循環水系統是大型設備進行換熱所必不可少的附帶設備，在工業生產和日常生活中有著相當廣泛的應用。當循環冷卻水系統出現問題時，將嚴重影響設備的正常工作，造成巨大的經濟損失。近年來，由于環境壓力的增加和現存化學處理法中存在的投藥過程復雜，排污對水體產生污染等不足之處，尋找低能耗、節水減排的工業循環冷卻水處理技術成為當前發展的大趨勢。探討和研究新型循環水物理處理技術，在不添加任何化學藥劑的情況下，達到防垢、阻垢、滅菌和緩蝕作用，在循環水處理領域有著廣闊的應用前景和商業市場。

 

1 物理水處理技術及其主要原理

 

物理水處理技術指利用磁場、電場、改變水的表面電荷、機械干擾（渦流設備、超聲、瞬間壓力改變）等手段對水體進行處理。物理法處理循環冷卻水，主要是運用聲、電、磁等技術及其相應設備來有目的地改變硬水中各種離子和分子的運動狀況，從而達到處理目的。

 

物理水處理法的主要原理是：變化的電場、磁場等使無機鹽離子發生聚集，鈣離子、碳酸氫鹽等發生碰撞并沉積，產生本體沉淀，這些生成的亞微米級的晶粒就構成晶種。經處理的水進入換熱器后，無機離子的溶解度下降，從水中分離出來。此時，無機離子粘附在自由水中的晶種上，形成松軟的污垢，而不是沉積在換熱器表面。當流速足夠大時，這種軟垢可被剪切力沖走，從而達到阻垢目的。

 

2 物理水處理技術研究現狀

 

關于物理水處理技術的研究開始于50年前，長期以來，人們進行了大量的研究，目前比較常用的物理除垢、防垢方法有：超聲波處理法、高壓靜電場處理法、磁化處理法等。

 

2.1 超聲波法

 

90年代初，前蘇聯科學家M. N. Chepurnoi利用超聲波對糖廠糖液蒸發過程中減緩積垢形成的研究中發現超聲波可以降低積垢系數（垢層熱阻與總熱阻之比），而且整個過程中不用洗罐。中國石油化工股份有限公司也曾于2000年在生產線最重要的冷卻器管線上加了臺TC-4-10型超聲防垢器，大大減少了走水管道內壁的水垢，縮短了設備的清洗間隔和維護保養周期，節省了大量資金。超聲波防除垢機理的主要表現為：

 

(1)  超聲空化作用減少成垢物質的結晶；

 

(2)  活化作用提高液體的相對溶垢能力；

 

(3)  超聲機械作用；

 

(4)  增強微粒的懸浮能力使垢質沉積速率減小。

 

李健等人的研究表明，超聲波具有明顯的阻垢能力，與阻垢劑同時使用時有良好的協同效果。Broekman S.等人使用剪切、微氣泡和高頻低功率超聲聯合處理工業冷卻水，結果表明，此方法可有效控制水中細菌和藻類，減少生物膜，利于水質穩定。在大學、乳制品廠、化工廠等多處的冷卻塔中的實際應用也取得了明顯的效果，可代替化學加藥法進行水質處理。

 

超聲波在除防垢上有在線處理、設備損失小、成本低、易于實現自動化等突出特點，作為現代的一種環保、高效的先進技術，具有很大的發展潛力。俄羅斯等一些國家在此方面的研究已經比較深入，生產出的一些除垢器，在實際應用中也顯示出了超聲除垢的優越性。但是由于目前超聲除垢的機理及影響因素研究的還不是很深入，除垢器的設計還不夠完善，當前的應用領域也比較窄，因此有許多問題正等待著專家和學者去研究。

 

2.2 高壓靜電處理法

 

高壓靜電場防垢除垢技術的研究開發利用最早起源于美國。我國的第一臺靜電水垢控制器在1975年研制成功，目前已有大量的靜電水垢控制器投入運行。

 

離子高壓靜電水處理是由離子棒、高壓電源發生器、管道等而組成的。所以又稱之為離子棒處理 。

 

祁利明[8]等人研究了用靜電離子棒對電廠循環冷卻水的效果，結果表明在模擬電廠實際運行工作參數的情況下，試驗能達到與電廠相似的阻垢率變化趨勢，證明靜電離子棒在循環冷卻水的阻垢、剝垢方面具有適用性和可行性。且靜電離子棒具有設施簡單、無藥劑污染、運行維護、操作簡單易行等優勢。

 

高壓靜電場對提高水的處理量，改善環境有重要意義，在水處理領域中具有廣闊應用前景，但該技術的研究尚不成熟。已有的高壓靜電場生物效應的研究表明：高壓靜電場既可以殺菌消毒，在某些適當的情況下也可以促進細胞的分生、提高細胞抗傷害和抗衰老的能力、刺激微生物生長，存在處理效果不穩定的特點。

 

2.3 磁化處理法

 

利用磁場效應對水進行處理，稱為水的磁化處理。1945年比利時韋梅朗應用磁化水減少鍋爐水垢獲得成功并申請了專利。該技術由于裝置簡單，不需要任何化學試劑而被美國、日本和前蘇聯廣泛應用并得到發展。1964年以來，前蘇聯科學家把水的磁化處理應用于熱能工程領域，同時進行了大量的研究，其結果都表明，使用磁化水可明顯地減慢鍋爐水垢的生成，而且老的鍋爐水垢還容易清除。

 

大量研究表明磁場可以對水溶液的部分理化性質、結晶過程及晶體結構等產生影響。當循環水流經磁處理設備時，水溶液中的Ca2+與CO32-等帶電離子由于洛侖茲力的作用被束縛于磁力線附近，使得該處粒子的濃度高于無磁場作用的區域，同時由于陰陽離子的運動方向相反，于是Ca2+和CO32-離子間的碰撞機會增加。磁場對極性水分子的取向作用抑制了晶粒的長大和生成。另外，湍流情況下磁場能促進霰石而不是方解石的生成，從而防止水中硬垢的產生，生成疏松的軟垢，并能使已成硬垢的方解石轉變成霰石，隨排污排走，從而達到防垢除垢的效果。

 

冷卻水的磁化法處理是研究和應用最為廣泛的物理處理法，但是還有許多問題需要探討，其作用機理至今尚不完全明確，且其處理效果不夠穩定。根據有關資料介紹，磁化法處理冷卻水，效率有時可接近100%，而有時幾乎無效，在這方面尚缺乏完整的科學資料。

 

2.4 新型物理處理技術

 

除了上述幾種最常用的方法外，近些年來，人們對上述方法進行了改進并不斷開發研究新型物理水處理技術。

 

2.4.1 高頻電磁場

 

高頻電磁場水處理裝置是最新一代物理水處理技術產品，是永磁式和高壓靜電式水處理器的換代產品，設計上克服了前兩者的缺點，保留了其優點。高頻電磁水處理裝置是由電子電路產生的高頻電磁振蕩在固定的兩極間形成一定強度的高頻電磁場，水通過高頻電磁場時，水分子作為偶極子被不斷反復極化而產生扭曲、變形、反轉、振動，且與外加電磁場共振使其分子運動加強，從而使原來締合形成的各種綜合鏈狀、團狀的大分子解離成單個水分子，最后形成比較穩定的雙水分子，增加了水的活性，改變了水分子與其它離子的結合狀態，使碳酸鹽晶體析出的時間拖后，并以細小的顆粒析出，而不形成堅硬的水垢。同時，大功率脈沖電壓和高頻電位移電流特性，可以使微生物細胞內的“補酶”喪失代謝功能，細胞的活性受到抑制。脈沖電壓破壞了微生物的細胞膜，使細胞內的原生質漏出而死亡。

 

2.4.2 射頻電場

 

在水中直接運用射頻電場是物理處理法中的一種新技術。Leonard等人使用兩個平行石墨電極板產生射頻電場，考查了三種電壓（2V，5V和13V）和兩種頻率（13.56MHz和27.12 MHz）下換熱器中碳酸鈣污垢的去除效果。結果發現，經處理后水樣的污垢熱阻有34-88%的下降，且確定最佳實驗條件為2V和13.56MHz。該研究證明，作為一種新型物理處理技術，射頻電場是一種緩解污垢的有效工具，可用于循環冷卻水處理。

 

2.4.3 脈沖火花放電

 

近年來，人們對水中脈沖電場擊穿的研究也投入了很多的目光。Yong Yang等人[16]研究了脈沖火花放電在硬水碳酸鈣沉淀中的應用。經10分鐘等離子處理后，水中鈣離子濃度下降了20-26%，懸浮固體顆粒增加了幾乎100%，且碳酸鈣的形態從圓形方解石轉變為菱形。脈沖火花放電主要通過電解、等離子體通道附近的局部加熱和高壓電場三種作用來改變水合離子的雙電子層結構，從而起到促進碳酸鈣沉淀的作用。

 

2.4.4 催化材料

 

物理處理技術中釋放的金屬離子有催化阻垢效果的作用。研究表明，痕量的鋅、銅等離子的存在，會減緩碳酸鈣的成核速率并改變其晶形，從而可達到阻垢防垢的目的。與銅、鎂等離子相比較，鋅離子具有更明顯有效的阻垢作用，且當Zn/Ca濃度比大于0.06×10-3時，碳酸鈣的結晶形態從方解石變為更易去除的霰石。Geun Jae Lee等人研究了三種流速下物理處理技術中催化金屬處理高硬度水的效果，結果表明，不同流速下污垢熱阻下降了17-38%，且垢層更易去除。

 

3 物理水處理技術在循環水處理中的應用展望

 

隨著水資源匱乏及水質污染問題的日益嚴峻，傳統循環冷卻水處理方法已不能滿足產業和科技發展的的需要，且存在污染浪費等不足之處，因此，對新型綠色節能減排處理技術的研究還需進一步深化。多年來，人們企圖開發物理處理方法來替代化學法，因其具有如下優點：

 

（1）    能耗小，費用低：物理處理法一般只需要消耗電能，而且可排除現存的化學處理加藥程序，節省了測試和維護加藥控制程序的費用和時間。

 

（2）    節水減排：物理水處理法可去除水中總溶解性固體（TDS），降低水硬度，提高循環冷卻水濃縮倍數，從而節約循環水量。且物理處理技術無需排污，無殘留藥劑污染問題。

 

（3）    投資回收快：物理法在實際應用中的投資回收時間一般低于3年，有些甚至不到1年。

 

完整的物理處理系統應該包括去除新老垢泥、控制微生物污染，減少腐蝕等多種功效。但是由于研究不夠充分、大多數只針對循環水中的阻垢效果、運行時間短等原因，早期的物理水處理技術在實際應用中并沒有取得理想的效果，使得物理法一直沒有得到廣泛的應用。

 

參考文獻

 

[1] 佟帥 . 超聲波防垢除垢機理及提高效率的方法研究 [D]. 大連理工大學 ,2008.

 

[2] 李健 , 酈和生 , 王崠 , 等 . 循環水系統超聲波阻垢技術研究[J]. 石化技術 , 2008, 15(2): 8-10.

 

[3] 常巧立 . 超聲阻垢技術的理論及應用研究進展 [N]. 榆林學院學報 , 2006.11, 19(6): 1-4.

 

收稿日期：2011-05-27

 

作者簡介：吳祥平（1971-），男，工程師，研究方向：環境工程 .

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