磁化效应的应用

水通过一定强度的磁场后就变成了“磁化水”。目前研究表明水磁化后物理化学性质会发生变化，机理尚不确定。有学者认为，磁场会破坏水原有的结构，使原来较大的缔合水分子团变成较小的缔合水分子团，甚至是单个分子。而且由于洛仑兹力作用下正负离子的反向旋转，分子中的部分氢键会断裂(1)。因此，磁化水表现出一些性质的变化，如pH值、密度、挥发性、溶解度、表面张力、电导率、沸点、冰点等，这些都与外加磁场密切相关(2)。磁化水因其特殊的性质，在工程中得到了广泛的应用。

早在13世纪，人们就已经注意到磁化水的医疗作用。65438-0945年，比利时维尔梅兰公司成功应用磁化水降低锅炉水垢，并申请了专利。这项技术由于装置简单，不需要任何化学试剂，在美国、日本和前苏联得到了广泛的应用和发展。我国对磁化水的研究始于20世纪60年代初。过去由于化学水质稳定剂技术发展迅速，磁化水装置的应用和普及较慢。现在这项技术又重新受到关注。应用对象已涉及建材、化工、冶金、农业、医药等领域。在工业锅炉除垢防垢、油田防蜡降粘、医学磁疗等领域取得了一些成果。近年来，如何将磁化效应与环境污染控制技术相结合，提高污水的处理效果，逐渐引起了人们的兴趣。

磁化影响水性质机理的几个假设和推论

磁化只是一个简单的物理过程，不是软化过程。一般认为，水系统的磁处理主要是加速溶液内部的结晶，从而大大减少盐类在受热面的直接结晶和硬沉积，起到防垢作用。研究表明，磁场的阻垢效果与磁场强度、溶液的过饱和度、流速以及溶液中的各种离子密切相关(4)。另外还有一种说法是磁处理改变了水本身的结构，从而改变了一些性质。同时考虑这两个方面，主要有以下假设和推论(5)。

(1)洛伦兹力

水和磁流的相互运动会产生感应电流。在洛伦兹力的作用下，极性较弱的水分子和其他杂质的带电离子反方向运动。在这个过程中，正负离子或粒子相互碰撞形成一定数量的“离子联合体”，这些离子联合体足够稳定，在水中形成大量的晶核，以这些晶核为核的悬浮粒子可以在水中稳定存在。

(2)两极分化

磁场的极化改变了盐的晶体成分。微粒极性增强，内聚力减弱，使水中原来的长缔合分子链被截断成短缔合分子链和带电离子的变形，破坏了离子间的静电引力，改变了结晶条件。形成分散稳定的小晶体。

(3)滞后效应

磁场引起盐分子或离子在水中的磁偶的磁滞效应，从而改变盐在水中的溶解度，同时使盐分子之间的亲和力(结晶度)消失，阻止大晶体的结晶。

(4)磁矩重新定向

在某个基团反应中，磁场影响了基团中成对磁矩的重取向，通过这样一个中间机制影响其他化学反应。反应动力学发生了变化，新得到的产物在反应结果中的比例关系也发生了变化。

磁化水装置的结构和特点

能制备磁化水的装置叫磁化水装置。根据磁场的形式，磁热水器可分为永磁型和电磁型；根据磁场的位置，磁热水器可分为内磁式和外磁式两种。永磁体和电磁磁化水器在相同的间隙磁场强度下效果相同，但各有特点。永磁热水器最大的优点是不需要能源，结构简单，操作维护方便。但其磁场强度受到磁性材料和磁化技术的限制，随着时间的延长或水温的升高而退磁。电磁磁化水器的优点是磁场强度容易调节，可以达到很高的磁场强度。同时，磁场强度不受时间和温度的影响，稳定性好，但需要外部激励电源。相比于内磁热水器，外磁热水器可能有更大的优势。它的主要优点是维修时不需要停水和拆卸管道，不容易造成磁短路。

目前国内有四项关于磁化水器的专利，通过选择不同的磁性材料和水流路径来达到磁化水的目的(3)。如图1所示，磁化水装置为管状，由不锈钢管制成，两端带法兰，可直接与管道连接。磁化水装置中按N-S和N-S排列两组N、S极相反的特种合金永磁材料磁棒，磁场能量很高，可达6000高斯，使用寿命25年，磁场强度衰减率3%。由于磁化装置由永磁材料制成，不需要外接电源，不耗电。结构简单，不需要任何调整，不需要特殊维护，装置安装非常方便，不占地。

(5)氢键变形

水的偶极分子被磁场定向极化后，电子云会发生变化，导致氢键的弯曲和局部短裂，从而增加单个水分子的数量。这些水分子占据了溶液中的所有空隙，可以抑制晶体的形成。并改变水的整体性能。

(6)活化能的变化

磁场的影响与系统的转变有关。尽管水被磁化后获得的能量很少，但在系统的起点和终点之间存在一个“能量屏障”。为了克服这种能量障碍，必须将相应的能量传递给系统以触发活化能。磁场的短期作用起到了“催化”水体系活化能变化的作用，最终导致整个体系性质的变化。

磁化处理对水体生物效应的影响

3.1磁化处理对藻类初级生产力的影响及其机理。

实验表明:( 6)磁化水中藻类的生产力明显高于未磁化水。

藻类属于光合自养微生物，磁化引起的光合作用的生物效应可以从以下几个方面来解释。首先，光合自养微生物吸收无机环境中的无机盐，利用光能同化CO2和H2O，合成自身物质。而水体磁化可以降低BOD和COD，使部分有机物矿化，有利于藻类的生长。其次，磁化处理导致水的光学性质发生变化。磁化水的光吸收率比未处理的水高30%，水透明度的提高保证了光合自养生物的能量。这是磁化导致藻类快速生长的原因之一。再次，磁化水的硬度、pH值、电导率明显高于非磁化水，无机盐可以很好的溶解在磁化水中，有利于藻类吸收营养。第四，磁化污水可以增加生物膜的渗透性，从而提高藻类对营养物质的吸收，促进藻类的生长和生产能力。

3.2磁化对水中异养细菌总数的影响

异养菌是以有机物为能源和碳源的一大类微生物，其总数随着水中有机物浓度的增加而增加，因此水中异养菌的总数可以间接反映水中有机物的污染程度和水的净化程度。污水经不同强度的磁场处理后，水中细菌总数明显下降。其原因和机理尚不完全清楚，初步认为:一是在磁场的直接作用下，水体中BOD和COD降低，使异养菌中的能量和C营养物质减少，水体中异养菌的死亡速度快于增殖速度，因此出现负增长现象。二是磁力直接作用于细菌细胞内的水和酶，使酶钝化或失活。

因此，污水经过磁化后，不仅直接改善了其营养消耗特性，还具有新的生物学特性。

磁化处理有机废水

有机废水处理是目前污染控制中普遍存在的问题。传统方法包括活性污泥法、生物膜法、厌氧反应器法和氧化塘法。目前，前两种方法是二级处理厂使用最广泛的方法。它们的优点是技术相对成熟，运行稳定，出水可达到允许排放标准。但是，它们的缺点也很突出。资金投入和高昂的运营成本，尤其是高昂的运营成本，让很多单位望而生畏，无力承担如此高的运营成本。因此，污水往往未经处理就直接排入江河湖海。淮河流域65438-0994年发生的流域污染灾害是传统污水处理模式高成本的直接结果。为了实现可持续发展战略，中国的国情要求我们开发一种低投资、高效率、低运行成本的污水处理技术。鉴于这一事实，20世纪90年代初，基于磁化水可以改变水的某些物理特性，改善生物功能，促进生物生长，提高农业、水产产量和处理保健的经验，我们开展了磁化-人工生态系统法处理利用有机废水的研究(7)。近10年的大量实验研究和初步应用证明，这种方法在实际应用中是有效和成功的，有必要广泛推广。

(1)COD去除效果及分析

在水中有氧的情况下，通过改变磁感应强度、水温和磁化流量，对各种污水进行了一系列实验。结果表明，水温对磁化器直接去除污水中的COD没有影响。2.5m/s的磁化流速最佳，有利于核磁共振的形成，磁化具有较强的去除COD的能力。在室温下，磁化速度为2.5m/s左右，磁感应强度为0.262 ~ 0.315t时，各类污水的平均COD去除率为:医院污水25.4%，印染废水21.2%，城市污水16.4%(磁化速度为2.5m/s时为20.0%)。造纸废水8.1%，葡萄糖水17.8%，淀粉水11.1%，氨水8.1%。此外，为了找出瞬间磁化直接降低COD的原因，还对磁化前后的去离子水、自来水和城市污水的溶解氧进行了测试。室温下磁化流量为2.0m/s，最佳磁感应强度为0.315T。磁化前后四组去离子水的溶解氧浓度保持不变，磁处理对溶解氧没有影响。五组自来水磁化后溶解氧略有下降，平均下降4.65438±0%；12组城市污水，磁化后平均溶解氧下降了24.7%。这种瞬间磁化降解有机物，降低污水中溶解氧的现象称为污水磁处理的直接效应。这种作用不是水中微生物酶引起的有机物分解，也不是磁化使水中有机物分子化学键断裂，而是磁处理引起核磁共振激活水中溶解氧，促进部分有机物氧化分解。这可以从三个方面来分析:第一，上述实验中，葡萄糖、水、淀粉水、氨水都是用蒸馏水配制的，其中没有微生物。显然，瞬间磁化并不能通过微生物酶降低污水的COD第二，水和有机分子之间的化学键断裂，这需要相当大的能量。比如水分子的氢键断裂需要4 ~ 6千卡/摩尔的能量，这样低的磁感应强度提供的能量太小，不足以断裂化学键；最后，b？帕特罗夫的实验在一定程度上证实了上述结论。他让溶有氧气的水不断通过感应磁场，水产生5×10-5%的h2O2，H2O 2是一种很强的氧化剂，能直接氧化分解水中的有机物。此外，我们还做了多次污水连续重复磁化的实验。可以看出，随着磁化次数的增加，每次COD去除率急剧下降，趋于水平。因此，当磁处理技术应用于实践时，磁处理器之间的水流应恢复一段时间。经验表明，水力停留时间约为2 ~ 3天或更长。

厌氧条件下磁化对提高水中有机物的分解也有很好的效果，而且更明显。我们选取了四组城市生活污水进行实验。当温度保持在0℃时，最佳磁感应强度仍为0.315 ~ 0.368t，厌氧培养10d测COD。结果表明，磁化处理使COD去除率提高了265438±0% ~ 28%，平均提高了24.5%。肉眼可以清楚地看到效果，但机理需要进一步研究。

(2)水磁处理的生态效应及其间接净化效应。

外界磁场对生物体的影响称为生物磁效应，可分为生物分子效应、细胞效应、组织器官效应和整体效应。比如病毒是简单的大分子微生物，细菌和真菌，基本上单细胞的微生物，原虫和高等生物都是由不同的功能器官组成的，它们的组织器官都是由细胞组成的。污水中的生物种类繁多，结构和功能各不相同。当它们通过一定强度的磁场时，它们的效果也有很大的不同。总的来说，有的被打压甚至死亡；其中一部分被激活，加速新陈代谢和生长，间接提高净化污水的功能。对此，在以下几个方面进行了一系列的实验和分析(8):

(一)污水磁化有很强的杀菌作用。当磁感应强度为0.315 ~ 0.420 t，磁化速度为2.0 ~ 2.5 m/s时，三组水样条件基本相同，杀菌率为74% ~ 81%。但反复磁化后杀菌率增加不多，说明某些种类的细菌可以抵抗磁场的作用，甚至激活其代谢能力，会更快地生长和降解有机物。磁化杀菌的原因可以概括为(7):一是在磁场的直接作用下，BOD和COD降低，使异养微生物的能量和C营养减少，导致水中异养菌的死亡速度快于增殖速度，因此出现负增长现象；二是磁场力直接作用于细菌细胞内的水和酶，使酶钝化或失活。BOD值的降低是细菌总数减少的反映。一方面，在外磁场的直接作用下，BOD随着COD指数的降低而降低。另一方面，在外磁场的作用下，水中的功能微生物(主要是细菌)受到影响，有些细菌的适应性很强，其生命代谢活动不受干扰，或者在一定时间后可以恢复正常。这部分细菌生存的适应性更强。在外磁场的作用下，由于体内外水的物理化学性质(如电导率、表面张力等)的变化，大部分细菌死亡。)以及酶的失活和失活，功能菌数量急剧减少，导致BOD指数下降。因此，认为磁处理后BOD的降低是水中细菌总数减少的反映。综上所述，可以得出结论，外磁场作用于微生物，既有有害作用，也有有益作用。磁处理具有杀菌作用。当磁场强度增加到2100GS(4A)以上时，70%以上的细菌会死亡。磁场的应用可以看作是微生物生存环境的突然变化。能够承受周围环境变化和体内离子、电子转移速度的细菌继续存活，维持正常的生命代谢活动。这些细菌具有更强的适应性，或者说具有更强的生物活性。

(b)活性污泥磁化将明显提高其活性，从而提高污水处理效率。取7组活性污泥，在37℃恒温条件下，观察不同磁场强度处理后的甲基蓝脱色时间。结果表明，在0.367T时，脱色时间由未磁化的29h缩短至24h，污泥活性提高了65，438±07%，这是因为磁化后存活的微生物具有更强的增殖和代谢能力。为了证明这一论断，将三组造纸废水稀释水样分别进行非磁化和磁化处理后，在标准温度下培养，并测定其BOD5。后者高于前者，平均为13%。由此可见，磁处理不仅具有杀菌的作用，还能激活一些功能微生物，加速有机物的降解。

(c)磁化大大增强了藻类的光合作用，并显著增加了水中的溶解氧。在室温下进行两组相同的污水实验。3天后绿藻在磁化水中生长旺盛，在非磁化水中几乎看不到藻类。另外，用三组生活污水比较了磁处理对藻类产氧能力的影响。均表明，当磁感应强度为0.367T时，污水中藻类的产氧能力最高，比未磁化时的平均值高1.1倍。根据藻类固碳生产力与产氧能力的关系，藻类生产力也将提高1.1倍，这与农业有关。主要原因有:①磁化污水加速有机物分解，为藻类生长提供充足的C、N、p N、P等营养物质；②磁化增加生物膜的通透性，为藻类吸收营养创造有利条件；③磁化增强了水的透光率，为藻类光合作用提供了更好的光能。水中溶解氧的增加促进了水中微生物的生长和有机物的分解，二者相互促进，导致有机废水的分解速度加快。

(d)污水磁化可以促进高等水生生物的生长，有利于清除污染物。我们用泥鳅做了实验。在三个水桶(10L)中，1未磁化，两个磁化，磁场强度分别为0.03T和0.25T，分别放养泥鳅1.5kg。其他条件相同。三个月后，所有磁化水泥鳅的产量都比未磁化水的产量高，平均增产65438。此外，泥鳅的耐污性和COD同化试验表明，未磁化桶中的50条泥鳅在第5天全部死亡，磁化桶中的23条泥鳅在第7天存活。因为高等水生动物通过食物链分解转化有机物，间接提高了污水的净化能力。对三组水样7天后的COD进行测定，结果表明，磁化后的2号、3号桶带泥鳅比未磁化和带泥鳅的COD去除率高20%，并以更快的速度转化为对人类有用的产品，变废为宝，防止二次污染。

磁化-人工生态系统法净化污水的应用实例

如图2，1980，在原有污水站的基础上，建设了磁化-人工生态处理系统工程，主要由二次磁化和三个生态塘组成。处理系统有效面积770m2，平均每天可处理医院污水和病房污水700吨。污水直接排入预沉淀调节生态池，水力停留时间约为4.0h，经水泵提升和第一级磁化后，进入放养大量鱼类的生态转换池，水力停留时间为2.0 ~ 2.5d，再次磁化后流入装有许多垂直生态滤管的金鱼池。 停留时间2.5 ~ 3.0d，经生态滤管浓缩后排放，出水达到地表水三级标准，可用于医院绿化和保洁。 该站已使用多年，仅在1994出现过一次，量较小，说明污染物降解转化率较高。本系统中:①预沉淀调节生态池面积180m2，平均水深1.1 ~ 2.5m，兼性，覆盖水葫芦，吸收污水分解的N、P等营养物质；②生态转换池，直径25m，由中心花园池、环形复氧沟和环形外池组成，接收预沉淀池的污水，进行初级磁化。池塘放养了数万条罗非鱼，大量生长的细菌、藻类和原生动物被吞食，使水体得到快速净化，流入中央花园池塘；③生态滤池100m2，平均水深2.3m，其中放养了约6万条金鱼，铺设了多条生态滤管，接收中央花园流出的水，经过二次磁化后，继续生态改造，经生态滤管过滤后排放，完成整个净化过程。BOD、COD、N和P的平均去除率分别为89.9%、87.6%、69.6%和73.6%。该系统基建总投资27万元，相当于日处理污水386元基建投资单价1t/d。年运行费用为7500元，相当于1t/d污水处理年运行单价为10.7元，远低于表1所列常规二级处理的投资单价和运行单价。而且由于污水处理过程中牛蛙、金鱼、罗非鱼、中药材、葡萄的收益，每年可获得收益654.38+0.8万元，比年运行成本多654.38+0.8万元，形成污水处理过程的负投资。由于生态处理中的磁化效应，该方法大大加快和提高了污染物的转化速度和效率，变废为宝，成为投资少、占地小、效率高、运行费用低、无二次污染、有一定产出收益的污水处理新途径。