Oddziaływanie pola magnetycznego na wodę w instalacji wody użytkowej i kotłowej.

Woda to cząsteczka składająca się z dwóch atomów wodoru (H)
i jednego atomu tlenu (O)12. Jej chemiczna nazwa to H2O. Woda posiada unikalne właściwości fizyczne, takie jak wysokie ciepło właściwe, duże napięcie powierzchniowe czy doskonałe rozpuszczanie wielu związków chemicznych. Z chemicznego punktu widzenia woda występująca w przyrodzie stanowi roztwór substancji nieorganicznych i organicznych występujących na Ziemi. Substancje zawarte w wodzie są pochodzenia naturalnego lub są wprowadzane do wód na skutek działalności człowieka. Obecność w wodzie soli i zanieczyszczeń powoduje wytrącanie się osadów na ściankach instalacji, przez które przepływa woda oraz procesy korozyjne metali i betonów. Obecne  w wodzie sole wapnia i magnezu oraz krzemionka, po przekroczeniu iloczynu rozpuszczalności w danej temperaturze, wytracają się w postaci osadu kamienistego lub szlamu. Proces ten zaczyna się już w strefie podgrzewania wody. Osady powstające poniżej temperatury wrzenia stanowią głównie osady twarde. Osady powstające w strefie odparowywania wody, czyli powyżej temperatury wrzenia mają charakter szlamu, który tworząc zawiesinę gromadzi się w części dennej układu wodnego (zbiornika, instalacji).
Powoduje to ogólne zanieczyszczenie instalacji, ale usuwanie go nie sprawia
dużych kłopotów [1]. Ze względu na przeważającą zawartość określonych składników wyróżnia się trzy rodzaje kamienia kotłowego [1]:

• węglanowy,

• siarczanowy,

• krzemianowy.

Kamień węglanowy może składać się z węglanu wapnia w postaci
gąbczastego osadu o małym przewodnictwie cieplnym lub znacznie twardszego węglanu magnezu.

Kamień siarczanowy (gipsowy) utworzony jest z CaSO₄ oraz
CaSO₄×1/2H₂O i CaSO₄×2H₂O.
Odkłada się on głównie w termicznej obciążonych częściach instalacji grzewczych ze względu na malejącą wraz ze wzrostem temperatury rozpuszczalność.
Charakteryzuje się dużą twardością, ale przewodnictwem cieplnym mniejszym od przewodnictwa kamieni węglanowych. W skład kamieni krzemianowych wchodzą głównie krzemiany wapnia i magnezu, ale również w zależności od zanieczyszczeń, glinokrzemiany. Występujący w wodach zasilających krzemian sodu reaguje z solami wapnia.

Kamień krzemianowy charakteryzuje się dużą twardością i
najmniejszym przewodnictwem cieplnym. Powstawanie kamienia kotłowego w instalacjach grzewczych i wymiennikach ciepła stanowi poważny problem zarówno w gospodarstwach domowych jak i  zakładach przemysłowych. Składający się głownie z warstw osadu węglanu wapnia i magnezu kamień kotłowy, powstaje we wszystkich urządzeniach,
naczyniach i zbiornikach, w których podgrzewa się wodę. Kamień kotłowy osadza się w instalacjach, w których występuje gorąca para wodna, tj. na wewnętrznych ściankach kotłów, czajników, garnków i bojlerów oraz na elementach podgrzewających wodę (np. na powierzchni grzałek elektrycznych). Osadzając się na ściankach urządzeń utrudniają cyrkulację wody i obniżają przewodzenie ciepła przez elementy grzewcze. Małe przewodnictwo cieplne kamienia, oprócz strat energetycznych, powoduje wzrost temperatury blach urządzeń grzewczych, a tym samym miejscowe zmniejszenie ich wytrzymałości. Może to prowadzić nawet do powstawania wybrzuszeń i pęknięć osłabionych elementów. W warstwie kamienia mogą gromadzić się również zawarte w wodzie substancje organiczne.
Zalegające w urządzeniach i instalacjach osady kamienia kotłowego powodują nie tylko korozję i zaburzenia hydrauliczne, ale również obniżają ich sprawność cieplną. Zwiększone zużycie energii oraz konieczność wstrzymania produkcji na czas konserwacji instalacji grzewczych powodują duże straty ekonomiczne. Na przykład warstwa kamienia kotłowego o grubości 1mm powoduje obniżenie wydajności cieplnej o 9,30% oraz stratę 102 ton węgla na tonę wytworzonej pary

W Wielkiej Brytanii obliczono, że przy około 10 milionach „wodnych” domowych instalacjach centralnego ogrzewania, marnowanie nawet
przeciętnie 5% rocznie zużytego paliwa o wartości około 200 funtów, prowadzi do strat sięgających około 100 milionów funtów. Liczba ta nie obejmuje instalacji publicznych i przemysłowych [3]. Chemiczne metody zapobiegania osadzaniu się kamienia kotłowego oraz jego usuwania powodują zanieczyszczenie środowiska oraz wymagają dużych nakładów finansowych. Powoduje to poszukiwanie alternatywnych do chemicznych metod zapobiegających tworzeniu się kamienia oraz umożliwiających usuwanie już istniejących złogów. W tym celu wykorzystuje się między innymi ultradźwięki, promieniowanie UV oraz pole elektryczne i magnetyczne [4]. Szczególnym zainteresowaniem cieszą się w ostatnich latach metody wykorzystujące pole magnetyczne [5-8].

Pierwsze urządzenie do magnetycznego uzdatniania wody opatentował w 1953 roku Vermeiren [9]. Obecnie na rynku oferowanych jest szereg urządzeń do magnetycznej obróbki wody tzw. „magnetyzerów”  [5-8].  Są to urządzenia bazujące na wykorzystaniu stałego pola magnetycznego. Jako główne zalety ich stosowania podaje się niski koszt eksploatacji, łatwość montażu, oraz ze względu na brak konieczności stosowania związków chemicznych, ochronę środowiska.

W związku z rosnącym zainteresowaniem wykorzystania pola magnetycznego do uzdatniania wody, w ciągu ostatnich lat w literaturze
przedmiotu pojawiło się wiele prac dotyczących wpływu pola magnetycznego na fizyczne i chemiczne właściwości wody i roztworów wodnych [9-21] oraz krystalizację soli nieorganicznych [22-32].

Szczególnie dużo badań dotyczy wpływu pola magnetycznego na proces powstawania osadów węglanu i siarczanu wapnia, które stanowią główny składnik kamienia kotłowego [19,22–40]. Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że obecność pola magnetycznego powoduje: powstawanie aragonitu, który słabiej przylega do powierzchni elementów grzewczych niż kalcyt [23,25,30,39], zmienia potencjał dzeta cząstek [24,26,35,42], i promuje homogeniczną precypitację węglanu wapnia tzn. jego powstawanie w objętości cieczy a nie na powierzchni elementów grzewczych [10,39]. Chociaż bardzo często powtarzalność otrzymanych wyników jest stosunkowo niewielka, to zmiany jakie powoduje zastosowanie pola magnetycznego utrzymują się do 200 godz. [32]. Zjawisko to zostało nazwane „efektem pamięci magnetycznej”.

Wykazano również, że zmiany powodowane przez pole magnetyczne zależą m.in. od:

• natężenia pola magnetycznego [23, 25,33,42],
• kierunku
• linii sił pola [20,37
• czasu jego działania [33,39,42],
• szybkości przepływu cieczy [32,19]
• zanieczyszczeń obecnych w badanych układach [23,26,27,35]
• pH [35,28].                                                                                             

Pomimo rosnącego zainteresowanie wykorzystaniem pola magnetycznego do zapobiegania tworzenia się kamienia kotłowego i do oczyszczania wód, ta technika uzdatniania wody jest nadal kontrowersyjna z powodu braku pełnej i jednolitej, a także przekonywującej teorii wyjaśniającej mechanizm działania magnetyzerów. Często te same magnetyzery w jednych instalacjach wykazują pożądane działanie w innych zaś nie. Z pośród proponowanych w literaturze mechanizmów wpływu pola magnetycznego na wodę i roztwory wodne do najczęściej pojawiających się należą mechanizmy związane ze zmianami struktury wody pod wpływem działania pola.

Według  Colica i Morse’a [10] pole magnetyczne/elektromagnetyczne powoduje zaburzenia równowagi na granicy faz gaz/woda, a jego efekty zanikają po odgazowaniu układu. Gazy takie jak CO₂ lub gazy szlachetne promują uporządkowaną klasterową strukturę wody. Struktury takie są dodatkowo stabilizowane przez pole magnetyczne i mogą służyć jako centra heterogenicznego zarodkowania w roztworze.

Knez i Pohar [45] sugerują, że pole magnetyczne wpływa na hydratację jonów CO₃^2-, które należą do grupy jonów destabilizujących strukturę wody. Ponieważ biorą one bezpośredni udział w powstawaniu kryształów CaCO₃, mogą więc również wpływać na równowagę odmian krystalicznych powstającego węglanu wapnia.

Z badań
Higashitaniego i współ. [18,42] wynika, że pole magnetyczne powoduje zmiany w strukturze cząsteczek wody, jonów i hydratowanych jonów zaadsorbowanych na powierzchni cząstek koloidalnych, wynikiem czego jest pogrubienie ich efektywnej warstwy adsorpcyjnej. Powoduje to obniżenie potencjału dzeta oraz zmniejszenie współczynnika dyfuzji. Ponieważ proces agregacji maleje wraz ze wzrostem grubości warstwy adsorpcyjnej, pole magnetyczne powoduje również obniżenie szybkości koagulacji. Jeśli więc warstwa hydratacyjna jonów wapniowych i węglanowych pod wpływem pola magnetycznego staje się grubsza,
trudniej jest ją usunąć w procesie wytrącania. Konsekwencją tego jest
powstawanie mniejszej liczby większych cząstek węglanu. Według 
Higashitaniego i współ. [46] pole magnetyczne powoduje również uporządkowanie cząsteczek wody wokół hydrofobowych łańcuchów.

Toledo i współ. [9] założyli istnienie klasterów wody, w których cząsteczki oddziałują ze sobą poprzez wiązania wodorowe wewnątrz klasterów oraz między sąsiadującymi klasterami. Na podstawie teoretycznych symulacji oraz pomiarów lepkości, napięcia powierzchniowego oraz entalpii parowania wody wywnioskowali, że zewnętrzne pole magnetyczne powoduje osłabienie wiązań wodorowych wewnątrz klasterów wody. Powoduje to rozpad większych klasterów i powstawanie mniejszych klasterów, które silniej ze sobą oddziałują.

Z ostatnich badań przeprowadzonych przez Szcześ i współ. [20,21] wynika, że zastosowanie stałego pola magnetycznego powoduje również zmiany przewodności właściwej wody i roztworów wodnych oraz wzrost szybkości jej parowania. Wielkość tych zmian zależy od rodzaju rozpuszczonego elektrolitu oraz czasu działania pola magnetycznego i jest związana z wielkością termodynamicznych funkcji hydratacji jonów.

Pomimo braku spójnej teorii wyjaśniającej mechanizm działania pola magnetycznego na wodę i roztwory wodne oraz wielu kontrowersji związanych z jego wykorzystaniem do uzdatniania wody i zapobieganiu tworzenia się kamienia kotłowego, magnetyzery cieszą się nadal dużym zainteresowaniem, a na rynku pojawiają się nowe firmy oferujące urządzenia do magnetycznej obróbki wody.

Literatura

1. J. Stańda, Woda dla kotłów parowych i obiegów chłodzących siłowni cieplnych, WNT, Warszawa 1995.
2. mariex.info.wizytowka.pl/
3. ogrzewnictwo.pl/index.php?akt_cms=225&cms=272
4. Saksono, M. Gozan, S. Bismo, E. Krisanti, R.Widaningrum, S. K. Song, Korean J. Chem. Eng., 25(2008) 1145.
5. elektra.internetdsl.pl/idm.htm
6. gp-grup.com.pl/clean.html
7. akra.pl
8. bel-system.pl
9. J.L. Toledo, T.C. Ramalho, Z.M. Magriotis, J.Molecular Structure 888(2008) 409.
10. Colic, D. Morse, Colloids Surf.  A.  154(1999) 167.
11. Nakagawa, N. Hirota, K. Kitazawa, M. Shoda, J. Appl. Phys. 86 (1999) 2923.
12. C. Amiri, A.A. Dadkhah, Colloids Surf.  A. 278 (2006), 252.
13. Deng, X.F. Pang, Chinese Sci. Bull. 52 (2007), 3179.
14. Hołysz, A. Szcześ, E Chibowski, J. Colloid Interface Sci.316 (2007) 996–1002.
15. F. Pang, B. Deng, Physica B403 (2008) 3571.
16. F. Pang, B. Deng, Sci. China Series G: Physics, Mech. Astron.51 (2008) 1621.
17. J.L. Toledo, T.C. Ramalho, Z.M. Magriotis, J. Mol. Struct. 888 (2008) 409.
18. Higashitani, J. Oshitani, J. Colloid Interface Sci. 204 (1998) 363.
19. Gabrielli, R. Jaouhari, G. Maurin, M. Keddam, Water Res.35 (2001) 3249.
20. Szcześ, E. Chibowski, L. Hołysz, P. Rafalski, Chem. Eng. Processing: Process Intensification50(2011) 124.
21. Szcześ, E. Chibowski, L. Hołysz, P. Rafalski, J. Phys. Chem. A, 115(2011),5449
22. E.L Madsen, J. Crystal Growth152 (1995) 94.
23. Kobe, G. Dražić, A. C. Cefalas, E. Sarantopoulou, J. Stražišar, Cryst. Eng. 5 (2002) 243.
24. Chibowski, L. Hołysz, A. Szcześ, Colloids Surf.  A. 222 (2003) 41.
25. Kobe, G. Dražić, P.J. McGuiness, T. Meden, E. Sarantopoulou, Z. Kollia, A. C. Cefalas. Mater. Sci. Eng. C23 (2003) 811.
26. Hołysz, E. Chibowski, A. Szcześ, Water Res.37 (2003) 3351.
27. Chibowski, L. Hołysz, A. Szcześ, M. Chibowski. Water Sci. Techy. 49 (2004) 169.
28. Alimi, M.M. Tlili, C. Gabrielli, M. Georges, M. Ben Amor, Water Res. 40 (2006) 1941.
29. E.L. Madsen, Theory of electrolyte crystallization in magnetic field. J. Crystal Growth. 305(2007) 271.
30. C. Cefalas, S. Kobe, G. Dražic, E. Sarantopoulou, Z. Kollia, J. Stražišar, A. Meden, Appl. Surf. Sci.254 (2008), 6715.
31. Alimi, M.M. Tlili, M. Ben Amor, G. Maurin, C. Gabrielli. Chem. Eng. Proc. 48 (2009) 1327.
32. M.D. Coey, S. Cass, Magnetic water treatment, Journ. Magn. Magn. Mat. 209(2000) 71.
33. Higashitani, A. Kage, S. Katamura, K.  Imai, S. Hatade, J. Colloid Interface Sci.156 (1993) 90.
34. Gher, Z.A. Zhai, J.A. Finch, S. Ram Rao, Wat. Res.29 (1995) 933.
35. Chibowski, A. Szcześ, L. Hołysz, Langmuir21 (2005) 8114.
36. A. Parsons, B.L. Wang, S.J. Judd, T. Stephenson, Wat. Res.31 (1997) 339.
37. S. Backer, S.J. Judd, Wat. Res.30 (1996) 247.
38. Al-Qahtani, Desalination107 (1996) 75.
39. Y. Tai, C-K. Wu, M.-C. Chang, Chem. Eng, Science,63 (2008) 5606.
40. Alimi, M. Tlili, M. Ben Amor, C. Gabrielli, G. Maurin, Desalination206 (2007) 163.
41. Higashitani, K. Okuhara, S. Hatade, J. Colloid Interface Sci.152 (1992) 125.
42. Higashitani, H. Iseri, K. Okuhara, A. Kage, S. Hatade, J. Colloid Interface Sci.172 (1995) 383.
43. Oshitani, R. Uehara, K. Higashitani, J. Colloid Interface Sci.209 (1999) 374.
44. Vallée, J. Lafait, L. Legrand, P. Mentré, M-O. Monod, Y. Thomas, Langmuir 21 (2005) 2293.
45. Knez, C. Pohar, J. Colloid Interface Sci. 281 (2005) 377.
46. Higashitani, J. Oshitani. N. Ohmura, Colloids Surf. A109 (1996) 167.