專利名稱：活化處理水中硅酸的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對水中硅酸進(jìn)行活化處理的水處理裝置，將該裝置用于循環(huán)水系統(tǒng)中時(shí)，可以有效地抑制循環(huán)水中水銹和/或水垢的發(fā)生。
日本專利申請?zhí)卦钙?-227193揭示了這樣一個事實(shí);在水中施加電磁場，使水以一定流量通過該電磁場，可以得到不易生成水垢的水。
但是，采用怎么的裝置才能使水銹、水垢的產(chǎn)生降到最小限度呢？這一課題目前正在探索中。
眾所周知，硅酸在天然水中可以以單體形式存在，但有時(shí)也聚合成雙體以上的聚合體，隨著聚合度的增加而逐漸膠質(zhì)化，這時(shí)，它與水分子或各種無機(jī)、有機(jī)離子等結(jié)合或吸附在它周圍，成為可溶性絡(luò)鹽。本發(fā)明中使用的“使硅酸活化”這一詞語，指的就是使水中的以單體形式存在的硅酸變成具有上述作用的聚合體。
在已往的冷卻水濃縮運(yùn)行管理中，使用導(dǎo)電率計(jì)，因?yàn)閷?dǎo)電率是表示冷卻水濃縮程度的指標(biāo)之一。但在實(shí)際中，冷卻水的濃縮模式是非常復(fù)雜的，冷卻水中的各種離子、鹽類等溶質(zhì)在其性質(zhì)、相互作用、PH值、溫度等影響下，導(dǎo)電率表現(xiàn)出理論上難以解釋清楚的微妙變化，在這種情形下，最合理的科學(xué)方法是采用統(tǒng)計(jì)處理。
本發(fā)明的發(fā)明者們根據(jù)多年經(jīng)驗(yàn)，一邊觀察PH值、游離碳酸、飽和指數(shù)的變化，一邊對補(bǔ)給水或冷卻水進(jìn)行化學(xué)分析，測量導(dǎo)電率、氯離子濃度、硫酸根離子濃度、M堿度、總硬度、硅酸根離子濃度和蒸發(fā)殘留物濃度，將得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為冷卻水/補(bǔ)給水的濃縮倍數(shù)值，通過對該濃縮倍數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，發(fā)現(xiàn)能得到最好且最適宜的冷卻水和循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。
即，分別求出根據(jù)上述7個試驗(yàn)項(xiàng)目得到的濃縮倍數(shù)值，設(shè)其平均濃縮倍數(shù)為(X)，例如，當(dāng)硫酸根離子的濃縮倍數(shù)高于(X)、M堿度的濃縮倍數(shù)低于(X-，)時(shí)，對冷卻塔中SO2氣體的排氣影響，以及隨各個濃縮倍數(shù)的一系列變化，所顯示出的CaSO4類或CaSiO2類水垢生成的可能性進(jìn)行考慮，這比單純地比較化學(xué)分析數(shù)值更容易定量地掌握濃縮倍數(shù)。
設(shè)各試驗(yàn)項(xiàng)目的濃縮倍數(shù)分別是導(dǎo)電率＝X1、氯離子＝X2、硫酸根離子＝X3、M堿度＝X4、總硬度＝X5、硅酸根離子＝X6、蒸發(fā)殘留物＝X7，用下式求得標(biāo)準(zhǔn)偏差(S)
式中，i＝1，2，3，4，5，6，7。
用式(S／X)×100求出變化系數(shù)(CV%)，這樣就可以更確切地掌握有關(guān)水銹、水垢發(fā)生的情形。
對一定水質(zhì)的水進(jìn)行濃縮，在達(dá)到某一濃縮倍數(shù)之前，標(biāo)準(zhǔn)偏差值是小的，一旦超過該濃縮倍數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)偏差值就會急劇增大，冷卻水運(yùn)行狀態(tài)惡化，產(chǎn)生水垢、腐蝕、沉淀。這樣，例如，總硬度、硅酸離子的濃縮倍數(shù)比X大大降低，僅該下降部分就會使CaSiO2等從冷卻水中析出來，形成水垢。這與在實(shí)際中打開熱交換器、鍋爐(蒸汽鍋爐)時(shí)所見到的水垢、腐蝕情形非常吻合。
本發(fā)明的發(fā)明者從許多試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)由(S／X)×100所表示的變化系數(shù)(CV%)在10%以下時(shí)，冷卻水的運(yùn)行會處于最好狀態(tài)，無水垢和腐蝕的發(fā)生;變化系數(shù)(CV%)在20%以內(nèi)時(shí)，為可容許狀態(tài)。從而得到了水質(zhì)運(yùn)行管理上的有效指標(biāo)。并且還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)濃縮倍數(shù)超過5時(shí)，即使使用通常的水垢抑制劑，雖然因水質(zhì)而異，但將CV%控制在20%以內(nèi)是極為困難的。
在日本申請?zhí)卦钙?-227193中描述到水銹水垢的產(chǎn)生與水中的硅酸有重要關(guān)系，雖然其作用原理尚不十分清楚，但可認(rèn)為是以下這樣的機(jī)理，即通過某種方式硅酸獲得大量的能量，使溶解在天然水中的呈H2SiO3狀態(tài)的硅酸變成離子(HSiO-3)的硅被活化，由單體聚合成聚合體，在此過程中與水中的其它金屬離子形成可溶性絡(luò)鹽，通過解膠作用形成穩(wěn)定的懸濁液，然后在金屬表面形成一層被膜，結(jié)果就產(chǎn)生了防止水銹、污垢、水垢生成的效果。
本發(fā)明的發(fā)明者就活化水中硅酸的方法進(jìn)行了種種探索，發(fā)現(xiàn)不必采用電磁場處理裝置預(yù)先控制待處理水中硅濃度的處理方法，而僅僅使水通過由連接某種特定高頻電源的線形天線產(chǎn)生的振動電磁場，就能有效地對硅酸進(jìn)行活化，可將上述的CV%控制在20%以內(nèi)，達(dá)到防止產(chǎn)生水銹水垢和改善水質(zhì)的目的。并將此法申請了專利。(日本申請?zhí)卦钙?-316728)。
上述方法中使用的水處理裝置，是在具有水出入口的鋼管內(nèi)設(shè)置長度為1、 1/2 或 1/4 波長的線形天線，在該天線上連接一個150～450MHz的高頻電源，形成電場。但是，由于這時(shí)未對通過電場的水流進(jìn)行控制而使水流有時(shí)呈現(xiàn)紊流，有時(shí)呈現(xiàn)與天線軸向相平行的層流，將水中硅酸活化需要一定時(shí)間，而這時(shí)的水流不能停留在電磁場內(nèi)，所以不能充分地使硅酸活化，從而不能充分地防止水銹和水垢的生成。
本發(fā)明的發(fā)明者們對通過天線產(chǎn)生的磁場和電場方向、強(qiáng)度以及水流方向、流速等進(jìn)行了深刻的研究，發(fā)現(xiàn)為了最有效地使水中的硅酸活化，得到生成水銹水垢少的水，必須控制水槽內(nèi)的水流，使水流與磁場垂直相交，使水流橫向切割磁場的時(shí)間最大。本發(fā)明就是基于上述理論，對天線的形狀、水流方向控制等進(jìn)行研究之后而做出的。
本發(fā)明的目的是提供一種對水中的硅酸進(jìn)行活化處理的裝置。該裝置中，選擇使用螺旋天線，設(shè)定水流方向，使得由高頻電源產(chǎn)生的振動電磁場與水流方向垂直相交。
本發(fā)明的裝置中，在圓柱形水槽(1)的中心軸(10)上，沿圓柱中心軸方向配置一個與高頻電源相連接、能產(chǎn)生振動電磁場的螺旋天線(2)，在圓柱形水槽(1)的中心軸上，沿中心軸方向配置一個螺旋天線(2)，它與大約150～450MHz的高頻電源相連接，可產(chǎn)生振動的電磁場，它的長度為1、 1/2 或 1/4 波長。帶噴水管(4)的進(jìn)水管(3)從水槽(1)的頂部或側(cè)壁上部插入水槽(1)內(nèi)，并使噴水管(4)呈水平狀，出水管(5)配置在水槽(1)的下部或底部，上述噴水管開口端和圓柱形水槽圓柱中心連線與噴水管軸線間的夾角θ在0＜θ≤90°的范圍內(nèi)。
本發(fā)明中，對圓柱形水槽(1)的大小并無特別限制，大體上直徑5～20cm，高20～200cm，材質(zhì)也無特殊要求，可采用不銹鋼、鋼鐵、塑料等。
本發(fā)明的裝置中，螺旋天線(2)連接在頻率為150～450MHz的高頻電源(9)上，產(chǎn)生與硅的固有振動頻率相吻合的振動電磁場。螺旋天線通常采用長度為1波長、 1/2 波長或 1/4 波長的天線，換算成線形天線約有1000mm，500mm，250mm長，繞徑為5～20mm，最好約10mm，材質(zhì)用不銹鋼、鐵、鋼、銅等導(dǎo)體即可滿足使用要求。一個較好的實(shí)施例是將300MHz(波長約1m)的高頻電源連接到天線上，電源輸出頻率為1W時(shí)，天線的電源約有10mA，即可產(chǎn)生所需要的與硅的固有振動功率相吻合的振動電磁場。這時(shí)，由于螺旋天線(2)設(shè)置在圓柱形水槽中心軸(10)的軸向上，當(dāng)來自高頻電源的電流通過時(shí)，如

圖1的模擬圖(B)所示，在垂直天線的面b上形成了磁場，(圖1A表示采用通常的線形天線時(shí)的磁場面a)。
本發(fā)明的關(guān)鍵在于，怎么在上述裝有螺旋天線的圓柱形水槽中，設(shè)置引入未處理水的進(jìn)水管和排出已處理水的出水管，即，在本發(fā)明的裝置中，帶有噴水管(4)的進(jìn)水管(3)從圓柱形水槽(1)頂部或側(cè)壁上部(見圖2)插入圓柱形水槽內(nèi)，并使噴水管(4)呈水平狀，在水槽下部或底部設(shè)置排出處理過水的出水管(5)。圓柱形水槽可做成密閉式的，也可做成頂部開放式的，密閉式水槽具有使水在壓力下強(qiáng)制循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)。(圖2表示的將噴水管(4)與進(jìn)水管(3)連接成整體作為一根管的情形)。
本發(fā)明中特別重要的一點(diǎn)是，上述噴水管開口端(6)和圓柱形水槽的圓柱中心(7)的連線與噴水管軸(8)的夾角θ必須在0＜θ≤90°的范圍內(nèi)(見圖2D)。由于這一設(shè)計(jì)，水流垂直地切割螺旋天線產(chǎn)生的磁場，形成自上而下流入出水管的旋流(F)，圓柱形水槽內(nèi)的水垂直地切割磁場的磁力線，而向下流動，因而簡單而方便地實(shí)現(xiàn)了對水流的控制。
上述角度θ最好在90°左右，因?yàn)檫@時(shí)能使水流垂直地切割磁場。但只要θ角不為0°，就能得到旋轉(zhuǎn)的水流，成為橫切螺旋天線所形成磁場的水流，所以與已往僅由線形天線、進(jìn)水口及出水口構(gòu)成的裝置相比較，可以更高效而切實(shí)地對水進(jìn)行處理。
上述的噴水管(4)和進(jìn)水管(3)可以呈直線排列連接成一個整體，或呈T字型連成整體，分別構(gòu)成獨(dú)立部分。
此外，要處理的水的流向可以是順時(shí)針方向，也可以是逆時(shí)針方向，水的出口可設(shè)在距進(jìn)水口任意位置處，但從處理效果上看，出口應(yīng)設(shè)置在離入水口盡可能遠(yuǎn)的地方，最好設(shè)在圓柱形水槽的下部或其附。
按照本發(fā)明，在以天線軸(圓柱中心軸)為中心的同心圓切線方向，即垂直于磁場的方向上形成水流，水中的硅酸與水流一起流動，使硅酸分子共振的頻率帶的電磁波垂直于水流流動方向，因而可以最有效地對硅酸進(jìn)行活化。
在已往的技術(shù)中，由于紊流等原因，極小部分的水，即只有一部分硅酸垂直切割電磁場，大部分的水沒有受電磁波的作用就流過了電磁場，因此活化效率低。
另外，在本發(fā)明中，由于水成旋流狀通過密閉的圓柱水槽，所以壓力損失小，特別當(dāng)使用旋流式圓柱水槽時(shí)，因?yàn)樾髯饔?，可以有效地進(jìn)行固液分離，使得混入水中的水垢碎屑、砂粒及膠質(zhì)化的硅酸鹽等固體成分有效地分離出去。
當(dāng)流量在0.2～200m3/時(shí)的流量范圍內(nèi)時(shí)，用本發(fā)明的裝置可以有效地對水進(jìn)行處理。圓柱形水槽的直徑取決于水的處理量、流量，通常直徑為5～20cm。
用本發(fā)明的裝置對水進(jìn)行處理以后，水中的硅酸被活化了，采用經(jīng)這樣處理過的水，可以有效地抑制鍋爐、冷卻塔等循環(huán)水系統(tǒng)、給水管線等非循環(huán)水系統(tǒng)中水銹和/或水垢的生成，從而在食品、飲料等工業(yè)部門，可以得到使用價(jià)值高的、水質(zhì)良好的水。
使水通過與高頻電源相連接的螺旋天線所發(fā)出的振動的電磁場后，水中的硅酸能夠被活化，其作用原理尚不十分清楚，但是可這樣認(rèn)為溶解在天然水中的呈離子化(HSiO-3)的硅，用某種方式獲得大量的能量，使其活化由單體聚合成聚合體，在該過程中，和水中的其它金屬離子等結(jié)合成絡(luò)鹽，由解膠作用生成穩(wěn)定的懸濁液，進(jìn)一步在金屬表面形成一層被膜，結(jié)果就產(chǎn)生了能防止水銹、污垢、水垢生成的效果。
圖1表示電流按箭頭方向流過時(shí)，線形天線(A)和螺旋天線(B)所產(chǎn)生的磁場面(a)、(b)。
圖2是本發(fā)明水處理裝置的頂視圖(A)、縱斷面圖(B)、側(cè)面圖(C)和上部橫截面圖(D)。
圖3是將本發(fā)明裝置用于循環(huán)冷卻水系統(tǒng)管線時(shí)的水路圖。
圖4是將本發(fā)明的裝置用于鍋爐給水系統(tǒng)中時(shí)的水路圖。
以下，參照附圖通過實(shí)施例說明本發(fā)明的裝置。
實(shí)施例1和對比例1將圖2所示的本發(fā)明的裝置用于圖3所示的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)管線中，在圖3中，冷卻水從開放式冷卻塔的下部(12)流出，由泵(13)經(jīng)熱交換器(14)再被送到冷卻塔上部(11)，在噴灑期間進(jìn)行水的濃縮，循環(huán)水的濃度逐漸增高，補(bǔ)給水被送到冷卻塔內(nèi)，本發(fā)明的裝置(15)設(shè)置在泵(13)與熱交換器(14)之間。這里使用的本發(fā)明裝置是如圖2所示的裝置，直徑約為20cm，高約150cm，在圓柱形水槽中的中心軸上，設(shè)有直徑約為3mm，線長約500mm、長度為 1/2 波長的不銹鋼螺旋天線，天線的繞徑約10mm，纏繞間隔約0.5mm，設(shè)天線連接在水槽外部的頻率約為300MHz的高頻電源上，水槽圓柱中心和噴水管開口端的連線與噴水管軸線間的夾角θ約為90°。此外，為了比較起見，同時(shí)還對采用桿狀天線的裝置作了對比實(shí)驗(yàn)，該桿狀天線(輸出功率為1W，天線電流約10mA，約300MHz)長度與螺旋天線長度相等。用如表1所示成分的工業(yè)用水作為補(bǔ)給水，將導(dǎo)電率作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)。裝置(15)的流量設(shè)定為50m3/時(shí)。
當(dāng)水的導(dǎo)電率達(dá)到約450μs/cm時(shí)，對二者的循環(huán)水做取樣分析，結(jié)果如表1所示。
表1對照例 實(shí)施例1冷卻水 冷卻水補(bǔ)給水軸流,桿 (旋流,螺倍 倍狀天線 旋天線)pH 6.8/21℃ 8.2/21℃ 8.5/21℃導(dǎo)電率(μs/cm) 90 440 4.89 450 5.00Cl-(mg/l) 9.2 34 3.70 36 3.91SO4-(mg/l) 6.1 39 6.39 40 6.56
M堿度(mg/l) 22 100 4.55 110 5.00總硬度(mg/l) 26 110 4.23 130 5.00SiO2(mg/l) 16 43 2.69 61 3.81Fe(mg/l) 0.17 0.32 - ND -蒸殘 63 330 5.24 340 5.40X 4.526 4.954S 1.171 0.929變化系數(shù) 25.8% 18.8%由表1可見，SiO2的濃縮倍數(shù)增大，變化系數(shù)卻降低了，通過觀察可以明顯地看到，在旋流液中有冷卻塔內(nèi)壁面剝落的綠藻類。
實(shí)施例2與對照例2如圖4所示，通過軟水器(16)送到給水槽(17)的水從水槽(17)由泵(18)送到鍋爐(19)，為了處理給水槽(17)內(nèi)的水，用泵(20)將水槽(17)內(nèi)的水送到與實(shí)施例1相同的本發(fā)明的裝置(21)(如2所示的)中，再循環(huán)回給水槽(17)。為了比較起見，同時(shí)還與實(shí)施例1中使用的裝有桿狀天線的裝置相同的處理裝置作對比試驗(yàn)，該裝置放在與本發(fā)明的裝置(21)同樣的位置上，所供給的軟水的成份如表2所示，振動電磁場發(fā)生裝置的輸出功率約1W，天線的電流約10mA，裝置內(nèi)處理水的流量約為15m3/時(shí)，軟水的初始導(dǎo)電率約為310μs/cm，使鍋爐給水系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)持續(xù)到導(dǎo)電率達(dá)到約3620μs/cm時(shí)，對鍋爐內(nèi)的水進(jìn)行采樣分析，其結(jié)果如表2所示。
表2對照例2 實(shí)施例2鍋爐水 濃縮 鍋爐水 濃縮軟水軸流,桿 倍數(shù) 旋流,螺 倍數(shù)狀天線 旋天線pH值 6.4/16℃ 11.5/17℃ 11.1/16℃導(dǎo)電率(μs/cm) 310 3670 11.84 3620 11.68氯離子(mg/l) 14 250 17.86 240 17.14硫酸根離子(mg/l) 44 590 13.41 610 13.86M堿度(mg/l) 80 940 11.75 950 11.88總硬度(mg/l) 1.0 0 - 0硅酸根離子(mg/l) 48 580 12.08 590 12.29總鐵(mg/l) 0.11 0.58 - 0.23 -蒸發(fā)殘留物(mg/l) 220 2840 12.91 2650 12.01鈉離子(mg/l) 56 720 12.86 680 12.14平均濃縮倍數(shù)X13.244 13.006標(biāo)準(zhǔn)偏差S 2.127 1.959變化系數(shù) 16.1% 15.1%從表2可見，硅酸離子的濃縮倍數(shù)增大，變化系數(shù)卻降低了，總鐵的濃縮倍數(shù)降低，旋流、螺旋天線的效率卻升高了，此外，用內(nèi)窺鏡觀察鍋爐內(nèi)部的熱交換器，發(fā)現(xiàn)在使用旋流、螺旋天線的如實(shí)施例2中所示的裝置后，水垢顯著地剝落了。
權(quán)利要求
1.一種對水中硅酸進(jìn)行活化處理的裝置，其特征在于在圓柱形水槽(1)的中心軸上，沿該中心軸方向配置一個與頻率為150～450MHz的高頻電源相連接的螺旋天線(2)，該螺旋天線(2)產(chǎn)生振動的電磁場，長度為1、 1/2 或 1/4 波長，帶噴水管(4)的進(jìn)水管(3)從頂部或側(cè)壁上部插入水槽內(nèi)并使噴水管(4)呈水平狀，出水管(5)配置在水槽(1)的下部或底部，上述噴水管開口端和圓柱形水槽圓柱中心的連線與噴水管軸線之間的夾角為θ，0＜θ≤90°。
2.如權(quán)利要求1所述的處理裝置，其特征在于θ為90°。
3.如權(quán)利要求1或2所述的處理裝置，其特征在于圓柱形水槽是由上部的圓柱體和下部的倒圓錐體組成的旋流式水槽。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種對水中硅酸進(jìn)行活化處理的裝置，其結(jié)構(gòu)是在圓柱形水槽的中心軸上，沿該中心軸方向配置一個與高頻電源相連接的、可產(chǎn)生振動電磁場的螺旋天線，該螺旋天線長度為1、1/2或1/4波長，帶噴水管的進(jìn)水管從水槽頂部或側(cè)壁上部插入水槽，水槽下部或底部設(shè)有出水管，噴水管開口端和圓柱形水槽圓柱中心的連線與噴水管軸線之間的夾角為θ，0＜θ≤90°，水在圓柱形水槽內(nèi)垂直地切割磁場，旋轉(zhuǎn)流動。用本發(fā)明裝置可以對水中的硅酸進(jìn)行有效地活化。
文檔編號C02F1/48GK1077145SQ93102960
公開日1993年10月13日 申請日期1993年2月12日 優(yōu)先權(quán)日1992年2月14日
發(fā)明者大江武男, 河野典男 申請人:日本臟器制藥株式會社