超强永磁场处理对工业循环水电导率影响的研究

第28卷第6期硬质合金

2011年12月

Dec. 2011

Vol.28No.6CEMENTED CARBIDE

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工艺技术

doi ：10.3969/j.issn.1003-7292.2011.06.007

超强永磁场处理对工业循环水电导率影响的研究

李东魁1，2

姜丽丽1

左海滨1

谭赞林3

（1. 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083；

(1.School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology, Beijing 100083, China; 2. School of Information Science and Technology, Baotou Teacher's College, Baotou Inner Mongolia 014030, China;

3. Shenzhen Yitian Magnetic Material Co. Ltd., Shenzhen Guangdong 518066, China)

ABSTRACT

In this research, the developed water treatment equipment adopting permanent magnetic field was used to

simulate the physical handling process of the industrial circulating water system in the laboratory. The experiment show that the magnetic field intensity, processing time and flow rate have notable impact on the conductivity of circulating wa -ter; when the circulating solution is tap water (Ca2+concentration is less than 2.5mmol/L),velocity is 0.6m/sor 2.3m/s,the conductivity of the treated solution firstly increases with the increasing of the magnetic field treatment time and then presents the multi-extremum property; when the circulating solution is calcium chloride and calcium bicarbonate mixed solution (Ca2+concentration is greater than 2.5mmol/L),velocity is 1.2m/sor 2.3m/s,the conductivity of the treated solu -tion firstly decreases with the increasing of the magnetic treatment time and then presents the multi-extremum property. The results show that choosing the appropriate magnetic field intensity, flow rate and processing time of circulating water, the conductivity of the treated circulating water can be controlled, the hazards of the scaling in the circulating water sys -tem may be reduced.

KEY WORDS circulating water; magnetic field treatment; two-way ANOVA ；conductivity; scale inhibition

作者简介：李东魁（1963-），男，内蒙古赤峰人，现为包头师范学院信息科学与技术学院教授，主要研究方向：网络可靠性算法分析与设计，

冶金过程数值模拟仿真。

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2. 包头师范学院信息科学与技术学院，内蒙古包头014030；

3. 深圳市怡天磁性材料有限公司，广东深圳518066）

摘

要

本文利用研制的超强永磁水处理设备在实验室模拟磁场对工业循环水系统进

行物理处理，实验发现：磁场强度、处理时间、水流速对循环水的电导率产生了影响；当循环水为自来水（Ca 2+浓度小于2.5mmol/L），水速为0.6和2.3m/s时磁场处理使得循环水的电导率随处理的时间增加先上升，而后呈现多极值性增加趋势；当循环水为

CaCl 2与Ca(HCO3) 2配置溶液（Ca 2+浓度大于2.5mmol/L），水速为1.2和2.3m/s时磁场

处理使得循环水的电导率呈现随处理的时间增加先下降，而后出现多极值性增加趋势。结果表明：选择适当磁场强度、水流速度和处理时间对循环水进行磁处理，能够调控循环水的电导率，减少循环水系统结垢危害。关键词

循环水系统；磁处理；两因素方差分析；电导率；阻垢

Influence of Permanent Magnetic Field Treatment on Conductivity of

Industrial Circulating Water

Li Dongkui 1,2Jiang Lili 1Zuo Haibin 1Tan Zanlin 3

·374·

硬质合金第28卷

大多数工业循环冷却水系统，由于热负荷较高，冷却水在水冷构件内有过热现象，防垢、防腐蚀成为1实验

突出问题

[1-3]

。循环冷却水的水质对设备的寿命也有

重要影响[4-5]。工业循环水质的变化可通过检测基本1.1实验设备和测量仪器

指标实现监测[6-8]。在工业生产实际中，磁场处理循实验设备如图1所示，其中核心为超强永磁场

环水用于防垢方面已经取得显著效果

[9-11]

。研究表

可调设备，是具有开闭磁路的超强永磁设备，磁场方明，磁场处理可引起循环水中碳酸钙结晶过程、晶向与循环水溶液流动方向垂直。

型、pH 值、电导率等的变化，并随磁场强度、水速变1）超强永磁场可调设备（YT-CQY-0702）；300~化而呈现一定的规律性[12-21]。

34000Gs 。（1Gs=10-4T ）。

溶液的电导率是间接地表示水中溶解盐类的简2）乐清市奥特仪表有限公司生产的数显温度调

便方法。当溶液中有CaCO 3沉淀析出时，溶液中离节仪。

子减少，导电能力减弱，溶液的电导率下降，电导率3）Mettler-Toledo 公司产Delta326电导率仪。下降的速度变化可以反映出结晶情况不同。董倩倩4）温度计。

等通过测定电导率变化，得出Ca 2+浓度低于2.5

5）化学试剂Na 2CO 3、CaCl 2（分析纯）。

mmol/L时，磁处理抑制CaCO 3的结晶速度；当高于1.2试验方法和步骤2.5mmol/L时，磁处理促进了CaCO 3的结晶速度且

1.2.1循环水为自来水

抑制了晶粒的长大[17-18]。张小霓等通过记录溶液析1）实验方案：磁场强度分别选取300，7000，晶过程中电导率变化，得出溶液电导率值与Ca 2+、

17000，26500和34000Gs ；水速分别为0.6、1.2和HCO 3-1浓度之和满足线性关系，晶核生长和晶粒长

2.3m/s。测量水的温度，电导率。化学分析总碱度、钙

大满足一级反应速率方程[19]。罗漫等通过测量电导率硬度。记录取样时刻、电导率、水的温度以及水样放变化，发现磁处理抑制了CaCO 3成核过程但加快了置12h 后的相关数据；

晶体生长，生成的晶粒数量少体积大[20]。已有研究成2）实验过程：取自来水30L 加入水箱；确定循

果中，溶液电导率的变化都受到了人为改变溶液pH 环水流速0.6m/s；取第一个水样；确定磁场强度300

值或Ca 2+浓度的影响，离实际情况有一定差距[18-21]。

Gs 。实验开始起，每间隔1h 取样一次，每次取200本文利用超强永磁场模拟处理循环水设备，在mL ，平均放置于两个烧瓶中，测水样温度（为模拟工

磁场强度、循环水溶液、液体速度都变化条件下，研业现场情况，实验进行的过程中要改变循环水温度，究循环水溶液电导率变化规律。研究结果对指导磁开始时温度变化主要由水泵散热引起温度上升，等场处理应用于工业循环水具有一定参考价值。

水泵散热不能提高循环水温度时，通过加热管和温

Submersible

图1循环水强磁水处理模拟装置

Fig.1Simulator of circulating water treatment equipped with Permanent Magnetic Field Device （PMD ）

第28卷李东魁, 姜丽丽, 左海滨, 谭赞林:超强永磁场处理对工业循环水电导率影响的研究

·375·

度调节仪控制水温，使每个取样点的水温在取样过程中保持不变）、电导率；放置12h 后，再测水样温度、电导率并进行化学分析。把模拟设备中处理过的循环水放掉，清洗模拟设备；清洗取样瓶；再取30

L 自来水加入水箱中，改变磁场强度为7000Gs ，重

复上述过程；继续其它磁场强度实验；然后变化循环水速度，再按以上过程完成各磁场强度下实验。

1.2.2循环水为工业仿真溶液

实验方案同1.2.1，循环水为如下方法配置：称取2.22g Na 2CO 3溶于20L 的自来水中，加入水箱，再称取6.24g CaCl 2溶于10L 水，倒入水箱，使其充分混合。取第1个200mL 水样分别测得温度、电导率，确定水流速度和磁场强度，启动模拟设备，每隔

1.5h 取1次水样分别测温度、电导率，共取6个水样。水样放置12h ，再次测量上述指标，化学分析钙

硬度、总碱度。再次试验时，调节水速和磁场强度，重复上述过程。

1.3磁处理器的工作原理

当循环水流经磁处理设备时，由于洛仑兹力的作用，正负带电离子运动方向要向相反方向偏离。水溶液中的Ca 2+与CO 32-等带电离子由于洛仑兹力的作用被束缚于磁力线附近，使得该处粒子的浓度不同于无磁场作用的区域，同时由于阴阳离子的运动方向相反，于是Ca 2+和CO 32-等离子间的碰撞机会变化。由于Ca 2+和CO 32-等离子在溶液中都是以水合离子的形式存在，频繁的碰撞使得它们携带的水化膜部分甚至完全的解体，从而改变了离子的水合状态，在生成CaCO 3晶粒的同时也生成了许多单体水分子。磁场对碰撞生成的单体水分子进行取向，从而将刚刚生成的CaCO 3晶粒束缚在水分子群中，使得它们不能自由运动，运动的自由程度和彼此间的有效碰撞大为减少，这样影响CaCO 3晶体的产生和晶型。适当选取磁场强度和循环水的速度和离子浓度就能够达到阻垢目的[25]。

2实验数据及方差分析

2.1实验数据

表1、表2分别为循环水为自来水、配置水溶液

在不同磁场强度和时间下测得的电导率值。

2.2实验数据处理

利用迪克逊（Dixon ）检验法[22]，计算机编程进行检验。在表1、表2中，标*的为偏离值、标**的为

离群值，去掉包含离群值数据的行，利用统计软件

OriginPro8SR1进行二因素无重复方差分析，并对

数据进行拟合。方差分析结果见表3。

3结果与讨论

3.1电导率与时间关系

1）循环溶液为自来水，水流速度为0.6m/s时，

各磁场强度下结晶动力学曲线见图2（a ），满足的关系方程见表4；水流速度为2.3m/s时，各磁场强度下电导率与时间关系见图2（b ），满足的关系方程见表5。

水流速度为0.6和2.3m/s时（循环水速度为

2.3m/s、磁场强度300Gs 的前1h 情况除外），磁场

强度一定时，观察图2曲线可知道：电导率随处理时间的增加呈增加态势。从表3可知，循环水速度为2.3m/s时，时间对电导率变化没有显著影响；水流速度为0.6m/s时，时间对电导率变化有显著影响。在此情况下，对样品放置12h 再次测量电导率（此时样品温度相同）得到的数据进行方差分析，发现12h 后测量数据表明时间对电导率没有显著影响，但磁场作用仍然显著。说明水流速度为0.6m/s时，实验过程中电导率随时间变化而增加主要是时间变化（温度变化）产生[16]；

2）配置水溶液速度为1.2m/s，各磁场强度下电导率与时间关系曲线见图3（a ）；满足的关系方程见

表6；水溶液速度为2.3m/s，各磁场强度下电导率与时间关系曲线见图3（b ）；满足的曲线方程见表7。

水溶液速度为1.2和2.3m/s时（水溶液速度

2.3m/s，磁场强度7000Gs 时的前3h 情况除外），观察图3知道：时间与磁场强度变化引起了电导率变化；磁场处理的前3h 电导率出现先下降后上升

规律。由表3知，循环溶液速度为2.3m/s时，时间对电导率变化没有显著影响；循环溶液速度为1.2m/s时，时间对电导率变化有显著影响，此时，把样品放置12h 再次测量电导率数据进行方差分析，发现时间和磁场作用仍然显著不同；前3h 电导率保持着先下降后上升趋势，说明配置溶液是CaCO 3和Ca

(HCO3) 2混合溶液，并且磁处理的前1.5h 促进了HCO 3-的分解，增加了CaCO 3结晶，磁场处理的后1.5h 增加了空气中CO 2在循环水中的溶解，溶液中HCO 3-增加，从而电导率增加，同时磁场处理引起的

电导率变化具有“记忆效应”[16]。

·376·

硬质合金第28卷

表1循环水为自来水时在不同磁场强度和时间下测得的电导率

Table1Observed conductivity values under various magnetic intensity and treatment time when

circulating water is tap water

（Conductivity ：μS/cm）

Circulating water flow rate/(m/s)Time/h012345x j 0

300Gs [***********]*602.[***********][***********]4577.[***********]7**[***********]619.[1**********]68**588585

7000Gs [***********]595.[***********][***********]8577.[***********][***********]9592.558.[**************]4

17000Gs [***********]563.[***********][***********]3579.[***********][***********]0570.[***********]5

26500Gs [***********]591.2581582663**[***********][1**********]0.[***********][***********]4569.[***********]9

34000Gs [***********][***********][***********]606581.[1**********]565*[***********]584567562.[***********]7

x i 567.6572.2582592598.4616.4

0.6

Conductivity of sample after standing for 12h

[1**********]x j 0

563565.2574574.2588.8598.6

1.2

Conductivity of sample after standing for 12h

[1**********]x j 0

577.33569.67576.33587597.83598.33

2.3

Conductivity of sampleafter standing for

12h

12345

Note:1.x i is the average conductivity under the same sample time and different magnetic intensity; x i is the average conductivity under

the same magnetic intensity and different sample time.

2. The deviation values are marked by *,the outliers are marked by **.

第28卷李东魁, 姜丽丽, 左海滨, 谭赞林:超强永磁场处理对工业循环水电导率影响的研究

·377·

表2循环水为配置水溶液在不同磁场强度和时间下测得的电导率

Table 2Observed conductivity values under various magnetic intensity and treatment time when

circulating water is mixed solution

（Conductivity ：μS/cm）

Circulating water flow rate/(m/s)Time/h01.534.567.5x j 0

300Gs [***********]976.[***********][***********]011011998.[**************]28**646-------------

7000Gs 10151447**[***********]7.[***********][***********]44980.[***********][***********][1**********].[***********]98

17000Gs [***********]631021.2943930945*[***********][**************]*[***********][***********][***********][**************]

26500Gs [***********]0161074.[***********][***********][***********][***********][***********][***********]65

34000Gs [***********]631008.[***********]8*[***********]4410951074.[***********][***********][***********]991057**890

x i 981.6-1030.81038.41012.41045

0.6

Conductivity of sample after standing for

12h

1.534.567.501.534.567.5x j 0

1017.8986.61010.61013.81031.21051.6

1.2

Conductivity of sample after standing for

12h

1.534.567.501.534.567.5x j 0

10211011.31027.51055.31069.51036

2.3

Conductivity of sample after standing for

12h

1.534.567.5

Note:1. x i is the average conductivity under the same sample time and different magnetic intensity; x i is the average conductivity un -der the same magnetic intensity and different sample time.

2. The deviation values are marked by *,the outliers are marked by **.

·378·

表3

硬质合金第28卷

两因素方差分析结果

Table 3Results of two-way ANOVA

Circulating water type

Flow rate /(m/s)

0.61.12.30.6

Time/hSignificance Significance Not significance Not significance significance Not significance

Magnetic intensity/Gs

Significance Not significance Significance Not significance Significance Significance

Interaction of magnetic intensity and time

Significance Significance Significance Significance Significance Significance

Tab water

Mixed solution

1.22.3

（a ）（b ）

C o n d u c t i v i t y /(μs /c m )

Time/h

C o n d u c t i v i t y /(μs /c m )

Time/h

（a ）Flow rate of 0.6m/s（b ）Flow rate of 2.3m/s

图2自来水不同水流速时各磁场强度结晶动力学曲线

Fig.2Crystallization kinetic curves of tap water treated with different magnetic intensity

表4自来水速度为0.6m/s时电导率与时间的关系

Table4Relationship between conductivity and time when flow rate of water is 0.6m/s

Magnetic intensity/Gs

[***********]0

Conductivity y (μs/cm)andtime x (h)

y =577.52+7.06x y =541.90+8.77x y =568.24+9.17x y =564.71+9.31x

·Adjusted R 2(AdjR 2)

Significance Particularly Particularly Particularly Particularly

0.849530.847980.883830.76813

表5自来水速度为2.3m/s时电导率与时间的关系

Table 5Relationship between conductivity and time when velocity is 2.3m/s

Magnetic intensity/Gs

[***********]

Conductivity y (μs/cm)andtime x (h)

y =566.52+10.26x y =554.38+6.51x y =552.33+6.8x y =544.67+7x

·Adjusted R 2(AdjR 2)

Significance Significance Significance Significance Significance

0.856020.77990.850250.62085

第28卷

[**************]0C o n d u c t i v i t y /(μs /c m )

[***********][1**********]920

（a ）

李东魁, 姜丽丽, 左海滨, 谭赞林:超强永磁场处理对工业循环水电导率影响的研究

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C o n d u c t i v i t y /(μs /c m )

300(Gs)7000(Gs)17000(Gs)26500(Gs)34000(Gs)

[***********][***********]0

（b ）

7000(Gs)17000(Gs)26500(Gs)34000(Gs)

45Time/h

678

表6配置溶液循环速度为1.2m/s时电导率与时间的关系

Table 6Relationship between conductivity and time when flow rate of mixed solution is 1.2m/sMagnetic intensity/Gs

700017000

Conductivity y (μs/cm)and time x (h)y =927.18-26.53x +7.58x 2-0.38x 3y =1035.13-17.64x +4.28x 2-0.13x 3

·Adjusted R 2(AdjR 2)

Significance Significance Significance

0.741690.799

表7配置溶液循环速度为2.3m/s时电导率与时间的关系

Table 7Relationship between conductivity and time when flow rate of mixed solution is 2.3m/sMagnetic intensity/Gs

700034000

Conductivity y (μs/cm)andtime x (h)y =991.38+58.13x -11.51x 2+0.67x 3y =966.57-45.89x +18.75x 2-1.60x 3

·Adjusted R 2(AdjR 2)

Significance Significance Significance

0.857360.96181

3.2电导率与磁场强度的关系

对于自来水，循环水速为0.6、1.2、2.3m/s时电导率随磁场强度变化关系曲线见图4（a ）。观察图4看到，当循环水速度为0.6和2.3m/s时电导率随磁场强度的变化而呈现较大波动；由表3知，在此情况下，磁场强度对电导率变化有显著影响，而循环水速为1.2m/s时磁场强度对电导率变化没有显著影响。循环水速为2.3m/s时，磁场强度增大，促进了循环水中CO 2的脱气，循环水溶液中HCO 3-减少幅度增大，电导率就下降多。循环水速为0.6m/s时，磁场强度增大而小于17000Gs 时，磁场处理增加了循环水中CO 2的脱气，循环水溶液中HCO 3-减少幅度增加，电导率就下降多；而磁场强度超过17000

极值关系；其机理可参阅循环水为自来水的情况。

3.3电导率与循环水溶液钙离子浓度关系

循环溶液是自来水时，由化学分析结果知溶液中的Ca 2+浓度都小于2.5mmol/L，电导率随时间增加而呈现增加趋势；表明溶液中导电离子总数增加；但Ca 2+浓度都出现了减少的趋势，说明随时间和磁场强度的变化，水溶液中CO 2溶解量增加[16]，溶液中HCO 3-1离子增加，同时CaCO 3结晶速度加快，成垢趋势增加。

循环溶液是配置水溶液时，由化学分析结果知溶液中的Ca 2+浓度出现减少趋势，且都大于2.5

mmol/L，电导率也随时间的变化呈现先下降后上升

的趋势；表明磁场处理的前1.5h ，水溶液中CaCO 3结晶速度加快，磁场处理促进了CaCO 3结晶[18-19，22]。

Gs 时，出现了随磁场强度增加，循环水中CO 2的溶

解量趋于增加，HCO 3-逐渐增加，电导率随之又出现

上升的情况[16]。

配置水溶液，循环溶液速度为0.6、1.2、2.3m/s时电导率随磁场强度变化关系曲线见图4（b ）。循环溶液速度为0.6、1.2m/s时，电导率与磁场强度呈多

3.4结晶形貌和成份

未经磁场处理的水溶液形成的水垢和经过磁场处理溶液形成的水垢，通过扫描电子显微镜（SEM ），X 射线衍射仪（XRD ）对CaCO 3晶型进行形貌、成份分析，结果如图5。从图中可看到，磁处理晶

·380·

硬质合金第28卷

(a)

12000

SEM image of untreated

35003000

（b ）SEM image of magnetic treated

100008000I /C P S

[1**********]0

2θ/（°）

I /C P S

[***********]0010

502θ/（°）

（c ）XRD image of untreated （d ）XRD image of magnetic treated

图5磁处理与未磁处理产生的垢的SEM 和XRD 图像

Fig.5SEM and XRD images of scale

第28卷李东魁, 姜丽丽, 左海滨, 谭赞林:超强永磁场处理对工业循环水电导率影响的研究

·381·

体形貌中针状晶体增加，垢中纹石比例增加。

4结论

1）用统计学的两因素方差分析法对实验数据

进行了数据处理，证实在一定的磁场强度、循环水速度和磁场处理时间下对循环水溶液的电导率产生了影响，因而适当的磁场处理影响了溶液中离子的导电能力，进而影响了循环水结垢情况；

2）当循环水为自来水，水速为0.6和2.3m/s

时磁场处理使得循环水的电导率随处理的时间增加呈现先上升，而后呈现多极值性增加趋势；

3）当循环水为CaCl 2与Ca (HCO3) 2配置溶液，水速为1.2和2.3m/s时磁场处理使得循环水电导

率随处理时间增加呈现先下降，而后出现多极值性增加趋势。

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