磁化技术在水处理中的应用(一)


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2009-08-14 16:27    【大 中 小】【打印】【我要纠错】

  水经过一定强度的磁场,就成为“磁化水”。目前研究表明水磁化后会产生物理化学性质的变化,其中的机理尚不能肯定。一些学者认为磁场会破坏水原来的结构,使原来较大的缔合水分子集团变成较小的缔合水分子集团,甚至是单个分子。而且分子中的氢键也会有部分因为洛仑兹力的作用下正负离子反方向旋转而断裂。所以磁化后的水会表现出一些性质的变化,如:pH值、密度、挥发性、溶解性、表面张力、电导率、沸点、冰点都有不同的改变,这种改变和所加的磁场大小有密切的关系。磁化水因为其特殊的性质已经被广泛的应用到工程。

  早在十三世纪,人们已经注意到磁化水的医疗作用。1945年比利时韦梅朗应用磁化水减少锅垢获得成功并申请了专利。该技术由于装置简单,不需要任何化学试剂而被美国、日本和前苏联广泛应用并得到发展。我国的磁化水研究开始于六十年代初,以前由于化学法水质稳定剂技术的迅速发展,使得磁水器应用推广较慢。现在这一技术又重新获得重视。应用对象已经涉及到建材、化工、冶金、农业、医学等各个领域。在工业锅炉的除垢防垢、油田的防蜡降粘等方面、医学上的磁疗等领域中的应用取得了一定的成果。近年来,如何将磁化效应与环境污染治理技术结合起来,提高污水的处理效果已逐渐引起人们的兴趣。

  1 磁化水的装置结构和特点

  能制备磁化水的装置称为磁水器。按磁场形式的方式可将磁水器分为永磁式和电磁式两种;按磁场位置又可将磁水器分为内磁式和外磁式两种。永磁式和电磁式磁水器在间隙磁场强度相同的情况下效果相同,但各有特点。永磁式磁水器的最大优点是不需能源,同时结构简单,操作维护方便,但其磁场强度受到磁性材料和充磁技术的限制,且存在随时间的延长或水温的提高而退磁的现象。电磁式磁水器的优点是磁场强度容易调节,而且可以达到很高的磁场强度,同时磁场强度不受时间和温度影响,稳定性好,但其需要外界提供激磁电源。与内磁式磁水器相比,外磁式磁水器可能具有更大的优越性,其主要优点是检修时不必停水及拆卸管道,也不易引起磁短路现象。

  目前国内已有四项关于磁水器的专利,这些专利通过选用不同的磁性材料和水流的通路形式来达到使水磁化的目的。所示的磁化水装置外型为管状,采用不锈钢管制作,两端带法兰盘可与管道直接相连。磁化水装置内部采用两组N,S极相对的特殊合金永磁材料制成的磁棒,按照N-S,N-S排列,磁场能量很高,可高达6000高斯,使用期限为25年,磁场强度衰减率为3%,由于磁化装置使用的是永久磁性材料,无须外加电源,不耗电能。结构简单,不需要做任何调整,也不需要特殊的保养与维护,而且装置安装十分方便,并且不占地。

  2 磁化对水性质的影响机理的几个假设和推论

  磁化只是单纯的物理过程,不是软化过程。一般认为水系统进行磁处理主要是加快了溶液内部的结晶作用,从而使盐类在受热面上的直接结晶和坚硬沉积大大减少,起到防垢的作用。研究表明,磁场的阻垢效果同磁场强度、溶液过饱和度、流速及溶液中各种离子等均有密切的关系。另外,还有一种说法认为磁处理改变了水本身的结构,从而改变了一些性状。从这两方面同时考虑,主要有以下的几个假设和推断。

  (1) 洛仑兹力作用:水与磁流的相互移动,能够产生感应电流,在洛仑兹力的作用下,弱极性的水分子和其他杂质的带电离子作反向运动。该过程中,正负离子或颗粒相互碰撞形成一定数量的“离子缔合体”,这种缔合体具有足够的稳定性,在水中形成了大量的结晶核心,以这些晶体为核心的悬浮颗粒可以稳定的存在于水中。

  (2) 极化作用:磁场的极化作用使使盐类的结晶成分发生了变化。微粒子极性增强,凝聚力减弱,使水中原有的较长的缔合分子链被截断为较短的缔合分子链和带电离子的变形,破坏了离子间的静电吸引力,改变了结晶条件。形成分散的稳定小晶体。

  (3) 磁滞效应:磁场引起水中盐类分子或离子的磁性力偶的磁滞效应,因而改变了盐类在水中的溶解性,同时使盐类分子相互间的亲和性(结晶性)消失,防止大晶体的结晶。

  (4) 磁力矩重新取向:在一定基团反应中,磁场影响在基团中成对的磁力矩重新取向,通过这样的中间机理而影响其他化学反应。反应动力学发生了变化,反应结果中新得到的产品间的比例关系也发生了变化。

  (5)氢键变形:磁场对水的偶极分子发生定向极化作用后,电子云会发生改变,造成氢键的弯曲和局部短裂,使单个水分子的数量增多。这些水分子占据了溶液的各个空隙,能抑制晶体形成。并使水的整体性能发生变化。

  (6) 活化能改变:磁场的的影响与系统的转化有联系。虽然水在磁化时获得的能量很少,但在系统中开始和终结之间存在一个“能障”为克服这种能障必须向系统输送相应的能量以触发活化能。磁场短时间的作用起着“催化”水系活化能改变的作用,最终导致整个系统性质的变化。

  3 磁化处理对水体生物效应的影响

  (1) 磁化处理对藻类初级生产能力的影响及机理。

  实验表明,经过磁化的水体中藻类的生产能力明显高于没有处理的水体中的藻类。

  藻类属于光合自养型微生物,磁化处理引起其光合作用的生物效应,可以从以下几个方面进行解释。第一,光合自养微生物在无机环境中吸收无机盐,利用光能同化CO2和H2O合成自身物质。而水体磁化可以使BOD,COD降低,使部分有机物矿化,矿化程度高,有利于藻类的生长。第二,磁化处理导致水体的光学性质发生变化,经过磁化处理的水比未处理的水对光的吸收率高30%,水体透光性的改善,保证了光合自养生物的能源。这是磁化处理引起藻类迅速生长的原因之一。第三,磁化水的硬度、pH值、电导率都明显的高于非磁化水,无机盐在磁化水中可以较好的溶解,这有利于藻类对营养盐类的吸收。第四,磁化处理后的污水,能引起生物膜渗透性的增加,从而改善了藻类对营养物质的吸收,促进藻类的生长和生产能力的增加。

  (2)磁化处理对水中异养细菌总数的影响异养型细菌是以有机物作为能源和碳源的一大类微生物,它的总数随水中有机物浓度的升高而升高,所以水中异养菌总数可间接反映水中有机物的污染的程度及水的净化程度。污水经过不同强度磁场的处理后,水中的细菌总数均明显下降。其原因机理还没有完全清楚,初步认为:第一,在磁场的直接作用下,引起水体BOD,COD的降低,使异养生物的能源和C素营养物质减少,导致水体异养菌的死亡速度大于增殖速度,于是出现负增长现象。第二,磁场力直接作用于细菌细胞内的水和酶,使酶钝化或失活。 所以污水磁化处理以后,不仅直接改善其耗养特性的作用,而且磁化后的水体具有新的生物特性。

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