基于介稳区的电磁抑垢最佳磁场强度探寻

王建国，李斌，梁延东，尹钊，陈思



基于介稳区的电磁抑垢最佳磁场强度探寻

王建国，李斌，梁延东，尹钊，陈思

（东北电力大学自动化工程学院，吉林省 吉林市 132012）

电磁抑垢技术以其投资少、无污染等优点备受业内人士瞩目。合理选择电磁参数，是达到电磁抑垢最佳效果的必要条件之一。根据电导率滴定法，设计了动态电磁实验装置，在给定实验条件下进行了实验，并对电导率随时间变化的特征进行了对比分析，得到不同溶液浓度和不同电磁场强度作用下的碳酸钙结晶介稳曲线，从介稳区的角度分析电磁场对碳酸钙结晶成核诱导期的影响，确定了电磁场抑制碳酸钙结晶的最佳磁场强度值为200Gs。

电磁抑垢；磁场强度；电导率；介稳区

引 言

工业换热设备运行过程中，循环水管侧结垢问题会增大换热设备的运行能耗，降低换热效率，而且容易引起设备腐蚀，严重时会引发生产安全事故[1]。在众多的抑垢技术中，电磁抑垢方法以其方便、经济、环保等特点备受关注，但其抑垢机制复杂，尚处于探索阶段[2]。Drela等[3]提出了通过电导率法评定抑垢剂性能的试验方法。国内一些学者用该方法对多种抑垢剂进行了滴定实验，与现在的工业标准（鼓泡法）[4]相比，该方法操作简单，相对误差小，评定时间短，是一种值得推广的抑垢性能评价方法。

碳酸钙结垢热力学观点认为：过饱和溶液总是处于不稳定状态。而在真实过饱和度下，却存在暂时稳定的现象，在可溶物质和微溶物质的溶液中，都发现存在此种介稳状态[5]。Nyvlt[6]从经典成核理论出发，测定了不同冷却速率下无机盐的介稳区宽度；马勇等[7]对磷酸结晶介稳区性质进行了研究，发现搅拌强度和晶种加入量可以改变介稳区宽度；李军等[8]研究发现表面活性剂可以使氟硅酸钠(钾)在磷酸介质中结晶介稳区变宽；Terence等[9-11]针对不同物质及物系，研究了介稳区宽度和诱导期之间的关系，证明了极限过饱和度与诱导期之间存在紧密的联系。本文以电导率法为基础，就电磁场对碳酸钙结晶临界值及介稳区的影响开展实验研究，绘制不同磁场条件下的介稳曲线，并从介稳区的角度分析磁场对碳酸钙结晶成核诱导期的影响，为了解污垢形成过程以及实施电磁抑垢策略提供支持。

1 实验方法与实验原理

1.1 实验装置

动态实验系统原理示意如图1所示。包括CDC40103哈希电导率仪、WK-SM3电脑智能温控器、电动搅拌器、循环水泵、碱式滴定管、缠绕式电磁水处理器等。实验所用到的CaCl2、Na2CO3等试剂均为分析纯。

1.2 实验方法

分别配制浓度为2、4、6、8和10 mmol·L-1的CaCl2溶液10 L作为标准母液。将10 L CaCl2溶液加入水箱中，打开智能温控仪将温度恒定控制在25℃，开启电动搅拌器和循环水泵且均为定值匀速转动，并对加磁线圈施加交变磁场。其中，加磁线圈中的磁场强度由高斯仪事先测得。配制0.1 mol·L-1的Na2CO3溶液作为滴定溶液，每次滴加2 ml，等电导率仪上的读数稳定1 min后读出电导率数值。

1.3 实验原理

电导率表征溶液中离子的导电能力，用于评价溶液中溶解盐类物质多少。测定溶液电导率是一种简便的间接表示水中溶解盐类物质多少的方法。电导率滴定法中，溶液中可导电粒子随着滴定的进行逐渐增多，电导率也会逐渐上升。随着滴定进行，溶液达到过饱和度临界值后，开始有沉淀析出，溶液中可导电的离子减少，电导率值会急剧下降。溶液从达到饱和至析出沉淀（即达到临界值）这一阶段称为成核诱导期[12]。因而，电导率法的核心就是通过测定碳酸钙的临界过饱和度值（即通过寻找拐点）来比较不同磁场强度下的抑垢效果。

晶体的形成和生长受过饱和度的影响。过饱和溶液中，介稳区的存在是一个极为重要的特性。Reddy[13]提出了介稳区的概念，即难溶物质结晶临界值与其溶解度值之间的区域，临界值即过饱和度临界值，超过临界值时，难溶物质就会自发地产生大量的晶核[14-15]。不同温度下的溶解度值已知，因此介稳区的宽度就由临界值决定。而介稳区就是溶液处于介稳状态的时间，实质上就等于成核诱导期时间[16]。

2 实验结果与讨论

2.1 介稳区的确定方法

由实验确定达到临界值时所消耗的Na2CO3溶液的体积，再根据如下公式[17]计算

式中，[Ca2+]和[CO32-]分别为Ca2+和CO32-的浓度，mol·L-1；Na2CO3为滴加Na2CO3的浓度，mol·L-1；CaCl2为CaCl2母液的浓度，mol·L-1；为加入的Na2CO3溶液的体积，ml；0为CaCl2溶液的初始体积，ml。

对[Ca2+]和[CO32-]做负对数变换，如式(3)和式(4)。绘制p[CO32-]-p[Ca2+]的曲线，并对曲线进行拟合即得到CaCO3的介稳曲线。

p[CO32-]=-lg[CO32-] (3)

p[Ca2+]=-lg[Ca2+] (4)

CaCO3在25℃时的溶度积[18]

根据式(2)求出的[Ca2+]，可计算出饱和CaCO3溶液中的[CO32-]′，然后再计算p[CO32-]′，即可得到饱和曲线。

2.2 电磁场对碳酸钙结晶介稳区的影响

根据结晶反应达到临界值时所消耗的Na2CO3溶液的体积，可以计算并绘制出介稳曲线。不难发现，介稳曲线能更加直观地反映出成核诱导期的变化。相关参数计算由表1所示，表1对应的介稳区曲线如图2所示。

表1 电磁场对介稳区影响的相关计算 Table 1 Relevant calculation of influence of electromagnetic field intensity on metastable zone

如图2所示，最上方的曲线为碳酸钙饱和曲线，对应右侧轴，同一温度、不同磁场强度下的碳酸钙溶液饱和曲线相互重合。由Origin软件计算出不同磁场强度下的饱和曲线积分面积和介稳曲线积分面积，如表2所示。两者之差即为该磁场强度下的介稳区宽度，不同磁场强度下的介稳区宽度如表3所示。

表2 不同磁场强度下饱和曲线积分面积及介稳曲线积分面积 Table 2 Integral area of saturation curves and metastable curves under different electromagnetic field intensities

表3 不同磁场强度下介稳区宽度 Table 3 Metastable zone width under different electromagnetic intensities

由表3可知，电磁场影响了介稳区的宽度。在磁场强度为200 Gs之前，介稳区的宽度基本呈现出逐渐增大的趋势，说明碳酸钙结晶诱导期随磁场强度的增加而延长。随施加电磁场强度的增加，较大的缔合水分子变成较小的水分子团，甚至成为单个水分子，这些自由化水分子在电磁场的作用下占据了溶液中各个空隙[19]，从而抑制了碳酸钙晶体的成核过程，减缓了成核速率。罗漫等[20]通过核磁共振实验也证明了此种现象。达到200 Gs的时候，介稳区宽度达到峰值，即结晶诱导期达到最长。磁场强度再增加时，介稳区宽度呈现减小的趋势。200 Gs下的介稳区宽度明显大于150 Gs和250 Gs时的介稳区宽度，但无法确定200 Gs为本实验条件下的峰值点，故在200Gs附近的磁场强度下增加4组实验，分别为175、190、210、225 Gs，进一步论证本实验条件下介稳区宽度的峰值点。

2.3 介稳区宽度峰值点的确定

175、190、210、225 Gs磁场强度下，滴定消耗Na2CO3溶液的体积及相关参数如表4所示。综合表1与表4可得0、50、100、150、175、190、200、210、225、250 Gs下的介稳区曲线，如图3所示。同上步骤计算出所有磁场强度下的介稳区宽度如图4所示。

表4 电磁场对介稳区影响的相关计算 Table 4 Relevant calculation of influence of electromagnetic field intensity on metastable zone

由图4可见，在0～200 Gs磁场强度范围内随磁场强度的增加，介稳区宽度逐渐增大；超过200 Gs以后，介稳区宽度逐渐减小；200 Gs时，介稳区宽度达到峰值。由此可知，200 Gs为本实验条件下的最优磁场强度，在此条件下，介稳区宽度最大，碳酸钙结晶诱导期最长，磁场对碳酸钙结晶成核的抑制效果最好。

3 结 论

（1）磁场强度对介稳区宽度有明显影响，在0～200 Gs磁场强度范围内随磁场强度的增加，介稳区宽度逐渐增大；磁场强度超过200 Gs以后，介稳区宽度逐渐减小。

（2）200 Gs为本实验条件下的最优磁场强度，此条件下，介稳区宽度最大，碳酸钙结晶诱导期最长，磁场对碳酸钙结晶成核的抑制效果最好。

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Detecting the best electromagnetic field intensity in experiment of electromagnetic anti-fouling based on metastable zone

WANG Jianguo, LI Bin, LIANG Yandong, YIN Zhao, CHEN Si

(School of Automation Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, Jilin, China)

Electromagnetic field anti-fouling technology has received great attention because of its advantages of low investment, zero pollution,. Reasonable selection of electromagnetic parameter is one of the necessary conditions for the best result of electromagnetic anti-scaling. This research designed a set of dynamic electromagnetic experiment with electrical conductivity method. The characteristics of varying conductivity with time in the titration process under the given experimental conditions were compared, and the calcium carbonate crystallization metastable curve under different solution concentration and intensity of the electromagnetic field were obtained. Then, the influence of electromagnetic field on the induction period of calcium carbonate precipitation from the perspective of the metastable zone was analyzed. Finally, it was found that the 200 Gs was the best magnetic field intensity values of electromagnetic fields inhibiting calcium carbonate crystallization.

electromagnetic field anti-fouling；magnetic field intensity；electrical conductivity；metastable zone

supported by the National Natural Science Foundation of China (51176028) and the Key Scientific and Technological Project of Jilin Province of China (20140204006SF).

date: 2016-03-07.

LI Bin, 415930032@qq.com.

TQ 085

A

0438—1157（2016）09—3658—05

10.11949/j.issn.0438-1157.20160267

国家自然科学基金项目（51176028）；吉林省重点科技攻关项目(20140204006SF）。

2016-03-07收到初稿，2016-06-07收到修改稿。

联系人：李斌。第一作者：王建国（1963—），男，教授。