs的时候，pH值下降的幅度最大。

3 作用机理

天然水中的碳酸化合物主要来自空气中二氧化碳的溶解、岩石矿物中碳酸盐、重碳酸盐的溶解、水中动植物的生命活动以及水中有机物的生物氧化等[18]。水中的碳酸化合物有四种存在形态：溶于水的二氧化碳气体、溶于水的分子态碳酸、碳酸氢根和碳酸根。在水溶液中，存在着以下几种化学平衡：

如果水中碳含量固定，在达到平衡时三种类型的碳酸量应在碳酸物总量中占有一定比例，该比例取决于溶液的pH值；在低pH值区间内，溶液中只有CO2+H2CO3，在高pH值区间内只有C，而HC在中等pH值区间内占绝对优势；三种碳酸在平衡时的浓度比例与溶液pH值有完全相应的关系。水与空气之间有CO2交换，水中碳酸物总量有同样数量的增减，引起的变化则是pH值的改变，而溶液的总碱度保持不变。这时溶液中碳酸平衡可能发生的变化是2 HC= CO2+H2O+C当向水中加入CO2时有一部分C转化为HCO3，而CO2从水中脱出时，有一部分HCO3-转化为C，由于这种转换是等当量的，总碱度数值保持不变。在pH值小于8.34范围内，向水中增加CO2，pH值降低；水中CO2脱气时，pH值增加。

Fathia, Kneya 和 Pang 等人[25～29]应用非线性理论和方法, 并结合一些实验结果, 提出了水的磁化的机理和理论。这一理论认为在水中存在具有1.8Dabye 偶极矩的水分子，通过氢键组成了一些链状和环状的氢键水分子链的团簇结构。按照被实验证实了的质子(氢离子)在氢键系统中的传导理论，在这些氢键分子链中也存在质子的传递，在外加磁场作用时，处于环形氢键链中的质子在磁场的洛仑兹力的作用下能形成环形电荷传导，从而形成了像磁体中的“分子电流”，则在它们之间或它们与外加磁场之间存在的相互作用使得这些水分子的分布和自身特性改变，从而引起了水的性质如光学特性和电磁特性的改变。

磁场处理自来水以及碳酸钠与绿化钙配置的水溶液时，水中的一些水分子长链或团簇的极化和分布状态等在磁场处理后都发生了改变，从而在循环水是自来水的情况下，促进了CO2的脱气，自来水pH值升高；当循环水为碳酸钠与绿化钙配制的水溶液情况下，促进了CO2溶解，PH值降低[15,20,21]。

4 结论

磁场对以一定速度和磁场方向正交的循环水和配制水溶液的pH值产生了影响。当循环水是自来水的情况下，随着磁场处理时间增加，pH值呈直线上升；水流的速度和磁场强度对pH值有交互影响；水的循环速度为1.2m/s，磁场强度为26500Gs时，pH值增加幅度最大。当循环水是配制的水溶液情况下，随着磁场处理时间的增加pH值先下降，以后出现缓慢上升趋势；速度和磁场强度有交互作用，当循环水的速度为0.6m/s和磁场强度为26500Gs的时候，pH值下降的幅度最大。实验结果对磁场用于控制钢铁工业循环水的水质，从而实现防腐、防垢具有参考价值。

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