Реферат
В статье представлены две обширные группы результатов экспериментального исследования магнитной обработки промышленной воды, имеющего целью изучение изменений при формировании отложений. Во-первых, это четырехмесячный эксперимент, в котором изучалось состояние двух теплообменных устройств мощностью по 25 кВт, причем один из них функционировал на воде, обработанной магнито-гидродинамическим методом. Из каждого теплообменника были извлечены отложения и подвергнуты комплексному исследованию методами химического анализа, дифракции рентгеновских лучей (R-лучей), PIXE[1] и ИК-спектроскопии. Количество отложений из необработанной воды, состоящих главным образом из кальцита, возрастало экспоненциально с увеличением температуры, и достигало 20 г/м трубы в горячей части теплообменника. Масса отложений из очищенной магнитным методом воды не зависела от температуры и была приблизительно 0.5 г/м трубы. Их состав в основном представлен некристаллическим, богатым кремнеземом, материалом. Дальнейшие результаты были получены на трех промышленных энергоблоках электростанции с мощностью 1 GW. Мягкие, аморфные отложения при магнитной обработке воды имели удельную площадь поверхности 80 м2/г и инфракрасный спектр, подобный кремнекислому гидрогелю. Таким образом, создавалось впечатление что, в результате прохода через магнитное устройство, кристаллизация карбонатов в воде была блокирована из-за инициирования другого, конкурентного процесса. Этот процесс - активация коллоидного кремнезема, который адсорбирует кальций, магний или другие металлические ионы и затем осаждается из раствора как коагулирующийся агломерат. Наиболее вероятный механизм, ответственный за активацию кремнезема – сила Лоренца, вызывающая деформацию диффузионного слоя, и ведущая к увеличению концентрации противо-ионов в адсорбционном слое отрицательно заряженного кремнезема.
1 Введение
Феномен влияния магнитного поля на водные растворы и другие немагнитные системы является интересным предметом изучения. Проблема снижения величины отложений из жесткой воды на поверхностях трубопроводов при магнитной обработке воды (MWT) все еще остается во многом неизученной. Известно, что образование отложений накипи во всех процессах, где вода нагревается или используется как хладагент, является широко распространенной и дорогостоящей проблемой. Начиная с первого патента Вермейрена [Vermeiren] [1] и по настоящее время, многочисленные типы широко распространенных устройств магнитной обработки воды, обычно используют поле низкой напряженности, ориентированное перпендикулярно к водному потоку. В случае соответствующего выбора параметров MWT могут быть получены следующие результаты: образование малого количества шлама и легко смывающихся отложений вместо твердой карбонатной (цементообразной) накипи, замедление растворения и удаления старых отложений, осветление воды, содержащей вещество в виде суспензии [2-6]. Однако сообщения о MWT эффектах иногда бывают несодержательными или не воспроизводимыми. Вероятно, это возникает из-за вариаций водного состава, а также различий в ходе процесса обработки и сложности процессов, которые происходят в водных растворах. Именно это затруднение объясняет, почему MWT почти всегда дает полезный эффект в производственных условиях. Другая интересная проблема - положительное влияние MWT на биологические процессы [7].
Более ранние исследования, проведенные в течение 1960 – 1980 годов, преимущественно в Российских институтах [2, 4, 5, 8, 9], не привели к возникновению удовлетворительной физико-химической модели, способной объяснять все стороны наблюдаемого явления. Идея об изменениях собственно в структуре воды, как результата магнитного воздействия, была подвергнута критике [8] из-за низкой интенсивности используемого поля. В течение длительного времени в качестве основного метода исследования изменений, происходящих в водных растворах и отложениях при обработке магнитным устройством, использовался простой качественный анализ. Очень часто даже не было определено: были ли шламовые отложения образованы только карбонатами, или в их состав входили и некоторые другие вещества. Общепринятой гипотезой было предположение о том, что в обработанной магнитным способом воде, кристаллизация карбонатов происходит не на поверхности нагрева, а внутри всего объема жидкости. Испытанием эффективности метода обычно было определение размера зерен кальцита: чем меньше размер кальцитовых зерен, образовавшихся в обработаной воде, тем выше эффективность обработки.
В последнее время в научном сообществе наблюдается возрастание усилий для решения проблемы объяснения MWT эффекта. Так как природная вода представляет собой сложную систему, в которой помимо гидратированных ионов, молекул и газовых пузырьков находятся дисперсные коллоидные частицы органического и неорганического состава, представляется вероятным, что объяснение может быть основано на изменениях в ионном распределении диффузионных слоев. Влияние MWT на электрокинетический z-потенциал суспензии CaCO3 был измерен уже в [9]. В данном случае по мнению авторов уменьшение z-потенциала было связано с ускоренной коагуляцией. Позже Хагашитани с соавторами (Higashitani etal.) провели серию хорошо контролируемых экспериментов по изучению магнитных эффектов в статических (неподвижных) водных растворах [10 - 13]. В работе [10] было обнаружено, что высокая скорость коагуляции немагнитных коллоидных частиц зависит от плотности магнитного потока и эффект влияния магнитного поля в большей мере проявлялся для частиц меньшего размера. Уменьшение z-потенциала можно было обнаружить по меньшей мере в течение 6 дней [11]. В статье [12] авторы использовали микроскоп, функционирующий на основе метода AFM[2], чтобы получить информацию о влиянии магнитного поля на молекулярном уровне. Толщина адсорбированного слоя на поверхности водных растворов изменялась после воздействия магнитного поля, она зависела от концентрации электролита и демонстрировала эффект памяти по меньшей мере в течение одного дня. В работе [13] в 1999 году та же самая группа провела AFM измерения для импульсных и переменных магнитных полей и сравнила полученные результаты с данными для статического поля. Было обнаружено, что результат влияния зависел от частоты импульсов магнитного поля и что время, требуемое для достижения максимального эффекта, было намного меньше для импульсных и переменных полей чем для статического поля. Несомненно, что представленные выше AFM результаты представляют важное экспериментальное подтверждение явлений, ответственных за противонакипный эффект MWT.
Баррет и Парсонс [Barret andParsons] [14] провели критический обзор работ, посвященных аналитическим измерениям влияния магнитных полей на физические явления и химическую кинетику в водных растворах. Они обнаружили, что результаты измерения pH, удельной электропроводности, размера частиц, мутности и дзэта потенциала часто были несогласованны или даже противоречивы. Для объяснения этого было принято допущение о существовании двух вероятных механизмов MWT: воздействия микропримесей и силы Лоренца влияющих на поверхность раздела жидкость–твердое тело. Последнее включает изменения в гидратационных оболочках вокруг ионов и двойных электрических слоев. В другой статье, основанной на слепых лабораторных тестах, опубликованной Сои и Кэссом [Coey and Cass] [15] было показано, что результат влияния MWT, осуществленной в статическом магнитном поле 0.1 T, сохранялся в течение больше чем двух сотен часов.
Было уже упомянуто, что магнитная обработка индустриальных вод обычно эффективна и помогает уменьшать образование накипи. С другой стороны, имеется понятное нежелание использовать промышленные установки для научного эксперимента с надлежащим контролем. Однако период с 1985 по 1990 год для нас оказался благоприятным и нам удалось провести широкомасштабный эксперимент на электростанции в Польше. Первая часть статьи описывает этот уникальный эксперимент. Вода протекала через два идентичных контура, имитирующих промышленные теплообменники. В одном случае входящая вода обрабатывалась магнитным способом. Анализ отложений, извлеченных из каждого контура после четырех месячного пробега показал замечательные изменения, вызванные магнитной обработкой. Полная масса отложений из MWT контура была приблизительно в 25-раз меньше чем масса отложений из неочищенной воды. Содержание кальцита в отложениях было пониженным. На основании этого были созданы большие оптимизированные магнитогидродинамические устройства для системы охлаждения станции с мощностью 1GW. Эффективность обработки была превосходной. Результаты исследований отложений были совместимы с полученными в широкомасштабном эксперименте и разрешили нам прийти к лучшему пониманию сущности MWT эффекта. Недавняя модель Липуса с соавторами [Lipus atal.] [16], относительно поверхности нейтрализации, возникающей благодаря ионным сдвигам (смещениям) из основного объема раствора к поверхностям частиц дает хорошее обоснование для наших выводов.
2. Экспериментальные методы
Для проведения эксперимента были сконструированы два идентичных контура В и М, моделирующие теплообменник электростанции. Каждый контур был изготовлен из 16 латунных секций (трубы 1 м длиной, внутренний диаметр = 30 мм, толщина стенки 1 мм) и согнутой части, помещенной в середине. Трубы нагревались перменным током, мощностью 1.5 кВт, используемым для каждой секции. MWT устройство было установлено на входе одного из контуров, обозначенного как М-контур. Схематическая диаграмма эксперимента приводится на Рисунке 1. Рисунок 2a представляет схему устройства. Прибор имел цилиндрическую симметрию и использовал пакет постоянных магнитов из феррита стронция, помещенных в ферромагнитную трубу.
Магниты имели цилиндрическую форму с наружным диаметром 35 мм, внутренним диаметром 5 мм, высотой, равной 15 мм и устанавливались с чередованием