高效磁化器在水質(zhì)處理中的應(yīng)用

余克勤 盧 笛 徐夢(mèng)彪 袁 立

(1.南昌航空大學(xué)，江西 南昌 330063;2.江西省公路科研設(shè)計(jì)院，江西 南昌 330002;3.余姚合群節(jié)能電子有限公司，浙江 余姚 315400)

1 概述

導(dǎo)體在外力作用下通過磁場(chǎng)，作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電荷和使電荷運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)勢(shì)，于是導(dǎo)體內(nèi)就產(chǎn)生了電流、電位元差等物理變化，當(dāng)切割磁力線的導(dǎo)體是一束有一定速度流動(dòng)著的、有一定導(dǎo)電性的水時(shí)，在水流中也一定會(huì)發(fā)生上述的變化，這種水是磁化水、磁性水，能使水磁化的裝置通常被稱為磁化水處理器、磁水器等，其工作過程見圖1。水中有了電荷、電位會(huì)改變水本身以及包含在水中的其它物質(zhì)的狀態(tài)和性質(zhì)，絕大多數(shù)的工農(nóng)業(yè)用水、生活飲用水都屬于有一定導(dǎo)電性能的非絕緣物質(zhì)。不同程度地都可以被磁化。磁化水裝置正是根據(jù)這一原理來設(shè)計(jì)的［1］。

圖1 磁化器工作過程

近五十年，美國(guó)、日本等國(guó)先后掀起了“磁處理研究熱”。磁處理技術(shù)開始大規(guī)模應(yīng)用于石注水開采、輸運(yùn)和工業(yè)用水減少鍋垢形成中，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益［2］。在我國(guó)已有關(guān)于用磁場(chǎng)凈化含油污水、城市污水和鋼鐵工業(yè)廢水的報(bào)導(dǎo)［3］。通過用不同的磁性材料和水流的通路形式來達(dá)到使水磁化的目的［4］。近年來，高梯度磁場(chǎng)處理技術(shù)已經(jīng)廣泛的用于水處理技術(shù)，磁化技術(shù)將逐步向著有效利用磁場(chǎng)的能量以及注重對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)化機(jī)理的研究方向發(fā)展。

2 本實(shí)驗(yàn)研究方法及意義

2.1 研究?jī)?nèi)容

研究不同流量控制下，磁化器對(duì)水的電位、pH值及濁度的影響及相互關(guān)系的最優(yōu)化。

2.2 研究方法

2.3 研究目的及意義

本次實(shí)驗(yàn)的研究目的是:通過大量的實(shí)驗(yàn)證明，磁化器對(duì)水的pH值，電位值及濁度值具有良好的處理效果，并通過實(shí)驗(yàn)找出最好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在最佳的實(shí)驗(yàn)條件下，磁化器對(duì)飲用水的pH值，電位值及濁度值有非常好的處理效果。

3 實(shí)驗(yàn)儀器

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

本次實(shí)驗(yàn)用到的儀器有電位計(jì)、濁度儀、pH計(jì)，4個(gè)磁化器及水路管網(wǎng)。

如圖2所示的磁化水處理器外形為柱狀，采用鑄鋼制作，兩端帶法蘭盤可與管道直接相連。磁化水處理器內(nèi)部采用2組N、S極相對(duì)的特殊合金永磁材料制成的磁棒。按照N－S、S－N排列，磁場(chǎng)能量為6000 Gs，使用期限為15年，磁場(chǎng)強(qiáng)度衰減率為3% 。由于磁化處理器使用的是永久磁性材料，無須外加電源，不耗電能。

圖2 磁化水處理器的結(jié)構(gòu)圖

本次實(shí)驗(yàn)中原水從水籠頭引入，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)管路，其中，原水經(jīng)過磁化器后接入燒杯，得到試樣。

預(yù)期進(jìn)行7組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)分別對(duì)pH、電位、濁度進(jìn)行測(cè)量。最后得到7組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行正交處理，得到最優(yōu)組合及最佳組合下的預(yù)測(cè)值。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

利用正交表處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果如下。

4.1 磁化器影響pH、濁度、電位的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

1.確定目標(biāo)函數(shù)

pH、濁度、電位。

2.確定因素及水平

時(shí)間因素 F1 5、10、30、60

磁化器因素 F2 1、2、3、4

3.選正交表

首先計(jì)算最小實(shí)驗(yàn)次數(shù).N=1+(4－1)*2=7

正交表的最小容量為7，滿足這一條件且可安排4水平因素的最小正交表為L(zhǎng)16(45)。

一.pH數(shù)據(jù)的處理

?

對(duì)上表數(shù)據(jù)進(jìn)行處理:

比較判斷

F1(f1，fe)＜ F0.05(4，9)，所以時(shí)間 F1 是不顯著的;

F2(f2，fe)＜ F0.05(4，9)，所以磁化器 F2 是不顯著的;

其最優(yōu)水平分別為F(4，4)，根據(jù)最優(yōu)水平組合可以求出最優(yōu)值:

二.濁度數(shù)據(jù)的處理

?

對(duì)上表數(shù)據(jù)進(jìn)行處理:

比較判斷

其最優(yōu)水平分別為F(4，4)，根據(jù)最優(yōu)水平組合可以求出最優(yōu)值:

三.電位數(shù)據(jù)的處理

?

對(duì)上表數(shù)據(jù)進(jìn)行處理:

比較判斷

其最優(yōu)水平分別為F(4，4)，根據(jù)最優(yōu)水平組合可以求出最優(yōu)值:

4.2 流量對(duì)磁化器處理效果的影響

4.2.1 對(duì)pH的影響

由圖2、圖3可知，在400 l/s時(shí)，磁化器對(duì)pH處理效果最好，且2號(hào)磁化器的處理效果比1號(hào)磁化器好。

4.2.2 對(duì)濁度的影響

由圖4、圖5可知400l/s時(shí)磁化器對(duì)濁度的處理效果最好，且2號(hào)磁化器的處理效果比1號(hào)磁化器好。

4.2.3 對(duì)電位的影響

由圖6、圖7可知，在400 l/s的流量下，磁化器對(duì)電位的影響最大，且磁場(chǎng)更強(qiáng)的2號(hào)磁化器處理效果比1號(hào)好。

綜上，在400 l/s的情況下，磁化器對(duì)原水的pH、電位、濁度處理效果好。且2號(hào)磁化器比1號(hào)磁化器處理效果好。

4.3 濁度對(duì)磁化器處理效果的影響

實(shí)驗(yàn)說明:實(shí)驗(yàn)水箱容積為31680 cm3，投加藥為淀粉，控制濁度的方法為向水箱投加不同量的淀粉。

4.3.1 投藥2 g由圖8可知流量高時(shí)磁化器處理效果好，且在同樣流量下，2號(hào)磁化器比1號(hào)磁化器處理效果好。

4.3.2 投藥3 g由圖9可知流量高時(shí)磁化器處理效果好，且在同樣流量下，2號(hào)磁化器比1號(hào)磁化器處理效果好。

4.3.3 投藥4 g由圖10可知流量高時(shí)磁化器處理效果好，且在同樣流量下，2號(hào)磁化器比1號(hào)磁化器處理效果好。

4.3.4 投藥5 g由圖11可知流量高時(shí)磁化器處理效果好，且在同樣流量下，2號(hào)磁化器比1號(hào)磁化器處理效果好。

實(shí)驗(yàn)總結(jié):由上面4圖可知，同流量下，2號(hào)磁化器處理效果要比1號(hào)磁化器好，而且高濁度時(shí)磁化器照樣能有良好的處理效果。

5 結(jié)論

當(dāng)水穿過磁場(chǎng)時(shí)，要達(dá)到預(yù)期的效果，有幾點(diǎn)是很重要的:(1)水的路徑必須與磁力線方向垂直，以90度切割磁力線，稱為切力;(2)流水應(yīng)該切割南極磁力線，接著切割范圍更廣分布更密集的不斷轉(zhuǎn)換磁極的磁力線，最后從北極流出穿出單位磁場(chǎng);(3)磁力調(diào)控器功率大小取決于“高斯”的大小、磁通量密度、暴露于這幾個(gè)磁場(chǎng)的表面積大小和不斷轉(zhuǎn)換極間的距離;(4)水穿過磁場(chǎng)之前和經(jīng)過磁場(chǎng)的過程中，必須置于一定的壓力之下，形成源源不斷的水流。

5.1 磁化器特點(diǎn)

按磁場(chǎng)形式的方式可將磁化水處理器分為永磁式和電磁式兩種;按磁場(chǎng)位置又可將磁水器分為內(nèi)磁式和外磁式兩種。與內(nèi)磁式磁水器相比，外磁式磁水器可能具有更大的優(yōu)勢(shì)，其主要優(yōu)點(diǎn)是檢修時(shí)不必停水及拆卸管道，也不易引起磁短路現(xiàn)象［9］。研究表明，磁化后的水會(huì)表現(xiàn)出一些性質(zhì)的變化，如pH值、密度、揮發(fā)性、溶解性、表面張力、電導(dǎo)率、沸點(diǎn)、冰點(diǎn)都有不同的改變。

利用磁化處理水有以下優(yōu)點(diǎn):(1)節(jié)約能源 磁化法在使用的過程中無須損耗外加動(dòng)力;(2)節(jié)省投資磁化法可防垢除垢，可延長(zhǎng)設(shè)備的清洗周期，減少設(shè)備運(yùn)行過程中的清洗費(fèi)用;(3)對(duì)環(huán)保有積極的作用磁化法無須添加化學(xué)試劑，只是通過改變物質(zhì)的達(dá)到目的，因此不會(huì)造成環(huán)境污染，磁化水因?yàn)槠涮厥獾男再|(zhì)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到工程［5］。

5.2 磁化處理后的水質(zhì)變化

水經(jīng)磁化處理后部分物理性質(zhì)發(fā)生暫時(shí)性變化。表明磁化處理可引起水結(jié)構(gòu)的改變［6］。一般認(rèn)為磁化處理會(huì)破壞水原來的結(jié)構(gòu)，使較大的締合水分子集團(tuán)變成較小的締合水分子集團(tuán)，甚至是單個(gè)的水分子。因?yàn)闅滏I是一種分子間力，不象化學(xué)鍵那樣牢固。在液態(tài)水中，它處于一種不停地?cái)嚅_、結(jié)合的動(dòng)態(tài)平衡中。在一定條件下，這種動(dòng)態(tài)平衡所需要的能量由水分子的熱運(yùn)動(dòng)所提供。磁場(chǎng)給水分子的熱運(yùn)動(dòng)提供了能量，有利于平衡向右移動(dòng)，這必然導(dǎo)致部分氫鍵被破壞;其次水分子是極性分子，在磁場(chǎng)作用下受洛侖茲力的影響趨于定向排列，使偶極的取向發(fā)生變化，磁化后水分子的氫氧鍵角從104.5°，減小到103°左右。原子間磁距的方向改變而數(shù)值增加了，氫鍵將發(fā)生畸變;此外存在于水中的水合離子也受到磁場(chǎng)的影響，當(dāng)水合離子受洛侖茲力作用時(shí)，將作螺旋式的圓周運(yùn)動(dòng)，且正、負(fù)離子旋轉(zhuǎn)方向相反。根據(jù)Burton和Daly離子溶劑化的氫鍵理論模型，離子的溶劑化主要是由離子和極性溶劑分子間的氫鍵作用。當(dāng)正負(fù)離子做相反方向旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)將連接在它們之間的氫鍵扭斷，使水的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而改變了水的物化性質(zhì)。

水經(jīng)磁化后，能產(chǎn)生明顯的物理化學(xué)變化，水的電導(dǎo)率提高2%;pH提高0.4～1.0;表面張力下降1% ～2%，對(duì)固體物質(zhì)的浸潤(rùn)角增大，浸潤(rùn)能力增強(qiáng)，蒸發(fā)速度提高;對(duì)一些鹽類的溶解度提高20% ～70%;水滲透壓提高1.34倍;溶氧量增加3～6 mg/L，改變了水中微生物、生物的生長(zhǎng)環(huán)境。

本文應(yīng)用4個(gè)不同的磁化器對(duì)飲用水進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，得出了在不同的時(shí)間，流量處理下，磁化器的處理效果是不一樣的。得出的結(jié)論主要有幾點(diǎn):(1)pH在磁化器的處理下，一般會(huì)變高，而且處理時(shí)間相對(duì)越長(zhǎng)，磁化器磁場(chǎng)越強(qiáng)，處理效果越好，本次實(shí)驗(yàn)在處理1 h后pH達(dá)到最大;(2)濁度的處理相對(duì)較平緩，變化都不是非常明顯，但是在磁化器的處理下，都是有減小的趨勢(shì);(3)電位在磁化器的處理下，變化相對(duì)較明顯，處理時(shí)間越久，磁化器磁場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，電位得到的提升越多;(4)流量對(duì)磁化器的影響是明顯的，且在400流量下磁化器能有好的處理效果;(5)磁化器對(duì)濁度的處理非常明顯，在高濁度時(shí)也能有效的降低濁度。由本次實(shí)驗(yàn)可看出，高效磁化水處理器是一種非常有前途的儀器，以后必將得到進(jìn)一步的應(yīng)用。

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