CN1077145A - 活化处理水中硅酸的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对水中硅酸进行活化处理的装 置，其结构是在圆柱形水槽的中心轴上，沿该中心轴 方向配置一个与高频电源相连接的、可产生振动电磁 场的螺旋天线，该螺旋天线长度为1、1/2或1/4 波长，带喷水管的进水管从水槽顶部或侧壁上部插入 水槽，水槽下部或底部设有出水管，喷水管开口端和 圆柱形水槽圆柱中心的连线与喷水管轴线之间的夹 角为θ，0＜θ≤90°，水在圆柱形水槽内垂直地切割 磁场，旋转流动。用本发明装置可以对水中的硅酸进 行有效地活化。

Description

本发明涉及一种对水中硅酸进行活化处理的水处理装置，将该装置用于循环水系统中时，可以有效地抑制循环水中水锈和/或水垢的发生。

日本专利申请特愿平2-227193揭示了这样一个事实;在水中施加电磁场，使水以一定流量通过该电磁场，可以得到不易生成水垢的水。

但是，采用怎么的装置才能使水锈、水垢的产生降到最小限度呢？这一课题目前正在探索中。

众所周知，硅酸在天然水中可以以单体形式存在，但有时也聚合成双体以上的聚合体，随着聚合度的增加而逐渐胶质化，这时，它与水分子或各种无机、有机离子等结合或吸附在它周围，成为可溶性络盐。本发明中使用的“使硅酸活化”这一词语，指的就是使水中的以单体形式存在的硅酸变成具有上述作用的聚合体。

在已往的冷却水浓缩运行管理中，使用导电率计，因为导电率是表示冷却水浓缩程度的指标之一。但在实际中，冷却水的浓缩模式是非常复杂的，冷却水中的各种离子、盐类等溶质在其性质、相互作用、PH值、温度等影响下，导电率表现出理论上难以解释清楚的微妙变化，在这种情形下，最合理的科学方法是采用统计处理。

本发明的发明者们根据多年经验，一边观察PH值、游离碳酸、饱和指数的变化，一边对补给水或冷却水进行化学分析，测量导电率、氯离子浓度、硫酸根离子浓度、M碱度、总硬度、硅酸根离子浓度和蒸发残留物浓度，将得到的数据转换为冷却水/补给水的浓缩倍数值，通过对该浓缩倍数值进行统计处理，发现能得到最好且最适宜的冷却水和循环冷却水系统的运行状态。

即，分别求出根据上述7个试验项目得到的浓缩倍数值，设其平均浓缩倍数为（ X），例如，当硫酸根离子的浓缩倍数高于（ X）、M碱度的浓缩倍数低于（X^-，）时，对冷却塔中SO₂气体的排气影响，以及随各个浓缩倍数的一系列变化，所显示出的CaSO₄类或CaSiO₂类水垢生成的可能性进行考虑，这比单纯地比较化学分析数值更容易定量地掌握浓缩倍数。

设各试验项目的浓缩倍数分别是：导电率＝X₁、氯离子＝X₂、硫酸根离子＝X₃、M碱度＝X₄、总硬度＝X₅、硅酸根离子＝X₆、蒸发残留物＝X₇，用下式求得标准偏差（S）

式中，i＝1，2，3，4，5，6，7。

用式（S／ X）×100求出变化系数（CV%），这样就可以更确切地掌握有关水锈、水垢发生的情形。

对一定水质的水进行浓缩，在达到某一浓缩倍数之前，标准偏差值是小的，一旦超过该浓缩倍数，标准偏差值就会急剧增大，冷却水运行状态恶化，产生水垢、腐蚀、沉淀。这样，例如，总硬度、硅酸离子的浓缩倍数比X大大降低，仅该下降部分就会使CaSiO₂等从冷却水中析出来，形成水垢。这与在实际中打开热交换器、锅炉（蒸汽锅炉）时所见到的水垢、腐蚀情形非常吻合。

本发明的发明者从许多试验中发现，当由（S／ X）×100所表示的变化系数（CV%）在10%以下时，冷却水的运行会处于最好状态，无水垢和腐蚀的发生;变化系数（CV%）在20%以内时，为可容许状态。从而得到了水质运行管理上的有效指标。并且还发现，当浓缩倍数超过5时，即使使用通常的水垢抑制剂，虽然因水质而异，但将CV%控制在20%以内是极为困难的。

在日本申请特愿平2-227193中描述到水锈水垢的产生与水中的硅酸有重要关系，虽然其作用原理尚不十分清楚，但可认为是以下这样的机理，即通过某种方式硅酸获得大量的能量，使溶解在天然水中的呈H₂SiO₃状态的硅酸变成离子（HSiO-₃）的硅被活化，由单体聚合成聚合体，在此过程中与水中的其它金属离子形成可溶性络盐，通过解胶作用形成稳定的悬浊液，然后在金属表面形成一层被膜，结果就产生了防止水锈、污垢、水垢生成的效果。

本发明的发明者就活化水中硅酸的方法进行了种种探索，发现不必采用电磁场处理装置预先控制待处理水中硅浓度的处理方法，而仅仅使水通过由连接某种特定高频电源的线形天线产生的振动电磁场，就能有效地对硅酸进行活化，可将上述的CV%控制在20%以内，达到防止产生水锈水垢和改善水质的目的。并将此法申请了专利。（日本申请特愿平2-316728）。

上述方法中使用的水处理装置，是在具有水出入口的钢管内设置长度为1、 1/2 或 1/4 波长的线形天线，在该天线上连接一个150～450MHz的高频电源，形成电场。但是，由于这时未对通过电场的水流进行控制而使水流有时呈现紊流，有时呈现与天线轴向相平行的层流，将水中硅酸活化需要一定时间，而这时的水流不能停留在电磁场内，所以不能充分地使硅酸活化，从而不能充分地防止水锈和水垢的生成。

本发明的发明者们对通过天线产生的磁场和电场方向、强度以及水流方向、流速等进行了深刻的研究，发现为了最有效地使水中的硅酸活化，得到生成水锈水垢少的水，必须控制水槽内的水流，使水流与磁场垂直相交，使水流横向切割磁场的时间最大。本发明就是基于上述理论，对天线的形状、水流方向控制等进行研究之后而做出的。

本发明的目的是提供一种对水中的硅酸进行活化处理的装置。该装置中，选择使用螺旋天线，设定水流方向，使得由高频电源产生的振动电磁场与水流方向垂直相交。

本发明的装置中，在圆柱形水槽（1）的中心轴（10）上，沿圆柱中心轴方向配置一个与高频电源相连接、能产生振动电磁场的螺旋天线（2），在圆柱形水槽（1）的中心轴上，沿中心轴方向配置一个螺旋天线（2），它与大约150～450MHz的高频电源相连接，可产生振动的电磁场，它的长度为1、 1/2 或 1/4 波长。带喷水管（4）的进水管（3）从水槽（1）的顶部或侧壁上部插入水槽（1）内，并使喷水管（4）呈水平状，出水管（5）配置在水槽（1）的下部或底部，上述喷水管开口端和圆柱形水槽圆柱中心连线与喷水管轴线间的夹角θ在0＜θ≤90°的范围内。

本发明中，对圆柱形水槽（1）的大小并无特别限制，大体上直径5～20cm，高20～200cm，材质也无特殊要求，可采用不锈钢、钢铁、塑料等。

本发明的装置中，螺旋天线（2）连接在频率为150～450MHz的高频电源（9）上，产生与硅的固有振动频率相吻合的振动电磁场。螺旋天线通常采用长度为1波长、 1/2 波长或 1/4 波长的天线，换算成线形天线约有1000mm，500mm，250mm长，绕径为5～20mm，最好约10mm，材质用不锈钢、铁、钢、铜等导体即可满足使用要求。一个较好的实施例是将300MHz（波长约1m）的高频电源连接到天线上，电源输出频率为1W时，天线的电源约有10mA，即可产生所需要的与硅的固有振动功率相吻合的振动电磁场。这时，由于螺旋天线（2）设置在圆柱形水槽中心轴（10）的轴向上，当来自高频电源的电流通过时，如图1的模拟图（B）所示，在垂直天线的面b上形成了磁场，（图1A表示采用通常的线形天线时的磁场面a）。

本发明的关键在于，怎么在上述装有螺旋天线的圆柱形水槽中，设置引入未处理水的进水管和排出已处理水的出水管，即，在本发明的装置中，带有喷水管（4）的进水管（3）从圆柱形水槽（1）顶部或侧壁上部（见图2）插入圆柱形水槽内，并使喷水管（4）呈水平状，在水槽下部或底部设置排出处理过水的出水管（5）。圆柱形水槽可做成密闭式的，也可做成顶部开放式的，密闭式水槽具有使水在压力下强制循环的优点。（图2表示的将喷水管（4）与进水管（3）连接成整体作为一根管的情形）。

本发明中特别重要的一点是，上述喷水管开口端（6）和圆柱形水槽的圆柱中心（7）的连线与喷水管轴（8）的夹角θ必须在0＜θ≤90°的范围内（见图2D）。由于这一设计，水流垂直地切割螺旋天线产生的磁场，形成自上而下流入出水管的旋流（F），圆柱形水槽内的水垂直地切割磁场的磁力线，而向下流动，因而简单而方便地实现了对水流的控制。

上述角度θ最好在90°左右，因为这时能使水流垂直地切割磁场。但只要θ角不为0°，就能得到旋转的水流，成为横切螺旋天线所形成磁场的水流，所以与已往仅由线形天线、进水口及出水口构成的装置相比较，可以更高效而切实地对水进行处理。

上述的喷水管（4）和进水管（3）可以呈直线排列连接成一个整体，或呈T字型连成整体，分别构成独立部分。

此外，要处理的水的流向可以是顺时针方向，也可以是逆时针方向，水的出口可设在距进水口任意位置处，但从处理效果上看，出口应设置在离入水口尽可能远的地方，最好设在圆柱形水槽的下部或其附。

按照本发明，在以天线轴（圆柱中心轴）为中心的同心圆切线方向，即垂直于磁场的方向上形成水流，水中的硅酸与水流一起流动，使硅酸分子共振的频率带的电磁波垂直于水流流动方向，因而可以最有效地对硅酸进行活化。

在已往的技术中，由于紊流等原因，极小部分的水，即只有一部分硅酸垂直切割电磁场，大部分的水没有受电磁波的作用就流过了电磁场，因此活化效率低。

另外，在本发明中，由于水成旋流状通过密闭的圆柱水槽，所以压力损失小，特别当使用旋流式圆柱水槽时，因为旋流作用，可以有效地进行固液分离，使得混入水中的水垢碎屑、砂粒及胶质化的硅酸盐等固体成分有效地分离出去。

当流量在0.2～200m³/时的流量范围内时，用本发明的装置可以有效地对水进行处理。圆柱形水槽的直径取决于水的处理量、流量，通常直径为5～20cm。

用本发明的装置对水进行处理以后，水中的硅酸被活化了，采用经这样处理过的水，可以有效地抑制锅炉、冷却塔等循环水系统、给水管线等非循环水系统中水锈和/或水垢的生成，从而在食品、饮料等工业部门，可以得到使用价值高的、水质良好的水。

使水通过与高频电源相连接的螺旋天线所发出的振动的电磁场后，水中的硅酸能够被活化，其作用原理尚不十分清楚，但是可这样认为：溶解在天然水中的呈离子化（HSiO^- ₃）的硅，用某种方式获得大量的能量，使其活化由单体聚合成聚合体，在该过程中，和水中的其它金属离子等结合成络盐，由解胶作用生成稳定的悬浊液，进一步在金属表面形成一层被膜，结果就产生了能防止水锈、污垢、水垢生成的效果。

图1表示电流按箭头方向流过时，线形天线（A）和螺旋天线（B）所产生的磁场面（a）、（b）。

图2是本发明水处理装置的顶视图（A）、纵断面图（B）、侧面图（C）和上部横截面图（D）。

图3是将本发明装置用于循环冷却水系统管线时的水路图。

图4是将本发明的装置用于锅炉给水系统中时的水路图。

以下，参照附图通过实施例说明本发明的装置。

实施例1和对比例1

将图2所示的本发明的装置用于图3所示的循环冷却水系统管线中，在图3中，冷却水从开放式冷却塔的下部（12）流出，由泵（13）经热交换器（14）再被送到冷却塔上部（11），在喷洒期间进行水的浓缩，循环水的浓度逐渐增高，补给水被送到冷却塔内，本发明的装置（15）设置在泵（13）与热交换器（14）之间。这里使用的本发明装置是如图2所示的装置，直径约为20cm，高约150cm，在圆柱形水槽中的中心轴上，设有直径约为3mm，线长约500mm、长度为 1/2 波长的不锈钢螺旋天线，天线的绕径约10mm，缠绕间隔约0.5mm，设天线连接在水槽外部的频率约为300MHz的高频电源上，水槽圆柱中心和喷水管开口端的连线与喷水管轴线间的夹角θ约为90°。此外，为了比较起见，同时还对采用杆状天线的装置作了对比实验，该杆状天线（输出功率为1W，天线电流约10mA，约300MHz）长度与螺旋天线长度相等。用如表1所示成分的工业用水作为补给水，将导电率作为标准进行试验。装置（15）的流量设定为50m³/时。

当水的导电率达到约450μs/cm时，对二者的循环水做取样分析，结果如表1所示。

表1

对照例  实施例1

冷却水  冷却水

补给水

轴流,杆  (旋流,螺

倍  倍

状天线  旋天线)

pH  6.8/21℃  8.2/21℃  8.5/21℃

导电率(μs/cm)  90  440  4.89  450  5.00

Cl-(mg/l)  9.2  34  3.70  36  3.91

SO₄-(mg/l) 6.1 39 6.39 40 6.56

M碱度(mg/l)  22  100  4.55  110  5.00

总硬度(mg/l)  26  110  4.23  130  5.00

SiO₂(mg/l) 16 43 2.69 61 3.81

Fe(mg/l)  0.17  0.32  -  ND  -

蒸残  63  330  5.24  340  5.40

X  4.526  4.954

S  1.171  0.929

变化系数  25.8%  18.8%

由表1可见，SiO₂的浓缩倍数增大，变化系数却降低了，通过观察可以明显地看到，在旋流液中有冷却塔内壁面剥落的绿藻类。

实施例2与对照例2

如图4所示，通过软水器（16）送到给水槽（17）的水从水槽（17）由泵（18）送到锅炉（19），为了处理给水槽（17）内的水，用泵（20）将水槽（17）内的水送到与实施例1相同的本发明的装置（21）（如2所示的）中，再循环回给水槽（17）。为了比较起见，同时还与实施例1中使用的装有杆状天线的装置相同的处理装置作对比试验，该装置放在与本发明的装置（21）同样的位置上，所供给的软水的成份如表2所示，振动电磁场发生装置的输出功率约1W，天线的电流约10mA，装置内处理水的流量约为15m³/时，软水的初始导电率约为310μs/cm，使锅炉给水系统运转持续到导电率达到约3620μs/cm时，对锅炉内的水进行采样分析，其结果如表2所示。

表2

对照例2  实施例2

锅炉水  浓缩  锅炉水  浓缩

软水

轴流,杆  倍数  旋流,螺  倍数

状天线  旋天线

pH值  6.4/16℃  11.5/17℃  11.1/16℃

导电率(μs/cm)  310  3670  11.84  3620  11.68

氯离子(mg/l)  14  250  17.86  240  17.14

硫酸根离子(mg/l)  44  590  13.41  610  13.86

M碱度(mg/l)  80  940  11.75  950  11.88

总硬度(mg/l)  1.0  0  -  0

硅酸根离子(mg/l)  48  580  12.08  590  12.29

总铁(mg/l)  0.11  0.58  -  0.23  -

蒸发残留物(mg/l)  220  2840  12.91  2650  12.01

钠离子(mg/l)  56  720  12.86  680  12.14

平均浓缩倍数 X13.244 13.006

标准偏差S  2.127  1.959

变化系数  16.1%  15.1%

从表2可见，硅酸离子的浓缩倍数增大，变化系数却降低了，总铁的浓缩倍数降低，旋流、螺旋天线的效率却升高了，此外，用内窥镜观察锅炉内部的热交换器，发现在使用旋流、螺旋天线的如实施例2中所示的装置后，水垢显著地剥落了。

Claims (3)

1、一种对水中硅酸进行活化处理的装置，其特征在于：在圆柱形水槽(1)的中心轴上，沿该中心轴方向配置一个与频率为150～450MHz的高频电源相连接的螺旋天线(2)，该螺旋天线(2)产生振动的电磁场，长度为1、 1/2 或 1/4 波长，带喷水管(4)的进水管(3)从顶部或侧壁上部插入水槽内并使喷水管(4)呈水平状，出水管(5)配置在水槽(1)的下部或底部，上述喷水管开口端和圆柱形水槽圆柱中心的连线与喷水管轴线之间的夹角为θ，0＜θ≤90°。

2、如权利要求1所述的处理装置，其特征在于θ为90°。

3、如权利要求1或2所述的处理装置，其特征在于圆柱形水槽是由上部的圆柱体和下部的倒圆锥体组成的旋流式水槽。

Images