循環(huán)水系統(tǒng)是大型設(shè)備進(jìn)行換熱所必不可少的附帶設(shè)備，在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。當(dāng)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，將嚴(yán)重影響設(shè)備的正常工作，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。近年來，由于環(huán)境壓力的增加和現(xiàn)存化學(xué)處理法中存在的投藥過程復(fù)雜，排污對(duì)水體產(chǎn)生污染等不足之處，尋找低能耗、節(jié)水減排的工業(yè)循環(huán)冷卻水處理技術(shù)成為當(dāng)前發(fā)展的大趨勢(shì)。探討和研究新型循環(huán)水物理處理技術(shù)，在不添加任何化學(xué)藥劑的情況下，達(dá)到防垢、阻垢、滅菌和緩蝕作用，在循環(huán)水處理領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景和商業(yè)市場(chǎng)。

 

1 物理水處理技術(shù)及其主要原理

 

物理水處理技術(shù)指利用磁場(chǎng)、電場(chǎng)、改變水的表面電荷、機(jī)械干擾（渦流設(shè)備、超聲、瞬間壓力改變）等手段對(duì)水體進(jìn)行處理。物理法處理循環(huán)冷卻水，主要是運(yùn)用聲、電、磁等技術(shù)及其相應(yīng)設(shè)備來有目的地改變硬水中各種離子和分子的運(yùn)動(dòng)狀況，從而達(dá)到處理目的。

 

物理水處理法的主要原理是：變化的電場(chǎng)、磁場(chǎng)等使無機(jī)鹽離子發(fā)生聚集，鈣離子、碳酸氫鹽等發(fā)生碰撞并沉積，產(chǎn)生本體沉淀，這些生成的亞微米級(jí)的晶粒就構(gòu)成晶種。經(jīng)處理的水進(jìn)入換熱器后，無機(jī)離子的溶解度下降，從水中分離出來。此時(shí)，無機(jī)離子粘附在自由水中的晶種上，形成松軟的污垢，而不是沉積在換熱器表面。當(dāng)流速足夠大時(shí)，這種軟垢可被剪切力沖走，從而達(dá)到阻垢目的。

 

2 物理水處理技術(shù)研究現(xiàn)狀

 

關(guān)于物理水處理技術(shù)的研究開始于50年前，長期以來，人們進(jìn)行了大量的研究，目前比較常用的物理除垢、防垢方法有：超聲波處理法、高壓靜電場(chǎng)處理法、磁化處理法等。

 

2.1 超聲波法

 

90年代初，前蘇聯(lián)科學(xué)家M. N. Chepurnoi利用超聲波對(duì)糖廠糖液蒸發(fā)過程中減緩積垢形成的研究中發(fā)現(xiàn)超聲波可以降低積垢系數(shù)（垢層熱阻與總熱阻之比），而且整個(gè)過程中不用洗罐。中國石油化工股份有限公司也曾于2000年在生產(chǎn)線最重要的冷卻器管線上加了臺(tái)TC-4-10型超聲防垢器，大大減少了走水管道內(nèi)壁的水垢，縮短了設(shè)備的清洗間隔和維護(hù)保養(yǎng)周期，節(jié)省了大量資金。超聲波防除垢機(jī)理的主要表現(xiàn)為：

 

(1)  超聲空化作用減少成垢物質(zhì)的結(jié)晶；

 

(2)  活化作用提高液體的相對(duì)溶垢能力；

 

(3)  超聲機(jī)械作用；

 

(4)  增強(qiáng)微粒的懸浮能力使垢質(zhì)沉積速率減小。

 

李健等人的研究表明，超聲波具有明顯的阻垢能力，與阻垢劑同時(shí)使用時(shí)有良好的協(xié)同效果。Broekman S.等人使用剪切、微氣泡和高頻低功率超聲聯(lián)合處理工業(yè)冷卻水，結(jié)果表明，此方法可有效控制水中細(xì)菌和藻類，減少生物膜，利于水質(zhì)穩(wěn)定。在大學(xué)、乳制品廠、化工廠等多處的冷卻塔中的實(shí)際應(yīng)用也取得了明顯的效果，可代替化學(xué)加藥法進(jìn)行水質(zhì)處理。

 

超聲波在除防垢上有在線處理、設(shè)備損失小、成本低、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等突出特點(diǎn)，作為現(xiàn)代的一種環(huán)保、高效的先進(jìn)技術(shù)，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α６砹_斯等一些國家在此方面的研究已經(jīng)比較深入，生產(chǎn)出的一些除垢器，在實(shí)際應(yīng)用中也顯示出了超聲除垢的優(yōu)越性。但是由于目前超聲除垢的機(jī)理及影響因素研究的還不是很深入，除垢器的設(shè)計(jì)還不夠完善，當(dāng)前的應(yīng)用領(lǐng)域也比較窄，因此有許多問題正等待著專家和學(xué)者去研究。

 

2.2 高壓靜電處理法

 

高壓靜電場(chǎng)防垢除垢技術(shù)的研究開發(fā)利用最早起源于美國。我國的第一臺(tái)靜電水垢控制器在1975年研制成功，目前已有大量的靜電水垢控制器投入運(yùn)行。

 

離子高壓靜電水處理是由離子棒、高壓電源發(fā)生器、管道等而組成的。所以又稱之為離子棒處理 。

 

祁利明[8]等人研究了用靜電離子棒對(duì)電廠循環(huán)冷卻水的效果，結(jié)果表明在模擬電廠實(shí)際運(yùn)行工作參數(shù)的情況下，試驗(yàn)?zāi)苓_(dá)到與電廠相似的阻垢率變化趨勢(shì)，證明靜電離子棒在循環(huán)冷卻水的阻垢、剝垢方面具有適用性和可行性。且靜電離子棒具有設(shè)施簡單、無藥劑污染、運(yùn)行維護(hù)、操作簡單易行等優(yōu)勢(shì)。

 

高壓靜電場(chǎng)對(duì)提高水的處理量，改善環(huán)境有重要意義，在水處理領(lǐng)域中具有廣闊應(yīng)用前景，但該技術(shù)的研究尚不成熟。已有的高壓靜電場(chǎng)生物效應(yīng)的研究表明：高壓靜電場(chǎng)既可以殺菌消毒，在某些適當(dāng)?shù)那闆r下也可以促進(jìn)細(xì)胞的分生、提高細(xì)胞抗傷害和抗衰老的能力、刺激微生物生長，存在處理效果不穩(wěn)定的特點(diǎn)。

 

2.3 磁化處理法

 

利用磁場(chǎng)效應(yīng)對(duì)水進(jìn)行處理，稱為水的磁化處理。1945年比利時(shí)韋梅朗應(yīng)用磁化水減少鍋爐水垢獲得成功并申請(qǐng)了專利。該技術(shù)由于裝置簡單，不需要任何化學(xué)試劑而被美國、日本和前蘇聯(lián)廣泛應(yīng)用并得到發(fā)展。1964年以來，前蘇聯(lián)科學(xué)家把水的磁化處理應(yīng)用于熱能工程領(lǐng)域，同時(shí)進(jìn)行了大量的研究，其結(jié)果都表明，使用磁化水可明顯地減慢鍋爐水垢的生成，而且老的鍋爐水垢還容易清除。

 

大量研究表明磁場(chǎng)可以對(duì)水溶液的部分理化性質(zhì)、結(jié)晶過程及晶體結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生影響。當(dāng)循環(huán)水流經(jīng)磁處理設(shè)備時(shí)，水溶液中的Ca2+與CO32-等帶電離子由于洛侖茲力的作用被束縛于磁力線附近，使得該處粒子的濃度高于無磁場(chǎng)作用的區(qū)域，同時(shí)由于陰陽離子的運(yùn)動(dòng)方向相反，于是Ca2+和CO32-離子間的碰撞機(jī)會(huì)增加。磁場(chǎng)對(duì)極性水分子的取向作用抑制了晶粒的長大和生成。另外，湍流情況下磁場(chǎng)能促進(jìn)霰石而不是方解石的生成，從而防止水中硬垢的產(chǎn)生，生成疏松的軟垢，并能使已成硬垢的方解石轉(zhuǎn)變成霰石，隨排污排走，從而達(dá)到防垢除垢的效果。

 

冷卻水的磁化法處理是研究和應(yīng)用最為廣泛的物理處理法，但是還有許多問題需要探討，其作用機(jī)理至今尚不完全明確，且其處理效果不夠穩(wěn)定。根據(jù)有關(guān)資料介紹，磁化法處理冷卻水，效率有時(shí)可接近100%，而有時(shí)幾乎無效，在這方面尚缺乏完整的科學(xué)資料。

 

2.4 新型物理處理技術(shù)

 

除了上述幾種最常用的方法外，近些年來，人們對(duì)上述方法進(jìn)行了改進(jìn)并不斷開發(fā)研究新型物理水處理技術(shù)。

 

2.4.1 高頻電磁場(chǎng)

 

高頻電磁場(chǎng)水處理裝置是最新一代物理水處理技術(shù)產(chǎn)品，是永磁式和高壓靜電式水處理器的換代產(chǎn)品，設(shè)計(jì)上克服了前兩者的缺點(diǎn)，保留了其優(yōu)點(diǎn)。高頻電磁水處理裝置是由電子電路產(chǎn)生的高頻電磁振蕩在固定的兩極間形成一定強(qiáng)度的高頻電磁場(chǎng)，水通過高頻電磁場(chǎng)時(shí)，水分子作為偶極子被不斷反復(fù)極化而產(chǎn)生扭曲、變形、反轉(zhuǎn)、振動(dòng)，且與外加電磁場(chǎng)共振使其分子運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，從而使原來締合形成的各種綜合鏈狀、團(tuán)狀的大分子解離成單個(gè)水分子，最后形成比較穩(wěn)定的雙水分子，增加了水的活性，改變了水分子與其它離子的結(jié)合狀態(tài)，使碳酸鹽晶體析出的時(shí)間拖后，并以細(xì)小的顆粒析出，而不形成堅(jiān)硬的水垢。同時(shí)，大功率脈沖電壓和高頻電位移電流特性，可以使微生物細(xì)胞內(nèi)的“補(bǔ)酶”喪失代謝功能，細(xì)胞的活性受到抑制。脈沖電壓破壞了微生物的細(xì)胞膜，使細(xì)胞內(nèi)的原生質(zhì)漏出而死亡。

 

2.4.2 射頻電場(chǎng)

 

在水中直接運(yùn)用射頻電場(chǎng)是物理處理法中的一種新技術(shù)。Leonard等人使用兩個(gè)平行石墨電極板產(chǎn)生射頻電場(chǎng)，考查了三種電壓（2V，5V和13V）和兩種頻率（13.56MHz和27.12 MHz）下?lián)Q熱器中碳酸鈣污垢的去除效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)處理后水樣的污垢熱阻有34-88%的下降，且確定最佳實(shí)驗(yàn)條件為2V和13.56MHz。該研究證明，作為一種新型物理處理技術(shù)，射頻電場(chǎng)是一種緩解污垢的有效工具，可用于循環(huán)冷卻水處理。

 

2.4.3 脈沖火花放電

 

近年來，人們對(duì)水中脈沖電場(chǎng)擊穿的研究也投入了很多的目光。Yong Yang等人[16]研究了脈沖火花放電在硬水碳酸鈣沉淀中的應(yīng)用。經(jīng)10分鐘等離子處理后，水中鈣離子濃度下降了20-26%，懸浮固體顆粒增加了幾乎100%，且碳酸鈣的形態(tài)從圓形方解石轉(zhuǎn)變?yōu)榱庑巍Ｃ}沖火花放電主要通過電解、等離子體通道附近的局部加熱和高壓電場(chǎng)三種作用來改變水合離子的雙電子層結(jié)構(gòu)，從而起到促進(jìn)碳酸鈣沉淀的作用。

 

2.4.4 催化材料

 

物理處理技術(shù)中釋放的金屬離子有催化阻垢效果的作用。研究表明，痕量的鋅、銅等離子的存在，會(huì)減緩碳酸鈣的成核速率并改變其晶形，從而可達(dá)到阻垢防垢的目的。與銅、鎂等離子相比較，鋅離子具有更明顯有效的阻垢作用，且當(dāng)Zn/Ca濃度比大于0.06×10-3時(shí)，碳酸鈣的結(jié)晶形態(tài)從方解石變?yōu)楦兹コ啮笔eun Jae Lee等人研究了三種流速下物理處理技術(shù)中催化金屬處理高硬度水的效果，結(jié)果表明，不同流速下污垢熱阻下降了17-38%，且垢層更易去除。

 

3 物理水處理技術(shù)在循環(huán)水處理中的應(yīng)用展望

 

隨著水資源匱乏及水質(zhì)污染問題的日益嚴(yán)峻，傳統(tǒng)循環(huán)冷卻水處理方法已不能滿足產(chǎn)業(yè)和科技發(fā)展的的需要，且存在污染浪費(fèi)等不足之處，因此，對(duì)新型綠色節(jié)能減排處理技術(shù)的研究還需進(jìn)一步深化。多年來，人們企圖開發(fā)物理處理方法來替代化學(xué)法，因其具有如下優(yōu)點(diǎn)：

 

（1）    能耗小，費(fèi)用低：物理處理法一般只需要消耗電能，而且可排除現(xiàn)存的化學(xué)處理加藥程序，節(jié)省了測(cè)試和維護(hù)加藥控制程序的費(fèi)用和時(shí)間。

 

（2）    節(jié)水減排：物理水處理法可去除水中總?cè)芙庑怨腆w（TDS），降低水硬度，提高循環(huán)冷卻水濃縮倍數(shù)，從而節(jié)約循環(huán)水量。且物理處理技術(shù)無需排污，無殘留藥劑污染問題。

 

（3）    投資回收快：物理法在實(shí)際應(yīng)用中的投資回收時(shí)間一般低于3年，有些甚至不到1年。

 

完整的物理處理系統(tǒng)應(yīng)該包括去除新老垢泥、控制微生物污染，減少腐蝕等多種功效。但是由于研究不夠充分、大多數(shù)只針對(duì)循環(huán)水中的阻垢效果、運(yùn)行時(shí)間短等原因，早期的物理水處理技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中并沒有取得理想的效果，使得物理法一直沒有得到廣泛的應(yīng)用。

 

參考文獻(xiàn)

 

[1] 佟帥 . 超聲波防垢除垢機(jī)理及提高效率的方法研究 [D]. 大連理工大學(xué) ,2008.

 

[2] 李健 , 酈和生 , 王崠 , 等 . 循環(huán)水系統(tǒng)超聲波阻垢技術(shù)研究[J]. 石化技術(shù) , 2008, 15(2): 8-10.

 

[3] 常巧立 . 超聲阻垢技術(shù)的理論及應(yīng)用研究進(jìn)展 [N]. 榆林學(xué)院學(xué)報(bào) , 2006.11, 19(6): 1-4.

 

收稿日期：2011-05-27

 

作者簡介：吳祥平（1971-），男，工程師，研究方向：環(huán)境工程 .

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