© Strojni{ki vestnik 46(2000)8,532-537 © Journal of Mechanical Engineering 46(2000)8,532-537 ISSN 0039-2480 ISSN 0039-2480 UDK 546.212:628.16.04/.09:66.06:537.84 UDC 546.212:628.16.04/.09:66.06:537.84 Pregledni znanstveni ~lanek (1.02) Review scientific paper (1.02) Spremenjeno kristaljenje vodnega kamna pri magnetni obdelavi vode Modified Scale Crystallization in Magnetic Water Treatment Andrej Pristovnik - Lucija ^repin{ek Lipu{ - Jurij Krope Magnetna obdelava vode (MOV) je alternativna metoda priprave napajalnih vod za nadzor vodnega kamna in prav tako postaja pomembna pri izboljšavah drugih tekočin, ki vsebujejo vodo. Govor je o učinkih naprav MOV, med njimi o spremenjenem kristaljenju vodnega kamna in spremenjeni stabilnosti vodnih disperzij s poudarkom na spremenjeni hidrataciji ionov in trdnih površin zaradi magnetne protonske resonance kot enega izmed možnih mehanizmov. Nadalje je predlagana pojasnitev pospešenega obarjanja aragonita. © 2000 Strojniški vestnik. Vse pravice pridržane. (Ključne besede: priprava vode, kristaljenje CaCO3, hidratacija ionska, magnetohidrodinamika) Magnetic water treatment (MWT) is an alternative method of supplied-water conditioning for scale control and is also important in the amelioration of other water-based fluids. The effects of MWT devices, such as the modified crystallization of the scale-forming components and modified stability of the dispersion are discussed with the emphasis on the modified hydration of ions and solid surfaces due to magnetic proton resonance as one of the possible mechanisms. In addition, a possible explanation for the accelerated arago-nite precipitation is proposed. © 2000 Journal of Mechanical Engineering. All rights reserved. (Keywords: water conditioning, crystallization, ion hydration, magnetohydrodynamic) 0 UVOD Nastajanje oblog vodnega kamna je pogosta in draga težava v mnogih industrijskih procesih, ki so napajani z naravnimi vodami. Do oblog na stenah naprav pride zaradi naravne prenasičenosti napajalne vode ali zaradi prenasičenja, ki se vzpostavi med ogrevanjem vode, padcem tlaka ali dvigom pH med samo obdelavo vode. Trde obloge zmanjšujejo pretočne zmogljivosti, povečujejo porabo električne energije črpalk in zahtevajo periodično čiščenje. MOV igra vse pomembnejšo vlogo alternativne metode pri pripravah industrijskih vod. Njene prednosti v primerjavi z znanimi kemijskimi metodami mehčanja vode so: nizki investicijski in obratovalni stroški, preprosta vgradnja, ohranjanje kakovosti vode (npr. organoleptičnih lastnosti) in prispevek k varstvu okolja. Pri napravah MOV, ki so bile dobro načrtovane za določen vodovodni sistem in dano sestavo vode [1], lahko pričakujemo veliko učinkovitost pri preprečevanju nastanka trdih oblog vodnega kamna, še posebej v ogrevanih in cirkuliranih vodovodnih sistemih. 0 INTRODUCTION The build up of scale deposit is a common and costly problem in many industrial processes which use natural water supplies. Deposits on the equip-ment walls result form the natural oversaturation of the supplied water or oversaturation caused by water heating, pressure drop or a pH increase during the water processing. The hard-scale deposit reduces water flow capacities, increases the electrical power con-sumption of pumps and reduces the heat exchanging capabilities of heated surfaces leading to higher oper-ating costs and need to a periodically remove the scale. MWT is becoming increasingly important as an alternative method of industrial water conditioning. Low investment and operating costs, easy installation, water quality (i.e. organoleptic properties) and ecologi-cal benefits are some of the advantages over the well-known chemical methods used for water softening. MWT devices which are well designed for a particular water composition and industrial process [1], are very effective in preventing hard-scale formation, especially in heated- and circulated-water systems. VH^tTPsDDIK stran 532 A. Pristovnik - L.^. Lipu{ - J. Krope: Spremenjeno kristaljenje - Modified Scale Crystallization Prvi patent tovrstnih naprav je bil vknjižen v Belgiji leta 1945. Praktične izkušnje s to pionirsko napravo so dale zelo različne rezultate: od izjemne učinkovitosti, do popolne neuspešnosti [2]. Od leta 1960 so bili v nekdanji Sovjetski zvezi za nadzor vodnega kamna z veliko ekonomsko koristjo uporabljani močni elektromagneti [3], v USA pa so bile naprave MOV širše sprejete šele po letu 1975 ([4] in [5]). 1 UČINKI NAPRAV MOV NA NARAVNE IN INDUSTRIJSKE VODE Praktična uporaba naprav MOV je vse bolj razširjena na področju priprave vod za odstranjevanje ali preprečevanje vodnega kamna, prodira pa tudi na nova področja, to so obdelava cementa in goriva ([6] do [12]). V vseh teh primerih gre za obdelavo tekočine, ki vsebuje določen delež vode, da bi se izboljšale njene biokemijske ali fizikalno-kemijske lastnosti. Iz magnetno obdelane vode se vodni kamen tvorne komponente (predvsem CaCO3 v nizko-temperaturnih sistemih in CaSO4 v pregrevanih sistemih) namesto v obliki težko odstranljivih oblog obarja v suspendirani obliki. Kristali so drugačni po svoji obliki, velikosti in strukturi in so manj adhezivni. V primeru CaCO3 je bilo opaženo, da se lahko z magnetno obdelavo razmerje aragonit/kalcit bistveno zviša ([13] in [14]). Aragonit je kinetično ugodnejša kristalna faza, ki vsebuje slabo adhezivne kristale igličaste oblike. Kalcit je termodinamično ugodnejša kristalna faza, sestavljena iz rombičnih kristalov, ki lahko zaradi svoje velike adhezivnosti tvorijo trde, težko odstranljive obloge. Zvišano razmerje aragonit/kalcit delno pojasni obarjanje prašnatih oblog iz magnetno obdelane vode. Čeprav je kristaljenje iz magnetno obdelane vode zelo odvisno od same sestave vode in obratovalnih razmer, je v večini primerov opaženo obarjanje zmanjšanega števila kristalov CaCO3 ki so večji in imajo zvišan delež aragonita. Celo kristaljenje iz prenasičene mešanice statično magnetno obdelanih raztopin Na2CO3 in CaCl2 v dobro nadziranih laboratorijskih razmerah je dalo podobne rezultate [15]. 2 MEHANIZMI DELOVANJA NAPRAV MOV NA PROCESIRANO VODO Večdesetletne izkušnje na področju MOV so dale nekaj empiričnih osnov za načrtovanje magnetnih naprav, vendar pa še vedno ostaja odprto vprašanje mehanizem, ki bi natančno pojasnil, kako magnetno polje vpliva na obdelovani vodni sistem. Na temelju številnih eksperimentalnih in teoretskih poročil je sklepati, da mehanizem najverjetneje sestoji iz vzporednih, med seboj prepletenih korakov, ki so odvisni od The first patent refering to a MWT device was registered in Belgium in 1945. Practical experi-ence with these devices showed very different re-sults: from very effective to completely useless [2]. Since 1960, strong electromagnets have been used in the Soviet Union for scale control in high-tempera-ture water systems with significant economic ben-efits [3]. In the USA, MWT devices have been ac-cepted since 1975 ([4] and [5]). 1 THE EFFECTS OF MWT DEVICES ON NATU-RAL AND INDUSTRIAL WATERS The practical use of MWT devices has be-come increasingly wide spread for descaling or scale prevention and has penetrated into new fields for other purposes such as biochemistry, medicine, agriculture, dispersion separations, concrete and fuel amelioration ([6] to [12]). In all these cases fluids containing some fraction of water were magnetically treated to improve their biochemical or physicochemical properties. The scale-forming components ( mainly CaCO3 in low-temperature systems and CaSO4 in heated systems ) precipitate from zhe magnetically treated water in a suspended form rather than by forming hard-scale linings. The crystals are different in terms of their form, size and structure with lowered adhesivity. For CaCO3 it was observed that the ratio of aragonite/calcite crystal phases could be increased ([13] and [14]). The former is a kinetically advanced crystal phase of CaCO3 formed in needle–like crystals which have low adhesion, while the latter is a thermodynamically advanced crystal phase of CaCO3 formed in rhombic crystals which are able to adhere into compact, hard-to-remove scale. The increased aragonite/calcite ratio partially explains the precipitation of powder deposits resulting from MWT. Although the crystallization in magnetically treated water is strongly dependent on the water composition and working conditions the precipitation of fever and larger CaCO3 crystals with an increased fraction of aragonite was observed in most cases. Even the crystallization in a supersaturated mixture of static magnetically treated solutions of Na2CO3 and CaCl2 under well-controlled laboratory conditions gave similar results [15]. 2 MECHANISMS OF MWT – ACTING ON PROCESSING WATER A long history of practical experiences has provided some empirical bases for designing magnetic devices. However, the mechanism which explains how the magnetic field acts on the treated water still remains uncertain. From the many reports relating to laboratory and theoretical research it can be concluded that the mechanism most probably consists of parallel interacting steps, depending on the construction of the MWT devices, the composition of the supplied water as a | gfin=i(gurMini5nLn 00-8_____ stran 533 I^BSSIfTMlGC A. Pristovnik - L.^. Lipu{ - J. Krope: Spremenjeno kristaljenje - Modified Scale Crystallization delovnih razmer (npr. hitrosti pretakanja vode in temperature). V svetovni literaturi je najti dragocene namige, ki poskušajo pojasniti magnetne učinke, vendar nobeden ni dokončno potrjen in tudi ne pojasni vseh učinkov hkrati. Vodilne hipoteze so: - magnetno spremenjena hidratacija ionov in trdnih površin - magnetohidrodinamični učinek na vodne disperzije - koncentracijski učinki v delovnih kanalih naprav MOV Slednji se štejejo kot zvišanje verjetnosti trkov med ioni ali trdnimi delci v določenih območjih delovnih kanalov zaradi turbulence pretakajoče se vode, visoke magnetnosti suspendiranih korozijskih produktov oz. nehomogenosti magnetnega polja naprave [16]. Učinki tega tipa delno pojasnijo agregacijo drobnih že destabiliziranih delcev v večje, medtem ko je spremenjeno kristaljenje in destabilizacijo dispergiranih komponent, ki tvorijo vodni kamen, laže pojasniti s prvima dvema hipotezama. Kateri mehanizem bo prevladal, je odvisno od sestave vode in samih razmer pri obdelavi. V nadaljevanju bo govor o mogočih vzrokih spremenjenega kristaljenja CaCO3. 2.1 Učinek magnetno spremenjene hidratacije na kristaljenje CaCO3 Eksperimentalna opazovanja vodnih raztopin so med statičnim izpostavljanjem magnetnemu polju pokazala spremembe v nekaterih fizikalno-kemijskih lastnostih, npr.: svetlobni absorbanci [17], viskoznosti [18], topilni entalpiji [19], električni prevodnosti [6], površinski napetosti [20], dielektričnosti [21] in tudi v kristaljenju ter stabilnosti koloidov ([22], [15] in [23]). Opažanja podpirajo hipotezo o magnetno spremenjeni hidrataciji. 'So 6ö