高压静电水处理器腔内电场分布分析与 阻垢效果研究
关键词：水处理；电场强度；双介质；方解石；文石
引言
离子棒水处理器是水处理领域中一种新型设 备，最初由加拿大约克能源公司研制成功，在北美、欧洲、日本等工业发达国家被广泛使用，国际上著名的 IBM、杜邦等公司均采用了该项技术[1-3]。20 世纪 90 年代引入我国，在电力、钢铁、石化等工业循环水及空调系统使用，取得非常满意的效果，被喻为水处理技术的一次革命。火电厂的敞开式循环冷却水系统具有循环水量大、处理困难、运行温度低等特点[4-5]，自 20 世纪 90 年代引入离子棒水处理器后，采用化学阻垢药剂辅助以离子棒水处理器对循环冷却水进行处理，有效地缓解了循环冷却水在凝汽器铜管结垢问题，降低处理成本，提高了处理效率[6-13]。离子棒虽然具有体积小、处理成本低、安装方 便、适用范围广等特点，然而离子棒阻垢作用的影 响因素极其复杂，阻垢作用机理探索的难度较大， 至今对其阻垢作用的机理不明，使离子棒应用于规 模较大水量时的处理效果不佳。因此，在有关离子棒所形成的高压静电场阻垢机理方面引起了众多研 究者的探索。如王志毅等[14]进行了高压静电离子棒产生电场研究，得出高压电场可使水分子的偶极矩增大起到阻垢作用的结论；全贞花、葛红花等[15-16] 分别利用微电解对冷却水进行了阻垢研究，发现微电解在常温下将离子或胶体颗粒稳定在水溶液中，而在高温下可以提供结晶核种子，促进水垢形成松散的泥渣沉于水底现象W.J.Liu 等[17]通过研究了不 同高压静电场作用下时间与电压的最优处理范围，认为作用时间为 10s 时处理电压最优范围为 200V~ 500V，阻垢率达 14%~35%；美国 Drexel 大学 Rung H.Lee[18]利用交变电磁场进行水的防垢处理研究，认 为电磁场能够促使污垢晶尺寸长大，使方解石型硬垢变为文石型软垢而易被水流带走；宋卫锋等[19]采用直流和脉冲电流进行阻垢处理，结果表明在 0~4V 直流电压范围内，电压越高阻垢效果越显著，4V 时阻垢率达到 100%，且脉冲电流阻垢效果优于直流电流；曾敏、徐文彬等[20]采用方波脉冲电流进行阻垢 研究，结果显示平均电压为 2V 的脉冲方波的阻垢率最佳。除此之外，国内许多学者还从宏观角度对换热器表面的结垢特性进行预测研究，如赵波、杨善让等[21]利用人工智能算法建立循环冷却水流固界面下以水质参数描述污垢热阻的预测模型，达到了很高的预测精度；陈永昌等[22]利用自行搭建的高热流密度主动型强化传热装置，对不同水质硬度、不同金属表面下的结垢进行了研究，结果表明，随水质硬度增加，所有金属表面的结垢速率都加快，同时溶液的电导率呈下降，水质的 pH 值呈上升趋势。所有这些从微观或宏观角度进行的阻垢研究，都为今后阻垢机理的探索提供了基本依据。在采用高压电场进行阻垢水处理研究方面，由于阻垢作用因素较多、阻垢作用机理复杂，阻垢效果呈不稳定状态。当采用高电压进行阻垢处理时，究竟是电场使水分子的偶极矩增大起到阻垢作用，还是电场促使水垢晶体形态改变而起到阻垢作用，
这方面探讨一直在争论中。因此，有必要搭建一套可精确衡量阻垢效果、排除无关干扰因素的实验装置，从理论和实验上对高压静电场的阻垢效果及机理进行深入研究和分析。本文利用自制的“高压静电水处理器”，通过对某电厂的循环冷却水进行动态模拟循环阻垢处理，研究了离子棒水处理器腔内静电场的形成以及电场强度、电场能量密度的分布，初步探讨了高压静电场的阻垢机理，分析和研究了离子棒所形成的高压静电场对循环冷却水的阻垢效果。
1 高压静电水处理器
1.1 高压静电水处理器构造
高压静电水处理器由 3 部分组成：离子棒、金属管道和高压发生器。离子棒：湖南西门机电科技有限公司生产HSCB-100 型离子棒，32mm，长度 330 mm，耐压值 45 kV，功耗<10 W，绝缘外层为聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene PTFE)。金属管道：100 mm 不锈钢焊接制成，循环冷 却水由金属管道下端进水从上端出水。高压发生器：天津市东文高压电源厂生产 DWP3031ACFO 型高压发生器。输出电压：0~ 30000V；输出电流：1mA；满载时纹波≤0.01%；负载调整率精度：≤0.1%。
高压静电水处理器主要参数如表 1。 高压静电水处理器构造如图 1。
1.2.2 PTFE 介质中的电场分布
PTFE 作为离子棒的绝缘层，同时也构成了静电场的第 1 介质层。PTFE 具有较低的相对介电常数εr 和介电损耗率和较高的击穿电压和耐电弧性，密度 2.14~2.20 g/cm3 ，相对介电常数r为 2.0，介电损耗 tanδ为 4.8×10-4~6.4×10-4，在所有的绝缘介质中是较低的，这是由于 PTFE 由极强的 C—F 键(键能 485.3 kJ / mol)和被原子所强化的 C—C 键组成的线型高分子聚合物缘故。 PTFE 的穿电压为35 kV/mm、体积电阻率为 1016 Ω·m，这是由于 PTFE 的分子结构高度对称，属于非极性高分子聚合物电介质，由于其分子结构高度对称，故具有较高的击穿电压、耐电弧性和较高的体积电阻率[23]，是一种理想的绝缘材料。 PTFE 为各向同性介质，当离子棒金属阳极接通高压电源时，在 PTFE 层内壁上要感应出束缚负电荷。由于电荷守恒，在 PTFE 层外壁必然产生等量的束缚正电荷，束缚电荷反过来会部分削弱原来的高压静电场，不过这种电荷是来自被束缚在分子范围内活动的电荷，比离子棒中心电荷数量要少得多。
1.2.3 循环冷却水介质中的电场分布
当循环冷却水流经高压静电水处理器时，在离子棒绝缘层外壁与金属水管之间形成了第 2 层介质。对于水分子来说，水分子是极性分子，没有外电场作用时由于热运动其方向是混乱排列的。当有外电场作用时，由于水分子的固有电偶极矩受到电场力作用将向电场方向偏转形成极化现象，当然由于水分子的热运动，这种极化又是不完全的，甚至是可以忽略的。离子棒中心电极被施加高电压后，经 PTFE 和循环冷却水双层介质，在水中形成了非均匀辐射状的稳恒高压静电场，此静电场构成了循环冷却水与电场进行能量交换的空间。
1.3 高压静电水处理器腔内电场强度计算
高压静电水处理器腔内视为共轴柱面电容器，利用电磁学基本理论计算此共轴柱面电容器腔内的电场强度。本文在计算时，首先做如下设定：
1） 由于水中的电场强度极小，不足以产生强极化场，故忽略水分子极化电荷所产生的附加电场的影响；
2） 将离子棒视为无限长线电荷分布，忽略离子棒长度的边界效应。利用电位函数的拉普拉斯方程[24]，采用柱面坐标系，计算出 PTFE 和循环冷却水两种介质电场强度分布的表达式。由拉普拉斯方程： 
(1)
(1) PTFE 介质中的电位函数和电场强度： 
(2) 
(3)
(2) 
(3) 水中的电位函数和电场强度： 
(4)
(5)
(4)
(5) 式中：电位函数，V；U1为 PTFE 介质中的电压，V；U2 为循环冷却水中的电压，V；E1 为 PTFE 介质中的电场强度，V/m；E2为水中的电场强度，V/m；r 为半径坐标，m；R1 为离子棒中心电极半径，m； R2为离子棒聚四氟乙烯绝缘层的半径，m；R3为金属管道半径，m。由稳恒电场的边界条件，在 PTFE 与循环冷却水的界面上电流是连续的，有： 
(6) 即： 
(7)
(6) 即： 
(7) 由电磁学共轴柱面电容器理论[22]，知： 
(8)
(8) 式中：U 为离子棒总电压，V。
取金属管壁为零电位，电位差即为所施加的电压。由式(1)~(8)，得高压静电水处理器内电场强度分布的表达式： 
(9)
(9) 式中：12.51015S/m 为 PTFE 介质层的电导率；20.2 S/m 为高压静电水处理器中循环冷却水电导率的测量值。
根据静电场能量密度的表达式，有： 
(10) 式中：we 为能量密度，J/m3；r 为相对介电常数；08.851012F/m，为真空中的介电常数。
(10) 式中：we 为能量密度，J/m3；r 为相对介电常数；08.851012F/m，为真空中的介电常数。 1.4 高压静电水处理器腔内电场强度与能量密度
1.4.1 PTFE 层中电场强度与能量密度
当 R1<r<R2 时为 PTFE 层空间；当 R2<r<R3 时 为循环冷却水空间(其中 R1、R2、R3的数值见表 1)。 由式(9)可见，2 空间中的电场强度与空间半径 r 呈 反比关系，随着距离增加，电场强度呈线性衰减分 布，即在高压静电水处理器腔内电场强度是不均匀辐射状稳恒高压静电场。为了便于对比，在 2 个空间中各取一点，分别应用式(9)和式(10)计算其电场强度和能量密度。
令 r15 mm，PTFE 层中的电场强度和电场能量密度的计算值如图 3、4。
1.4.2 循环冷却水空间中电场强度与能量密度
令 r17mm，循环冷却水空间的电场强度和电场能量密度的计算值如图 5、6。
图 3 PTFE 层中 r15mm 处电场强度值
Fig. 3 Electric field intensity value in PTFE layer in r15mm
图
4 PTFE 层中 r15mm 处能量密度值
Fig. 4 Energy density values in PTFE layer in r15 mm
图 5 循环冷却水空间 r17mm 处电场强度值
Fig. 5 Energy density values in Circulating cooling water space in r17mm
图 6 循环冷却水空间 r17mm 处能量密度值
Fig. 6 Energy density values in circulating cooling water space in r17mm
比较图 3 和图 5 可以看出，PTFE 层中的电场强度与循环冷却水中的电场强度两者相差10^13倍数量级。若施加 10 000 V 高压，可计算出仅有 1.42× 10^10V 电压作用到水中，其余被 PTFE 层所分压。由图 6 可见，循环冷却水空间的电场能量密度
为 5.67×1032~266.4×10^32 J/mol 左右。比较图 4 和 图 6 可以看出，作用在循环冷却水中的电场能量密度较 PTFE 层中的要小得多，是一个较小的能量值。
1.5 高压静电水处理器阻垢机理分析
1.5.1 PTFE 的电流密度与水中功率密度分布
实际上任何绝缘体都不是理想绝缘介质，电介 质 PTFE 也一样。PTFE 中存在的微弱导电性是由多种机理构成的，包括杂质缺陷、体内电导、表面 电导等。有关电介质微弱导电性机理的详细研究是电介质物理学研究的范畴[25-26]，应用中通常从宏观
上将其归结为电介质的漏电损耗。在 PTFE 不发生电介质击穿的情况下，在一定外加电压作用下，由欧姆定律的微分形式[27]可求得
PTFE 的漏电流密度 j1： 
(11)
(11) 经计算，此 j1值在 0.895×10^10~16.77×10^10 A/m2。由焦耳定律的微分形式可得出 PTFE 层中的功率密度 p1和水中的功率密度 p2：
水中的功率密度 p2随空间分布的如图 7。从图 7 中可以看出，高压静电场在循环水中的功率密度与所施加的电压值成正比且呈现非线性分布，在离子棒表面处的功率密度值较大，随着空间距离的增加，出现急剧降低状态；另外所施加的电压越高，曲线的变化越陡，降低值越大，当达到金属管道表面附近时功率密度曲线呈平直分布。这就意味着并不是所施加电压越高，阻垢
效果就越好。
1.5.2 阻垢机理分析
通过以上分析可以看出，高压静电场提供给水中的能量与水分子氢键能之间存在着巨大差别。过去人们认为，水分子氢键的破裂是离子棒起到阻垢 作用的前提。根据文献[28-29]的研究表明，水分子氢键破裂所需要的能量高达 16.7~25.1 kJ/mol。本文通过理论分析表明，高压静电离子棒作用在水中的电场能量密度仅为 1033 J/mol 数量级，远未达到水分子氢键破裂的能量级别。同时离子棒提供的能量也远未达到使水分子偶极距增大，对水分子的极化作用是极其微弱的。天然水中所含的离子主要有 Ca2、Mg2、Na 阳离子和 CO32、SO42等阴离子。水中的 Fe2、Zn2、SiO32等含量较小，因此工业锅炉或换热器受热面上所结的水垢主要是 CaCO3水垢，工业循环冷却水阻垢处理的过程，实际上是研究如何阻止 CaCO3 水垢晶体在换热器表面形成坚硬水垢晶体的过程，特别是 Ca2在水溶液中的结晶形态是形成水垢的关键。CaCO3水垢晶体的形成，实际上是 CaCO3物质相变的结果。同种化学成份的物质，在不同的物理化学条件(温度、压力、介质)下形成不同晶体结构的现象，称为同质多像。这些不同结构的晶体，称为同质多像变体，变体之间在固态条件下的相互转变，称为同质多像转变。同质多像转变可分为可逆的和不可逆的 2 种类型。CaCO3水垢晶体具有方解石和文石等相，由文石相向方解石相的结晶转变，属于同质多象体间的
不可逆转变。文石属 CaCO3的斜方晶系，在温度升高的时候转变成为三方晶系的方解石，但温度降低时，则不再转变成为文石，即原先在受热面上形成的方解石，不会再转变成文石［30］ 。方解石和文石的化学组成都是 CaCO3，在标准状态(25 ℃，1.013×105 Pa)下，方解石的G1234.697 kJ/mol，文石的G1233.964 kJ/mol。显然，朝自由能降低的方向，方解石更加稳定，这就是为什么自然界中的文石会转化为方解石的内在原因。 在循环冷却水介质体系中，当水溶液流过换热 器的受热面时，由于温度升高，循环水中的 CaCO3 的溶解度会大大降低，在受热面附近形成 CaCO3 的过饱和或局部过饱和状态，形成 CaCO3结晶。 在晶体结晶成核的形成阶段，处于换热器中的CaCO3晶体主要是非均匀成核结晶，由于在换热器 18 3 p /(10 W/m )
循环水中存在悬浮的杂质微粒等，形成了非均匀成核的晶核，有效地降低了表面能成核时的势垒，因此在过饱和度很小时就能局部地成核，结晶优先在这些不均匀地点形成。在循环冷却水模拟阻垢处理装置中，通过施加高压静电场后，电场能量不断地传输到换热器内，使热平衡体系中的自由能G 增加，导致文石晶核形成的几率增大，使 CaCO3 水垢晶体结晶为文石型水垢，从而抑制了方解石型水垢的生长。 由于文石属于斜方晶系，文石结构中 Ca2离子是六方紧密堆积，CO32离子位于八面体空隙中间，但是 CO32－ 离子不在空隙中心，而是在 1/3 高处。CO32所构成的平面是相互平行的，每个 Ca2离子为 9 个 O 原子所环绕，而每个 O 原子同 3 个 Ca2 结合，Ca2和 O 配位数是 9。文石晶体结构有 3 种： 针状、叶状和石墨样的层状，其中针状晶体最为常见。所以文石呈粉末状，易随水流冲走而减少了在换热表面的沉积。方解石属于三方晶系菱面体，Ca2离子占据在晶胞顶角和面心上，CO32离子位于晶胞中心和全部棱的中点。CO32由中心的碳原子和位于同一平面的3 个 O 原子构成，CO32的平面垂直与晶胞的直立三重对称轴。每个 CO32－ 离子为 6 个不同的 6 个 O 原子配位，而每个 O 原子又与 2 个 Ca2离子相联结。由此，Ca2离子和 O 的配位数是 6。方解石晶体的结构稳定，易在换热表面沉积形成硬垢。对于高压离子棒的阻垢机理，本文认为首先，不能机械的将水分子团簇的氢键能看作是像化学键那样固定不变的作用力。在液态水中，水分子团簇处于一种不断的断开和结合的动态平衡中，这个动态平衡所需要的能量可以由水分子的热运动来提供，而静电场提供给水中的能量可以促使水分子向氢键断开的方向变化，而不是提供了水分子团簇氢键断开的全部能量。其次，高压静电场对循环水起阻垢作用的主要原因是使水中成垢离子结晶形态发生变化，即由方解石型晶体改变为文石型晶体。为了提高 CaCO3 水垢结晶为文石型水垢晶体的概率，外界必须要提供适当的能量，这个适当的能量不能太大也不能太小，起到促使 CaCO3水垢结
晶为文石的作用，达到阻垢目的。
2 高压静电水处理器阻垢实验
2.1 实验流程与参数
实验采用动态模拟方法进行，流程如图 8。
图 8 高压静电水处理器阻垢实验流程图
Fig. 8 Experiment flow-process diagram of High-voltage electrostatic water processor
循环冷却水由循环水泵泵出集水池，经由高压静电水处理器后到达换热器，在换热器内通过换热铜管与加热水进行对流式换热后，再经冷却塔回到集水池中形成动态循环。
实验设备及水质参数如表 2 所示。
2.2 高压静电水处理器的阻垢效果
在不同电压作用下高压静电水处理器的阻垢
实验结果如图 9 所示。
图 9 不同电压作用下高压静电水处理器的阻垢率
Fig. 9 Scale inhibition rate of High voltage electrostatic water processor when different applied voltage
应用公式(14)计算阻垢率： 
(14)
(14) 式中：为阻垢率，%；m1为空白对照组换热铜管的质量增量，g；m2为实验处理组换热铜管的质量增量，g。 当高压静电水处理器施加的电压为 4kV 时，阻垢率达到 61.7%，此时外界提供的能量促使 CaCO3 水垢结晶为文石型水垢随着水流被冲走，达到阻垢目的。
3 结论
采用自制的“高压静电水处理器”对电厂循环冷却水进行了动态模拟阻垢实验，从理论计算与实验的角度，分析了高压静电水处理器腔内电场分布与阻垢效果。研究表明：
1）高压静电水处理器对循环冷却水具有阻垢作用。
2）高压静电水处理器中的离子棒所形成的电场为双介质非均匀辐射状高压静电场，此静电场的PTFE 介质层构成离子棒的绝缘层，水介质层构成了循环冷却水与电场进行能量交换的空间。
3）应用拉普拉斯方程对水介质层空间电场分布分析表明，该空间电场能量密度在 1032~1030 J/mol 数量级左右，远未达到水分子团簇氢键破裂的能量级别，对水分子的极化作用是可以忽略的，静电场能量促使水分子团簇向氢键断开的方向变化，并未提供水分子团簇氢键断开的全部能量。
4）高压静电场对循环水起阻垢作用是使水中成垢离子的结晶形态发生变化，电场能量使热平衡体系中的自由能△G 增加，导致文石晶核形成的几率增大，使 CaCO3水垢晶体结晶为文石型水垢，文石晶体呈粉末状，易随水流冲走而减少了在换热表面
的沉积，从而抑制了方解石型水垢的生长。而方解石型水垢结构稳定，易在换热表面沉积形成硬垢。
刘智安，赵婧，赵巨东，龙山，夏添，张欣，安慧凤
(内蒙古工业大学，内蒙古自治区 呼和浩特市 010051)
(内蒙古工业大学，内蒙古自治区 呼和浩特市 010051)
创建时间：2022-07-19 08:48
