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磁场水处理技术中微观电磁感应行为分析 ＊ 迟金宝 1 邢奕 1 苍大强 1 宋存义 1 张雪峰 2 1.北京科技大学环境工程系, 北京 100083; 2.内蒙古科技大学理学院, 内蒙古 包头 014010 摘要 运用电磁学基础知识, 引用分子电流模型, 通过数学推导, 分析得出水系统中微观粒子因受到电磁感应影响, 可 引发电子云分布改变。 同时论证说明各磁场因素对该过程的影响, 并通过试验进行了验证。 分析表明 在磁场水处理 技术中, 微观电磁感应现象更具有普遍意义, 进一步揭示磁场水处理技术的磁场作用机理, 为磁场水处理装置的设计 与应用提供了依据。 关键词 磁化水处理; 磁量; 分子电流; 量子论; 碳酸钙 ANALYSIS ON MICRO -BEHAVIOR OF ELECTROMAGNETIC INDUCTION IN THE TECHNOLOGY OF MAGNETIC WATER TREATMENT Chi Jinbao1 Xing Yi1 Cang Daqiang1 Song Cunyi1 Zhang Xuefeng2 1. Department of Environmental Engineering, Beijing University of Science and Technology , Beijing 100083, China; 2. School of Mathematics and Physics, Inner Mongolia University of Science and Technology , Baotou 014010, China Abstract An analysis was carried out on the basis of electromagnetism, using molecular current model,and by mathematic deduction. The results indicated that the microscopic particles in water can be influenced by electromagnetic induction, which may lead to the change in the distribution of electron cloud.Simultaneously , the effects of each magnetic factor on magnetic treatment processwere demonstrated and proved through experiments. The analysis indicated that in the field water treatment technology , the micro phenomenon of electromagnetic induction is more universal and significant in further revealing the mechanism of magnetic influence, which provides a basis for the design and application of magnetic water treatment device. Keywords magnetic water treatment; magnetic dose; molecular current; quantum theory;calcium carbonate ＊内蒙古包头重大科技攻关项目 2007Z1009 。 0 引言 磁场水处理技术作为一种物理方法 ,具有应用方 便、 投资少 、 运行费用低、无毒无二次污染等优点, 此 外该技术还集防垢与除垢 、防腐、杀菌、水质净化 等 [ 1- 7] 多功能于一体, 是一种理想的水处理技术。但 是自问世以来, 该技术就一直存在着有效与无效的争 论,众说纷纭,尚无定论。迄今为止 ,还没有形成严格 的理论模型。 目前大量研究表明, 将水系统一次或多次流经磁 场后 ,磁场可以在某种程度上改变水系统的部分物理 化学性质, 从而影响水系统中的物理作用与化学反 应。在机理分析中, 以往的机理解释始终局限于磁场 的磁化与极化作用, 并认为是洛仑兹力的作用使水的 微观结构发生了变化 [ 8] ,导致水与离子之间的水合作 用改变 [ 1 -2] , 或产生界面效应 [ 6] ,或使得双电层发生变 形 [ 1] 等, 最终产生了不同的试验效果。 运用磁化理论与洛仑兹力虽然可以解释众多试 验现象,但是仍然存在着很多无法解释的重要现象, 例如 ,无法解释磁场水处理研究过程中存在着的最佳 处理流速现象 [ 1] ; 磁化与洛仑兹力的作用只是存在于 水系统经过磁场的瞬间过程, 也没办法解释磁场处理 的“记忆性”现象 [ 2] 等问题。因此, 仅依靠磁化与极化 理论还不足以揭示该技术的磁场作用机理,尚需要注 入新理论加以完善。 1 模型与推理 1. 1 磁量的启发 Gluschemko 等人 [ 9] 首先提出用了“磁量 M ” magnetic dose 这个参数衡量磁场水处理装置的设计 与应用,并将磁量定义为 M Bvt , 其中 B 为磁场感 20 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期 应强度 ,v 为流速 , t 为水系统在磁场中的停留时间。 不同研究者对磁量的数值有着不同的看法 [ 6,9] 。 在磁量定义中 , 由F mv B vBsinθ可知, 在 θ 相同情况下, Bv 越大, 则水系统中的微观粒子所受 的洛仑兹力就越大 ; t 越长 , 洛仑兹力所作用时间就 越长。因此可以将磁量拆分成两部分, Bv 可以认为 是磁场作用的强弱效应, t 则可以看作是磁场作用的 累积效果 。 将磁量进行上述拆分后, 对 Bv 进行量纲分析可 知,Bv 的量纲为 MT -3 I -1L ,其单位为T m s。在保持 量纲 MT -3 I -1L 不变的情况下 ,若将其单位进行转换 可以得到 T s m ,由此得到启发, 对转换后的单位进行 物理量的重新赋值定义,T s 表示磁感应强度的时间变 化率,m 则可以表示是空间位置,若能将前者乘以一个 面积 S ,则表示的是这个面积 S 内的磁通量的变化率 , 由此联想到了法拉第电磁感应定律。 1. 2 分子电流模型的引用 电磁学研究中 ,考虑物质受磁场作用的影响时, 将物质统称为磁介质, 所以在磁场水处理技术中, 应 该将水系统作为磁介质考虑。由于水系统中 ,水是主 要的磁场作用对象, 目前研究已确认水为顺磁性物 质,所以对磁场作用分析过程中, 应将水系统中的水 与其他顺磁性物质的微观粒子 分子或离子 作为主 要研究对象。 在解释磁介质的顺磁性与抗磁性的起源问题时, 物理学家安培曾成功地运用了分子电流理论模型 ,并 为物理学界所接受 。为了能够更好揭示磁场水处理 技术中的磁场作用机理, 本文也引用了这个重要的理 论模型 ,图 1a 表示水系统中某一种顺磁性粒子 i 的 单体 ,图 1b 表示未被磁化的局部微观体积 3 种顺磁 性粒子示意 ,设单体等效环形电流为 Ii,环形限定面 积为 Si。 a 单体; b局部宏观体积。 图 1 分子电流模型示意 1. 3 环形电流的电磁感应推理 在进行磁场作用微观分析时,磁场的磁化与极化 作用常受到研究者们的重视, 却忽视了电磁感应这一 重要现象。法拉第电磁感应定律表明,当穿过一个闭 合导体回路所限定的面积磁通量发生变化时 ,回路中 就会产生感应电流。 对于微观粒子中, 正如分子电流模型所描述, 电 子按照各种轨道绕核做圆周运动,那么没有理由在环 型电流模型内不会产生类似的感应电流 ,如果产生了 感应电流, 其结果是电子原有轨道的运动受到影响, 电子将发生能级的跃迁, 造成电子云分布的改变, 其 推动力源于产生的感应电动势 。 根据法拉第电磁感应定律 ,在环形电流模型内产 生的感应电动势 ε 可用式 1 表示, Υ为环型电流模 型的磁通量 ,根据模型的描述, 可用式 2 表示, 将式 2 代入式 1 得式 3 。 ε-d Υ dt 1 ΥB SiBSicosθ 2 ε - Sicosθ dB dt Bcosθ dSi dt -BSisinθ dθ dt 3 为进一步推理 ,需要对外加磁场进行描述, 设外 加磁场是一个随空间 L 与时间t 变化的函数, 即 B B L , t ,对于研究对象环形电流来说, 在磁场的坐标 系统中 ,其空间位置 L 同样是一个时间t 的函数, 即, L L t , 于是环形电流模型的 dB dt 可用式 4 描 述,将式 4 代入式 3 得式 5 。 dB dt B L dL dt B t 4 ε- Sicosθ B L dL dt B t Bcosθ dSi dt -BSisinθ dθ dt 5 需要指出, 在微观的环形电流模型内的电磁感应 现象与宏观闭合导体回路的电磁感应现象是有区别 的。区别在于, 量子力学的中心理论认为 ,微观粒子 系统内电子的能量并不是连续变化的,能量的变化必 须按照称为能量量子的离散量进行的。因此 ,能够改 变微观电子运动的电动势 ε 也必定是离散化的, 而不 是连续的, 即并不会像宏观闭合导体回路中那样, 有 感应电动势的出现, 就会产生感应电流。设能够引起 电子运动改变的电动势离散量为 ε ＊ i, i 表示不同种 类的粒子, 则 ε ε ＊ i, 即为环型电流模型内电子发生 21 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期 能级跃迁的条件 。因此, 能够发生微观电磁感应现象 的必要条件是环形电流模型磁通量的变化,能够改变 环形电流模型电子云分布的充要条件是 ε ε ＊ i。 2 讨论分析 2. 1 理想模型的简化 在理想状态下 ,粒子电子云未发生变化前, 环形 电流限定面积 Si应为一固定值, 不随粒子的空间与 时间变化而改变, 所以 dSi dt 0。若忽略粒子平动 过程中伴随的转运, 则 dθ dt 0; 若再不考虑粒子的 热运动 ,则式 5 中 dL dt 表示的即是粒子的实际宏 观运动速度v ,所以式 5 可以简化为式 6 , 下面讨论 式 6 对 v 的求解情况。 ε-Sicosθ B Lv B t 6 若对式 6 进行全面求解,则情况复杂多样,而且 有些情况在实际应用中根本无法实现, 没有实际应用 价值 ,因此 ,本文结合实际应用中的磁场处理装置类 型进行简化讨论分析 。 2. 1. 1 永磁与直流式电磁处理装置分析 这类装置中的磁场是恒定磁场 , B t 0 ,所以 式 6 可以简化为 ε-Sicosθ B Lv 7 式 7 中, 若在一个可以认为是匀强的磁场中, 则 B L 0, ε ε ＊ i, v 无解; 若在一个可以认为是均匀 变化的磁场中, 则 B L C≠0 C 为常数 ,则这时 对于 ε ε ＊ i, v 存在一个特定的解 , 记为 v ＊ i; 而实际 情况中 ,更多出现的是 B L 也存在空间差异 ,对于 粒子而言, B L 是一个速度与时间 t 的函数, 则对 于ε ε ＊ i的求解情况是 ,v 无固定解 , 是时间的函数, 需要强调的是这个函数定有 v ≠ 0。可见 ,在这类磁 处理装置中,磁场梯度与运动速度是环形电流模型产 生磁通量变化的充要条件 ,是改变环形电流模型电子 云分布的必要条件。 2. 1. 2 交变脉冲式电磁处理装置分析 该类装置中的磁场, 是由矩形或锯齿形脉冲波形 的交变电流通过励磁线圈产生的。在这类装置中, B t C ≠0 C 为固定常数或分阶常数 , 所以式 6 可以简化为 ε-Sicosθ B Lv C 8 式 8 中 ,若 C 本身能满足 ε ＊ i-Sicosθ C, 则 B Lv 0。此时表明 ,磁场梯度与粒子运动速度不再是改变 环形电流模型电子云分布的必要条件。若 C 本身不 能够满足 ε ＊ i-Sicosθ C, 对于 ε ε ＊ i成立 , v 有解 的必要条件是 B Lv ≠0,因此, 此时磁场梯度与粒子运 动速度仍是改变环形电流模型电子云分布的必要条 件。对于 B L C≠0 的情况 , v 存在一个 C 为固 定常数 或多个 C 为分阶常数 特定的解 v ＊ i, 对于 B L也存在空间差异的情况 , v 无固定解 , 也是一 个时间的函数, 但必有 v ≠ 0。 2. 1. 3 交变正余弦式电磁处理装置分析 这一类装置的磁场, 是由正余弦波形的交变电流 通过励磁线圈产生的 。在这类装置中, B t f t , 若设 f t Asinω t , 则式 6 可以简化为 ε-Sicosθ B Lv Asin ω t 9 式 9 中 ,设常数 a 能够满足ε ＊ i- Sicosθ a 。若 A a 时, 对于 ε ε ＊ i的条件需要由 B Lv Asinω t 来确 定, v 是一个随时间t 变化的解,无特定解 B Lv 0 ,此 时说明磁场梯度与粒子运动速度仍是改变环形电流 模型电子云分布的必要条件; 若 A ≥a 时 , 对于 ε ε ＊ i的条件虽然也由 B Lv Asinω t 确定, v 除存在1 个 随时间变化的解外, 还存在 B Lv 0 这个特定解 ,此特 定解可以说明磁场梯度与粒子运动速度不是改变环 形电流模型电子云分布的必要条件 。 2. 2 实际应用 实际应用中 ,磁场水处理过程是一个无磁场作用 的水系统流入磁场区域内, 再流出磁场区域的过程, 可以将其分成流入、流经与流出磁场的 3 个过程。目 前进行磁场水处理技术的研究中,磁处理装置的形式 是多种多样的 [ 10] ,为了简化分析, 以简单的外磁垂直 式管状处理装置为例作为研究系统 ,见图 2。 由上述过程描述可知, 在磁场水处理过程中, 水 系统具有三个基本均匀区域, 两个临界区域。在临界 区域内,必有 B L ≠ 0 ,则流速 v 对ε ε ＊ i提供了必 要条件; 在磁场内的均匀区域内,若 B L ≠ 0,流速 v 对 ε ε ＊ i提供了必要条件 , 若 B L 0, 流速 v 对 ε ε ＊ i无贡献。对于 B t ≠ 0 的磁场处理装置 ,由于 外加磁场本身随时间的变化, 即使是 B L 0 时, 22 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期 图 2 磁场水处理过程分析 B t 的变化也为ε ε ＊ i创造了有利条件 。 此外, 在实际的磁场处理过程中 , 水系统是流动 的,组成流动的水系统的粒子并不是仅做简单的平 动,在平动的同时必然伴随着转动 ,并在惯性作用下, 从无磁场区域流经磁场区域 。因此, 在式 6 中, dθ dt ≠0,但 dS dt 0的假设仍是成立的 。dθ dt 对 ε 的贡献是需要结合磁化理论与粒子的热运动综合 考虑的,此处不具体分析。而且还要指出 ,水系统的 流速并不等于粒子的宏观实际流速 。 由此可见, 在将磁场应用到水处理的过程中, 微 观电磁感应现象是一个较极化作用更普遍的物理现 象,它不仅存在于流动的水系统中, 还可以在静止的 水系统中发生。 3 模型论证 为了对上述模型进行论证 , 采用自制励磁线圈, 试验研究了不同磁场对静止溶液中 CaCO3结晶过程 文石生成量的影响 。励磁线圈产生的最大磁感应强 度见式 10 、 式 11 。 Bdc0. 0177 I 10 Bac 2 0. 0177 I0cos 2πft φ 0. 025I0cos 2πft φ 11 式中 Bdc 通入直流电时磁感应强度,T ; Bac 通入余弦交变电流时磁感应强度 ,T ; I 直流电流强度 ,A; I0 余弦交变电流有效值,A; f 余弦交变电流频率 ,Hz; φ 余弦交变电流初相 ,rad。 3. 1 试验方法 将含有6 mmol LCa 2 的 Ca HCO32溶液分别静 止于相同最大磁感应强度 0. 13T 的直流, 5, 15, 25, 35,45 Hz的交变电磁场中作用5 min后 此过程 v 0 ,再分别装入配有 Υ5 mm ,长约300 mm玻璃管胶塞 的锥形瓶中 ,放入水浴锅内进行恒温 80 1 ℃加热 10 h,对生成的CaCO3晶体进行 XRD 分析。 3. 2 试验结果与模型验证 3. 2. 1 试验结果 采用 PHILIPS-Pw1700, Cu 靶 X 射线衍射仪对生 成的 CaCO3晶体进行了分析 ,分析结果见图 3。 A无磁空白样; B直流电磁; C5 Hz 电磁; D15 Hz 电磁; E25Hz电磁; F35 Hz 电磁; G45 Hz 电磁;◇文石; ★方解石。 图3 不同磁场作用后碳酸钙晶体XRD 图 通过方解石与文石的积分强度计算文石的质量 分数 ,结果见图 4。 A无磁空白样; B直流; C5 Hz; D15 Hz; E25 Hz; F35 Hz; G45 Hz。 图 4 不同磁场作用后碳酸钙晶体中文石质量分数 3. 2. 2 模型验证 大量文献表明 [ 1- 3] , 磁场作用能够提高 CaCO3结 晶过程中的文石含量 。由试验结果图 4中可知 ,不同 磁场作用于静止的溶液, 在溶液中各粒子基本不受洛 仑兹力作用的条件下 ,文石含量较空白样相比均有所 提高, 直流电磁场作用后文石质量分数提高较小, 不 足10, 而交变电磁场作用后的文石质量分数有较 大提高 , 均超过 40, 且随磁场频率的提高呈上升 趋势 。 本模型的建立, 可以很好的补充解释该现象。直 流电磁场属于式 7 情况, v 0 , ε 0, 但实际中即使 流速 v 0,溶液各粒子的实际运动速度并不等于 0, 23 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期 故直流电磁场对晶体的组成仍会产生影响,但影响较 小。交变电磁场属于式 9 情况 ,v 0,由式 11 与式 9 可知 , ε -0. 05πfI0sin 2πft φ Sicosθ , ε与频 率成正比关系, 所以文石含量随频率的提高呈上升 趋势 。 但本模型中的感应电动势 ε 只能代表磁场对水 系统作用的方式与强弱, 还无法建立与具体试验指标 的定量关系。本模型的建立对改善磁场水处理装置 的性能提供了方向与依据 ,如对于恒定磁场的磁处理 装置应该尽可能加大磁场梯度以改善性能,交变电磁 场的磁处理装置应该在不影响磁场强度的条件下 ,加 大磁场变换频率等。 4 结论 磁场水处理技术中, 微观电磁感应行为是比洛仑 兹力更普遍的物理现象, 更能揭示磁场作用机理。能 够使粒子发生电子云分布变化的充要条件是 ,产生微 观电磁感应电动势 ε ε ＊ i。在恒定磁场的处理系统 中,产生微观电磁感应现象依赖磁场梯度与流速的条 件,而在非恒定磁场的处理系统中, 二者仅是影响因 素,不是必要条件。 本结论通过不同磁场条件对 CaCO3结晶过程中文石生成量的影响研究得到了验 证,对磁场水处理装置的设计与应用提供了依据。 参考文献 [ 1] Donaldson J D, Grimes S. 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[ 9] 黄理辉, 张波, 毕学军, 等. 倒置 A2 O 工艺的生产性试验研究 [ J] . 中国给水排水, 2004, 20 6 12 -15. 作者通信处 蒋岚岚 214072 无锡市隐秀路 901 号联创大厦西塔楼 无锡市政设计研究院有限公司 E -mail jll158163. com 2008- 11-18 收稿 24 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期