磁化水除尘的研究

何在磁场中运动的电荷都会受到洛伦兹力的作用。 而液态水中存在着以氢键相连且带有极性的水分子 链( 团) 及水合离子, 它们总在不断进行无规则、受限 制的热运动。当水流以一定方向经过磁体后, 产生 了两方面的结果: 一方面促使水分子中水合离子的 正负电荷产生方向相反的旋转运动, 不同电荷回旋 半径不同, 使水分子极性加强。如水中含金属离子, 由于金属离子失去了具有顺磁性的价电子导致抗磁 性增大[ 11] , 旋转运动更激烈。安燕等通过对磁化蒸 馏水与未蒸馏水的核磁共振谱比较发现, 磁化水的 质子共振吸收峰与蒸馏水相比, 移向变场, 表明磁化 水的质子电子云密 度增大[ 12] ; Joshi Kanmat 采用永 磁体对三重蒸馏水进行磁化实验发现水介电常数升 高[ 13] , 也证实了这点。另一方面在水分子极性不断 加强及水合正、负离子作相反方向旋转运动作用下, 水分子间的氢键发生畸变, 甚至断裂, 从而使水分子 得到活化。湖南大学的朱元保等通过对磁化水进行 一系列的物理化学测定提出了相同的观点[ 14] 。北 京大学的谢文蕙等则指出单分子水的性质比集团中 的水分子活 泼得 多, 它 能充 分显示 它的 偶极 子特 性[ 15] 。由于水分子 的抗磁性随温 度变化不大[ 16] , 所以上述性质的改变是较稳定的。
进行磁化时的水流速度的经验值范围[ 28] 。说明对
于特定的磁处理方法、处理对象, 要达到较佳处理效 果, 磁化水流速应在一定范围内, 此范围可通过实验 获得。磁感应强度方面, 根据大量有关文献总结, 磁 感应强度达 300 mT 时, 磁化水的物理化学性能( 包 括表面张力等) 已有明显的改变, 但磁感应强度与水 的物理化学性能改变并非呈线性关系, 需通过实验 确定最佳的磁感应强度。磁感应强度最好是可调节
6期
蒋裕平: 磁化水除 尘的研究
495
Hale Waihona Puke Baidu
1. 2 磁化水的除尘途径 磁化水的除尘途径可通过两种形式进行阐述。
第一, 经磁化且由活性水分子组成的水体作为捕尘 体, 具有很强的极性, 容易与其它物质形成物理键而 发生吸附, 这种吸附由经极化而加强的色散力、偶极 子力等作用而形成, 因此这种吸附不易解脱。粉尘 也可以认为是经过加工后的固体颗粒废物, 而粉尘 在磁场作用下同样可能导致极性加强, 且粉尘由表 往里往往呈现出多层次结构。如 Iler R. K. 发现经 研磨的石英粉是具有一定厚度的无定形层[ 17] , 其重 要特征是表层由特别细微的晶群结构所组成。这些 因素导致水体与粉尘更容易发生相互吸附而除去粉 尘。第二, 水分子链( 团) 的氢键发生畸变、断裂, 使 液体分子间的平衡距离变大, 引力常数变小, 导致水 体表面张力降低, 对粉尘润湿性提高, 更容易把粉尘 颗粒 包裹!, 使粉尘更容易沉降。吴震藩等发现油 井注入水进行磁化后表面张力下降, 且磁场强度存 在较佳值[ 18] ; 赵辉等通过扫描电镜分析, 发 现磁化 水水泥石比普通水水泥石的结构更紧密[ 19] 。李培 森等通过实验证实了界面张力越低的物质越易在界 面上吸附[ 20] , 所以表面张力降低也有利于水体对粉 尘的吸附。
磁化水除尘有更好除尘效果的事实不断得到证 实, 所以发展磁化水除尘这种新型、有效的技术是迫 切的。
虽然对磁化水的性能经常有所报道[ 7 9] , 磁化 器的设计[ 10] 一直在进行, 但相关研究 结果尚未 明 确, 甚至出现矛盾的结果, 从而限制了磁化水在实际 除尘中的应用。因此, 对磁化水除尘相关方面进行
进行磁化。磁性粉尘的一部分因磁力吸附在磁化区 域内, 除尘过程后切断激磁电源而沉降, 一部分则自 动聚集成团而被水润湿, 从而更容易沉降。据有关 文献 介绍, 有些 金属 电 阻随 温 度上 升 而提 高, 如 Fe[ 34] 、Gd[ 35] ; 所以电磁式磁水器如使用金属导电体 时应注意这种现象。另外由于铁磁性物质具有磁化
强度的各向异性, 且有些各向异性常数随温度升高 而下降, 如 Ni[ 36] ; 有些甚至当温度升高至一定值时 改变符号, 如 Co[ 37] ; 有些则随温度升高而先降后升, 如 Fe3O4[ 38] 。电磁式磁水器如通过磁化铁磁性物质 间接对水进行磁化, 要注意磁化方向, 也要注意磁化 方向随温度的变化。 2. 3 捕尘体形式
2 磁化水除尘装置的设计要点
2. 1 水流方向、流速及磁感应强度 将水以一定速度通过一个或多个磁路间隙, 水
流方向与磁场垂直或平行( 透镜式磁场) 均可得到磁 化水[ 21] 。由于许多离子的抗磁性要强于水, 如 Li+ 、 Cl- 等[ 22] , 所以磁化水体最好是溶液, 且离子在水体 中力求分散均匀。在实际流体的两种流动状态 层流和 紊流中, 紊流 由于 存在 壁面紊 流及 自由 紊 流[ 23] , 且紊动发展会 一代一代!传递下去[ 24] , 所以 流体中的离子的扩散程度好于层流。而紊流与流体 的流动稳定性是相关的, 因此应注意流体的质量力、 热量交换等对稳定性的影响[ 25] , 泰勒通过对圆管紊 流扩散研究得到综合扩散系数K = 10. 1 av* ( a : 圆 管半径; v* : 管 壁切 应力 与 流体 密度 比 值的 方 根 值) [ 26] , 因此磁化水流经的管壁也应有一定的粗糙 度。罗果萍等对磁化水改善球团矿冶金性能的效果 研究中发现, 水的磁化流速在一定范围内, 生球具有 较高的抗压强度与落下强度[ 27] 。张宝铭提 出对水
的, 以满足不同的粉尘、水质、环境条件的要求。张 宝铭指出, 应使水在磁水器内部流动的过程中, 经过 不同极性的磁场, 以达到交变磁化的目的[ 28] 。 2. 2 对水的磁化方式
至 2001 年止, 国内 已有四 项关于 磁水器 的专 利[ 29 32] 。磁水器一般 有永磁式及电 磁式两种, 永 磁式不需要外加能源, 结构简单, 但磁场强度较低, 也不易调节, 且可能使用的铁磁性物质容易发生温 度升高引起的退磁现象。而顾惕人指出溶液吸附实 质是溶质吸附与溶剂脱附同时进行, 所以此过程可 能是吸热过程[ 33] , 由于水体可能含溶质而呈现溶液 性质, 所以吸附过程可能导致温度升高, 且粉尘的温 度也可能是很高的, 从而引起退磁现象。电磁式通 过激磁电流产生磁 场, 磁场强 度可调, 但构造较复 杂, 且存在安全问题。在处理较低温度, 且组成、粒 径等物化性质非常固定的粉尘时, 从成本效益方面 考虑, 可使用永磁式磁水器。在处理带磁性粉尘时, 宜使用电磁式磁水器形式对粉尘与水相接触的区域
第 4 卷 第 6 期 2004 年 6 月 1671 1815( 2004) 06 0494 05
科学技术与工程
Science Technology and Engineering
Vol. 4 No. 6 June, 2004 2004 Sci. Tech. Engng.
环境科学
综述
磁化水除尘的研究
( 包括粉尘) 形成包裹作用。上世纪 90 年代初我国 召开的学术会议上已宣读通过表面活性剂包裹微粒 而制备超细微粒的论文十余篇[ 46] 。第三是磁化水 的其它物化性能研究。磁化水能治疗肾结石及胆结 石等[ 47] , 刘有昌等 对磁化水 的抑垢 机理进行 了研 究[ 48] , 说明磁化水有抑垢效果; 苏联帕特罗夫斯基 报导磁处理时, 在水中出现数量不大的过氧化 氢[ 49] , 磁化水对机械加工乳化液的防腐已有成功实 例[ 50] , 说明磁化水有杀菌作用; Chibs 发现在流动的 电解质溶液中, 铝的腐蚀率下降[ 51] , 吴向洋等发现 油田回注水经磁处理后使油田钻头的腐蚀基本被抑 制[ 52] , 说明磁 化水有防 腐蚀 作用。第 四是磁 流体 ( 也称磁流变液) 的研究。磁流体的理论和应用是目 前引人注目的研究领域[ 53 58] , 同时也开辟了磁化 水除尘的新思路。所谓的磁流体即是由细小的磁性 颗粒均匀分散在载液( 如水或其它液体) 中组成的稳 定悬浮体系。磁流变液在稳定磁场下其热传导系数 可提高 70% , 而在旋转磁场下可提高 15 倍[ 59] , 且在 磁场作用下有较高磁导率, 可产生较大磁偶极矩, 在 磁场消失后剩磁力迅速消失。如使用磁流体对带磁 性的粉尘进行处理, 由于磁流体中含有磁性粒子, 即 增加了磁场强度和粉尘与磁场的接触面积, 可以预 计处理效果会比单纯磁化水的处理效果好, 且由于 磁流体在磁场中的传热效果好, 除尘器的出口烟气 温度低。如处理带磁性的金属粉尘, 由于磁流体离 开磁场后迅速脱磁, 金属粉尘也随即脱附, 则磁流体 可重复使用, 金属得到回收。
磁分离技术已有悠 久的应用历史, 1845 年美 国发表了一项工业磁选机专利, 1972 年英国的第一 项磁分离专利是富拉顿用来精选铁矿的[ 1] , 于是磁 分离技术迅速推广到各种领域。在除尘方面, 高梯 度磁分离器的研究不断发展, 在大气污染控制方面 已得到应用[ 2] , 磁化水的除尘也不断得到重视, 前苏 联的列宁矿山和十月矿山早在上世纪 70 年代就已 进行磁化水与常水降尘的对比实验, 我国也已从上 世纪 80 年代开始了磁化水降尘的研究, 并已研制了 TFL 型、尘敌型、RMJ 型等磁化水喷嘴或磁水器, 取 得一定的降尘效果[ 3] 。现今对粒径小于 2. 5 m 的 粉尘对人类健康的危害愈发引起重视[ 4] , 对大气防 治遵 循 减少 污 染物 排 放与 净化 治 理 相结 合 的 原 则[ 5] , 由于湿法除尘在适用温度、压损、运行费用等 方面有明 显优势[ 6] , 而作为 湿法 除尘的 改进方 法
磁化水除尘的实质是湿法除尘当中利用了磁化
水机理从而改进效率的方法, 而磁化水除尘机理与
4 96
科学技术与工程
4卷
普通湿法除尘应是相同的。由于粉尘粒子表面与空 气间存在表面张力[ 39] , 所以普通湿法除尘的机理关 键是捕尘体代替空气接触粉尘粒子, 使粉尘粒子在 捕尘体上沉降。此沉降成功与 否取决于捕尘 体形 式。当液体向含尘气体扩散时( 如喷雾式除尘) , 液 滴为捕尘体, 粉尘粒子在液滴上的沉降主要通过惯 性碰撞及拦截作用进行[ 40] 。这两种作用是 依靠粉 尘粒子与捕尘体碰撞或接触, 因捕尘体的粘附作用 而使粉尘沉降。根据大量文献报道, 磁化水的粘度 比未磁化水的粘度低, 即内摩擦力减少, 液滴容易受 到冲击时滑动、溃散, 从而导致对粉尘的粘附能力的 下降。且部分 液滴与粉尘粒子 的接触不可能 形成 水包尘!形式, 虽然液滴具有强极性, 但也不能对粉 尘进行及时、充分捕获, 使粉尘更容易逃脱。当气液 接触 面 为 液 膜 时 ( 如 填 料 塔 等) , 液 膜 成 为 捕 尘 体[ 40] 。因液膜对粉尘形成包裹形式, 磁化液膜可充 分利用对粉尘润湿性强和极性强的特点对粉尘进行 润湿和吸附, 粉尘也更容易浸没在液膜中。所以磁 化水除尘时尽可能采用液膜作 为捕尘体的方 法进 行。王增贵在研究锅炉粉尘治理时提出烟气升速过 高时会破坏水膜[ 41] , 所以如采用水膜除尘器除尘, 还应该注意控制粉尘在风机作用下的上升速度。如 需采用液滴作为捕尘体的除尘方法, 液滴与粉尘的 相对速度也不能过高, 且液滴数量、粒径应大于粉尘 粒径。
3 磁化水除尘的展望
近年来, 与磁化水除尘的相关研究不断发展, 主 要集中在四个方面。第一是固体的表面改性。利用 化学方法对固体的表面改性研究是表面化学中的热 门课题[ 42] , 此研究可增强固体吸附、润湿等性质, 有 利于除尘过程进行。如肖作顺对塑料的表面改性可 提高其涂布、黏结能力[ 43] ; 王德生证明玻璃 纤维放 入等离子体发生器中处理会引起 刻蚀! 现象, 导致 表面粗糙度增加[ 44] 。第二是水与表面活性 剂的配 合使用。表面活性剂分子具有憎水基及憎油基[ 45] , 如往磁化水中加入表面活性剂, 则将形成憎油基吸 附水分子而憎水基包围水分子外表面的结构, 此结 构有利于对非极性粉尘发生吸附。安燕等发现使用 十二烷基磺酸钠配制的磁化水的表面张力比磁化蒸 馏水的表面张力 有显著下降 [,12这] 样更 容易对微 粒
2004 年 2 月 5 日收到
电子科技大学中山学院青年科学
基金( 403Y 04) 资助 作者简介: 蒋裕平, 男, 29 岁, 硕士, 电子科技大学中山学院应用化
学系实验师, 从事环境工程研究。
研究, 为实际应用提供理论基础的工作是必要的。
1 磁化水除尘优越性的机理分析
1. 1 磁化水性质的改变 磁化水所出现的变化是电磁感应导致的, 即任
蒋裕平
( 电子科技大学中山学院应化系, 中山 528403)
摘要 对磁化水除尘优越性进行了包括极性、润湿的机理分析, 提出了包括水流方向、流速及磁感应强度、捕 尘体形式、磁水器形式的除尘装置的设计要点, 并对磁化水除尘发展进行了展望。
关键词 机理 设计 发展 磁流体 中图法分类号 X703. 3; 文献标识码 A