Магнитная обработка воды находит всё более широкое применение во многих отраслях промышленности и в быту, для устранения накипеобразования в теплообменной аппаратуре, трубопроводах и сантехнических системах. Неоспоримыми достоинствами магнитной обработки в отличие от традиционных схем умягчения воды является простота технологической схемы, экологическая безопасность и экономичность. Сейчас отечественной промышленностью выпускаются различные аппараты магнитной обработки воды, находящие широкое применение в водоочистке и водообработке. В данной статье приведён обзор перспективных современных направлений и подходов в практической реализации противонакипной магнитной обработки воды.

История развития научных идей о противонакипной магнитной обработки воды, насчитывает в нашей стране более 30 лет [1]. Положительные результаты использования омагниченной воды в борьбе с накипеобразованием были достигнуты в нашей стране в начале 70-х годов исследованиями В. И. Классена и его последователей. Многочисленными работами российских исследователей было установлено, что воздействие магнитного поля на воду носит комплексный многофакторный характер и в конечном результате сказывается на изменениях структуры воды, физико-химических свойствах и поведении растворённых в ней примесей, хотя сущность этих явлений окончательно не выяснена. При воздействии на воду магнитного поля в ней увеличивается скорость химических реакций и кристаллизации растворенных веществ, интенсифицируются процессы адсорбции, улучшается коагуляция примесей с последующем выпадением их в осадок [2]. Также имеются достоверные данные, указывающие на бактерицидное действие магнитной обработки воды [3], что важно для её использования в сантехнических системах, где требуется высокий уровень микробной чистоты.

В настоящее время существуют несколько гипотез, объясняющих механизм воздействия магнитного поля на воду. Первые предполагают, что под влиянием магнитного поля происходит формирование центров кристаллизации примесей, что способствует их дальнейшей седиментации [4].

Гипотезы второй группы объясняют действие магнитного поля поляризацией и деформацией растворённых в воде оболочек гидратированных ионов, сопровождающаяся уменьшением их гидрации, повышающей вероятность их сближения [5]. При этом, чем больше и устойчивее гидратная оболочка, тем труднее ионам сближаться или оседать на поверхности адсорбирующих комплексов. Получены и экспериментальные данные, подтверждающие, что под влиянием магнитного поля происходит временная деформация гидратных оболочек ионов, а также изменяется их распределение в воде [6].

Гипотезы третьей группы постулируют, что магнитное поле оказывает воздействие непосредственно на структуру ассоциатов воды, что в свою очередь может привести к деформации водородных связей и перераспределению молекул воды во временных ассоциативных образованиях молекул воды - кластерах, что также влечет за собой изменение физико-химических параметров протекающих в воде процессов [7]. Все эти факторы открывают широкие перспективы для водоподготовки.

Магнитная обработка воды всё более широко внедряется во многих отраслях промышленности, сельском хозяйстве и медицине [8, 9]. Наиболее востребованной и эффективной магнитная обработка воды оказалась в теплообменных устройствах и системах, чувствительных к накипи – в виде образующихся на внутренних стенках труб паровых котлов, теплообменников и других теплообменных аппаратов твёрдых отложений карбонатных (углекислые соли кальция и магния CaCO3, MgCO3), сульфатных (CaSO4) и силикатных солей кальция, магния, железа и алюминия [10]. Согласно нормативам СанПиН 2.1.4.1116–02, норма общей жесткости обрабатываемой воды регламентируется значениями 7-10 мг-экв/л [11]. Повышенная жесткость делает воду непригодной для хозяйственно-бытовых нужд, поскольку в результате эксплуатации теплообменных устройств и труб на такой воде происходит сужение внутреннего диаметра труб и ухудшение условий теплообмена и теплопередачи, т. к. накипь обладает чрезвычайно малым коэффициентом теплопроводности и тем самым создаёт большое термическое сопротивление [12]. Поэтому с течением времени энергетические потери могут сделать работу теплообменника на такой воде неэффективной или вовсе невозможной. Все это приводит к необходимости проведения ремонтных работ, замены трубопроводов и сантехнического оборудования и требует значительных капитальных вложений и дополнительных денежных расходов с целью очистки теплообменной аппаратуры.

Проблемы, связанные с удалением накипи решаются с использованием как химических, так физических (безреагентных) методов. Использование химических методов, как правило, связано с высокими материальными затратами и рядом проблем утилизации использованных в процессе очистки реагентов (чаще всего кислот). При этом часто приходится вкладывать дополнительные материальные затраты, изменять режим работы тепловых аппаратов, применять химические реагенты, изменяющие солевой состав обрабатываемой воды. Использование ионообменных смол для умягчения воды также имеет ряд существенных недостатков, заключающихся в том, что процесс регенерации ионообменных смол в умягчённой воде повышается содержание натрия [13].

Альтернативным способом борьбы с известковыми отложениями признана магнитная обработка воды с помощью магнитных устройств, которая по сравнению с традиционными способами умягчением воды технологически проста, экологически безопасна и экономична. Кроме этого, обработанная магнитным способом вода не приобретает никаких побочных, вредных для здоровья человека свойств и существенно не меняет солевой состав, сохраняя высокие вкусовые качества питьевой воды.

Магнитная обработка эффективна при водообработке вод кальциево-карбонатного класса, которые составляют около 80% всех вод России. Области применения магнитной обработки воды охватывают паровые котлы, теплообменники, бойлеры, компрессорное оборудование, линии подачи воды к валкам типографских машин, системы охлаждения двигателей и генераторов, генераторы пара, сети снабжения теплой и холодной водой, системы централизованного отопления, трубопроводы и т.д.

Принцип действия существующих магнитных устройств умягчения воды основан на комплексном многофакторном воздействии магнитного поля, генерируемого постоянными магнитами или электромагнитами на растворённые в воде гидратированные ионы металлов и структуру кластеров воды, что приводит к изменению скорости электрохимической коагуляции (слипания и укрупнения) дисперсных частиц в потоке намагниченной жидкости. В результате содержащиеся в воде магниевые и кальциевые соли теряют способность формироваться в виде плотного отложения и выделяются в виде легко удаляемого потоком воды шлама, скапливающегося в грязевиках или отстойниках. В целом, магнитная обработка воды обеспечивает снижение коррозии стальных труб и оборудования на 30-50% (в зависимости от состава воды), что дает возможность увеличить срок эксплуатации теплоэнергетического оборудования, водопроводов и паропроводов и существенно снизить аварийность [14].

Экспериментально доказано, что на неподвижную воду магнитные поля действуют гораздо слабее, поскольку обрабатываемая вода обладает некоторой электропроводностью; при ее перемещении в магнитных полях генерируется небольшой электрический ток [15]. Поэтому данный способ обработки воды часто обозначается магнитогидродинамической обработкой (МГДО). С использованием современных методов МГДО можно добиться таких эффектов в водоподготовке как, снижение значения рН воды (для снижения коррозионной активности потока воды), создание локального увеличения концентрации ионов в локальном объёме воды (для преобразования избыточного содержания ионов солей жёсткости в тонкодисперсную кристаллическую фазу и предотвращения выпадения солей на поверхности трубопроводов и оборудования) и др. [16].

Конструктивно большинство аппаратов магнитной обработки воды (АМО) представляют собой магнитодинамическую ячейку, изготавливаемую в виде полого цилиндрического элемента из нержавеющей стали, с магнитами внутри, врезающегося в водопроводную трубу с помощью фланцевого или резьбового соединения [17]. Выпускаемые отечественной промышленностью аппараты для магнитной обработки воды могут быть установлены в систему водоснабжения через фланцевое или резьбовое соединение как в промышленных, так и бытовых условиях: в магистралях подающих воду в водопроводные сети горячей и холодной воды в доме, бойлерах, проточных водонагревателях, паровых и водяных котлах, системах охлаждения различного технологического оборудования (компрессорные станции, термическое оборудование, сантехнические системы), стиральных и посудомоечных машинах.

Сейчас отечественной промышленностью выпускается два типа аппаратов для магнитной обработки воды (АМО) – на постоянных магнитах и работающих от источников переменного тока электромагнитах. Требования, регламентирующие условия их работы следующие:

• подогрев воды в аппарате должен быть не выше 95 °С;
• содержание ионов железа в обрабатываемой воде - не более 0,3 мг/л.
• карбонатная жесткость - не выше 9 мг-экв/л;
• содержание растворенного кислорода - не более 3 мг/л, а сумма хлоридов и сульфатов - не более 50 мг/л;
• скорость воды в аппарате 1-3 м/с.

В конструкциях магнитных аппаратов применяются постоянные магниты на основе порошкообразных носителей магнитофоров, ферромагнетиков из феррита бария и редкоземельных магнитных материалов из сплавов редкоземельных металлов неодима (Nd), самария (Sm) с цирконием (Zr), железом (Fe), медью (Cu), титаном (Ti), кобальтом (Co) и бором (B). Последние предпочтительнее, т.к. они обладают большим сроком эксплуатации, намагниченностью 1500-2400 кА/м и остаточной индукцией 1,0-1,3 Тл (таблица 1) и не теряют своих свойств при нагреве до 140 °С.

Постоянные магниты, ориентированные определенным образом располагаются внутри цилиндрического корпуса, изготовленного из нержавеющей стали, на концах которого находятся снабженные центрирующими элементами конусные наконечники, соединенные аргонно-дуговой сваркой. В аппаратах с электромагнитами, электромагниты могут быть расположены как внутри аппарата, так и вне его.

В экономическом плане более выгодно использовать аппараты на постоянных магнитах. Основной недостаток этих аппаратов в том, что постоянные магниты на основе феррита бария размагничиваются на 40-50% после 5 лет эксплуатации.

Лидирующие позиции на отечественном рынке устройств магнитной обработки воды занимают гидромагнитные системы (ГМС), аппараты магнитной обработки воды (АМО), магнитные преобразователи и активаторы воды серий МАВР, АМП, МПАВ, МВС, КЕМА. Большинство из них схожи по конструкции и механизму функционирования (рисунок 1).

Рис. 1. Виды аппаратов для магнитной обработки воды с фланцевыми и резьбовыми соединениями.

Современные аппараты для магнитной обработки воды, выпускаемые отечественной промышленностью, с успехом используются для предотвращения накипи; для снижения эффекта накипеобразования в трубопроводах горячего и холодного водоснабжения общехозяйственного, технического и бытового назначения, нагревательных элементов котельного оборудования, теплообменников, парогенераторов, охлаждающего оборудования и т.п.; для предотвращения очаговой коррозии в трубопроводах горячего и холодного водоснабжения общехозяйственного, технического и бытового назначения; осветления воды (например после хлорирования), в этом случае скорость осаждения примесей увеличивается в 3-4 раза, что требует отстойники в 3-4 раза меньшей емкости; для увеличения фильтроцикла систем химической водоподготовки - фильтроцикл увеличивается в 1,5-2 раза (соответственно уменьшается потребление реагентов), а также для очистки теплообменных агрегатов. При этом аппараты могут использоваться самостоятельно или как составная часть систем подготовки воды в жилых помещениях, постройках, детских и лечебно-профилактических учреждениях, для водоподготовки в пищевой промышленности и т.п. Таким образом, на отечественном рынке существуют различные модели магнитных устройств обработки воды, которое является очень перспективным динамично развивающимся современным направлением в водоподготовке и умягчении воды, вызывающее множество сопутствующих физико-химических эффектов, природу и область применения которых еще только начинают изучать. Проникновение в суть этого интересного физико-химического явления откроет не только существенные практические возможности водоочистки и водообработки, но и новые раннее не изученные свойства воды.

Литература:

1. Очков В. Ф. Магнитная обработка воды: история и современное состояние. Энергосбережение и водоподготовка. 2006. № 2
2. Классен В.И. Омагничивание водных систем. М., «Химия», 1978.
3. Соловьева Г. Р. Перспективы применения магнитной обработки воды в медицине. // В сб.: Вопросы теории и практики магнитной обработки воды и водных систем. - М., 1974.
4. Мартынова О.И., Гусев Б.Т., Леонтьев Е.А. К вопросу о механизме влияния магнитного поля на водные растворы солей. – «Успехи физических наук», 1969, т. 98, вып. 1.
5. Чеснокова Л. Н. Вопросы теории и практики магнитной обработки воды и водных систем. - М.: Цветметинформация, 1971.-С. 75.
6. Kronenberg Klaus. "Experimental evidence for the effects of magnetic fields on moving water". IEEE Transactions on Magnetics (Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.), 1985, 21 (5): 2059–61
7. Банников В. В. Электромагнитная обработка воды. Экология производства. №4, 2004, с. 25-32.
8. Пороцкий Е.М., Петрова В.М. Исследование влияния магнитной обработки воды на физико-химические свойства цемента, раствора и бетона // Материалы научн. конф. Л.: ЛИСИ, 1971].
9. Espinosa AV, Fonseca Rubio R. Soaking in water treated with electromagnetic fields for stimulation of germination in seeds of pawpaw (Carica papaya L.) Centro Agricola, 1997;24(1):36-40.
10. Штереншис И. П. Современное состояние проблемы магнитной обработки воды в теплоэнергетике (обзор). – М.: Атоминформэнерго, 1973. – 78 с.
11. Правила и нормативы СанПиН 2.1.4.1116-02. Питьевая вода и водоснабжение населённых мест. Минздрав России Москва, 2002
12. Мартынова О. И., Копылов А. С. , Теребенихин Е. Ф., Очков В. Ф. К механизму влияния магнитной обработки на процессы накипеобразования и коррозии. – «Теплоэнергетика», 1979, № 6.
13. Присяжнюк В. А. Жесткость воды: способы умягчения и технологические схемы. СОК. Рубрика Сантехника и водоснабжение. № 11, 2004.
14. Тебенихин Е. Ф., Гусев Б. Т. Обработка воды магнитным полем в теплоэнергетике. М.: Энергия, 1970. С. 144.
15. Гульков А. Н., Заславский Ю. А., Ступаченко П. П. Применение магнитной обработки воды на предприятиях Дальнего Востока // Владивосток: изд-во Дальневосточного университета. 1990. С. 134;
16. Щелоков Я. М., О магнитной обработке воды. "Новости теплоснабжения", № 8, (24), август, 2002, С. 41–42.
17. Домнин А. И. Гидромагнитные системы – устройства для предотвращения образования накипи и точечной коррозии. "Новости теплоснабжения", № 12, (28), декабрь, 2002, С. 31–32.