物理水处理技术在循环冷却水处理中的应用
更新时间：2011-11-17 10:41
来源：1.河南鑫磊煤化集团，河南 安阳 455000；2.大连理工大学 化工学院， 辽宁 大连 116024
作者: 吴祥平1，姜晨2，马伟2
阅读：3734
循环水系统是大型设备进行换热所必不可少的附带设备，在工业生产和日常生活中有着相当广泛的应用。当循环冷却水系统出现问题时，将严重影响设备的正常工作，造成巨大的经济损失。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，在循环水处理领域有着广阔的应用前景和商业市场。
1 物理水处理技术及其主要原理
物理水处理技术指利用磁场、电场、改变水的表面电荷、机械干扰（涡流设备、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，主要是运用声、电、磁等技术及其相应设备来有目的地改变硬水中各种离子和分子的运动状况，从而达到处理目的。
物理水处理法的主要原理是：变化的电场、磁场等使无机盐离子发生聚集，钙离子、碳酸氢盐等发生碰撞并沉积，产生本体沉淀，这些生成的亚微米级的晶粒就构成晶种。经处理的水进入换热器后，无机离子的溶解度下降，从水中分离出来。此时，无机离子粘附在自由水中的晶种上，形成松软的污垢，而不是沉积在换热器表面。当流速足够大时，这种软垢可被剪切力冲走，从而达到阻垢目的。
2 物理水处理技术研究现状
关于物理水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：超声波处理法、高压静电场处理法、磁化处理法等。
2.1 超声波法
90年代初，前苏联科学家M. N. Chepurnoi利用超声波对糖厂糖液蒸发过程中减缓积垢形成的研究中发现超声波可以降低积垢系数（垢层热阻与总热阻之比），而且整个过程中不用洗罐。中国石油化工股份有限公司也曾于2000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。
李健等人的研究表明，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。Broekman S.等人使用剪切、微气泡和高频低功率超声联合处理工业冷却水，结果表明，此方法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，因此有许多问题正等待着专家和学者去研究。
2.2 高压静电处理法
高压静电场防垢除垢技术的研究开发利用最早起源于美国。我国的第一台静电水垢控制器在1975年研制成功，目前已有大量的静电水垢控制器投入运行。
离子高压静电水处理是由离子棒、高压电源发生器、管道等而组成的。所以又称之为离子棒处理 。
祁利明[8]等人研究了用静电离子棒对电厂循环冷却水的效果，结果表明在模拟电厂实际运行工作参数的情况下，试验能达到与电厂相似的阻垢率变化趋势，证明静电离子棒在循环冷却水的阻垢、剥垢方面具有适用性和可行性。且静电离子棒具有设施简单、无药剂污染、运行维护、操作简单易行等优势。
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。
2.3 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。该技术由于装置简单，不需要任何化学试剂而被美国、日本和前苏联广泛应用并得到发展。1964年以来，前苏联科学家把水的磁化处理应用于热能工程领域，同时进行了大量的研究，其结果都表明，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。当循环水流经磁处理设备时，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，同时由于阴阳离子的运动方向相反，于是Ca2+和CO32-离子间的碰撞机会增加。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。
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，且其处理效果不够稳定。根据有关资料介绍，磁化法处理冷却水，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。
2.4 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。
2.4.1 高频电磁场
高频电磁场水处理装置是最新一代物理水处理技术产品，是永磁式和高压静电式水处理器的换代产品，设计上克服了前两者的缺点，保留了其优点。高频电磁水处理装置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。
2.4.2 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（13.56MHz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。
2.4.3 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[16]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。
2.4.4 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0.06×10-3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。
3 物理水处理技术在循环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还需进一步深化。多年来，人们企图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。但是由于研究不够充分、大多数只针对循环水中的阻垢效果、运行时间短等原因，早期的物理水处理技术在实际应用中并没有取得理想的效果，使得物理法一直没有得到广泛的应用。
参考文献
[1] 佟帅 . 超声波防垢除垢机理及提高效率的方法研究 [D]. 大连理工大学 ,2008.
[2] 李健 , 郦和生 , 王岽 , 等 . 循环水系统超声波阻垢技术研究[J]. 石化技术 , 2008, 15(2): 8-10.
[3] 常巧立 . 超声阻垢技术的理论及应用研究进展 [N]. 榆林学院学报 , 2006.11, 19(6): 1-4.
收稿日期：2011-05-27
作者简介：吴祥平（1971-），男，工程师，研究方向：环境工程 .
声明：转载此文是出于传递更多信息之目的。若有来源标注错误或侵犯了您的合法权益，请作者持权属证明与本网联系，我们将及时更正、删除，谢谢。
使用微信“扫一扫”功能添加“谷腾环保网”
