工業(yè)用水由于存在著鈣鹽和鎂鹽，通常在加熱到 35 度以上時(shí)，就會(huì)析出針狀結(jié)晶體，并牢固的附著在器 壁上，形成一層厚厚的水垢。通化水處理設(shè)備水垢的導(dǎo)熱系數(shù)很低，只有鋼材的 1/15~1/100 ，因此水垢的存在將大大降低熱效率，浪費(fèi)能源，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引 起管路的堵塞，甚至出現(xiàn)由于傳熱的不均勻，引起器壁熱膨脹的不均勻，導(dǎo)致管壁破裂爆炸，因此水垢的存在危害極大。

傳 統(tǒng)上利用離子交換法去除水中的鈣鎂離子達(dá)到防垢的效果，或利用化學(xué)清洗法作為除垢的方法，這類(lèi)化學(xué)方法的優(yōu)點(diǎn)是效果明顯，見(jiàn)效快，但 存在著設(shè)備投資大，或腐蝕管道，引起環(huán)境污染，在清洗的過(guò)程中需要停機(jī)等缺點(diǎn)。因此人們一直在探索著簡(jiǎn)單有效的物理方法，以代替成本 高，有污染的化學(xué)方法。物理方法自產(chǎn)生到現(xiàn)在，經(jīng)歷了更新?lián)Q代。

機(jī)理探討

根據(jù)電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)的共同特性，電磁水處理技術(shù)的防 垢除垢的統(tǒng)一機(jī)理應(yīng)是水分子的有序化，導(dǎo)致水分子電偶極矩的增大，加強(qiáng)了水分子與鈣鎂離子的結(jié)合力，從而使水對(duì)鈣鎂離子的溶解力大大 提高，達(dá)到防垢除垢的目的。水分子是有極分子，在電場(chǎng)力的作用下，將作定向排列。同時(shí)極板對(duì)正負(fù)離子產(chǎn)生一 定的吸附作用，但由于水在流動(dòng)，電場(chǎng)作用時(shí)間有限，所以吸附是次要的，主要效應(yīng)是有序化。若所加的是靜電場(chǎng)由于水的介電常數(shù) ε =78 較大，水中的電場(chǎng)強(qiáng)度比絕緣層中的電場(chǎng)要小幾十倍，而且由于水中正負(fù)離子的存在逐漸吸附到電極上，將大大抵消靜電場(chǎng)的作用，因此要達(dá) 到一定的有序化程度需要較高的靜電場(chǎng)，而且要有一定的作用時(shí)間。

若所加的高頻電磁場(chǎng) ，同樣會(huì)導(dǎo)致水分子和正負(fù)離子的有序化，其原理類(lèi)似于電泳，雖然電極在作不斷的正負(fù)變化。但電場(chǎng)只有作兩個(gè)方向的變化，有極分子在這 樣的電場(chǎng)力作用下，只好作整齊的排列，正負(fù)相接，極化方向決定于水離開(kāi)電場(chǎng)作用時(shí)那一瞬間的電場(chǎng)方向，事實(shí)上電場(chǎng)方向的變化更 有利于水分子的有序化。這好比鐵粉放在玻璃板上，玻璃板下放磁鐵一般會(huì)導(dǎo)致鐵粉的有序化，但若磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)一下方向使得鐵粉間有相對(duì)的運(yùn) 動(dòng)，結(jié)果更容易達(dá)到鐵粉的有序化，道理是一樣的。值得注意的是交變電場(chǎng)變化頻率太低，則與直流電差別不大，若頻率太高，則水分子由于 慣性來(lái)不及響應(yīng)，效果反而差，所以存在一個(gè)佳頻率范圍。

前面指出水分子由于是有極分子，在外加電場(chǎng)、磁場(chǎng) 或交變電場(chǎng)的作用下會(huì)出現(xiàn)有序化，不分子有序化后又是怎樣達(dá)到防垢除垢作用的呢?

水分子在外加電磁場(chǎng)的作用 下是以分子電偶極矩的方向作有序化排列的，鈣離子在水分子包圍下也將有序地分布于其中，分子電偶極矩的增大，加強(qiáng)了水分子與鈣、鎂離 子的結(jié)合力，減少形成鈣鹽、鎂鹽的機(jī)會(huì)，從而減少了結(jié)垢幾率，另減少了相互碰撞凝聚的機(jī)會(huì)，從而提高了水對(duì)鈣鎂離子的溶解力。

水分子按電偶極矩方向的有序化，使得水體產(chǎn)生取向極化。由于氫鍵的形成，這種取向極化具有“記憶”效應(yīng)，在水體離 開(kāi)電場(chǎng)作用以后，仍能保持一定時(shí)間的局部有序化，并在界面上出現(xiàn)剩余束縛電荷。束縛電荷碰撞到已結(jié)垢于管壁上的鈣鹽、鎂鹽，將使它們 轉(zhuǎn)人為易于不的氫氧化物;這些束縛電荷的存在也有利于水滲透到結(jié)垢內(nèi)部，使大塊的結(jié)垢物松化變細(xì)，從管壁上脫落，達(dá)到除垢的效果
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及解釋

我們對(duì)電子除垢儀進(jìn)行了長(zhǎng)期的試驗(yàn)，并對(duì)該設(shè)備的用戶作了跟蹤調(diào)查，發(fā)現(xiàn)設(shè)備對(duì)水連續(xù) 循環(huán)處理后，與對(duì)照組比較，處理組水對(duì)鈣鎂離子的溶解力有明顯提高，結(jié)垢量顯著減少;處理前后對(duì)照電導(dǎo)率有確定提高， PH 值略有上升 ，混濁度明顯下降，水質(zhì)變清;經(jīng)過(guò)電磁場(chǎng)處理的水可以保持?jǐn)?shù)小時(shí)的防垢除垢效果;對(duì)高溫水的處理效果不及對(duì)低溫水的處理效果，當(dāng)水溫 達(dá)到沸點(diǎn)時(shí)效果不大。

處理后的水對(duì)鈣鎂離子溶解力的增強(qiáng)和水垢減少現(xiàn)象，上節(jié)已作詳細(xì)分析。主要是高頻電磁 場(chǎng)對(duì)水的作用使得水分子按其電偶極矩矢量方向作有序化排列，增強(qiáng)了水分子對(duì)鈣鎂離子的結(jié)合力，從而達(dá)到水與鈣鎂離子溶解力的提高，并 達(dá)到防垢除垢效果。由于鈣鎂離子濃度的提高，自然有導(dǎo)電率的增加和 PH 值的上升。由于雜質(zhì)離子被有序化的水分子分隔包圍，不能凝結(jié)成 團(tuán)，導(dǎo)致混濁度下降，水質(zhì)變清。水經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的流動(dòng)，各分子團(tuán)間會(huì)相互碰撞失去所有的有序化恢復(fù)到原有狀態(tài)，失去防垢除垢的作用 。但若在有序化被破壞掉之前重新加上電磁場(chǎng)給予有序化，即循環(huán)或多次處理，則防垢除垢作用就會(huì)持續(xù)下去。水溫升高，意味著水分子熱運(yùn) 動(dòng)的加劇，一方面將破壞水分子的有序化，另一方面也促進(jìn)雜質(zhì)離子碰撞而結(jié)垢。因此溫度的升高將縮短防垢的持續(xù)時(shí)間。溫度達(dá)到一定程度 如沸點(diǎn)，將使防垢除垢效果完全喪失。

討論

從前面的分析可知，通過(guò)高頻電磁場(chǎng)對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)，各種冷卻系 統(tǒng)，熱交換系統(tǒng)等的循環(huán)水進(jìn)行處理會(huì)產(chǎn)生防垢除垢、變清水質(zhì)的效果。它與化學(xué)清洗法比較具有無(wú)污染，無(wú)需停機(jī)，費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)。與離子 交換法比較具有投資少，無(wú)需管理，免維修，費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。但也有它的缺點(diǎn)。因?yàn)榇朔椒ㄖ皇翘岣吡怂畬?duì)鈣、鎂離子的溶解力，減少了鈣鹽 、鎂鹽的結(jié)垢幾率，并沒(méi)有減少雜質(zhì)離子的濃度。因此對(duì)水的純度要求較高的某些工業(yè)用水，此法不可行，而且即使對(duì)純度沒(méi)有要求但工作溫 度很高的場(chǎng)合(如高溫鍋爐)此法也不適用。

從前節(jié)分析可知，所加高頻在電磁場(chǎng)存在著電場(chǎng)強(qiáng)度和頻率的佳值 。要使水分子有序化排列需要一定的電場(chǎng)強(qiáng)度的理所當(dāng)然的，但也不是強(qiáng)度越大越好，因?yàn)楫?dāng)大部分水分子都有序化以后再增加強(qiáng)度將是得不 償失的。前面已討論過(guò)高頻電磁場(chǎng)更有利于水分子的有序化，但水分子存在著轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，它有一個(gè)幾百兆赫以上的本征轉(zhuǎn)動(dòng)頻率(與所加電場(chǎng) 強(qiáng)度有關(guān))，所加電磁場(chǎng)的頻率超過(guò)此本征頻率，水分子就來(lái)不及跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，有序化效果將更差。

由于水分子由微 弱的氫鍵結(jié)合而成大分子團(tuán)，其結(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)的且對(duì)外界的變化很敏感，因此對(duì)水分子團(tuán)的研究是世界性難題，對(duì)其作深入研究，揭開(kāi)水的奧秘 ，開(kāi)發(fā)水的功能還有大量的工作要做。

高頻電場(chǎng)磁化水在防垢、殺菌方面的研究

水處理技術(shù) 有離子交換、蒸餾、膜處理等方法，它們能較徹底除去水中陰、陽(yáng)離子，達(dá)到防止結(jié)垢的目的，而有些低壓、低溫設(shè)備，只需達(dá)到防止結(jié)垢， 且投資愈省愈好，此類(lèi)水處理無(wú)須以上方法，靜電在低溫低壓水處理上有廣泛的應(yīng)用。

高頻電磁場(chǎng)是集高頻、電磁 場(chǎng)與一身，是由電子電路產(chǎn)生的高頻電磁震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(guò)高頻電磁場(chǎng)時(shí)，水分子作為偶級(jí)子被不斷反 復(fù)極化而產(chǎn)生扭曲、變形、反轉(zhuǎn)、震動(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(lái)締合形成的各種綜合鏈狀、團(tuán)狀大分子( H 2 O ) n 解離成單個(gè)水分子，形成比較穩(wěn)定的雙水分子( H 2 O ) 2 ，增加了水的活性，改變了水分子與其他離子的結(jié)合狀態(tài)，使碳酸鈣晶 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。細(xì)菌在高頻電場(chǎng)作用下，細(xì)胞壁和細(xì)胞膜受到嚴(yán)重的損傷，不能繼續(xù)在水中 生長(zhǎng)、繁殖，而達(dá)到殺菌的目的。

實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由高頻電磁場(chǎng)發(fā)生器、絕緣內(nèi)筒、正極、外筒、絕緣層組成， 內(nèi)筒有正極，外筒接負(fù)極

實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)條件

高頻電磁場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生 16Mhz 的頻率， 60V 的電場(chǎng)，平均場(chǎng)強(qiáng)為 300V/cm ，作用時(shí)間為 0.5s ，室溫 21 ℃，設(shè)備輸出功 率為 15W 。

阻垢實(shí)驗(yàn)

不同硬度和不同甲基橙堿度的水樣，分別通過(guò)電磁場(chǎng)后，取 500ml ， 快速升溫到 100 ℃后降到室溫，用定量濾紙過(guò)濾，取過(guò)濾水樣 100ml ，用 EDTA 滴定水中的硬度，計(jì)算高頻電磁場(chǎng)水減少結(jié)垢量與正常結(jié)垢 量的比(即阻垢率)，與 a 和原水硬度的關(guān)系( a= 堿度 / 硬度(摩爾比)，硬度 H=1/2[Ca 2+ ]+[Mg 2+ ] )。

結(jié)論

⑴濁度比較。在低溫時(shí)，濁度沒(méi)有差別。當(dāng)溫度升到 75 ℃以上時(shí)，原水開(kāi)始渾濁，高頻電磁場(chǎng)磁化水較清，繼續(xù)加熱保 持 100 ℃， 4min 后，高頻電磁場(chǎng)磁化水也開(kāi)始渾濁。即高頻電磁場(chǎng)磁化水延續(xù)水垢析出 2~3min (水硬度為 9.6mmol/L ，堿度為 4.2mmol/L )。

⑵當(dāng)把高頻電磁場(chǎng)磁化水與原水同樣升溫煮沸一段時(shí)間后，高頻電磁場(chǎng)磁化水水杯上水垢明顯少于原水水杯上水垢。

⑶當(dāng)原水堿度升高時(shí)，高頻電磁場(chǎng)磁化水阻垢效果明顯降低，當(dāng)原水硬度增大時(shí)，其阻垢效果也明顯減低，在硬度小于 300mg/L (以 CaCO 3 計(jì))， a 小于 0.5 時(shí)，阻垢效果很明顯。

⑷高頻電磁場(chǎng)磁化水殺菌率在 95% 以上，隨頻率的升高，殺菌效果也明顯增強(qiáng)。

⑸水系統(tǒng) 在高頻電場(chǎng)作用下發(fā)生的變化，隨電場(chǎng)強(qiáng)度、頻率的變化而變化(頻率變化對(duì)水系統(tǒng)的作用有待進(jìn)一步研究)，它防垢和殺菌方面的作用在工 業(yè)循環(huán)水上有較大的應(yīng)用價(jià)值。重慶水處理設(shè)備