毛欣鈺， 王宇斌， 衛(wèi)亞儒， 王望泊， 李淑芹

(1.西安建筑科技大學(xué) 資源工程學(xué)院，陜西 西安 710055)(2.西北有色地質(zhì)礦業(yè)集團有限公司，陜西 西安710054)(3.西安西北有色地質(zhì)研究院有限公司，陜西 西安 710054)

0 引 言

硫化礦浮選和貴金屬浸出生產(chǎn)中，使用石灰乳等富含鈣離子的動態(tài)水，易導(dǎo)致礦漿管路、冷卻水管路及鍋爐等各類輔助設(shè)備結(jié)垢[1-3]，引起管壁腐蝕和管道堵塞[4]，進而影響礦物的選別過程、選礦廠的安全運行和經(jīng)濟效益[5-6]。如國內(nèi)水口山鉛鋅礦選廠采用高堿細磨優(yōu)先浮選工藝，導(dǎo)致在鋅尾礦濃密機溢流水管道中以及通向選硫車間的管道中結(jié)垢嚴重，嚴重影響生產(chǎn)[7]。又如鐵山垅鎢礦選礦廠的回水中含有泥漿和眾多有害離子，管道在長時間作用下其內(nèi)壁結(jié)有厚厚的泥垢，導(dǎo)致內(nèi)孔徑逐漸變小，水量驟減，電耗增加[8]。此外，磁選廠中循環(huán)水系統(tǒng)的供水管道和強磁選機齒板都存在不同程度的結(jié)垢現(xiàn)象。為保證選礦廠生產(chǎn)的順利進行，并實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保、指標穩(wěn)定的目標，探索高效的除垢工藝顯得日益重要[9-10]。常規(guī)的化學(xué)和物理除垢法存在投資成本高、處理費用大、需處理二次污染物等問題。新型磁化除垢工藝，可對含鈣鎂離子較高的工業(yè)用水實現(xiàn)除垢處理，且無化學(xué)藥劑的二次污染，適用范圍廣[11-12]。文章介紹了除防垢技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、存在問題，展望了利用磁化技術(shù)去除選礦廠管路垢體的應(yīng)用前景。

1 管路常見除垢技術(shù)簡介

目前常用的除垢技術(shù)有化學(xué)除垢和物理除垢兩種[13-15]。其中化學(xué)除垢主要包括螯合試劑除垢、堿洗除垢和酸洗除垢等，而物理除垢則主要包括機械除垢、超聲波除垢、電化學(xué)除垢和磁化除垢等。不同除垢技術(shù)的原理及優(yōu)缺點對比[16-25]見表1。

表1 化學(xué)、物理除垢技術(shù)對比

由表1可知，上述除垢技術(shù)雖有一定的除垢效果，但也存在投資成本高、處理費用大、需處理二次污染物等問題，而且在不同行業(yè)的適應(yīng)性較差，只能應(yīng)用于某一行業(yè)。這些問題均限制了上述技術(shù)在選礦廠管路除垢防垢的實際應(yīng)用。

2 磁化除垢防垢技術(shù)研究進展

磁化法除防垢的原理是當水溶液流過強磁場的凈化設(shè)備時，水中的鈣鎂離子和碳酸根等離子由于電荷不同，在洛侖茲力的作用下改變原來的運動方向，而向相反方向偏離，從而失去反應(yīng)生成垢體的條件。磁化除防垢技術(shù)不僅具有可在線連續(xù)工作、不干擾正常生產(chǎn)、環(huán)保水平高、運行成本低等優(yōu)點，也避免了成本浪費、環(huán)境污染和操作復(fù)雜等問題[26-27]。為了有效解決結(jié)垢問題，新型高效的磁化除(防)垢技術(shù)逐漸受到研究者的重視[28]。

2.1 磁化除垢技術(shù)研究進展

目前磁化除垢理論方面的研究主要集中在磁場性質(zhì)對除垢效果的影響。王斌等[29]利用掃頻磁場處理水中的樣品，并對其結(jié)垢情況進行分析研究發(fā)現(xiàn)掃頻磁場對含原油的污水水垢有較強的除垢作用。姜德寧等[30]利用麥克斯韋方程和邊界條件計算了交變磁場在水管中的場分布，并研究了水的溫度和硬度等參數(shù)與結(jié)垢量的關(guān)系，認為當水的硬度小于700 mg/L時，不同的管徑對應(yīng)的結(jié)垢磁感應(yīng)強度閾值相近，而功率閾值不同。王宇斌等[31]進一步優(yōu)化了磁化除垢的條件，提出在磁化時間為0.5 h、電流頻率為0.6 kHz、線圈匝數(shù)為100圈、C0(Ca2+)為1 000 mg/L、波形為方波時磁化除垢的效果最好。

Clifford Y.Tai等[32]則采用不同強度的永磁體研究磁場對懸浮在流化床中方解石晶體生長的影響，發(fā)現(xiàn)磁化處理有助于碳酸鈣從難以移除的方解石向粉末狀的文石轉(zhuǎn)變。Shahryari A等[33]在試驗室研究了磁流體動力學(xué)效應(yīng)對磁處理裝置除垢效率的影響，發(fā)現(xiàn)當冷卻水流速為0.5 m/s時，換熱器中的污垢阻力降低了76.3%。若水流速度增大則會導(dǎo)致調(diào)制磁場的阻垢效率降低，并且在0.8 m/s和1.3 m/s水流速度下污垢阻力分別下降了64.3%和57.8%。

其他研究者則對新型磁化除垢設(shè)備的設(shè)計及其除垢效果比較關(guān)注。徐耀良等[34]通過研究電廠中應(yīng)用新型凝汽器除垢裝置的效果，分析其作用原理并與常規(guī)除垢方法進行比較，發(fā)現(xiàn)其具有良好的除垢效果，還能起到節(jié)能減排的作用。李楊等[35]通過對永磁除垢器的磁場進行有限元分析和設(shè)計，從而實現(xiàn)了對除垢器的單點進行測試，也強化了磁場的整體分析性和磁場可視化。費繼友等[36]提出了STM32F103變頻水磁化處理系統(tǒng)的試驗設(shè)計方案，提高了水處理設(shè)備除垢能力和環(huán)境適應(yīng)性，使設(shè)備的阻垢率達到了78%，除垢率也達到了61%。侯宏錄等[37]針對管道結(jié)垢引起的設(shè)備腐蝕問題，提出了一種由可變頻方波信號控制的電磁除垢電路解決新方案。王金燕等[38]設(shè)計了一套針對輸油管道的模擬電磁波除垢設(shè)備，以模擬不同線圈匝數(shù)以及不同頻段下電磁波除垢效果試驗，并將除垢條件優(yōu)化為：線圈匝數(shù)25圈、電磁波頻段為14～16 kHz。

2.2 磁化防垢技術(shù)研究進展

利用磁化水防垢的研究始于1945年，比利時的T.Vermeiren提出將磁化水應(yīng)用于鍋爐管路的防垢處理并申請了相關(guān)專利，以此為基礎(chǔ)，國內(nèi)外眾多學(xué)者對此進行了深入研究，并取得了一定共識。

溶液中的離子種類不同，磁處理的效果也不一樣。劉有昌等[39]認為磁場能影響碳酸鈣的結(jié)晶過程，但對硫酸鈣的結(jié)晶過程影響較小。張寶銘[40]也認為磁處理對含SO42-溶液的除垢效果不佳。當水中含有SO42-時，磁化抑垢效果被破壞，一般來說含有SO42-的水，不要使用磁化處理抑垢。謝綺芬[41]認為由于SO42-離子的水合能高于碳酸根的水合能，所以處理永久硬度較高的水(大于7mmol/L)，宜設(shè)計磁感應(yīng)強度較高，綜合磁參數(shù)較大的磁水器。林藝輝[42]借助析晶動力學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)，研究了一定強度磁場對碳酸鈣過飽和溶液的析晶過程的影響。定量的、可重復(fù)的數(shù)據(jù)表明：在一定的Ca2+和CO32-濃度范圍內(nèi)，磁場對碳酸鈣晶體的生長析出具有明顯的抑制作用。對不同溶液進行磁處理的試驗結(jié)果顯示，磁場阻垢既通過成垢陽離子Ca2+起作用，也通過成垢陰離子CO32-起作用。

磁處理的效果與溶液pH值緊密相關(guān)。那景麗[43]等發(fā)現(xiàn)磁處理的抑垢率隨著堿度的增加而增加，當水中堿度大于8 mmo1/L時，磁化水的抑垢效果較好。柴天禹[44]認為pH值對磁化處理CaSO4垢體不敏感，對CaCO3垢體的影響則較為明顯。張寶銘[40]則發(fā)現(xiàn)在某地試用磁化處理設(shè)備過程中的除垢效果不佳，認為pH值在8附近為宜，pH值過低或過高，磁處理效果均不理想。

磁化可明顯改變?nèi)芤盒再|(zhì)。如楊明等人[45]發(fā)現(xiàn)磁化前后蒸餾水、自來水和焦化廢水的電導(dǎo)率等性質(zhì)在磁化時呈現(xiàn)明顯的周期性變化，且變化情況與磁場強度和磁化時間有關(guān)。其他研究人員[46-47]進一步認為磁化阻垢機理主要集中在磁場能改變成垢晶體的結(jié)晶速度、晶粒大小及晶體的晶型等。

國內(nèi)外眾多學(xué)者針對磁化防垢的機制展開了較為詳細的研究。劉振法等[48]研究了稀土永磁材料與聚天冬氨酸的協(xié)同阻垢機理，他們針對磁場強度、溫度、水質(zhì)硬度和藥劑用量下阻垢效果展開了試驗。Nelson Saksono等[49]圍繞磁場的離子機制和粒子機制對碳酸鈣沉淀的影響進行了討論，并發(fā)現(xiàn)在磁化過程中粒子機制可降低溶液中鈣離子的濃度，而離子機制則降低了磁化分離過程中CaCO3晶體的形成。Chang M C等[50]在磁場作用下采用流化床結(jié)晶器對碳酸鈣的多晶型文石進行了一系列生長試驗。研究表明：文石晶體在較低的酸堿度環(huán)境中生長較快，而方解石幾乎不會生長，并且高水平的過飽和度和不統(tǒng)一的活性比有利于文石生長。

在此基礎(chǔ)上，有學(xué)者針對磁化防垢在實際應(yīng)用方面也進行了探索，如王建國等[51]設(shè)計了動態(tài)電磁試驗裝置，在給定試驗條件下進行了磁化防垢試驗，通過理論分析確定了抑制碳酸鈣結(jié)晶的磁場強度最優(yōu)值為0.02 T。國外的Deng A H 等[52]研究了最大磁通密度為4.1 T可調(diào)恒磁場對硬水在無雜質(zhì)離子時碳酸鈣沉淀過程的影響。結(jié)果表明：磁場通過影響溶液中離子的水化過程來改變水化CaCO3作為晶核前驅(qū)體的脫水過程，進而改變了水團的結(jié)構(gòu)，從而影響了CaCO3的沉淀過程。

2.3 磁化除(防)垢研究存在的問題

關(guān)于磁化除垢的研究雖然取得了較大進展，但也存在如下問題有待解決：

研究的試驗方法比較單一，導(dǎo)致已有研究對磁化設(shè)備參數(shù)影響規(guī)律認識不足，參數(shù)控制也不夠精確。已有磁化除垢研究中多采用單因素試驗方法，而在試驗室試驗和工業(yè)應(yīng)用中，由于交變磁場除垢的過程中影響磁化處理效果的因素較多，單因素試驗難以揭示不同因素對磁化處理效果的影響規(guī)律，尤其是關(guān)于不同作用因素之間的交互作用對磁化除垢效果研究較少，也就難以組合最優(yōu)的除垢條件，也易造成其磁化除垢效果不夠穩(wěn)定，在工業(yè)應(yīng)用中的除垢效果差強人意。

磁化除垢效果適應(yīng)性差。由于不同行業(yè)的生產(chǎn)工藝、水質(zhì)不同，工藝參數(shù)比如溫度、液體運動狀態(tài)等都存在很大不同，這也使得不同行業(yè)的管路垢體多樣化。常見的垢體除了碳酸鈣和硫酸鈣等無機鹽垢，還有腐蝕垢和泥沙等沉積垢。由于上述不同種類垢體的成垢規(guī)律不盡相同，這就導(dǎo)致不同行業(yè)的磁化除垢設(shè)備及參數(shù)也應(yīng)根據(jù)影響磁化除垢效果的因素和實際垢體來進行研究和設(shè)計，但是目前的磁化除垢設(shè)備磁場特點比較單一，因此，如何研究并設(shè)計針對性強的磁化除垢設(shè)備也是一個迫在眉睫的難題。

磁化除垢機理研究有待深入。盡管眾多學(xué)者針對磁化除垢機理進行了大量研究，也取得了不少成果。但是這些研究均沒有綜合考慮不同磁場方向、磁場與藥劑耦合作用等對除垢效果的影響，這導(dǎo)致他們的研究結(jié)果差異較大，甚至研究獲得的磁化除垢機理也難于統(tǒng)一。故有關(guān)磁化除垢的研究成果能否應(yīng)用于選礦廠礦漿管路也有待驗證。

3 結(jié) 論

解決選礦廠管路結(jié)垢問題采用的物理化學(xué)除垢工藝存在投資成本高、處理費用大、清洗困難和需處理二次污染物等問題。新型高效的磁化除防垢技術(shù)不僅具有可在線連續(xù)工作等優(yōu)點，也可避免操作復(fù)雜等問題，并已初步應(yīng)用于鍋爐和冷卻水等系統(tǒng)管路的阻垢處理。雖然磁化除防垢技術(shù)在選礦廠礦漿管路除垢過程中有很好的應(yīng)用前景，但該技術(shù)在實際應(yīng)用中也存在著磁化除垢效果對不同種類管路適應(yīng)性差、磁化設(shè)備參數(shù)不精確及其影響規(guī)律不明確、磁化除垢機理認識不夠深入等問題，而針對性強的高效磁化除垢設(shè)備的研發(fā)也應(yīng)受到重視。