学文网摘 要：磁处理技术相较于化学除垢法，具有应用方便、无毒无污染等优点，在水处理等领域得到了广泛的应用。文章阐述了磁场除垢的发展与现状，对其机理进行了剖析与总结，对以后磁处理的研究有一定的指导作用。
关键词：磁场；除垢防垢；机理；氢键；洛仑兹力
1945年Vermeriven发现，经磁处理后，锅炉水垢得到抑制，从此，该技术得到人们的重视并迅速发展。20世纪后期，我国的大庆、辽河、玉门等油田均对磁处理技术进行了现场实验和应用，其在减少环境污染、节能降耗等方面都发挥了举足轻重的作用[1]。
20世纪中期以来，世界上许多国家相继开展了磁化水理论和应用技术研究，其中前苏联是这一领域起步较早并富有成效的国家。我国自80年代初期就开始了这方面的研究工作，并取得了一些成果。比如，水在磁场中以一定速度沿垂直磁力线方向流动并被磁化，其表面张力系数、粘度、密度、电导率、pH值等均发生变化；水在静态磁化后其光谱特性改变。磁化水技术已广泛用于锅炉防垢除垢、混凝土浇筑、煤层和油田注水增注、农作物种植、液体雾化以及医疗等领域，并取得了一定的成绩[2]。
1 磁场除防垢原理
1.1 基本原理
关于磁防垢除垢机制，目前尚没有统一的权威性结论，看法很不一致。有一种基本的看法是：水溶液，本为大分子缔合物nH2O，经磁场作用后，变成小缔合物或单个分子，这样就有助于结垢物溶解[3]。
水的表面张力、溶解力、pH值和密度渗透力等性质在磁处理后将发生变化，这些细微的改变，如溶解力、活性和渗透力的上升，会影响镁、钙盐、金属离子化合物的溶解性和结晶过程。磁处理后，水中会产生若干双水分子，其会使致密的方解石晶体转变为松软、细小的文石晶体，从而更有利于被水流冲走，这就是磁处理技术的防垢作用；同时，这些新产生的双水分子由于体积减小、渗透力增加，更容易进入容器壁与污垢之间的缝隙，利用其与金属材料膨胀率的不同，在动态溶解平衡过程中，使原有的硬垢逐渐松软并脱落，从而达到除垢的效果[4]。
1.2 磁记忆效应
在磁场除垢防垢技术中，人们不断探索其中的奥秘，磁记忆效应就是一个重要发现，其是指：磁化处理后一段时间内，被处理介质仍然具有一定的防垢除垢能力，即物理化学性质不会因为离开磁场而迅速恢复原来的状态。例如，水在经过磁场时，其电导率、PH值等参数均存在变化，离开磁场以后，这些已经发生变化的参数并不会立刻恢复处理前的数值，而会保持一段时间。据文献显示，磁记忆效应在完全静止的水中大约能保持48小时，如果介质（例如水）发生剧烈扰动，则只能维持8小时。Coey等人在不断的研究中证明了磁记忆效应的存在性，并估算能维持20小时以上。至于磁记忆效应在什么条件下达到最佳，尚还没有统一结论，据报道，磁记忆效应随水温度的升高而显著减弱，但磁处理效果会增高[5]。
1.3 理论研究中遇到的困难
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）磁记忆效应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处理机理；（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）磁场强度和流体流速之间的关系复杂，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[6]。因此，加强定量的基础研究，建立和完善磁处理防垢的理论模型是将来发展趋势之一。
磁化法抑垢除垢的机理
国内外学者提出了许多关于磁化抑垢法机理的假设和理论，其中，广为接受的是洛仑兹力模型理论和氢键断裂理论。
洛仑兹力模型理论
洛仑兹力模型理论的解释是：磁场作用水溶液的过程可分为两个阶段：第一阶段，洛仑兹力作用占主导；第二阶段，取向作用占主导。
第一阶段：在磁场作用的范围内，CO32-和Ca2+等带电离子将被洛仑兹力束缚于磁力线附近。此时，磁场把带电粒子筛选出来，同时，由于阴阳离子的运动轨迹相反，更增加了CO32-和Ca2+间的碰撞机会。
第二阶段：CO32-和Ca2+等离子通过以水合离子的形式存在于溶液中，频繁的碰撞会使它们携带的水化膜部分解体，而改变离子的水合状态，许多单体水分子伴随着CaCO3晶粒的生成而产生。罗漫等人用核磁共振仪证实了，磁处理后，单体水分子数目会增加，其明显的电偶极性有利于在磁场中取向。这些水分子群限制了CaCO3晶粒的运动，减少了CaCO3晶粒间的有效碰撞和运动的自由程度，即，CaCO3小晶粒被分散在了水中，降低了他们聚合成大晶粒的可能性。也就是说，取向作用抑制了晶粒的长大。这些刚生成的单体水分子被取向后，溶液的介电常数会增大[7]。
2 氢键异变理论模型
在液态水中，水分子大多以分子团的形式存在。在0～200℃范围内，单分子与水分子的缔合体共存的形式是液态水的基本模型，温度越高，缔合度相应升高。若干个单分子通过氢键联系起来形成缔合态，即缔合体。
***1 带电荷的水分子结构示意***
***2 以氢键形式存在的水分子结构示意***
氢氧键由氢原子和电负性很大的氧原子共同形成，质量较大的氧原子将强烈吸引它们之间的共用电子对，以至氢原子几乎成为“裸核”而带正电，氧原子带同等的负电荷，如***1所示。水分子2中带正电荷的氢原子被水分子1中带负电荷的氧原子吸引，最终形成氢键，如***2所示[5]。
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一扰动，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[3]。
3 正确认识磁处理技术
磁场处理在国外已有40年以上历史，在我国也已有1/3世纪以上的历史，而且已历经两度兴衰。
磁场处理的优点是：不用化学药剂，没有环境污染，设备维护操作简便，寿命长。就节约药剂，防止污染，节省人力而言，是理想的防垢手段。
磁场处理的缺点是：它是一种不稳定的、暂时的防止结硬垢的方法。必须保证所使用的装置有效，必须严格遵守关于热负荷、水温、硬度、铁锰含量等的规定才有效；必须保持足够的排污和保持在一定时间内才有效。
自磁场防垢处理问世时起，就存在着这种防垢方法有效与无效之争。究其原因，就是对磁场防垢的实质不明造成的。我国有为数众多的热水锅炉、热交换器、冷却装置，都没有进行水处理，每年造成上千万吨燃料的浪费，造成设备停产、金属过热烧坏，有数以万计的小锅炉和热交换器被迫进行化学清洗除垢，造成药物消耗及环境污染，因此，不用药剂、不用或极少消耗能量、没有环境污染的磁场处理是有广阔天地的[8]。
4 结束语
对于磁场除垢防垢的原理，目前学术界还没有给出一个比较确切的结论。磁场能影响成垢物质的结晶速率、晶型、晶体大小和数目、水的pH值等，因而阻止水垢分子对管壁的附着。由于磁场对水以及其它离子（分子）的影响是暂时的，为了避免重新结垢，需要在磁处理后做进一步处理，如在电子除垢仪下游安装捕集器，以清除掉污垢。磁处理技术相较于其他化学除垢方法，具有投资小、操作简单、无毒无污染等特点，是一种极具发展前景的防垢除垢技术。
参考文献
[1]周爱东，杨红晓，张志炳.磁处理在抑制碳酸钙结垢中的应用[J].应用化工，2006，（02）：87.
[2]丁振瑞，赵亚***，陈凤玲等.磁化水的磁化机理研究[J].2011，（06）.
[3]齐凤春.磁防垢除垢技术[J].学术研究，2001，（06）：22.
[4]陈璨.基于电磁场的除垢、防垢技术研究[D].北京，中国石油大学，2008.
[5]许国凤，舒福昌，周双君.磁化水处理技术的研究现状及防垢机理[J].2008，（09）：5.
[6]田***宏，蒲春生.磁防垢除垢技术研究与应用新进展[J].石油工业技术监督，2005，（06）：13.
[7]马秀波，周开学.磁场对碳酸钙结晶影响的探讨[J].工业水处理，2003，（09）：18-19.
[8]窦照英. 磁场电场的防抬技术[J].环境保护，1994，（04）：13-14.
作者简介：彭辰（1988-），硕士生；就读于西南石油大学化工过程机械专业；现从事磁场除垢防垢的机理与试验研究。
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