一、腐蚀
腐蚀是自然界普遍存在的现象。把一块擦亮的铁片放入自来水中,一、二小时后便可以看到它生锈了。
经研究表明,金属生锈的原因是水中存在的氧化性物质,如水中的氧气和其它的氧化剂。金属在水中的腐蚀是一个电化学过程。氧发生阴极还原反应:O2/2 H2 2e→2OH-而金属则发生阳极氧化反应,如:Fe→F2 2e这种腐蚀形式会在所有的水—金属表面无休止地进行着。阴、阳极反应的产物在静电的作用下相互迁移和扩散,最终形成腐蚀产物。如:Fe2 2HO-=Fe(OH)2,它再经过氧化反应生成Fe(OH)3,脱水后即成为锈Fe2O3。钢铁在普通的自来水中的腐蚀速度约1毫米/年。腐蚀产物累积在金属的表面阻碍了水的传热的正常进行。
二、结垢
造成结垢的主要原因是水中存在着具有反常溶解度的微溶盐类,它们在传热过程中从水中沉积到金属的表面上来。对于循环冷却水系统,冷却水在不断循环使用过程中,由于温度升高,水流速度的变化,水的蒸发,各种无机离子和有机物不断地被浓缩,冷却塔在室外受到阳光照射、风吹雨淋、灰尘杂物的飘落,以及设备结构和材料等多种因素的综合作用,会产生严重的水垢附着,而且会越积越厚,水垢的生长除了缩小水的通道以外,主要是阻碍了传热。水垢还经常会发生快速的垢下腐蚀。
三、微生物
冷却水中的微生物,一般是指细菌和藻类。由于循环冷却水中含有微生物赖以生存的营养成分 含量较多,氧气充足,日光照射,水温适宜等条件,致使它大量的繁殖。大量细菌分泌出的粘液,像粘合剂一样,能使水中飘浮的灰尘杂质和化学沉淀物等粘附在一起,形成粘糊糊的污泥,这些物质积附在设备管壁上,除了形成氧浓差电池生成盐酸外,还会使冷却水的流量减少,从而降低了换热器的冷却效率,微生物的危害是十分严重的,它生长快,生命期短,它的新陈代谢产物像粘结剂一样把水中的悬浮物连同水垢一起沉积到金属表面成为很难处理的生物粘泥。有的微生物还专门以食金属为生或其新陈代谢产物腐蚀金属。
以上三个问题是相互促进和关连的,腐蚀产物会催化结垢而且本身也是一种沉积物。垢下会加快局部腐蚀,生物粘泥会加快成垢速度而且与垢混杂在一起,又会造成腐蚀。
为了解决水系统中存在的腐蚀、结垢、微生物三大问题,人们一直在探索一种高效、经济、安全的防腐、防垢除垢、杀菌灭藻的物理方法。
1945年比利时工程师韦梅化仑(Vermeiren)发现通过3000高斯磁场的水具有防垢除垢的特征。人们以此理论开发出了用永久磁铁做成的第一代水处理产品。具有无需人管,无需加药,无需通电,无污染,节能型的防垢除垢设备,开创物理法的先河。但是他有一个致命的弱点:退磁。金属管路形成磁路导致退磁较快,刚开始使用效果良好,一年半载后效果逐渐减退,直至无效。
为了消除退磁的弱点,用电磁铁代替永久磁铁开发出了第二代产品。其缺点是需要较大的电流,导致线圈发热,不能连续工作,且耗能较大。既然磁铁能防垢除垢,电场是否也能达到防垢除垢的效果呢？人们发现经3500V以上高压静电处理过的水同样具有防垢除垢、防腐阻锈的作用,同时还具有杀菌灭藻功能。它克服了前一代产品的缺点却产生了新的缺点:绝缘材料在水中易老化,设备常需检修;而且高压电容易对其他控制设备产生影响。为了克服以上缺点,人们研制成功了利用电解法的第四代产品。由一根金属阳极和筒体阴极组成,在极间加10-20V的直流电,形成电场以达到处理水的目的,其弱点是阳极由于氧化易腐蚀,需经常更换,水处理量不大。
第五代产品对水施以高频电磁场以达到防垢除垢,防腐阻锈的目的。它克服了前四代的缺点,且具有水处理量大,效果稳定,使用寿命长等优点。
高频电磁场是集高频、电磁场于一身,是由高频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、团状大分子(H2O)n分解成单个水分子最后形成比较稳定的双水分子(H2O)2,增加了水的活性,改变了水分子与其他离子的结合状态,使CaCO3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。
细菌在高频电场作用下,细胞壁和细胞膜受到严重的损伤,不能在水中继续生存、繁殖,而达到杀菌目的。水中正负离子受到电场力作用下而运动,产生微电流,微电流一方面阻止Fe失去电子变成Fe2 离子,另一方面开始生成的铁锈与微电流反应生成致密的保护膜,从而防止铁管的再腐蚀。以上五代产品都利用电磁场来达到防垢除垢,防腐阻锈的目的。
水处理技术的防垢除垢的统一机理应是水分子的有序化,导致水分子电偶极矩的的增大,加强了水分子与钙镁离子的结合力,从而使水对钙镁离子的溶解力大大提高,达到了防垢除垢的目的。
若所加的是高频电磁场,同样会导致水分子和正负离子的有序化,其原理类似于电泳,虽然电极在作不断正负变化。但电场只有作两个方向的变化,有极分子在这样的电场力作用下,只好作整齐的排列,正负相接,最后的极化方向决定于水离开电场作用时那一瞬间的电场方向,事实上电场方向的变化更有利于水分子的有序化。值得注意的是交变电场变化频率太低,则有直流电差别不大, 若频率太高,则水分子由于惯性来不及响应,效果反而差,所以存在一个最佳频率范围。
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