磁化技术在污水处理中的应用及水的磁化处理

1、2016前言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

2、,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

3、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

4、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%，

5、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

6、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(0.3150.368T)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

7、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23d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

8、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、

9、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Aquamagnetics international, Bon Aqua,

10、 Freijie, HDL Fluid Dynamics, 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

11、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=kqvB。液体中粒子的运动

12、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 BkqVlBFrFl ， 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，

13、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 2.电导率的变化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

14、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

15、，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。-分子/离子间相互作用效应：如氢键断裂变形理论认为磁处理会使水渗透性增强，破坏垢与器壁间的结合力从而引起水垢的脱落，但这种解释多为定性的。Srebrenik等人的量子机理，是基于磁化流体动力学原理提出的，它可以解释“磁记忆”效应，但此模型不适合水溶液中除Ca2+以外的其它阳离子。-界面间效应：如双电层变形理论模型，它假设由洛仑兹力作用

16、所造成的分散层各向同性。洛仑兹力引起协同离子和相反离子之间互相替换，这将改变双电层内电荷的分布，从而引起腹层边界的电荷和电势的短暂性变化。此机理不仅可以解释絮凝和结晶行为，同时提供一个电位形式的定量化性能参数。 目前磁化抑垢机理研究主要集中在磁场能对水及水中的离子发生作用，改变成 垢晶体的结晶速度、晶粒大小及晶体的晶型等方向。以克拉辛为代表的部分学者认为磁处理有助于均相成核，加快结晶速度，从而生成体积小、数量多的晶粒。Deren的研究也表明磁处理后晶核增长受到抑制，但成核速率增大，能生成更多不规则的晶体。Y. Wang的研究表明:将Na2CO3和CaCl2混合加热到300C形成过饱和，显微观察

17、发现无磁场作用时，主要形成少量的5-10m的球形或棱形晶体粒子。有磁场作用时，除少量3m的晶体，大部分晶体为1m以下的粒子。还有一些研究者，如Higshitani, Donaldson, E.Dalas等人则根据另外一些实验的结果，认为磁处理抑制了晶粒的成核过程，生成的晶粒体积大，数量少。他们将含有等量的Ca(NO3)2、Na2CO3，且pH值为8.5的过饱和溶液置于电磁场中处理和未经过磁场处理的混合溶液作对比，结果发现:当电磁场强度为l0T以上时，磁场延缓了碳酸钙的结晶速度，而且磁场强度越大，其结晶速度越慢;当电磁场强度为l0T以下时，现象不明显。 Hasson和Byamson声称磁处理对碳

18、酸钙成核和生长过程均无影响,磁处理没有效果。刘卫国和李国富研究认为磁处理除垢的实质是同晶异构现象生成同晶异构体，使碳酸钙生成能量较高的胶体碳酸钙和球石，通过水溶液传递能量，使老垢脱落。(1)磁场方向与作用时间的影响 许多研究表明，磁场强度是磁化水处理中的一个重要参数，它影响水溶液中结晶颗粒的大小，成垢速率等。 米海松认为磁场强度与水流速的乘积有一个恒定的最佳值，即水的流速越小，所需的最佳磁场强度就越大，反之亦然。Polar公司认为通过磁处理器的最佳流速为1.5-3.0m/s，相应的磁场强度应达到0.6-0.8T。而有的学者发现磁场强度增加到一定值就没有进一步的效果了。(2)溶液中离子的影响 溶

19、液中离子种类数量对磁处理的效果有一定影响。 成垢物质的阴离子与阳离子受磁场的影响也是不一样的。 研究较多的离子还有Fe2+和Fe3+。 Fe2+的化合物能阻碍方解石晶体的增长速率，对文石的增长速率没有影响。Duffy最早提出磁处理是通过促进腐蚀而增加Fe2+起作用的， Fe2+化合物能阻碍方解石晶体的生长速率，对文石的增长速率没有影响， Fe2+等污染物的存在抑制了文石向方解石的转变。通常的水溶液中都会有痕量的铁，铁离子对磁处理的效果可能是有影响的。(3)溶液pH值的影响 -磁处理的效果与pH值是紧密相关的。 柴天禹认为pH值对CaSO4不敏感，对CaCO3影响较明显，当pH值大于8.5时，电

20、磁场对CaCO3防垢率有下降趋势。 张宝铭认为pH值在8附近为宜，pH值过低或过高，磁处理效果均不理想。 刘有昌通过静态实验，发现pH值大于7时，磁化水抑垢效果较好。 Judd等人的研究结果表明，pH值对CaCO3体系影响明显，这可能与CO32-的平衡体系有关，因为CO2的脱气和溶解均能影响其平衡反应和pH值。谢文惠认为磁处理促进了CO2向CO32-的转变，增大了CO32-的浓度，从而使得CaCO3达到饱和而在溶液中产生沉淀。（4）磁场的记忆效应 -多数研究磁化水的学者都报道了“磁记忆”现象，所报道的磁记忆时问从几分钟到数百小时不等。 Barrett和Parsons的试验结果表明磁化效应在磁处

21、理后至少可以保持60h。Coe的研究不但证明了磁场效应确实存在，而目磁处理的影响可以持续200h以上。 在Colic和Morse关于水的磁记忆机理的专题研究中，他们认为电磁水处理后长时问的效应是由于扰动气-水界面的松弛所造成的。这是目前为数不多关于磁记忆效应机理研究中的代表作。 众多研究者认为，造成这些现象的原因是人们对磁化防垢微众多研究者认为，造成这些现象的原因是人们对磁化防垢微观机理还不十分明确。观机理还不十分明确。对于磁处理的反腐蚀效果，一些学者认为防腐蚀效果明显，另一些学者则认为磁处理防腐蚀效果不明显。一些学者研究认为磁力防腐蚀的原理是：水和水中的离子、分子都由带电粒子组成,是由带正电

22、的原子核和带负电的电子组成。当这些带电粒子流过强磁场时,由于受到洛仑兹力的作用,带电粒子的运动方向要发生偏离,带正、负电荷的粒子的运动方向相反,洛仑兹力F=qVBsin,式中q是带电粒子的所带的电荷;V是带电粒子的速度;B是磁感强度,是磁场方向和带电粒子的运动方向的夹角。洛仑兹力与带电粒子所带电荷、带电粒子运动速度及磁感强度成正比,电子所带电荷与质子相等, 在其他因素相同的情况下,受到的洛仑兹力也相等, 根据F=ma,其中m是物质的质量,a是离心加速度,因为电子的质量很小,所以离心加速度很大,即偏转的角度很大,电子云的偏转会发生反应生成Fe3O4，这是一种稳定化合物，在铁的表面形成致密保护层，

23、阻止铁和水溶液继续接触，从而达到防腐蚀的目的。刘卫国他将DAM应用于循环冷却水系统，通过腐蚀挂片实验研究后认为碳钢的腐蚀速率大大降低，表面生成了一层四氧化二铁。同时张鹏等也研究了铜在磁化海水中的腐蚀行为，认为铜在此体系中发生的主要是点蚀，腐蚀产物主要是Cu单质、Cu2O和CuCl2，腐蚀速率也较海水和3.5%的NaCl低。M.E. Botello-Zubiate研究了碳钢在CaCO3体系-磁化水中的腐蚀行为，腐蚀速率随磁处理的增大而增大。阳极极化曲线表明这是一种活化极化，阴极极化曲线表明相对于未经磁处理的CaCO3体系的水溶液而言腐蚀速率增大。Bikulchyus G研究认为在经过磁处理2h的

24、循环水中，磁场强度0.05T时，低碳钢的腐蚀速率可以降低14，而与实验水温无关。Zhanpeng Lu等研究认为磁场能使铁离子在酸溶液中的开路电位较中性溶液中的开路电位呈现大的负增长。水经过磁化后破坏了生物细胞的离了通道，改变了水中微生物、生物的生长环境，使其丧失生存条件，从而起到杀菌灭藻的作用。.Goldsworthy A研究认为当水以一定流速经过磁场时,所形成的洛仑兹力会对细胞结构产生影响.在磁场作用下,细胞壁的通透性加强,溶液中的少量Ca2+进入细胞内,刺激酶活性,加速细胞的生长,而磁场的长时间作用,使水中的大量离子和磁化产生的其它物质进入细胞而对细胞产生抑制作用,甚至杀死细胞. 梁文艳

25、曲久辉研究发现磁场对循环水样表现出很好的杀藻效果,水样在磁场中累积停留时间为6min时,杀藻率可以达到94%,累积停留时间为10min时,杀藻率可以达到96%.处理后的水样,藻细胞密度在120h内没有增加,生长受到抑制，对于静置于磁场中的水样,处理1h后,藻的生长开始受到抑制.不同的处理方式会产生不同的效果。当水通过高频电磁场时,水分子作为偶极子被不断极化而产生扭曲、变形、反转、振动,且与外加电磁场共振使其他分子运动加强,使原来缔合形成的各种综合链状、团状大分子(H2O)n解离成单个水分子,最后形成比较稳定的双水分子(H2O)2,增强了水的活性,改变了水分子与其它离子的结合状态,从而能更有效地破坏细胞壁和细胞膜。根据产生磁场的方式可分为电磁和永磁。根据磁体与流体是否直接接触可分为浸入式（内置式)和非浸入式（外夹式);根据磁场方向与流体流动方向的关系可分为正交式和平行式。根据磁化流体动力学MHD原理，水被磁化应具备的条件之一就是水流动方向应与磁力线方向垂直正交。大量的文献也表明，目前研究与应用中使用的磁处理设备多为正交式。众多学者研究采用的磁处理器DAM的内芯是由排成一列，具有间隙的永磁铁制成的特殊结构，使磁力线如矩形而不是单级磁铁的磁力线如鹅蛋形，使磁力线与水流方向更垂直。DAM的磁力线则L/L0f(Kn)式中B工作磁