电磁阻垢技术在膜法海水淡化系统的应用研究

闫玉莲，李 露，王可宁，冯 涛，张 乾，潘春佑

(自然资源部 天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192)

海水淡化水已成为重要的补充或战略水源[1]，控制海水淡化成本[2]是海水淡化大规模的推广关键内容。药剂的使用是海水淡化成本重要组成部分，阻垢剂成本占到了药剂成本的一半。而且市面上所用的药剂多为含磷或有机共聚物[3]，且为偏酸性，对环境有一定的影响。因此采用环境友好的海水淡化阻垢技术、降低药剂成本是海水淡化研究的重要方向。文章针对在循环水方面具有良好效果的电磁阻垢技术进行讨论，研究其应用于海水淡化领域可行性。

1 电磁阻垢技术在循环水系统研究及应用情况

电磁阻垢技术是水处理行业研究较多的一种物理阻垢技术，利用电场和磁场有机结合的方法，主要由频率发生器和水处理器两部分组成。目前针对此项技术的机理研究、装置研究及应用研究均较多。

1.1 阻垢机理

研究者们对电磁阻垢机理方面的猜想，普遍认为电磁处理可以使点状、絮状结晶增多，增大结垢倾向，国内外的多项研究证明了这一点。李海燕等[4]发现高频电磁处理后的水加热时，水中盐类在显微镜下观察到点状结晶比杆状结晶多 ，同时结晶总数亦明显增多。在对机理的解释方面认为磁处理有利于文石生长，文石相对于方解石较为疏松不易附着在管壁上。Clifford Y. Tai[5]及MengChun Chang[6]等发现磁处理可以减缓或抑制方解石的生长，促进文石的生长，而且这种影响在低pH值情况下较为明显。

但也有与其不同的研究结果，认为磁场可以延缓结垢或者提高反应时结垢因素浓度。韩勇等[7]发现低频电磁场可以阻碍溶液内成垢离子的结合沉淀，迟金宝[8]有类似的研究结果，认为低频磁场处理能够提高碳酸钙结晶反应平衡时的Ca2+浓度。

1.2 阻垢装置研发

在装置研发方面，国内多家研究机构进行装置研发，同时对影响其作用的相关参数进行了探讨。

青岛科技大学刘炳成教授团队[9-10]对线圈缠绕式电磁阻垢装置进行了研制和实验研究，装置电源输入电压60 V，输出频率范围0 kHz～100 kHz。通过实验证明电磁场促进了碳酸钙的成核和长大。武汉大学罗云柏团队[11]研制同轴电极式处理腔阻垢装置，外腔筒为不锈钢圆柱体，作为阴极；阳极是半径 8 mm的实心细不锈钢棒，频率在1 MHz～10 MHz可调。提出电磁阻垢的适宜条件：pH值为7.5～8.5，流速1.8 m/s～2.5 m/s，钙离子100 mg/L～200 mg/L。

重庆大学熊兰教授[12-14]团队利用Ansoft Maxwell软件建立仿真模型，设计出同轴电极式处理腔、缠绕电极式处理腔等不同结构的装置，可输出峰值为400 V、频率范围为10 kHz～1 MHz的交流方波信号，实验证明只有选择合适的频率，运用该装置才能很好地实现阻垢效果。

1.3 商用电磁装置应用效果

在商用电磁装置应用方面，相关人员对电磁装置在电厂的应用进行了跟踪，有些取得了一定效果，也有未达到预期的情况。

Martti Latva等[15]将Bauer Watertechnology Ltd公司的水处理装置用于中试规模的配水系统，装置限制了CaCO3在输水管壁上的沉淀，且热水管道的影响比冷水管道更为明显。万伟等[16]将电磁阻垢装置用于大牛地气田含醇污水处理系统，装置使用后管道内陈垢脱落，延长了换热系统寿命。钟栋等[18]针对苏里格天然气处理厂丙烷蒸发冷凝器结垢严重问题，进行了阻垢试验，将阻垢装置安装于系统中，证明电磁装置具有较好的阻垢效果。在其应用试验中，发现近年来进入国内市场的新技术量子管通环，具有与电磁装置同样的阻垢、抑菌、防腐功效，但相比电磁装置其具备不耗电、占地小等优势。

在电厂的大型水循环中，电磁阻垢也取得了一定效果。李明东等[18]将电磁装置应用于镇江金东纸业集团自备电厂，装置安装两个月后对管道进行检查发现，原管壁上的垢层，在使用后，老垢已经剥落，露出了原管壁金属表面。程刚等[19]追踪了上海英力科技股份有限公司电磁装置分别在电厂300 MW机组及600 MW机组的运行情况，装置使用后两个机组循环水管道及凝气器换热管内壁硬垢脱落，经测算验证机组低缸排汽温度下降1 ℃左右 ，机组标准供电煤耗下降了 1 g/kW·h左右，提高了机组运行的经济性。

但是，对于电磁阻垢应用于电厂循环水系统，也有相关研究者发现不能获得理想的阻垢效果。张强等[20]将电磁装置应用于某火电厂两台600 MW机组65 000 t/h电厂循环水系统，通过两个机组对比使用发现，单独采用电磁阻垢处理方式相比传统化学加药处理方式和两种方式联合处理方式结垢倾向增大，阻垢效果欠佳。

电磁阻垢装置的长期使用效果还未见相关报道，但是根据实验室及大部分水循环系统使用经验，电磁阻垢装置在阻垢方面有良好的效果，可以部分或者完全替代阻垢剂的使用，在防腐蚀方面也有显著作用。海水淡化装置无论是热法还是膜法，都需要大量使用阻垢剂进行装置防垢，若可以将电磁阻垢大规模用于海水淡化系统中，替代阻垢剂的使用，对于降低海水成本、降低药剂的环境影响具有重要作用。

2 磁场对海水淡化结垢因子的影响

海水淡化的浓盐水浓度较高，容易结垢，常出现的垢主要是碳酸钙、硫酸镁、硫酸钡等。国内外研究者研究了磁场对海水中易结垢离子的影响，发现磁场可以影响结垢的量、成垢的晶型及成垢的时间等。

Fathi Alimi 等[21-22]将多个0.16 T永磁体进行串联，作用于碳酸钙饱和溶液，发现经磁场作用的碳酸钙沉淀量增加，pH值影响沉淀效果，pH值越低、作用时间越长沉淀越明显，且镁的存在可以增加文石的生成量。D. Mys′liwiec等[23]发现磁场对碳酸钙沉淀的影响与溶液的浓度有关，浓度越大，沉淀速率越高。

有些研究者对磁场影响的时间进行了探讨。Bali Mahmoud等[24]通过追踪碳酸钙溶液pH值变化判断沉淀开始时间(pH值开始下降为沉淀开始)，发现磁处理可延迟沉淀的析出时间。M.A.Salman等[25]研究了磁场对海水淡化过程中可能出现的CaCO3、CaSO4和BaSO4等的结垢影响情况，试验结果与大多数研究者相似，磁场可以将形成的水垢保持在悬浮状态，防止结垢物质在管道内表面沉淀，不同的发现是磁装置可以在10 min～45 min内抑制结垢，且只有在有悬浮颗粒或在结垢过程中，或在测量结垢保留时间或晶体形貌时，磁场的作用才明显。

研究结论发现，磁场对海水离子结垢与循环水类似，磁场的添加可以影响结垢量、促进晶型向疏松型发展、可能延迟结垢时间。

3 电磁阻垢技术在反渗透淡化系统中的应用

在磁场对海水结垢因子的影响基础上，海水淡化的研究者开始将电磁阻垢装置用于整个系统。海水淡化应用较广的主要有两种方式，一种是蒸馏法，一种是反渗透法。文章重点关注电磁阻垢技术在反渗透系统的应用情况。

3.1 膜表面不易结垢

Jingqiu Sun 等[26]对反渗透系统预处理超滤进行了电流影响实验，研制了电絮凝与超滤复合装置，并对其抗污染性能进行了研究比较，证明复合装置的抗污染性能最好。

天津工业大学李建新团队[27-29]发现经过电磁处理的进水在纳滤膜表面结垢厚度小于未经处理的情况，认为磁场处理可以抑制和延缓CaCO3晶体在NF膜表面的萌生和沉淀。经过磁场处理后的碳酸钙结晶更容易形成团簇的针状文石，且对晶形的影响会随着溶液浓度的增加而有所减弱。

葛红花等[30]将电磁阻垢装置应用于40 t/h的反渗透装置，运行一段时间后发现电磁装置具有较好的阻垢效果。认为电磁处理可以降低碳酸钙微粒的表面能，使碳酸钙微粒从形状规则的方解石晶体转变为形状不规则的文石和球霰石，降低了碳酸钙微粒在固体表面的粘附性，并减小了碳酸钙微粒之间自动聚集生成碳酸钙大颗粒的可能性。认为电磁处理的阻垢作用在于其改变了反渗透系统中反渗透膜、碳酸钙微粒、水体系的能量状态，使体系中形成的碳酸钙微粒更易随着浓水流出，而不是附着在反渗透膜表面。

方燕等[31]将永磁性材料加入反渗透设备研制成反渗透设备，通过运行发现，使用除垢器后，通过磁场振动防止水中硬垢在反渗透膜表面大量产生，生成疏松的软垢，并使硬垢在振动过程中随水流冲刷从膜表面脱落，但阻垢器使用一段时间后对膜表面的晶体改变效果逐渐降低，膜通量逐渐下降。

Pelekani, C.等[32]进行了反渗透装置的长期动态试验，将新加坡GrahamTek公司的电磁阻垢装置应用于南澳大利亚Nhill镇270 m3/d的处理富含铁的苦咸水反渗透实验装置， 实验结果表明电磁装置可以减缓膜的污染。

以上研究具有一致性，发现使用电磁装置后可以减缓膜系统的污染和结垢，认为磁场改变了结垢物质的晶型，使膜表面不易结垢。但是有的研究与以上研究者的想法不同，认为结垢物质晶型的改变会改变膜表面垢的形态，从而影响膜的性能。

3.2 膜性能得到改进

清华大学朱安娜等[33-34]发现磁场的存在可以改变纳滤过程中膜面结垢的晶体形态，加磁场时疏松态文石晶体的增加，可增大孔隙率，有利于水的通过，从而减缓纳滤膜通量衰减的速度。

Marek Gryta 等[35]研究了商业应用的电磁装置在对膜蒸馏过程中的结垢影响，发现装置可以减少自来水加热过程中沉淀的形成，但对膜表面减少结垢的效果较小。形成的结垢层多孔性更强，由较大的晶粒组成。与未受磁场作用的进料相比，膜蒸馏工艺的效率下降缓慢。

哈尔滨工业大学韩海波等[36]采用分子动力学模拟方法，模拟了磁场作用下水分子和盐离子在膜中的扩散行为，认为聚酰胺膜中水分子扩散系数增加，离子移动性减弱，这将导致海水淡化过程中水分子更容易而盐离子更难通过反渗透膜，有利于提高产水量和脱盐率。

以上研究认为磁场效应不能阻止结垢，但是结垢晶型的改变，直接或间接影响了膜表面状态，使得膜的性能得到改进。

3.3 阻垢效果不明显

但是也有研究者发现电磁阻垢装置并不能获得预想的效果，Corbett B.E.[37]等对尤马32万t/d淡化厂的给水进行了中试试验，将电磁技术、阻垢剂等应用于进水流量54 t/h、总回收率90%以上的两级反渗透系统，发现电磁技术在对硫酸钙阻垢方面的效果不明显。

Wenbin Jiang等[38]将电磁装置用于反渗透装置中，反渗透进水1.36 t/h，回收率50%，进水为苦咸水，电磁作用可以使过滤器、管道中的胶粒、污垢和结垢层松动，脱落的颗粒阻塞反渗透水流通道，导致给水和浓水流量骤减。电磁作用只能延缓、不完全消除膜表面的污垢和结垢。

4 结语

电磁装置在反渗透系统应用还是处于实验研究阶段，且多数是在苦咸水方面，在大型海水反渗透系统中应用的未见报道。根据对各研究者实验结果及原理的分析，可以发现电磁装置阻垢机理是以形成松散的晶型为主，可以促进晶体在溶液内形成而不是管壁，反渗透膜系统为压力系统，溶液中形成的晶体可能会堵塞膜内水流通道，造成阻垢效果不明显情况，但由于其晶型的改变，松散的结垢对于膜的清洗恢复更友好，而且其疏松性可能提升膜的脱盐效果，从而延缓膜性能衰减。

实验研究中的电磁装置形式和频率多种多样，小型实验多为永磁体，中试装置电磁装置为主，实验结果也有不同，电磁装置的频率及装置的形式可能影响磁场作用膜系统结垢效果。

对于电磁阻垢技术对于海水反渗透系统影响的研究，建议考虑电磁装置的形式和频率影响阻垢效果，另外对于电磁技术对膜性能的影响也可以作为进一步研究方向。