磁化技术在污水处理中的应用及水的磁化处理.

2016前言水一定强度磁场，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变化，其中机理尚不能肯定。一些学者认为磁场会破坏水原来结构，使原来较大缔合水分子集团变成较小缔合水分子集团，是单个分子。分子中氢键也会有部分洛仑兹力作用下正负离子反方向旋转而断裂（1）。磁化后水会表现出一些性质变化，如：pH值、密度、挥发性、溶解性、表面张力、电导率、沸点、冰点都有不同改变，这种改变和所加磁场大小有密切关系（2）。磁化水其特殊性质已经被广泛应用到工程。磁化单纯物理过程，软化过程。一般认为水系统进行磁处理主加快了溶液内部结晶作用，使盐类受热面上直接结晶和坚硬沉积大大减少,起到防垢作用。研究表明,磁场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关系。另外，还有一种说法认为磁处理改变了水本身结构，改变了一些性状。从这两方面同时考虑，主要有以下几个和推断。（1）洛仑兹力作用：水与磁流相互移动，能够产生感应电流，洛仑兹力作用下，弱极性水分子和其他杂质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“离子缔合体”，这种缔合体具有足够稳定性，水中形成了大量结晶核心，以这些晶体为核心悬浮颗粒可以稳定存水中。（2）极化作用：磁场极化作用使使盐类结晶成分发生了变化。微粒子极性增强，凝聚力减弱，使水中原有较长缔合分子链被截断为较短缔合分子链和带电离子变形，破坏了离子间静电吸引力，改变了结晶条件。形成分散稳定小晶体。（3）磁滞效应：磁场引起水中盐类分子或离子磁性力偶磁滞效应，改变了盐类水中溶解性，同时使盐类分子相互间亲和性（结晶性）消失，防止大晶体结晶。（4）磁力矩重新取向：一定基团反应中，磁场影响基团中成对磁力矩重新取向，这样中间机理而影响其他化学反应。反应动力学发生了变化，反应结果中新到产品间比例关系也发生了变化。（5）氢键变形：磁场对水偶极分子发生定向极化作用后，电子云会发生改变，造成氢键弯曲和局部短裂，使单个水分子数量增多。这些水分子占据了溶液各个空隙，能抑制晶体形成。并使水整体性能发生变化。（6）活化能改变：磁场影响与系统转化有联系。水磁化时获能量很少，但系统中开始和终结之间存一个“能障”为克服这种能障必须向系统输送相应能量以触发活化能。磁场短时间作用起着“催化”水系活化能改变作用，最终导致整个系统性质变化。2.1磁化处理对藻类初级生产能力影响及机理。实验表明，磁化水体中藻类生产能力明显高于没有处理水体中藻类。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，有利于藻类生长。第二，磁化处理导致水体光学性质发生变化，磁化处理水比未处理水对光吸收率高30%，水体透光性改善，保证了光合自养生物能源。这是磁化处理引起藻类迅速生长原因之一。第三，磁化水硬度、pH值、电导率都明显高于非磁化水，无机盐磁化水中可以较好溶解，这有利于藻类对营养盐类吸收。第四，磁化处理后污水,能引起生物膜渗透性增加,改善了藻类对营养物质吸收,促进藻类生长和生产能力增加。2.2磁化处理对水中异养细菌总数影响异养型细菌是以有机物作为能源和碳源一大类微生物，它总数随水中有机物浓度升高而升高，水中异养菌总数可间接反映水中有机物污染程度及水净化程度。污水不同强度磁场处理后，水中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，磁场直接作用下，引起水体BOD,COD降低，使异养生物能源和C素营养物质减少，导致水体异养菌死亡速度大于增殖速度，出现负增长现象。第二，磁场力直接作用于细菌细胞内水和酶，使酶钝化或失活。污水磁化处理以后，直接改善其耗养特性作用，磁化后水体具有新生物特性。磁处理广泛应用于农业、医学、养殖、工业等诸多领域，尤其生命科学。基于这些经验，我们提出将磁处理技术与人工生态系统相结合应用于有机废水净化处理，并着重对磁处理问题开展了一系列实验分析和实际应用，从中获一些有益认识。(1)有机废水磁处理，水体有氧条件下，污水瞬间合适磁场(0.315～0.368T)后，视水质成分差异，可直接去除COD8%～25%，且不受水温影响，但连续反复磁化，每次去除率会随磁化次数急剧下降。实际应用初步表明，磁处理器相隔水力滞留时间以2～3d为宜。磁处理直接去除COD原因，是污水被磁化中产生h2O2等强氧化剂所致，并非生物酶作用或有机物分子结合键直接断裂结果。(2)厌氧条件下，污水磁化对COD降解也很显著，实验表明，水温40℃上述适宜磁场下，可使COD去除率比不磁化提高21%～28%，但其机理尚需进一步研究。(3)污水磁化,直接灭菌率可达70%～80%(可能是形体很小病毒、细菌等)，但不能使所有微生物死亡，尤其功能微生物，生存下来还会被激活，以更大活力提高污水净化能力(初步实验约17%)。(4)磁处理污水，有利于菌藻系统生长和光合作用,可使水体产氧率和藻类(绿藻)生产力增加一倍之多,促进生物链对污水净化作用。(5)磁处理宜与人工生态系统联合使用，上述污水处理站就是这一结合成功范例，处理效率高，运行费用低，污水资源化和变废为宝，为可持续发展和推广展示了广阔应用前景。以上分析表明，磁化水技术水循环系统除垢去垢领域有着重要作用，磁场水处理技术还废水处理方面有很好效用，废水磁化后再进行生物和物理方法进行处理到效果，明显好于没有磁化废水。这主磁化后水性质发生了变化，导致了微生物生长条件，絮凝条件变化。但并磁场强度越大效果越好，他们都有一个相对高效范围，其机理尚需进一步研究。相信对其不断研究，磁化水废水处理领域中必将具有更广阔应用前景。1、水的磁化机理2、磁化水性质变化3、磁化水的抑垢机理4、磁化水的防腐蚀机理5、磁化水的杀菌功能6、磁水器介绍7、实验设计和步骤磁化水研究历程磁化水处理技术的应用可追溯到1890年，是Frnce和Cabell发明的一种电磁设备处理锅炉进水技术。1945年Verriven发现“磁化水”可以减少锅炉水垢的生成，并成功的应用磁化水抑制了锅炉结垢，申请了专利，为磁化防垢技术的开展拉开了序幕。近六十年来，利用磁化水进行抑垢在全世界范围内得到广泛应用，从工业循环水、锅炉给水到热水系统，均取得了良好的抑垢效果。迄今为止，世界上有很多公司生产磁处理装置，如Aquamagneticsinternational,BonAqua,Freijie,HDLFluidDynamics,Polar等。我国于五十年代就开始磁技术用于锅炉水除垢和防垢的研究与应用，并于1959年生产了第一台磁处理器。1996年莱芜钢铁集团有限公司莱芜铁矿马庄矿区在空压机冷却水总进水管路上安装了一台GW-100大规模电磁场磁化水设备，进行防垢和杀菌灭藻，收到了明显效果。中科院金属研究所与沈阳新能源联合开发公司合作生产了BCH型波纹管式磁处理器。MHD原理（基于法拉利电磁理论）当切割磁力线的导体是一束具有一定流速和一定导电性的水时,在水流中就会发生带电荷的现象,此时水就被磁化了。英国物理学家提出：在非绝对纯净的水中,不同程度地溶有盐、碱、酸等成分的杂质,同时也不同程度地存在悬浮不溶解的固体杂质和微量金属及非金属元素,所以水都可以不同程度地被磁化。水是一个极性分子，其基本结构看作是一个具有敞开式的四个配位数的四面体结构，由于受热运动的不断破坏，这个结构只能存在于短程和短时间内。◦磁场对水的偶极子有定向极化作用，使电子云也发生极化，因而导致氢键发生变化、弯曲和局部断裂，部分氢键被破坏，单个水分子的数量增多。◦磁场对水的偶极子的定向极化作.用，有可能使水结构，如极性分子之间联结形式发生变化。极化前的水分子极化后的水分子水流经磁场，水溶液中的水分子、水化离子等带电拉子都要受到磁场的作用，其作用力为罗仑兹力：F=kqv×B。液体中粒子的运动速度是热平衡状态下粒子的微观运动速度Vr和溶液宏观流速Vl叠加，即V=Vr+Vl故F=kqVr×B＋kqVl×B＝Fr＋Fl，Fr不做功，做功的是Fl在罗仑兹力作用Fl下，水分子的电子云发生极化，磁场的作用也可能与谐振现象一样，使离子水化层受到破坏，可能使水化层变得更“薄些”。极化前的水化离子极化后的水化离子由于水化离子中的水分子减少，且不均匀，这种水化离子(或带电的颗粒)在相反方向的运动过程中，正、负离子或颗粒相互接近的几率增大。电荷相反的离子和颗粒相互碰掩而形成一定数量的暂时结合的“离子缔合体”，而且可能是两个、三个或四个以上的离子缔合在一起。这种离子缔合体作为一个质点在溶液中运动，增加了水溶液的“离子对”数量。磁化水主要应用于工业上防垢，正是由于存在大量的“离子缔合体”或“颗粒缔合体”，在水溶液中提供了大量的结晶核心。大量文献及实践表明，磁处理可改变水系的物理化学性质和生物性质，使其可集防腐、除锈、阻垢、除垢、杀菌等多功能于一体，具有广泛的应用前景。1.水的密度、粘度和表面张力的变化•水经磁场处理后，有部分水分子从缔合休上解脱出来，呈单分子或双氢分子等状态。而且，水又不是最密堆集，这些更自由的水分子便填充到孔隙中去。另外，单散的水分子有可能钻进其他缔合体中。因此，水的克分子体积缩小，密度增大，相应的水的粘度和表面张力也随之增大。•YoungI.Cho(Int.CommunicationsinHeatandMassTransfer32(p1-9)2005)研究发现在0.16T磁场作用下一定程度的硬水的表面张力会下降8%。•AmiriandDadkhah认为表面张力的变化大部分是因为水中杂质的缘故，现有的研究没有得出关于表面张力的有意义的数据，包括上述YoungI.Cho的研究。•没有科学和有力数据表明磁处理可以明显降低水的表面张力。2.电导率的变化•水溶液经磁场处理后产生大量离子缔合体，导致水溶液的电导率减小。•赵新杰对磁化水的各种物理特性进行测试发现磁化水的表面张力、电导率均有所增大，磁化水的沸点略有降低，但变化幅度不大，磁化水冰点并没有发生变化。•磁场是否对蒸馏水和水溶液pH值的变化有影响，pH值是加大还是减小，这是一个有待于更深人进行研究的课题。•国内外有许多关于水经磁场处理.后pH变化的实验报告。从这些实验报告得知PH值还是有变化的。•朱元保等对磁化水的物化性质进行了研究，发现除红外光谱和核磁共振谱与磁化无明显差别外，磁化水的pH值、溶解氧和难溶盐的溶解度均增加，紫外线吸收峰和密度降低，挥发性加快。•磁化水的PH的升高或降低可能与CO2气体的脱气和溶解反应有关。使用磁水器前的积垢使用磁水器后的积垢一般情况下，水中的Ca2-、CO32-离子等均以水合离子的形式存在，当水合离子流过磁场时，会受到洛仑兹力的作用做螺旋圆周运动，且正、负离子旋转方向相反，这将破坏离子的物理水化层，在足够的磁场强度下，离子的化学水化层也将被破坏。这样，这些成垢离子就从水合状态中解脱出来，成为“裸露”离子。被解脱后，Ca2-和CO32-间发生直接碰撞而结合成CaCO3的机会增加，从而形成大量的晶核和微晶。由于这些CaCO3微晶体主要在水中形成，并且颗粒细小分散，从而大大减少了在管壁上结垢的机会。水经过磁化后其渗透性增强，这使得水分子容易渗入器壁垢层的微细间隙中并在温度较高处汽化膨胀，使垢层松软。在温度变化时，器壁与垢层之间产生应力作用，同时在水流的冲击下垢层破裂乃至脱落。多年来，各国的研究人员对磁化抑垢机理进行了大量的研究，主要提出了四类机理：-原子内效应：如电子构象的变化，Eliassen等人认为离子内的电子转移需要相当于100T的能量输入，Ellingsen和Vik却指出这种变化是非常短暂的，不能解释磁记忆效应。-污染物效应：如磁增强腐蚀溶解，使体系中产生痕量的Fe2+等，Fe2+等能抑制硬垢的生成，产生软泥，随排污排走，从而达到防垢除垢的目的。但是此机理不能解释非浸入式磁处理器及高纯溶液的结果。