一種基于變頻脈沖電場的循環水軟化系統

吳清收

（山東科技大學機械電子工程學院）

目前，工業用水的水質軟化大多采用鈉離子交換器的離子交換軟化法，該方法為化學軟化方法。 離子交換軟化法采用兩個罐交替產水，一個罐產水時，另一個罐進行調整；產水罐產水時將水中的鈣、鎂離子充分吸附在樹脂上，出水就是軟化水；調整罐調整時要經歷松床、再生和清洗幾個步驟，松床的作用是讓樹脂的性能得以充分恢復，再生就是加鹽，通過加鹽將樹脂吸附的鈣、鎂離子置換出來，最后通過清洗將含有鈣、鎂離子的廢水排出［1，2］。 離子交換軟 化法的主要缺點有：生產成本較高，軟化過程中要用到樹脂和鹽，尤其是鹽的用量較大，一個中型企業每年在軟化水上的投入至少需要幾十萬元， 甚至上百萬元；形成大量的廢水，對環境污染嚴重（交換器排出的廢水不但含有鈣、鎂離子，而且有相當一部分多余的鹽水會對當地的土壤和地下水造成嚴重污染）。

除了采用鈉離子交換器的化學軟化方法外，還有一種變頻電磁場阻垢除垢方法。 該方法通過對纏繞在循環水管道外的線圈施加變頻方波或正弦波脈沖，產生交變磁場，破壞大分子團水的氫鍵鍵能，從而阻止循環水結垢。 該方法本質上屬于阻止水垢的形成，并不能真正降低循環水的硬度，且設備體積大，線圈參數的調整比較困難［3～6］。筆者研究了一種基于變頻脈沖電場的循環水軟化方法，通過設計特殊的電極結構形式和施加變頻電場的方式， 將溶垢與除垢融為一體，真正實現了循環水的軟化。

1 水分子的結構與氫鍵

水分子由1個氧原子和2個氫原子構成，分子內部氧原子與氫原子之間由O—H共價鍵連接，由于兩個共價鍵之間的夾角是104.5°， 兩個氫原子不在一條直線上， 水分子的外圍電子分配不均勻，因此，單個水分子具有很強的極性。 但是，普通水一般不是由單個水分子構成，而是幾個水分子之間形成分子團簇， 通常由3個以上的水分子構成，水分子團簇再重新組合成常見的水，水分子團簇之間由氫鍵連接，氫鍵的鍵能在10 ～40kJ/mol。

由大分子團簇組成的水由于氫鍵的加強作用，其化學性質比較穩定，同時它的溶解度等物理性質較差，硬水中鈣、鎂離子的溶解度較小，所以通過外加電磁場或電場的方式可以將大分子團簇中的氫鍵破壞，增大鈣、鎂離子的溶解度，達到阻止結垢的目的。

2 電場對水分子團簇的影響

電場對水分子團簇有著很大的影響［7，8］。水分子在靜電場中偶極矩發生極化，由于靜電場的方向不發生變化， 水分子偶極矩極化強度恒定，在這種情況下，水分子具有最穩定的狀態，因此，在開始結垢的晶核形成階段，更加容易導致大分子團簇的形成。

當電場為交變電場時，電場強度和電場方向不斷變化， 電場方向影響水分子的偶極矩轉向，其轉向極化強度也不斷變化，即有：

式中 E0——電場強度；

p——極化強度；

t——時間；

ε0——真空介電常數；

εr——水的真空介電常數；

ω——電場角頻率。

當電場變化頻率合適時， 會導致水分子在平衡位置上不停地轉動，對水分子的影響較大，使水分子聚集形成大的水分子簇的阻力大幅增加，因此，交變電場會阻礙水分子聚集形成水分子團簇。

在交變電場中，水分子極化強度不斷改變，水分子將外加的電場能轉化為水分子的內能， 水分子的熱運動加強，加劇了水分子的振動，從而使水分子團簇中水分子之間的氫鍵斷裂［9］，由大分子團簇轉變為小分子團簇，加大了硬水中鈣、鎂離子的溶解度，為接下來的吸垢環節提供了保障。

3 吸垢軟化水原理

在陽極與陰極間交變脈沖電場的作用下，通過氫鍵結合在一起的大分子團簇中的水分子被不斷反復極化，發生扭曲、變形，氫鍵被破壞，大分子團簇細化為小分子還原水，水體還原電位下降，增大了對硬度離子的溶解能力，使硬垢以離子形式溶于水中［10］。

同時，在外加電場作用下，水電離產生的H+和OH-分別向陰極和陽極遷移，H+在陰極被還原成H2，反應方程式為：

陰極OH-增多， 在陰極附近形成了一個堿性區域，增大了水中CO2的溶解度，促進了CO32-的形成，反應方程式為：

而硬度離子Ca2+和Mg2+在電場的作用下被吸引到陰極附近， 與大量的CO32-生成碳酸鈣和碳酸鎂沉淀析出，沉積在陰極表面［11～15］，反應方程式為：

硬水中鈣、鎂等硬度離子被除去，從而達到軟化水的目的。

4 特殊的電極結構

由前述已知，在交變電場的作用下，大的水分子團簇不容易形成；同時交變電場可以將大分子團簇中水分子之間的氫鍵打斷，使大分子團簇轉為小分子還原水，起到阻垢、溶垢的作用。 但是由于交變電場的極性不斷改變， 不能實現吸垢、除垢，降低硬水中鈣、鎂離子的濃度，達到真正軟化水的目的，若要實現吸垢、除垢，必須另外增加一套電極，這樣不僅增加了成本，而且設備復雜、體積龐大。 為此，通過對電極進行特殊的結構設計，將阻垢、溶垢與吸垢、除垢融為一體，達到真正軟化水的目的。

筆者設計的電極結構如圖1所示， 陽極與陰極均采用同心防腐蝕網狀鈦電極， 內層為陽極，外層為陰極。 陽極與陰極之間施加的電場不是交變電場，而是變頻單極性脈沖電場，頻率范圍能覆蓋水分子氫鍵鍵能范圍。 由于單極性脈沖電場的電場方向不變，不能起到阻垢、溶垢的作用，為此對陽極采用均勻分布的3片結構設計，3片陽極輪流工作，從而在陽極與陰極之間產生方向不斷變化的電場，起到阻垢、溶垢的作用。 另外由于電場的極性沒有改變， 在陰極網上可以吸引鈣、鎂離子形成碳酸鈣和碳酸鎂析出，達到軟化水的目的。 這種網狀陽極結構比棒狀陽極結構增大了電場的作用面積，吸附硬度離子的效果更好。

圖1 電極結構示意圖

實驗研究表明最佳處理時間為10s，最佳電場強度約20V/cm， 若取電極供電電壓為48V（DC），則陽極與陰極之間的距離d=48/20=2.4cm， 距離d圓整為3cm。

5 硬件電路設計

系統硬件電路包括微控制器模塊、信號處理模塊、驅動放大模塊、電流檢測模塊、顯示模塊和電源模塊6部分，如圖2所示。

圖2 系統硬件電路框圖

微控制器模塊選用單片機STC12C5A60S2，產生兩路PWM信號，一路為低頻5Hz輸出，另一路為變頻20Hz～25kHz輸出，送信號處理模塊；轉換處理電流檢測模塊的3路電壓V1～V3輸出信號，判斷3個電極電流是否超過設定值10A，若過流則系統停機；輸出3路控制信號CTR1～CTR3，控制3路電極信號SIN1～SIN3的輸出； 微控制器模塊輸出顯示模塊的顯示信息［16］。

信號處理模塊對兩路PWM信號進行處理，74HC00完成低頻PWM信號對變頻PWM信號的調制， 經74HC14產生3路原始電極信號SIN1～SIN3；74HC00 接收微控制器模塊輸出的控制信號CTR1～CTR3，控制3路原始電極信號的循環輸出［17］，如圖3所示。

圖3 信號處理模塊電路

驅動放大模塊對3路原始電極信號SIN1～SIN3驅動放大， 原始電極信號經Q1～Q9產生由主電源電壓U 直接驅動電極的3 路信號POSE1 ～POSE3，分別接到3片網狀陽極上，在陽極與陰極之間產生旋轉的變頻電場，由于電流較大，采用兩片MOSFET并聯驅動；在3路驅動信號輸出端分別串聯精密取樣電阻R5、R10和R15，將電流信號轉換為電壓信號送電流檢測模塊［18］，如圖4所示。

圖4 驅動放大模塊電路

電流檢測模塊通過電流檢測芯片A1、B1、C1檢測驅動放大模塊3路輸出取樣電阻上的電壓信號， 電流檢測芯片選用MAX4080， 輸出經電阻R1～R6分壓、A2、B2、C2電壓跟隨后產生的3路電壓信號V1～V3送微控制器進行A/D轉換，實現3路電極電流的檢測，防止水中雜質或異物過多引起電極電流過大燒壞功率管［19］，電路如圖5所示。

圖5 電流檢測模塊電路

顯示模塊顯示工作電極、 過流報警等信息。電源模塊采用500W/48V開關電源輸出48V主電壓，20W/12V開關電源和三端穩壓器7805為其他電路供電。

6 軟件設計

主程序首先完成單片機、定時器的初始化，啟動定時器產生PWM信號；然后判斷是否需要變頻和切換工作電極， 需要則改變頻率和切換工作電極； 最后檢測工作電極電流， 判斷電極電流是否過流， 過流則切斷主電源， 顯示電極過流報警信息，系統停機［20］，主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程

7 實驗結果

系統設計完成后，在山東科技大學青島校區中央空調系統循環水中進行了現場實驗，循環水的原始硬度約400mg/L，循環水量約30t，每天檢測循環水電導率、硬度參數，運行5天后檢測吸垢量為8.2kg，檢測結果見表1。

表1 系統現場實驗數據

從實驗數據可以看出，電導率開始時段比較高，反映出系統的阻垢、溶垢能力較強；隨著運行時間的增加電導率不斷降低，且降低明顯，從吸垢量也可得到體現，說明系統吸垢效果明顯。 需要注意的是，電導率、硬度及吸垢量等參數均與原始硬度有關， 原始硬度越大則各參數值越大，否則越小。 從檢測數據可以看出，系統對循環水的軟化效果明顯， 設備通過電極結構的優化設計，既簡化了設備又達到了理想的軟化目的。

8 結束語

筆者所提的工業循環水軟化方法為純物理方法，克服了離子交換軟化法運行成本高、污染環境的弊端，采用變頻直流脈沖電場加循環工作電極的方式，將硬水的活化處理（溶垢）與硬度離子的吸附（除垢）融為一體，與將溶垢和除垢分開、采用兩套電極的軟化方法相比，簡化了設備，降低了成本。 經現場實驗證明，系統對循環水軟化效果較好；控制系統采用模塊化設計，使用靈活方便，對于一套設備不能滿足軟化指標要求的場合，可以隨時增加設備的數量；設備除垢效果良好，運行穩定，實現了軟化水設備的自動運行，在工業鍋爐、中央空調等循環水應用場合具有廣闊的市場應用前景和較高的經濟和社會價值。