磁场阻垢机理研究现状

赵 靖，张 仂

(中盐工程技术研究院有限公司，天津 300450)

1 前言

板式换热器在工业生产、农业生产及日常生活中得到广泛使用，但大多数换热器表面都不同程度存在着污垢问题。换热设备结垢一方面降低了传热率，增加燃料费；另一方面还会常常因局部过热或高温导致机械性能的下降，严重时还会引发生产事故。Surrey大学的Steinhagen教授调查发现90%以上的换热器存在不同程度的结垢问题[1]。控制结垢的方法一般有化学方法和物理方法。磁力防结垢技术属于物理法的一种，具有应用方便、投资少、运行费用低、无污染等优点，正日益引起人们的关注，具有广阔的应用前景。

由于水体的复杂性、实验条件的限制等多种原因，对于磁阻垢机理的深化研究比较困难，迄今为止没有统一的理论。国内外许多研究工作者在该领域进行了大量的试验研究，同时也提出了一些有价值的理论模型。

2 磁场阻垢理论

2.1 洛伦兹力理论

2.2 磁滞效应理论

水中的盐类分子和离子受磁场作用力产生磁滞效应，改变了盐类在水中的溶解能力(溶解度)，而使得盐类分子间的结晶性消失，阻碍了一些大晶体产生结晶[4]。

2.3 氢键断裂理论

自然条件下的水是通过分子间的氢键形成分子团簇形式，经电磁场作用后，这些不断振动的团簇结构、水中悬浮颗粒因磁感应而振动，当水分子的振动频率正好等于磁感应振动频率或成比例时，就会发生共振现象，导致一些分子簇团发生畸形、扭曲，甚至会造成破坏。经电磁处理后的水活性增强，增大了水垢的溶解度。

实验发现，具有极性原子的物质对磁场都有较高的敏感性。例如，由氢键缔合而成的液态水，磁场的微弱能量虽远小于氢键的键能，即不能破坏氢键，但可以给液态水体系扰动，使其价电子发生新的取向，此时，缔合分子重新排列组合，这样就可以改变氢键的形态，以致其发生扭动、弯曲、改变键的强度或键角。通常情况下，磁处理中的磁场大小均较弱，因此，磁场的梯度、方向、作用时间以及磁处理时的流速均影响扰动的程度。在不同的磁处理参数下，介质的物理化学性质将发生变化，如水经磁场处理后，其蒸发速度加快，溶解性能加强，表面张力下降，这些微观的改变在宏观上就体现出防垢除垢的效果[5]。

2.4 极化作用理论

磁场能产生极化作用使盐类的结晶成分结构发生改变。使微粒子极性增强，凝聚能力减弱，将水中存在的较长的缔合分子结构链改变为较短的缔合分子结构链，同时使得带电粒子的结构改变，破坏了各个离子之间的静电引力，重新构成结晶条件，逐渐形成分散的性质稳定的小晶体[6]。

2.5 活化能改变理论

系统的转化会受到磁场变化的影响。当水受到磁化时，其获得的能量很少，在系统的发生过程中会存在一种能障，必须向系统输送相当量的能量才能触发活化能，最终克服这种能障。由于磁场短时间的作用力，使得水系活化能得到“催化”之后改变，最后会使整个系统的性质发生相应的变化。美国Drexel大学的专家在这一方面曾用自由能定律做过解释[7]，但其理论在有些方面还是不能对污垢的形成机理作出很好的解释。

此外还有一些学者从分子结构角度提出了机理假说：碳酸钙的同晶异构现象生成四种同晶异构体，对循环水系统加磁使得系统Gibbs自由能变化，形成相对于方解石易溶解的文石，球文石，胶体碳酸钙[8]。

3 结论

目前，磁化机理在国内外学术界还未达成共识，定量研究较少，研究过程中遇到的主要问题有：1)磁场作用的时效性无法用现有的理论得到定量解释；2) 实验结果不能较好地解释磁场阻垢机理；3)未能对磁场是否引起液体相变、氢键断裂等问题进行全面系统的研究，缺乏定量计算，从而使理论落后于应用，降低了应用的成功性；4) 影响水体结垢的因素很多，与磁场强度之间的关系复杂，比如部分人认为存在最佳流速，但也有学者指出，两者是多极值关系[9]；5) 对于含多种复杂离子的饱和溶液(如高盐废水)阻垢机理研究不足。因此，加强定量的基础研究和系统研究，建立和完善磁处理防垢的理论模型是将来发展趋势之一。