防垢技术完全解读

如何进行水处理？

衡美水处理为您介绍一种***、实用的水处理技术——防垢技术。

冷、热水系统中，换热器、输送管道、泵阀等设备的结垢现象十分普遍，水垢会缩短设备使用寿命、加快金属腐蚀，导致维护费用增加，对设备的安全运行构成威胁，由此产生的经济损失巨大，英、美两国每年因结垢导致的经济损失分别达15亿、500亿美元。因此解决系统的积垢问题具有重要意义。笔者对常用的水垢防治技术及其研究进展进行了综述，并指出了水垢防治技术的发展方向，为后续研究提供理论参考。

一、水垢的形成

水垢是具有反常溶解度的难溶或微溶盐，易在器壁尤其是金属表面处析出沉积。其形成过程为：微细结晶在过饱和溶液中处于溶解-结晶的亚稳定状态，结晶在器壁聚集黏附并有序长大，结成水垢。水垢是否形成主要取决于盐类是否过饱和及其结晶的生长过程，与成垢离子、水质情况、器壁形态等密切相关。系统中的成垢离子越饱和、水的硬度越高，结垢倾向越严重;粗糙的金属表面和杂质对结晶过程也有催化作用，会促进水垢析出。

大部分水垢外观呈白色或灰白色，质硬且致密，以碳酸盐、硫酸盐、磷酸钙盐和硅酸盐的钙镁盐为主，其中典型的是碳酸钙垢，此外工业锅炉中还可能产生铁垢和铜垢等。

  二、水垢防治办法

水垢的防治方法有阻垢和除垢2种，前者是抑制或消除结垢，后者是对系统中已经形成的垢进行清除。

防垢方法有化学法、物理法、生物法、化学/物理法，笔者主要对化学法及物理法进行介绍。

    1、化学方法

化学防治方法主要有石灰软化法、加碱沉淀法、碳化处理、加酸处理、离子交换软化法和投加阻垢剂法等，前4种方法比较传统，效果直接但耗费药剂量大，产生的废液需进行处理，应用成本较高，因此已逐渐淘汰。目前国内外较为***的处理方法为离子交换软化法和投加阻垢剂法。

   （1）离子交换软化法

离子交换软化法采用钠型阳离子交换树脂对硬水进行处理，水中的Ca2+、Mg2+等与Na+发生交换，并与树脂结合，该方法可除去水中的Ca2+、Mg2+结垢离子，达到阻垢目的。离子交换法可以起到深度软化水的效果，但是设备在使用过程中需重复再生。

（2）投加阻垢剂法

目前水处理系统中采用的阻垢剂主要为阻垢缓蚀剂和阻垢分散剂。阻垢缓蚀剂有无机聚合磷酸盐、有机磷酸盐，循环水系统多采用有机多元磷酸。阻垢分散剂主要是中、低分子质量的水溶性聚合物，包括均聚物和共聚物2大类，均聚物有聚丙烯酸、聚环氧琥珀酸、聚天冬氨酸及其钠盐等;共聚物的品种较多，以丙烯酸系和马来酸系的二元或三元共聚物为主，还有磺酸类共聚物和含磷共聚物等。

由于水处理药剂多为磷系，存在富营养化问题，易产生“赤潮”公害。随着环保意识的增强，一些低磷、无磷的绿色阻垢剂成为国内外水处理领域的研究热点。20世纪90年代即有绿色阻垢剂的开发研究，目前已有报道指出聚天冬氨酸及聚琥珀氨酸等具有多元阻垢及缓蚀性能，且具有可生物降解性，应用前景广阔。

2、物理方法

物理方法主要是利用电、磁、光、声等技术阻垢或除垢，典型的物理控垢方法有物理清洗、采用防腐阻垢涂料及非金属材料换热面、膜法水处理、静电水处理、电子水处理、磁化处理和超声波处理等。其中物理清洗只能清除已生成的老垢，但其操作简单，适用于对控垢要求不高的场合;采用防腐阻垢涂料及非金属换热面可改变设备材料的表面性能，使成垢离子难以在接触设备上沉积，达到阻垢目的，但由于施工复杂，应用场合受到限制。目前采用的典型物理方法有膜分离法、磁化处理法、静电水处理法、电子水处理法、超声波水处理法等。

（1）膜分离法

该方法以膜作为分离介质，通过膜两侧的推动力(压力差、浓度差、电位差等)使水与微粒分离。膜法水处理主要有纳滤和反渗透。反渗透法一般应用在锅炉上，对硬度离子的去除率达到90%以上。纳滤膜(孔径1.0~3.0 nm)可使水中大部分单价离子透过，而二价离子和高价离子如Ca2+、Mg2+、SO42-、Fe3+等基本不透过，其硬度去除率能达到90%以上。

使用膜法除垢的主要问题之一是膜污染。在膜工作过程中，水中的微粒、胶体粒子或溶质大分子在膜面或膜孔内发生吸附、沉积，导致膜孔变小或堵塞，使膜产生透过流量和分离特性的不可逆变化，需进行重新清洗，处理成本增加。

（2）磁化处理法

磁化处理是利用磁场作用改变水质，影响成垢离子的溶解、结晶、聚合等过程，生成疏松的软垢，防止硬垢产生，并使已成硬垢的方解石转变成文石，随污排走。

磁化处理根据磁源位置的不同可分为内磁式和外磁式。其中外磁式在检修时不必停水及拆卸管道，也不易引起磁短路现象，具有更大的优越性。按磁场形成方式又可分为永磁式和电磁式。永磁式磁水器的优点是不耗电、结构简单、操作维护方便，国内外应用较广泛，但其磁场强度有赖于新型磁性材料和充磁技术的开发，且磁场强度一般不能调节，此外还存在随时间延长或水温提高而退磁的现象。电磁式磁水器耗电量大，但磁场强度容易调节，处理能力强、效率高，不受时间及温度的影响，稳定性好，适宜在对水质要求较高的场合中使用。

尽管磁化防垢技术已有很大进展，而且在工业、农业和生物医学领域中得到广泛应用，但水系统的复杂性及多变性使得深入研究磁化水处理比较困难，目前磁化控垢机理尚未形成定论。大多数研究都是从各自的实验结果出发，导致磁化阻垢除垢的应用设计缺乏有力依据，工作稳定性无法保证，影响其应用成功性。

（3）静电水处理

静电水处理器由高压直流电源和水静电化装置组成。采用静电水处理时将水通过高压静电场(3 400~6 000 V)，可改变水的分子结构或电子结构，使成垢离子不在器壁聚集，达到阻垢、溶垢的目的。高压静电场可使水生物的细胞壁发生破裂，因此其还具有较强的抑菌灭藻功能。静电水处理存在一个作用时间，超过作用时间以后成垢离子仍会发生沉积，且需定期清理静电水处理器过滤系统的垢渣。

（4）电子水处理

电子水处理与静电水处理有很多共同点，其设备核心是电子水处理器。阳极为不溶性金属电极，一般为钛修饰电极，阴极一般采用镀锌无缝钢管，电源为低压直流或具有某种特定波形的低压脉冲电源。待处理水从处理器下部进水口处进入，与金属阳极接触一段时间后，从上部出水口处流出。在接触过程中，低压电场可使粒子的水合程度和聚集状况发生变化，改变水分子的自身状态和缔合程度，一方面增加了水的溶解能力、减少水垢形成，另一方面促进已形成的水垢逐渐松散、剥落，达到除垢的效果。徐浩等的研究显示，电子水处理的阻垢率>90%。也有研究表明电子水处理还具有杀菌灭藻、缓蚀防腐的功效。但电子水处理技术研究起步晚，技术发展还不够成熟，装置性能不稳定，电极需定期或不定期清理。

（5）超声波水处理

超声波在介质中传播时，会使媒质中的粒子间发生相互作用；当超声波的机械能振动使粒子加速度达到固定值时，就会产生一系列物理和化学效应(高速微涡效应、剪切应力效应、超声凝聚效应)，从而起到防垢及除垢双重作用。刘天庆等采用超声-臭氧技术处理循环冷却水系统中的生物垢，研究发现频率为20 kHz、振幅为20%的超声波可有效抑制生物垢的形成，还可移除90%以上的已形成生物垢。超声波阻垢除垢技术作为一种环保、***的水处理技术已应用到电力行业、油田系统中，但其理论研究方面比较薄弱，尤其国内研究得不够充分。

三、电磁防垢技术优点

电磁场水处理是一种物理法，具有******的特点，应用方便、投资少、容易屏蔽、节能、环保、运行维护方便和成本低廉的优点,因此应当得到重视。电磁处理器在水处理中可集防垢、除垢、缓蚀、分离净化、杀菌等多功能于一体。随着环境保护的日益严格和水资源的日益紧缺，电磁处理技术将得到愈来愈广泛的重视。对此进行系统研究无疑具有重要的意义。目前，电磁处理防垢主要应用于各种循环冷却水和热水锅炉系统，在蒸汽锅炉中也能应用，但由于温度大于100℃以后，溶液过饱和度大，产生的软泥较多，排污量大，能量浪费大，故电磁处理防垢比较适合90℃,，以下的体系防垢。从理论上讲，电磁处理防垢应适用于所有体系，只是不同体系有不同作用条件。  

迄今为止，在国外电磁处理装置已广泛用于工业与民用给水系统中防垢、除垢、杀菌、防腐等。我国从 20 世纪 50 年代就开始了电磁技术用于锅炉水除垢和防垢的研究与应用。鉴于磁场与电场的关系，电场防垢装置：静电水处理器（高压直流）、电子水处理器（低压直流）和高频电子水处理器等也相继被开发出来。尤其是一些高出力的电场（高频达 10MHz以上，高压达 7000V以上）防垢除垢装置，它们弥补了永磁装置磁感应强度小（小于 1 特拉斯）的缺点，因而得到了广泛的应用，其发展势头已超过了永磁装置。  

电磁防垢与化学药剂防垢相比，其特点是不耗能、无噪声、少腐蚀、***、成本低、维修简单、安装管理方便。

1、电磁处理器的寿命：电磁处理的过程是流体通过电磁场产生电磁处理效应的过程，电磁处理器一般由永磁材料制成，其电磁场强度随时间的延长而逐渐减弱，防垢效果也因此逐渐变差。

2、防垢效果的多极值性：电磁场对抗磁性水溶液的作用与外加电磁场的电磁感应强度的大小关系密切，表现为多极值关系。电磁防垢效果不仅与电磁感应强度、电磁感应峰值个数有关，还与溶液的浓度、温度及溶液中的离子类型等有关，因此，生产中不能盲目使用电磁处理器，***针对水样进行分析，优化选择。

3、介质的磁记忆时间：在电磁场作用下，介质产生电磁处理效应，去掉电磁场后，介质需经一段时间的驰豫过程后才能回到处理前的状态，即被处理介质的电磁处理效应随离开电磁场时间的增加而逐渐衰减，介质从离开电磁场开始，到电磁处理效应完全消失，这一段时间为介质的电磁记忆时间。被处理介质电磁记忆时间的长短，与自身性质及电磁处理效果有关，同种介质，电磁处理效果越好，电磁记忆时间越长。实验发现在50℃以下时，介质记忆时间可达数小时或数天，高于60℃后记忆时间将大大降低。介质电磁记忆时间为T，介质流动速度为V，则电磁处理作用的有效距离L：L = V ×T；实际应用时一般取有效距离的一半作为电磁处理器设置间隔长度l，即l=L/2；因而，电磁处理器的设置数为防护管线长度与设置间隔长度之比M=Lg/l。  

原苏联、东欧对电磁场、电场防垢机理的研究和西欧、北美相近，都认为是电磁场或电场使水的结垢能力暂时改变，只对水垢的附壁能力作短时间的抑制。电磁场、电场处理不改变水的成分和化学性质。电磁场处理的水，仅是暂时失去结硬垢能力，搅拌或鼓气泡可使不结硬垢的时间迅速缩短。有资料指出，输送电磁处理的水有效距离为8km，亦即为2h。  

电磁场处理的优点是：不用化学药剂，没有环境污染，设备维护操作简便，寿命长。就节约药剂，防止污染，节省人力而言，是理想的防垢手段。  

电磁场处理的缺点是：它是一种不稳定的、暂时的防止结硬垢的方法。***保证所使用的装置有效；***严格遵守关于热负荷、水温、硬度、铁锰含量等的规定才有效；***保持足够的排污和保持在固定时间内才有效。  

水系电磁处理的成本不高，都明显的减少结垢物的沉积，它的巨大经济效益是十分明显的。减少酸洗次数，不仅可省大量的盐酸和硫酸，更重要的是大大延长了设备的使用寿命以及每年投入检修除垢所需的人力物力。所以这项技术在我国也具有十分广阔的研究和应用前景。  

当前采用的物理方法主要有以下几种：电磁场、超声场、紫外光技术、等离子技术等，其中电磁场方法又包括磁场处理技术、静电处理技术、高频电场处理技术和变频电磁场处理技术。  

磁场处理技术虽是一种简易可行的水处理技术，但也存在局限性，从而影响着它的广泛应用。例如，磁处理器吸附的磁性物质容易形成磁短路，作用效果不稳定，对处理对象的特性有明确要求，影响工作效率。  

静电处理技术，这种处理方法需要的电压太高，安全性低，而且处理效果受多种因素影响，在许多场合不能利用，尤其在油气集中的油田生产方面。  

高频电场处理技术，是磁处理技术和静电处理技术的换代技术。其操作简单、维护方便、经济环保，解决了化学方法难以解决的技术难题。但当频率超过既定范围，媒质的电磁参数就会受到影响，引起的介质损耗，产生能量损耗。  

变频电磁场处理技术是在静电阻垢和磁场软化水基础上发展起来的一种将直流脉冲技术与变频原理相结合的物理法水处理技术。利用该技术可以根据不同水质特征和处理目标，调整不同的电磁场参数，使处理效果更加完善。  

本课题在此基础上，研究变频电磁场在防垢、除垢过程中的作用，通过变频，适应不同水质，促进油田水处理方法的进展、增加产油量，使得水处理器的应用范围变得更加广泛。随着油田的不断开发，地层中的原油逐渐减少，油田常采用注水方式保持油层压力来提高采收率。注水是一种常用的油田开发技术，被注水的处理是防止水进入地层后产生结垢，堵塞地层毛细管道，防止所注的水破坏地层结构。目前，环保要求越来越严格，多数油田采用采出水作为回注水，为了达到注水要求，***采用必要的处理方法。在稠油区，注入高压蒸汽降低原油粘度，使稠油得到开采。注水或注入蒸汽都会使原油含水率增高，油田采出水经过处理进行回注，不仅可满足油田开采过程中注水量日益增长的要求，同时也可以节省水资源，为油田带来经济效益。  

油田对采出水进行处理的目的是净化原水水质，使其达到注水、热采锅炉给水、外排所要求的水质标准，对于不同用途的水质，要求有不同的处理工艺。由于各油田原油的特性、地质不一样,油田采出水水质各异，但又有一些相同的特性，如采出水中含微生物，常见微生物有硫酸盐还原菌、铁细菌、腐生菌，细菌大量繁殖不仅腐蚀管线，而且还造成地层严重堵塞；含有大量可生成垢的离子，如碳酸氢根离子、钙粒子、镁离子、钡离子等容易生成垢的离子。  

由于变频电磁场技术由于适用范围宽广，投资相对较小，具有环保、节能，应用安全、可靠等优势，在防垢、缓蚀、杀菌、增注等应用技术领域，将发挥越来越重要的作用。此外与磁场、静电、高频电场、超声波等水处理方法相比，变频电磁场处理更安全，效果更理想。

四、结语

目前已发展的水垢防治方法各有所长，在实际应用中常需结合使用2种或2种以上的控垢方法。目前应用较多的是化学类防垢除垢方法，其操作简单，除垢效果稳定，效率高，但药剂及人工费用较高，且当处理不当或药剂使用不当时都会导致设备和管道腐蚀，此外化学除垢药剂对操作人员的健康也有损害，除垢处理后的废液易对环境构成威胁，其发展受到限制。因此进一步开发生物降解性能好、除垢效率高且经济易行的新型阻垢剂，将是今后水垢防治的重要研究方向之一。

物理防垢方法自动化程度高且操作简单，在阻垢、杀菌和除藻等方面有显著效果，但处理强度较高的硬垢和腐蚀产物时效果一般不理想。物理防垢方法的作用机理尚不清楚，工作稳定性也有待提高，但其对环境危害小，适于大规模推广应用，是水垢防治的一个重要研究方向，具有广阔的发展前景。

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