林振朗，陳庭杰，彭開(kāi)泉，羅煒軍，林宇釗，曾育鋒*,2

(華南師范大學(xué) 1.物理與電信工程學(xué)院；2.物理國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，廣東 廣州 510006)

隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排要求的不斷提高，換熱設(shè)備因結(jié)垢帶來(lái)的一系列問(wèn)題逐漸引起工作者們的高度重視。為了節(jié)能環(huán)保，提高能量利用率，減少機(jī)件報(bào)廢引起的經(jīng)濟(jì)損失，阻垢除垢顯得尤為重要。

目前為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)于阻垢除垢的研究并沒(méi)有完全一致的理論得到廣泛的認(rèn)同，缺少權(quán)威機(jī)構(gòu)關(guān)于機(jī)理的解釋說(shuō)明?，F(xiàn)階段存在的磁場(chǎng)阻垢除垢機(jī)理均處于假說(shuō)提出和論證的過(guò)程中，許多理論成果也是基于各自阻垢除垢實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)得到的結(jié)論。目前主要的物理法水處理方法有磁場(chǎng)處理法[1]、高壓靜電場(chǎng)處理法[2]、電磁場(chǎng)處理法[3,4]等。

基于上述考慮，本文搭建了雙極性脈沖磁場(chǎng)阻垢裝置，在裝置中利用產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)處理人工硬水，結(jié)合磁場(chǎng)對(duì)雙電層、水微觀結(jié)構(gòu)的影響原理，達(dá)到磁場(chǎng)阻垢效果。同時(shí)使用EDTA滴定測(cè)量裝置和簡(jiǎn)易光度計(jì)測(cè)鈣量裝置測(cè)量人工硬水中的鈣離子濃度，得到不同頻率的雙極性脈沖磁場(chǎng)下鈣離子濃度變化趨勢(shì)、擬合函數(shù)、阻垢系數(shù)，通過(guò)比較上述參量得到阻垢效果。當(dāng)下學(xué)生在中學(xué)與大學(xué)的學(xué)習(xí)過(guò)程對(duì)于電磁學(xué)的理論方面有著較深的理解，但是缺乏對(duì)磁場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用的認(rèn)識(shí)。本實(shí)驗(yàn)彌補(bǔ)了大學(xué)及中學(xué)教學(xué)中缺乏聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)缺口，更好地激發(fā)了同學(xué)們的動(dòng)手能力和探索精神，鼓勵(lì)學(xué)生將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用至生產(chǎn)生活中，具有深刻的教育意義。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 磁場(chǎng)對(duì)雙電層的影響

在本實(shí)驗(yàn)中，受到磁場(chǎng)的影響，溶液中正負(fù)電荷的定向運(yùn)動(dòng)使得管壁與溶液這兩種不同物質(zhì)的界面上形成由正負(fù)電荷分別排列而成的面層，影響膠粒的雙電層結(jié)構(gòu),促進(jìn)雙電層的形成為均相成核提供了晶種，加快均相成核過(guò)程，抑制異相成核[5]。各種帶電離子如鈣離子，碳酸根離子等將在其內(nèi)層發(fā)生吸附現(xiàn)象，發(fā)生沉淀現(xiàn)象，而這種沉淀現(xiàn)象中結(jié)晶沉淀之后生成的晶體數(shù)量、形貌也會(huì)發(fā)生改變，形成的晶體相比之下較軟而疏松，容易隨著水體一起流動(dòng)，也使得沉淀物不易在管壁上結(jié)垢。

1.2 磁場(chǎng)對(duì)水微觀結(jié)構(gòu)的影響

一種觀點(diǎn)[6]認(rèn)為：磁場(chǎng)產(chǎn)生的能量使水分子偶極矩提高，使水分子間的氫鍵作用力增強(qiáng)，導(dǎo)致水分子間的締合狀態(tài)更加牢固，晶體難以發(fā)生聚集而難以生長(zhǎng)，因此生成的水垢晶體小，不容易被吸附沉積在容器壁而變成疏松的泥絮狀；Raj等[7]認(rèn)為水溶液在磁場(chǎng)的作用下會(huì)發(fā)生電解反應(yīng)，產(chǎn)生的活性基團(tuán)如氫原子、臭氧、過(guò)氧化氫等新的活性基因是水經(jīng)過(guò)磁化后阻垢的關(guān)鍵要素之一；Colic[8]和Morse[9]提出把二氧化碳與水的接觸面看作磁場(chǎng)的受體，由于受到磁場(chǎng)的影響，接觸面出現(xiàn)紊亂現(xiàn)象，導(dǎo)致碳酸根離子周?chē)乃肿咏Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，對(duì)晶核沉淀過(guò)程產(chǎn)生影響。磁場(chǎng)對(duì)于水微觀結(jié)構(gòu)的影響還沒(méi)有一個(gè)權(quán)威的客觀解釋?zhuān)嵌寄軌驗(yàn)榇艌?chǎng)的阻垢效應(yīng)提供理論支撐。

1.3 水垢形成的原理

1.3.1 水垢的結(jié)晶過(guò)程

碳酸鈣的結(jié)晶過(guò)程可分為晶核形成、晶體生長(zhǎng)、晶體聚集這三個(gè)過(guò)程。晶核以均相成核或異相成核這兩種方式析出，之后不斷從溶液中獲取鈣離子和碳酸根離子來(lái)使晶核顆粒逐漸生長(zhǎng)。生長(zhǎng)之后的碳酸鈣晶體又稱(chēng)方解石晶體，其結(jié)構(gòu)致密且硬度大，因而具有很強(qiáng)的附著能力，附著在管道上以至于很難被流體帶走[10]。在一般外界條件下，附著在管道上的水垢存在一定程度的再溶解與再結(jié)晶，但碳酸鈣等鹽類(lèi)在水中的結(jié)晶速率大于其溶解速率，致使產(chǎn)生的水垢越來(lái)越多[11]。

1.3.2 雙電層對(duì)水垢形成的影響

雙電層的電位差越大，則越在器壁內(nèi)側(cè)形成負(fù)極電位，導(dǎo)致離子被吸附而產(chǎn)生水垢。實(shí)驗(yàn)所用的循環(huán)水中鈣離子與碳酸根離子都是具有電性引力的離子，而雙電層具有吸引陰陽(yáng)離子的能力，因此當(dāng)帶電離子在管道中隨著水流流動(dòng)進(jìn)入雙電層引力范圍內(nèi)時(shí)，會(huì)使得正負(fù)離子在雙電層相對(duì)，并使得趨陽(yáng)離子將電子讓給鄰近的一個(gè)趨陰離子，從而排列成晶體，形成結(jié)晶垢層。

1.4 磁場(chǎng)處理裝置選擇與產(chǎn)生原理

1.4.1 磁場(chǎng)選擇原理

磁場(chǎng)的發(fā)生裝置主要分為兩種：恒定磁場(chǎng)發(fā)生裝置和交變磁場(chǎng)發(fā)生裝置。在圖1中，PVC管道內(nèi)的陰陽(yáng)離子因受恒定磁場(chǎng)的影響，陰陽(yáng)離子的運(yùn)動(dòng)方向?qū)②呄騊VC管兩側(cè)，并在兩側(cè)堆積。但這也導(dǎo)致了霍爾電場(chǎng)的形成，使得水中的陰陽(yáng)離子受到了與洛倫茲力方向相反的霍爾電場(chǎng)力，部分極性相反的離子會(huì)移動(dòng)到管壁并發(fā)生結(jié)垢，降低了磁場(chǎng)的阻垢效果，如圖2所示。因此，恒定磁場(chǎng)具有一定的阻垢效果

圖1 靜止恒定磁場(chǎng)示意圖

圖2 離子在靜止恒定磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡

而在圖3中，若將PVC管道放置于該磁場(chǎng)下，當(dāng)水流動(dòng)時(shí)，就相當(dāng)于受到了交變磁場(chǎng)的影響。由于磁場(chǎng)方向會(huì)改變，離子所受到洛倫茲力的方向也其沿水管方向的移動(dòng)而發(fā)生變化。在該磁場(chǎng)的影響下，通過(guò)管道中心附近的陰陽(yáng)離子將會(huì)以近似圖4的軌跡運(yùn)動(dòng)，相比于磁場(chǎng)方向恒定的磁場(chǎng)，水中陰陽(yáng)離子的運(yùn)動(dòng)更加劇烈、無(wú)序，受霍爾電場(chǎng)的影響也減小。因此該磁場(chǎng)的阻垢效果會(huì)優(yōu)于磁場(chǎng)方向不變的恒定磁場(chǎng)。C.GABRIELLI等人的對(duì)比實(shí)驗(yàn)[12]也表明：交變磁場(chǎng)產(chǎn)生的阻垢效果要好于恒定磁場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)效果。

圖3 靜止的交變磁場(chǎng)示意圖

圖4 離子在雙極性脈沖磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡

雙極性脈沖技術(shù)是一種有效的水處理方法,根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究表明，相比于上文所提到的靜止交變磁場(chǎng)，水中的離子在雙極性脈沖磁場(chǎng)中承受的磁場(chǎng)方向和磁場(chǎng)強(qiáng)度每一時(shí)刻都在發(fā)生變化，阻垢效果相比于恒定交變磁場(chǎng)效果更好。

為實(shí)現(xiàn)雙極性脈沖磁場(chǎng)，有全橋逆變電路方案及電動(dòng)機(jī)與永磁體組合方案兩種方案[13]。在全橋逆變電路方案中，通過(guò)驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制 IGBT 的通斷，實(shí)現(xiàn)輸出為雙極性的脈沖。改變負(fù)載的阻抗值，即可改變輸出的電流峰值。運(yùn)用該方法來(lái)改變電流峰值從而改變磁場(chǎng)強(qiáng)度峰值，達(dá)到脈沖效果，產(chǎn)生雙極性脈沖磁場(chǎng)。但在此方法中，所要求的電流強(qiáng)度較大，施行可行性較低，并且耗費(fèi)能源，成本較大，不適合本次實(shí)驗(yàn)。因此本次實(shí)驗(yàn)采用電動(dòng)機(jī)與永磁體組合，通過(guò)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)四組異極相對(duì)的永磁體，通過(guò)空間位置的改變來(lái)達(dá)到改變磁場(chǎng)強(qiáng)度峰值，操作簡(jiǎn)單且成本較低。

2 實(shí)驗(yàn)裝置平臺(tái)

2.1 磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置

本次實(shí)驗(yàn)采用電動(dòng)機(jī)與永磁體組合方案來(lái)產(chǎn)生雙極性脈沖磁場(chǎng)。根據(jù)異極相對(duì)的原則，在塑料轉(zhuǎn)盤(pán)上固定四對(duì)交錯(cuò)排列的異極圓形永磁體，每對(duì)永磁體間留有3.8 cm的氣隙。將塑料轉(zhuǎn)盤(pán)與步進(jìn)電機(jī)相連接，由STM32單片機(jī)產(chǎn)生電脈沖信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而讓步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，在氣隙中形成雙極性脈沖磁場(chǎng)，裝置示意圖如圖5所示。

圖5 雙極性脈沖磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置圓盤(pán)示意圖

磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置包含STM32單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、一對(duì)塑料圓盤(pán)、四對(duì)異性圓形永磁體，學(xué)生電源，導(dǎo)線，下圖為裝置實(shí)物圖。

圖6 電脈沖信號(hào)產(chǎn)生裝置

2.2 散熱裝置和電機(jī)固定減震裝置

本次實(shí)驗(yàn)由兩個(gè)尺寸為6 cm×6 cm×2 cm，功率12 V的散熱風(fēng)扇和兩個(gè)由EPE珍珠棉泡沫組成的基座構(gòu)成散熱裝置。同時(shí)利用木塊、木板和EPE珍珠綿組成固定減震裝置。散熱裝置和電機(jī)固定減震裝置如圖7所示。

圖7 散熱裝置和電機(jī)固定減震裝置

2.3 循環(huán)取樣和排水裝置

本次實(shí)驗(yàn)利用PVC水管與多種PVC小零件搭建閉合裝置，并利用水泵使水箱中的溶液在閉合水管中循環(huán)流動(dòng)。本裝置包含了取樣裝置、排水裝置(包含兩部分)。上述裝置如圖8所示。

圖8 循環(huán)、取樣與排水裝置

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量和表征

3.1.1 靜態(tài)磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量和表征

由于圓盤(pán)與永磁體呈中心對(duì)稱(chēng)，本次測(cè)量實(shí)驗(yàn)在圓盤(pán)上選取長(zhǎng)7.6 cm，寬5.4 cm的矩形區(qū)域作為測(cè)量范圍。基于畢奧-薩伐爾定律，運(yùn)用“phyphox”軟件對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，利用MATLAB軟件擬合繪制出三維磁場(chǎng)分布圖。

圖9 正向磁場(chǎng)主視圖

圖10 反向磁場(chǎng)主視圖

3.1.2 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量和表征

在兩個(gè)圓盤(pán)的中心高度上，選取一條同時(shí)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)軸中心和磁鐵中心的圓盤(pán)直徑，在直徑是距中心軸2.5 cm至7.5 cm，每間隔0.2 cm選取一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量z軸方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小隨時(shí)間t的變化曲線，利用MATLAB軟件擬合繪制出B-t-x圖。

圖11 正向磁場(chǎng)主視圖

3.2 鈣離子濃度測(cè)量與分析

3.2.1 EDTA滴定法

1)稱(chēng)量樣品、配置溶液：用電子天平在紙上稱(chēng)取0.93 g的EDTA粉末，加入350 ml去離子水中并不斷攪拌，在燒杯中完全溶解，倒入500 ml容量瓶中，配置c標(biāo)=0.005 mol/L的EDTA溶液。用電子天平在紙上稱(chēng)取0.16 g的鉻黑T粉末，在燒杯中用25 ml去離子水使其完全溶解，配置鉻黑T溶液。

2)運(yùn)行裝置，外加磁場(chǎng)。啟動(dòng)磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置和循環(huán)取樣和排水裝置，控制實(shí)驗(yàn)流速基本相同，運(yùn)行整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

3)測(cè)量人工循環(huán)硬水相關(guān)參數(shù)。包括鈣離子濃度、鈣離子濃度變化曲線圖及相關(guān)函數(shù)、阻垢系數(shù)。以上參數(shù)每隔20 min測(cè)量一次。其中鈣離子濃度變化曲線圖及相關(guān)函數(shù)、阻垢系數(shù)都是基于鈣離子濃度推算而得，鈣離子濃度測(cè)量采用EDTA滴定法測(cè)得。

3.2.2 鈣離子濃度變化曲線圖

在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)測(cè)量循環(huán)水溶液中的鈣離子濃度變化情況，研究本次實(shí)驗(yàn)中雙極性脈沖磁場(chǎng)對(duì)阻垢的影響，從而進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，通過(guò)使用人工硬水作為實(shí)驗(yàn)材料，保證了實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的初始濃度保持大致一樣，消除起始濃度不一樣帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)誤差。圖13是各組的鈣離子濃度隨時(shí)間的變化曲線。

在0至40分鐘內(nèi)三組實(shí)驗(yàn)組的鈣離子濃度下降速率基本一致，呈較快的速度，大約為0.054 mmol/min。在60 min之后，鈣離子濃度下降速率開(kāi)始發(fā)生變化。脈沖磁場(chǎng)A、B兩組的鈣離子濃度下降速率開(kāi)始大幅度降低，阻垢效果明顯高于靜止磁場(chǎng)組組。根據(jù)圖12可以知道，相較于脈沖磁場(chǎng)A組，脈沖磁場(chǎng)B組的鈣離子濃度下降速率降低幅度更大，阻垢效率明顯高于脈沖磁場(chǎng)A組。在160 min后三組實(shí)驗(yàn)組鈣離子濃度的下降速率趨于穩(wěn)定，變化幅度較小。

t/min

3.2.3 鈣離子曲線函數(shù)分析

根據(jù)所測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用MATLAB軟件，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，擬合所得數(shù)據(jù)如表1：

表1 鈣離子濃度曲線擬合函數(shù)表

通過(guò)分析二次函數(shù)的特性，二次函數(shù)y=ax2+bx+c圖像開(kāi)口大小由二次項(xiàng)系數(shù)a的絕對(duì)值大小決定。當(dāng)a的絕對(duì)值越小，開(kāi)口越大，當(dāng)a的絕對(duì)值越大，開(kāi)口越小。而鈣離子曲線圖像開(kāi)口的大小直觀地體現(xiàn)出了鈣離子速率的變化。當(dāng)鈣離子濃度曲線擬合函數(shù)的開(kāi)口均朝上，觀察范圍在其對(duì)稱(chēng)軸的左側(cè)時(shí)，開(kāi)口越大，其濃度變化速度越小。

通過(guò)計(jì)算可以知道，三組實(shí)驗(yàn)組的鈣離子濃度曲線擬合而成的二次函數(shù)的二次項(xiàng)系數(shù)a均大于0，開(kāi)口均朝上。且觀察范圍均在其對(duì)稱(chēng)軸左側(cè)，比較數(shù)據(jù)可知，脈沖磁場(chǎng)B組的二次項(xiàng)系數(shù)a的絕對(duì)值最小，其次為脈沖磁場(chǎng)A組，靜止磁場(chǎng)組最大。

3.2.4 阻垢系數(shù)

本次實(shí)驗(yàn)使用雙極性脈沖磁場(chǎng)進(jìn)行阻垢，表現(xiàn)阻垢效果的指標(biāo)之一為阻垢率，阻垢系數(shù)指的是在磁場(chǎng)處理中，水中鈣離子濃度相對(duì)于空白組濃度減少的比例。阻垢系數(shù)的計(jì)算公式如下：

本次實(shí)驗(yàn)的阻垢系數(shù)取180 min時(shí)三組實(shí)驗(yàn)組和空白組的鈣離子濃度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下：

通過(guò)對(duì)比空白組，如果阻垢系數(shù)數(shù)值大于0，則證明有阻垢效果；若小于0，則證明沒(méi)有阻垢效果；通過(guò)對(duì)比兩組阻垢率，若A組阻垢率大于B組阻垢率，則證明A組的阻垢效果比B組更好。表2為各組最終阻垢率的計(jì)算結(jié)果。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果，根據(jù)表格內(nèi)容可知，脈沖磁場(chǎng)B組的阻垢系數(shù)最大，其次為脈沖磁場(chǎng)A組，靜止磁場(chǎng)組最小。

3.2.5 實(shí)驗(yàn)分析總結(jié)

通過(guò)分析空白組和三個(gè)實(shí)驗(yàn)組的鈣離子濃度隨時(shí)間的變化曲線圖，三組實(shí)驗(yàn)組的鈣離子濃度曲線擬合函數(shù)和三組實(shí)驗(yàn)組的阻垢系數(shù)，本次實(shí)驗(yàn)得出的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為：阻垢效率從高到低依次為：脈沖磁場(chǎng)B組、脈沖磁場(chǎng)A組、靜止磁場(chǎng)組。基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出一下實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

①磁場(chǎng)具有阻垢效果。

②相比于靜止磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)阻垢效率更好。

③在低頻率下，雙極性脈沖磁場(chǎng)阻垢效率隨著頻率的增加而增大。

4 結(jié) 語(yǔ)

文章搭建了雙極性脈沖磁場(chǎng)阻垢裝置。首先使用3D打印技術(shù)搭建塑料框架及圓盤(pán)，并將塑料圓盤(pán)與步進(jìn)電機(jī)結(jié)合，構(gòu)建磁場(chǎng)發(fā)生裝置。利用STM32單片機(jī)產(chǎn)生電脈沖信號(hào)，通過(guò)電脈沖信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)塑料圓盤(pán)上的永磁體組產(chǎn)生雙極性脈沖磁場(chǎng)。產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)對(duì)流經(jīng)永磁體組氣隙的循環(huán)人工硬水進(jìn)行處理，以此來(lái)驗(yàn)證磁場(chǎng)在阻垢方面的效果。

采用EDTA滴定法，對(duì)人工硬水中的鈣離子濃度進(jìn)行測(cè)量，并繪制出鈣離子濃度變化曲線圖。采用控制變量法和比對(duì)分析，對(duì)鈣離子變化曲線圖進(jìn)行函數(shù)分析，并且引入新變量阻垢系數(shù)來(lái)分析不同磁場(chǎng)下的阻垢效果。

結(jié)果表明：磁場(chǎng)具有阻垢效果；相比于靜止磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)阻垢效率更好；在低頻率下，雙極性脈沖磁場(chǎng)阻垢效率隨著頻率的增加而增大。將此裝置引入中學(xué)或大學(xué)物理教學(xué)中，可以有效彌補(bǔ)當(dāng)下物理教育缺乏聯(lián)系現(xiàn)實(shí)生活的缺口。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，鼓勵(lì)學(xué)生將理論與現(xiàn)實(shí)生活相結(jié)合，達(dá)到學(xué)以致用的教學(xué)目標(biāo)。