循环冷却水阻垢的几种物理方法介绍

1、循环冷却水阻垢的几种物理处理方法介绍【摘 要】探讨和研究新型循环冷却水物理处理技术，在不添加任何化学药剂的情况下，达到防垢、阻垢、灭菌和缓蚀作用，本文主要介绍几种循环冷却水的物理处理方法的机理及目 前研究状况。【关键词】循环冷却水，物理处理法，电场法，磁场法，超声波法，亚音频波法，高频电磁 场法，射频法一、前言水是自然界分布最广的自然资源，是维持人类发展的生命线。 但由于咸水和技术原因可供人类开发利用的淡水资源只占地球总水量的0.3%,所以淡水资源是十分有限的宝贵的自然资源。随着人类社会经济的迅猛发展，对水资源的需求急速增加，其中工业用水量的增加最为显著，导致一方面供水紧张， 另一方面又引起污

2、水量的增加。缺水和水体污染已成为当今世界困扰人们的主要问题之一。而工业用水中循环冷却水所占比例最大。这是因为在众多的冷媒中水最廉价易得， 且没有任何毒副作用，冷却效率最高，是最理想的冷媒。随着水资源的日益紧张，节约循环冷却水是节水的目标之一。通过变直冷为循环冷却， 进而提高循环冷却水的浓缩倍数，使补充水量和排污水量大幅减少，成为最有效的节水措施。冷却水在循环系统中不断循环，由于流速的变化，水温不断升高，水的不断蒸发，水中有机物和无机离子不断浓缩，以及设备材料结构的多重因素协同作用，因而产生沉积物的附着、设备的腐蚀和微生物的大量滋生并形成污泥污垢堵塞管道等问题，传统的处理方法是使用药剂，而化学药

3、剂的污染，由于含量较低，传统上不作处理直接排放，这既浪费了水资源又污染了环境。 近年来，由于环境压力的增加和现存化学处理法中存在的投药过程复杂，排污对水体产生污染等不足之处，寻找低能耗、节水减排的工业循环冷却水处理技术成为当前发展的大趋势。 探讨和研究新型循环冷却水物理处理技术，在不添加任何化学药剂的情况下，达到防垢、阻垢、灭菌和缓蚀作用，在循环冷却水处理领域有着广阔的应用前景和商业市场。而将物理方法应用于循环冷却水处理具有既不污染水体，绿色环保，又节约水资源的优势。它能代替运行费用高，管理难度大，造成二次污染的化学处理方法。二、循环冷却水物理处理技术基本原理循环冷却水物理处理技术指利用电场、

4、磁场、改变水的表面电荷、机械干扰（音波、超 声、瞬间压力改变）等手段对水体进行处理。物理法处理循环冷却水，主要是运用电、磁、 振动波等技术及其相应设备来有目的地改变水分子及水中各种离子和分子的运动状况和分 子团结构，从而达到在循环水中阻垢、防垢的目的。且物理处理法具有设施简单、无药剂污染、运行维护、操作简单易行等优势。三、几种常用循环冷却水物理处理法关于循环水物理处理技术的研究开始于 50 年前，长期以来，人们进行了大量的研究， 目前比较常用的物理除垢、防垢方法有电场处理法、磁化处理法、超声波处理法等。1、高压静电处理法离高压静电水处理是是在两极间加入高于 1 万伏的直流电压，使水产生微电流而

5、起到 阻垢作用。由高压电源发生器、处理器、管道等组成。水在通过电场时，一方面电场激发水 分子振动， 通过水分子共振，形成更多的水分子自由体， 不稳定的过饱和体，变成稳定的不 饱和体，能够容纳更多的硬度离子， 同时溶解已形成的水垢； 另一方面，水分子中的电子被 激发， 从低能级轨道向高能级轨道跃迁， 引起水分子电位能的下降，水分子与管壁、容器壁 的电位差减小， 水中溶解的盐类因静电力减弱不易附着于管壁或器壁， 从而起到阻垢的作用。高压静电场对提高水的处理量， 改善环境有重要意义， 在水处理领域中具有广阔应用前 景，但该技术的研究尚不成熟。 已有的高压静电场生物效应的研究表明： 高压静电对水中大

6、分子团的处理还不完全， 阻垢效果不够理想。 而且，高压静电场既可以杀菌消毒， 在某些适 当的情况下也可以促进细胞的分生、 提高细胞抗伤害和抗衰老的能力、 刺激微生物生长， 存 在处理效果不稳定的特点。2、磁化处理法利用磁场效应对水进行处理，称为水的磁化处理。 1945 年比利时韦梅朗应用磁化水减 少锅炉水垢获得成功并申请了专利。 使用磁化水可明显地减慢锅炉水垢的生成， 而且老的锅 炉水垢还容易清除。大量研究表明磁场可以对水溶液的部分理化性质、 结晶过程及晶体结构等产生影响。 一 方面， 当水流经过磁场时，磁场对水分子发生定向极化作用， 水分子电子云发生变化， 从而 使水分子氢键弯曲和局部断裂，

7、 使单个水分子增多， 盐类的溶解度增大， 起到阻垢和溶垢的 作用。同时，水溶液中的 Ca2+ 与 CO32- 等带电离子由于洛仑兹力的作用被束缚于磁力线附 近，使得该处粒子的浓度高于无磁场作用的区域， 磁场对极性水分子的取向作用抑制了晶粒 的长大和生成。 另外， 湍流情况下磁场能促进霰石而不是方解石的生成，从而防止水中硬垢的产生，生成疏松的软垢，并能使已成硬垢的方解石转变成霰石， 随排污排走，从而达到防 垢除垢的效果。循环冷却水的磁化法处理是研究和应用最为广泛的物理处理法， 但是还有许多问题需要 探讨， 其作用机理至今尚不完全明确，其处理效果不够稳定。 根据有关资料介绍， 磁化法处 理循环冷却

8、水， 效率有时可接近 100% ，而有时几乎无效， 在这方面尚缺乏完整的科学资料。 而且磁场强度随时间减弱，影响处理效果。3、超声波处理法超声波的显著特征是传播方向性好， 穿透力强， 在固体和液体中传播时衰减小。 超声波 阻垢是近年发展起来的一项新技术， 主要利用超声波强声场来处理流体， 使流体中的成垢物 质在超声场空化效应的作用下，其物理形态和化学性能发生一系列变化，使之分散、粉碎、 松散、 松脱而不易附着在管壁、 器壁，从而达到阻垢的目的。 超声波空化作用是指存在于液 体中的微气核空化泡在声波的作用下振动， 当声压达到一定值时发生的生长和崩溃的动力学 过程。中国石油化工股份有限公司曾于 2

9、000 年在生产线最重要的冷却器管线上加了台TC-4-10型超声防垢器，大大减少了走水管道内壁的水垢，缩短了设备的清洗间隔和维护保养周期，节省了大量资金。超声波防除垢机理的主要表现为：(1) 超声空化作用减少成垢物质的结晶；(2) 活化作用提高液体的相对溶垢能力；(3) 超声机械作用；(4) 增强微粒的悬浮能力使垢质沉积速率减小。研究表明，超声波具有明显的阻垢能力，与阻垢剂同时使用时有良好的协同效果。此方法同时可有效控制水中细菌和藻类，减少生物膜，利于水质稳定。在大学、乳制品厂、化工 厂等多处的冷却塔中的实际应用也取得了明显的效果，可代替化学加药法进行水质处理。超声波在除防垢上有在线处理、设备

10、损失小、成本低、易于实现自动化等突出特点，作为现代的一种环保、高效的先进技术，具有很大的发展潜力。俄罗斯等一些国家在此方面的 研究已经比较深入， 生产出的一些除垢器， 在实际应用中也显示出了超声除垢的优越性。但是由于目前超声除垢的机理及影响因素研究的还不是很深入，除垢器的设计还不够完善，当前的应用领域也比较窄，因此有许多问题待进一步研究。四、新型物理处理技术除了上述几种最常用的方法外，近些年来，人们对上述方法进行了改进并不断开发研究新型物理水处理技术。1、亚音频波处理法亚音频波阻垢缓蚀系统通过智能模块产生亚音频电流，并通过能量增进器发射到水体中并形成亚音频交变电磁场，水在亚音频交变电磁场的作用

11、下发生物理性能和结构的改变。通常情况下，水中的水分子由氢键缔合成小分子团的形式存在。在亚音频交变电磁场的作用下，水分子的偶极子极性增强，分子团(链)增大，从而增加水对盐的溶解度。偶极子的负极性 与水中的Ca2+、Mg2+等阳离子亲和，偶极子中的阳极与水中的 CO32-、SO42-等阴离子亲和。 大量的偶极子包围在 Ca2+、Mg2+、CO32-、SO42离子周围，使其相互隔开，运动速度和碰 撞几率大大降低，从而有效阻止了结垢的产生， 达到阻垢的目的。另外经过亚音频波的处理， 在较高能量状态下，能改变CaCO3的结晶的结构，使其形成松散泡沫状的沉淀，会被水流带走，不易附着在管壁上成垢。同时亚音频

12、波对循环水杀菌抑藻系统起到协同作用。 在智能亚音频波的作用下细菌的两 极随亚音频波而改变，细胞分裂受到限制，只能朝两边延伸，细菌的鞭毛变弯，大多数细菌粘连在一起，这些都使得细菌的生长受到抑制。2、高频电磁场处理法高频电磁场水处理法是最新一代物理水处理技术，是磁化处理法和高压静电式水处理技术的基础上的改良技术， 克服了前两者的缺点， 保留了其优点。在循环水系统中水分子是以 小分子组成的分子团形式存在，高频电磁水处理技术是由电子电路产生的高频电磁振荡在固定的两极间形成一定强度的高频电磁场，水通过高频电磁场时， 水分子作为偶极子被不断反复极化而产生扭曲、变形、反转、振动，且与外加电磁场共振使其分子运

13、动加强，从而使原 来缔合形成的各种综合链状、 团状的大分子解离成单个水分子， 最后形成比较稳定的双水分 子，增加了水的活性， 改变了水分子与其它离子的结合状态， 使碳酸盐晶体析出的时间拖后， 并以细小的颗粒析出， 而不形成坚硬的水垢。 同时，大功率脉冲电压和高频电位移电流特性， 可以使微生物细胞内的 “补酶 ”丧失代谢功能，细胞的活性受到抑制。脉冲电压破坏了微生物 的细胞膜，使细胞内的原生质漏出而死亡。3、射频电场 在水中直接运用射频电场是物理处理法中的一种新技术。 Leonard 等人使用两个平行石 墨电极板产生射频电场， 考查了三种电压 （ 2V ，5V 和 13V ）和两种频率 （13.

14、56MHz 和 27.12 MHz ）下换热器中碳酸钙污垢的去除效果。结果发现，经处理后水样的污垢热阻有 34-88% 的下降，且确定最佳实验条件为 2V 和 13.56MHz 。该研究证明，作为一种新型物理处理技 术，射频电场是一种缓解污垢的有效工具，可用于循环冷却水处理。4、脉冲火花放电 近年来，人们对水中脉冲电场击穿的研究也投入了很多的目光。 Yong Yang 等人研究了脉 冲火花放电在硬水碳酸钙沉淀中的应用。经 10 分钟等离子处理后，水中钙离子浓度下降了 20-26% ，悬浮固体颗粒增加了几乎 100% ，且碳酸钙的形态从圆形方解石转变为菱形。脉 冲火花放电主要通过电解、 等离子体

15、通道附近的局部加热和高压电场三种作用来改变水合离 子的双电子层结构，从而起到促进碳酸钙沉淀的作用。5、催化材料 物理处理技术中释放的金属离子有催化阻垢效果的作用。 研究表明， 痕量的锌、 铜等离 子的存在， 会减缓碳酸钙的成核速率并改变其晶形，从而可达到阻垢防垢的目的。 与铜、镁 等离子相比较，锌离子具有更明显有效的阻垢作用，且当Zn/Ca浓度比大于0.06 X10-3时，碳酸钙的结晶形态从方解石变为更易去除的霰石。 Geun Jae Lee 等人研究了三种流速下物 理处理技术中催化金属处理高硬度水的效果，结果表明，不同流速下污垢热阻下降了 17-38% ，且垢层更易去除。五、物理处理技术在循

16、环冷却水处理中的应用展望随着水资源匮乏及水质污染问题的日益严峻， 传统循环冷却水处理方法已不能满足产业 和科技发展的的需要， 且存在污染浪费等不足之处， 因此， 对新型绿色节能减排处理技术的 研究需进一步深化。 多年来， 人们一直致力于开发物理处理方法来替代化学法， 因其具有如 下优点：1 、能耗小，费用低：物理处理法一般只需要消耗电能，而且可排除现存的化学处理加药程 序，节省了测试和维护加药控制程序的费用和时间。2、 节水减排：物理水处理法可去除水中总溶解性固体（TDS ），降低水硬度，提高循环冷 却水浓缩倍数，从而节约循环水量。且物理处理技术无需排污，无残留药剂污染问题。3、 投资回收快：物理法在实际应用中的投资回收时间一般低于3 年，有些甚至不到 1 年。完整的物理处理系统应该包括去除新老垢泥、控制微生物污染，减少腐蚀等多种功效。但是由于物理处理法的机理研究不够充