一、腐蝕
腐蝕是自然界普遍存在的現象。把一塊擦亮的鐵片放入自來水中,一、二小時后便可以看到它生銹了。
經研究表明,金屬生銹的原因是水中存在的氧化性物質,如水中的氧氣和其它的氧化劑。金屬在水中的腐蝕是一個電化學過程。氧發生陰極還原反應:O2/2 H2 2e→2OH-而金屬則發生陽極氧化反應,如:Fe→F2 2e這種腐蝕形式會在所有的水—金屬表面無休止地進行著。陰、陽極反應的產物在靜電的作用下相互遷移和擴散,最終形成腐蝕產物。如:Fe2 2HO-=Fe(OH)2,它再經過氧化反應生成Fe(OH)3,脫水后即成為銹Fe2O3。鋼鐵在普通的自來水中的腐蝕速度約1毫米/年。腐蝕產物累積在金屬的表面阻礙了水的傳熱的正常進行。
二、結垢
造成結垢的主要原因是水中存在著具有反常溶解度的微溶鹽類,它們在傳熱過程中從水中沉積到金屬的表面上來。對于循環冷卻水系統,冷卻水在不斷循環使用過程中,由于溫度升高,水流速度的變化,水的蒸發,各種無機離子和有機物不斷地被濃縮,冷卻塔在室外受到陽光照射、風吹雨淋、灰塵雜物的飄落,以及設備結構和材料等多種因素的綜合作用,會產生嚴重的水垢附著,而且會越積越厚,水垢的生長除了縮小水的通道以外,主要是阻礙了傳熱。水垢還經常會發生快速的垢下腐蝕。
三、微生物
冷卻水中的微生物,一般是指細菌和藻類。由于循環冷卻水中含有微生物賴以生存的營養成分 含量較多,氧氣充足,日光照射,水溫適宜等條件,致使它大量的繁殖。大量細菌分泌出的粘液,像粘合劑一樣,能使水中飄浮的灰塵雜質和化學沉淀物等粘附在一起,形成粘糊糊的污泥,這些物質積附在設備管壁上,除了形成氧濃差電池生成鹽酸外,還會使冷卻水的流量減少,從而降低了換熱器的冷卻效率,微生物的危害是十分嚴重的,它生長快,生命期短,它的新陳代謝產物像粘結劑一樣把水中的懸浮物連同水垢一起沉積到金屬表面成為很難處理的生物粘泥。有的微生物還專門以食金屬為生或其新陳代謝產物腐蝕金屬。
以上三個問題是相互促進和關連的,腐蝕產物會催化結垢而且本身也是一種沉積物。垢下會加快局部腐蝕,生物粘泥會加快成垢速度而且與垢混雜在一起,又會造成腐蝕。
為了解決水系統中存在的腐蝕、結垢、微生物三大問題,人們一直在探索一種高效、經濟、安全的防腐、防垢除垢、殺菌滅藻的物理方法。
1945年比利時工程師韋梅化侖(Vermeiren)發現通過3000高斯磁場的水具有防垢除垢的特征。人們以此理論開發出了用永久磁鐵做成的第一代水處理產品。具有無需人管,無需加藥,無需通電,無污染,節能型的防垢除垢設備,開創物理法的先河。但是他有一個致命的弱點:退磁。金屬管路形成磁路導致退磁較快,剛開始使用效果良好,一年半載后效果逐漸減退,直至無效。
為了消除退磁的弱點,用電磁鐵代替永久磁鐵開發出了第二代產品。其缺點是需要較大的電流,導致線圈發熱,不能連續工作,且耗能較大。既然磁鐵能防垢除垢,電場是否也能達到防垢除垢的效果呢？人們發現經3500V以上高壓靜電處理過的水同樣具有防垢除垢、防腐阻銹的作用,同時還具有殺菌滅藻功能。它克服了前一代產品的缺點卻產生了新的缺點:絕緣材料在水中易老化,設備常需檢修;而且高壓電容易對其他控制設備產生影響。為了克服以上缺點,人們研制成功了利用電解法的第四代產品。由一根金屬陽極和筒體陰極組成,在極間加10-20V的直流電,形成電場以達到處理水的目的,其弱點是陽極由于氧化易腐蝕,需經常更換,水處理量不大。
第五代產品對水施以高頻電磁場以達到防垢除垢,防腐阻銹的目的。它克服了前四代的缺點,且具有水處理量大,效果穩定,使用壽命長等優點。
高頻電磁場是集高頻、電磁場于一身,是由高頻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、團狀大分子(H2O)n分解成單個水分子最后形成比較穩定的雙水分子(H2O)2,增加了水的活性,改變了水分子與其他離子的結合狀態,使CaCO3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。
細菌在高頻電場作用下,細胞壁和細胞膜受到嚴重的損傷,不能在水中繼續生存、繁殖,而達到殺菌目的。水中正負離子受到電場力作用下而運動,產生微電流,微電流一方面阻止Fe失去電子變成Fe2 離子,另一方面開始生成的鐵銹與微電流反應生成致密的保護膜,從而防止鐵管的再腐蝕。以上五代產品都利用電磁場來達到防垢除垢,防腐阻銹的目的。
水處理技術的防垢除垢的統一機理應是水分子的有序化,導致水分子電偶極矩的的增大,加強了水分子與鈣鎂離子的結合力,從而使水對鈣鎂離子的溶解力大大提高,達到了防垢除垢的目的。
若所加的是高頻電磁場,同樣會導致水分子和正負離子的有序化,其原理類似于電泳,雖然電極在作不斷正負變化。但電場只有作兩個方向的變化,有極分子在這樣的電場力作用下,只好作整齊的排列,正負相接,最后的極化方向決定于水離開電場作用時那一瞬間的電場方向,事實上電場方向的變化更有利于水分子的有序化。值得注意的是交變電場變化頻率太低,則有直流電差別不大, 若頻率太高,則水分子由于慣性來不及響應,效果反而差,所以存在一個最佳頻率范圍。
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