基于正交试验的交变磁场除垢影响因素作用规律

doi:10.11894/iwt.2018-0646

基于正交试验的交变磁场除垢影响因素作用规律

王宇斌^,¹^,², 王望泊¹, 王刚³, 戚晓宇³, 张鲁¹

Regular effect on influence factors of descaling by alternating magnetic field based on orthogonal experiment

Wang Yubin^,¹^,², Wang Wangbo¹, Wang Gang³, Qi Xiaoyu³, Zhang Lu¹

收稿日期: 2019-05-20

基金资助:

国家自然科学基金. 51674184
河南省水体污染防治与修复重点实验室开放基金项目. GJSP2018005

Received: 2019-05-20

Fund supported:

国家自然科学基金. 51674184
河南省水体污染防治与修复重点实验室开放基金项目. GJSP2018005

作者简介 About authors

王宇斌(1972-),博士,副教授电话:13488326923,E-mail:wangyubin1972@sohu.com , E-mail：wangyubin1972@sohu.com

摘要

为优化磁化除垢条件，进而提高磁化除垢效果，采用正交试验方法对饱和碳酸钙溶液进行磁化试验，并对磁化除垢效果进行表征。结果表明：初始钙离子浓度和电流频率为影响磁化效果的显著因素，磁化时间、线圈匝数和波形为不显著因素。磁化除垢的最优条件：初始钙离子为1 000 mg/L，频率为0.9 kHz，磁化时间为0.5 h，线圈匝数为150圈，波形为方波。

关键词： 磁化 ; 除垢 ; 交变磁场 ; 条件优化

Abstract

In order to optimize the magnetization descaling conditions and improve the magnetization descaling effect, the orthogonal experiment is used to conduct the magnetization test of the saturated calcium carbonate solution, and the magnetization descaling effect is characterized. The results show that the initial calcium concentration and current frequency are the significant factors affecting the effect of magnetization, while the magnetization time, coil turns and waveform are not significant factors. The optimal conditions of magnetization descaling are as follows:the initial calcium concentration, the current frequency, the magnetization time, coil turns and the waveform were 1 000 mg/L, 0.9 kHz, 0.5 h, 150 circles and square wave, respectively.

Keywords： magnetization ; descaling ; alternating magnetic field ; condition optimization

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本文引用格式

王宇斌, 王望泊, 王刚, 戚晓宇, 张鲁. 基于正交试验的交变磁场除垢影响因素作用规律. 工业水处理[J], 2019, 39(8): 28-31 doi:10.11894/iwt.2018-0646

Wang Yubin. Regular effect on influence factors of descaling by alternating magnetic field based on orthogonal experiment. Industrial Water Treatment[J], 2019, 39(8): 28-31 doi:10.11894/iwt.2018-0646

工业生产中各类管路和设备普遍存在结垢现象，严重影响生产效率和经济效益^〔1-2〕，因此，寻求经济高效的除垢方法显得日益重要。常用的除垢方法分为化学法和物理法^〔3〕。化学法包括碱沉淀法、阻垢剂法、软化与脱盐法等^〔4〕，物理法主要包括永磁式除垢法和交变磁场除垢法^〔5-7〕。与化学方法相比，物理法中的交变磁场除垢法因效果明显、安装简便、维护费低、节能环保等优点，受到广泛的关注和应用^〔8-10〕。已有磁化除垢研究中多采用单因素试验方法，而在实验室和工业应用中，由于交变磁场除垢过程中影响磁化效果的因素较多，难以通过单因素试验得到最优除垢条件^〔10〕。

鉴于此，为研究不同因素对磁化除垢效果的影响规律，进而得到最优除垢条件，笔者采用正交试验方法对交变磁场作用下的饱和碳酸钙溶液进行磁化处理。由于磁化溶液中钙离子浓度的测定结果稳定性较差，有研究也表明溶液电导率越高，磁化除垢效果越明显^〔11〕。故使用检测准确率较高的溶液电导率来反映交变磁场的除垢效果^〔12-13〕。该研究对提高现场除垢效果及除垢设备参数的优化有一定参考意义。

1 试验部分

1.1 试验材料与仪器

材料：碳酸氢钠、无水氯化钙，分析纯，天津市河东区红岩试剂厂；D 0.6 mm铜漆包线、D 9 mm橡胶管等。

仪器：TDL-80-2B型低速离心机，上海安亭科学仪器厂；mp515-01型电导仪，上海三信仪表厂；HI991002型pH计，哈纳沃德仪器有限公司；MHS-5200A型信号发生器，郑州明禾电子科技有限公司；S-75-24型整流器，沪工集团。

1.2 试验流程

试验流程如图1所示。

图1

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图1 试验流程

取3 L二次蒸馏水配制物质的量比为1:1的氯化钙和碳酸氢钠溶液，置于5 L水箱中，用水泵在900 mL/min流速下于磁场中进行循环磁化处理，磁化处理过程中使磁场方向垂直于水流方向。试验所需磁场由信号发生器、铁氧体和铜漆包线组装的磁化设备产生，该磁化设备可调整电流频率、线圈匝数和波形。在不同影响因素的作用下，用磁化设备对溶液进行磁化处理后，通过低速离心机对磁化溶液进行离心沉降，取上清液检测其电导率，以5次检测的平均值作为试验结果。最后对试验结果进行极差分析、方差分析和预测分析。

1.3 检测方法

试验采用易于检测、精确度高的溶液电导率来表征溶液钙离子浓度的变化。检测时先取60 mL磁化溶液分装于15 mL离心管中，在2 800 r/min的转速下离心处理30 min。最后用电导仪测定磁化溶液上清液的电导率，并取检测5次后的平均值作为试验结果。

1.4 试验设计

根据文献〔14〕、〔15〕及单因素探索试验，选取磁化时间、频率等5个主要因素进行正交试验。设计试验时采用5因素4水平的正交试验，并在适当范围内选定各因素的水平，正交因素及对应水平见表1。

表1 正交试验因素水平表

水平	磁化时间（A）/h	电流频率（B）/kHz	线圈匝数（C）	C₀（Ca²⁺）（D）/（mg·L^-1）	波形（E）
1	0.5	0.6	150	400	三角波
2	1.0	0.9	200	600	正弦波
3	2.0	1.2	300	800	方波
4	3.0	1.5	450	1 000	升锯齿波

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2 结果与讨论

2.1 磁化处理结果

正交试验磁化处理的结果如表2所示。

表2 正交试验安排及结果

序号	磁化时间（A）	电流频率（B）	线圈匝数（C）	C₀（Ca²⁺）（D）	波形（E）	电导率/（mS·cm^-1）
1	1	1	1	1	1	0.607
2	1	2	2	2	2	0.988
3	1	3	3	3	3	1.170
4	1	4	4	4	4	1.248
5	2	1	2	3	4	1.215
6	2	2	1	4	3	1.287
7	2	3	4	1	2	0.788
8	2	4	3	2	1	0.962
9	3	1	3	4	2	1.117
10	3	2	4	3	1	1.220
11	3	3	1	2	4	0.887
12	3	4	2	1	3	0.668
13	4	1	4	2	3	0.869
14	4	2	3	1	4	0.796
15	4	3	2	4	1	1.328
16	4	4	1	3	2	1.126

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由表2可知，试验15条件下的磁化溶液电导率最高，达到1.328 mS/cm，试验1条件下磁化溶液的电导率最低，为0.607 mS/cm。试验3、4、5、6、9、10、16条件下磁化溶液的电导率相对较高，在1.117~1.248 mS/cm之间，试验2、7、8、11、12、13、14条件下磁化溶液的电导率相对较低，在0.668~0.998 mS/cm之间。

2.2 极差分析

采用5因素4水平L₁₆（4⁵）的正交试验，每个因素的每个水平均参与4次试验，试验取得的磁化溶液电导率的各水平4次之和为E值，各水平E平均值的最大值与最小值之差为极差（r）。极差分析结果如表3所示。

表3 不同因素对磁化溶液电导率影响的极差分析结果

E值	磁化时间（A）/h	电流频率（B）/kHz	线圈匝数（C）	C₀（Ca²⁺）（D）/（mg·L^-1）	波形（E）
EⅠ	4.013	3.808	3.907	2.859	4.117
EⅡ	4.252	4.291	4.199	3.706	4.019
EⅢ	3.892	4.173	4.045	4.731	3.994
EⅣ	4.119	4.004	4.125	4.980	4.146
EⅠ均值	1.003	0.952	0.976	0.715	1.029
EⅡ均值	1.063	1.073	1.050	0.927	1.005
EⅢ均值	0.973	1.043	1.011	1.183	0.999
EⅣ均值	1.030	1.001	1.001	1.245	1.037
极差		0.090	0.121	0.074	0.530	0.038

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由表3可知，对磁化溶液的电导率来说，因素D即初始钙离子质量浓度的极差最大，可见其对溶液电导率的影响最显著；与因素D的极差值相比，因素A、因素B、因素C和因素E的极差较小，说明磁化时间、电流频率、线圈匝数和波形对溶液电导率影响较小。各因素水平变化对试验结果的影响如图2所示。

图2

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图2 因素水平对磁化溶液电导率的影响

由图2可知，随着初始钙离子质量浓度的增加，溶液电导率整体呈上升趋势，说明初始钙离子浓度对磁化溶液电导率的影响最显著；而磁化时间、电流频率、线圈匝数和波形的变化对溶液电导率的E均值影响不大，即磁化时间、电流频率、线圈匝数和波形不是影响溶液电导率的显著因素。

2.3 方差分析

磁化溶液电导率的方差分析结果如表4所示。

表4 磁化溶液电导率的方差分析结果

方差来源	离差	自由度	均方离差	F	显著性	最优水平
A	0.017 6	3	5.866 7×10^-3	4.492 6	-	1
B	0.033 1	3	11.033 3×10^-3	8.072 9	*	2
C	0.011 7	3	3.9×10^-3	2.853 6	-	1
D	0.716 0	3	0.238 7	174.629 9	**	4
E	0.004 1	3	1.366 7×10^-3
误差	0.004 1
总和	0.782 6	15	F_0.1（3，3）=5.39

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由表4可知，磁化溶液电导率的影响因素的显著性依次为D>B>A>C>E，即初始钙离子质量浓度和电流频率是影响磁化溶液电导率的显著因素，其他因素对磁化溶液电导率的影响不显著，该结果与图2中各因素的影响趋势一致。结合极差分析，确定初始钙离子质量浓度和电流频率分别选用水平4和水平2，即D₄、B₂为最佳条件。其他因素均选用水平1。因此，影响磁化溶液电导率的最佳条件为磁化时间0.5 h、电流频率0.9 kHz、线圈匝数200圈、C₀（Ca²⁺）1 000 mg/L、波形为方波。

2.4 预测分析

结合表3对电导率进行工程平均及区间估计，估计最优磁化条件下得到的电导率理论值范围，预测分析如表5所示。

(1)

(2)

(3)

表5 磁化溶液电导率的预测分析

项目	A	B	C	D	E
x₁	-0.014 0	-0.065 3	-0.040 5	-0.302 5	0.012 0
x₂	0.045 8	0.055 5	0.032 5	-0.090 8	-0.012 5
x₃	-0.044 3	0.026 0	-0.006 0	0.165 5	-0.018 8
x₄	0.012 5	-0.016 3	0.014 0	0.227 8	0.019 3

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m₁=m₁±d=（1.300 6±0.073 3）mS/cm，即电导率在1.227 3~1.373 9 mS/cm。

2.5 验证试验

在交变磁场磁化的最佳条件A₁B₂C₁D₄E₁下，进行了3次验证试验，结果如表6所示。

表6 磁化除垢验证试验结果

序号	电导率/（mS·cm^-1）	平均值/（mS·cm^-1）
1	1.319
2	1.370	1.328
3	1.295

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由表6可知，在最佳条件下，磁化溶液的电导率平均值能够达到1.328 mS/cm，与同条件下未磁化的碳酸钙溶液电导率相比，增加了0.043 mS/cm。溶液电导率的增加说明在最佳磁化条件下能够有效防止水垢产生。电导率在正交试验的工程平均范围内，也说明正交试验组合的最佳条件试验重复性较好，结果可靠。

在磁场条件下，溶液电导率主要与离子浓度和迁移率有关^〔16〕。初始钙离子质量浓度越大，溶液电导率就越高。由于电流频率增大会引起交变磁场的磁场强度增大，进而使得离子迁移率增大，因此初始钙离子质量浓度和电流频率对溶液电导率的影响较大。此外，磁场还能影响水溶液中钙离子和碳酸根离子生成碳酸钙的条件，使碳酸钙偶极矩增加，溶度积变大即生成常数减小，进而导致碳酸钙晶体的析晶自由能增加^〔17〕。在交变磁场的作用下，碳酸钙分子能够从磁场中获得能量，碳酸钙晶体的生成难度将会增加，而溶液中的钙离子等通过磁场时，与磁场轴向排列一致，导致这些离子不能结晶，即使有的离子结晶成核也不能发育长大，因此交变磁场可有效提高溶液的电导率，即可有效防止碳酸钙水垢的生成。

3 结论

（1）影响磁化溶液电导率的显著因素为初始钙离子质量浓度和电流频率，磁化时间、线圈匝数和波形为不显著影响因素。

（2）磁化除垢优化条件：磁化时间为0.5 h，电流频率为0.9 kHz，线圈匝数为150圈，初始钙离子质量浓度为1 000 mg/L，波形为方波。在此条件下得到磁化溶液电导率的平均值为1.328 mS/cm，比相同条件下未磁化溶液的电导率增加了0.043 mS/cm，除垢防垢效果明显。研究对交变磁场下除垢条件的选择和除垢设备设计有一定的参考意义。

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