摘要： 本文主要介绍了水垢对太阳能热水器的种种危害及水垢在太阳能热水器里形成的机理。通过分析水垢形成的机理及原因，提出了不同的防治水垢形成的方法，并对各种方法总结了各自的优缺点、使用环境及现在的市场推广情况。
关键字：太阳能热水器、水垢、离子交换法、电磁法、永磁性、电磁性、阻垢剂、光催化片
一 水垢对太阳能热水器的危害
我们经常看到家里的电壶、电热水器等家用电器，单位的锅炉、换热器等设备在使用一段时间后附着一层厚厚的水垢，这些水垢层将严重阻止热量的传递，降低了设备的传热效率，增加了能耗。不单是电热水器与锅炉结垢，使用太阳能热水器尤其是夏天温度较高，也经常结垢，致使真空管炸管、内胆腐蚀、管路堵塞等故障，水垢对太阳能的危害主要有以下几点。
图3离子交换法原理图
由于实际工作的需要，软化水设备的标准工作流程主要包括：工作(有时叫做产水，下同)、反洗、吸盐(再生)、慢冲洗(置换)、快冲洗五个过程。不同软化水设备的所有工序非常接近，只是由于实际工艺的不同或控制的需要，可能会有一些附加的流程。任何以钠离子交换为基础的软化水设备都是在这五个流程的基础上发展来的(其中，全自动软化水设备会增加盐水重注过程)。
此种方法主要优点是：效果稳定准确，工艺成熟，可以将硬度降低至0。其缺点为：（1）、工作过程会产生过量的再生废液；（2）、耗盐量大，需经常加盐还原；（3）、排出大量含盐废水易引起管道腐蚀，热水使用存在安全隐患；（4）、设备放置在室内占有空间大；（5）、相对于太阳能来说价格偏高。
3、电磁法
采用在水中加上一定的磁场来改变水分子的特性，从而改变碳酸钙(碳酸镁)沉积的速度及沉积时的物理特性来阻止水垢的形成的方法叫做电磁法。电磁法阻垢主要有两种外加磁场的方式：永磁型和电磁型两种结构方案。永磁型防垢器外形呈管状，内部是钕铁硼高磁性材料，外部是碳钢屏蔽体，水从钕铁硼与外壳的夹层流过即被磁化处理，水分子键同时发生角度和长度的变形，氢键角从105℃减小到103℃左右，使水的物理结构发生变化，即原水分子大缔合链状大分子的氢键断裂成单个水分子，水中单个水分子急剧增加，水中溶解盐的正负离子就迅速被大量单个水分子包围，运动速度降低，有效碰撞次数减少，静电引力下降、从而使水中的钙、镁离子无法与碳酸根结合成碳酸钙和碳酸镁，从而达到除垢、防垢、阻垢的效果。同时由于水体吸收大量被激励的电子，使水的偶极矩增强，与盐的正负离子的亲和能力增强，从而使管壁上原有的水垢逐渐松软以至脱落，大缔合水分子成单个水分子后，极微小的水分子可以渗透、疏松、溶解垢体，也能达到除垢的效果。使用条件是：水流过防垢器的流速≥2 M/S；适用水温：0℃~80℃；中心磁场的磁场强度≥160MTØ。永磁型除垢器结构见图4与图5.
电磁型防垢器有管道式防垢器和缠绕式防垢器两种型式，如下图所示，管道式防垢器安装时，管道从管道式防垢器上的孔径穿过（如图6所示）；缠绕式防垢器安装时，把设备上的电源线按照一定的方向缠绕在给水管道上（如图7所示），在通电时两种型式的防垢器线圈都会在给水管道上产生磁场，水流过电磁场切割磁力线，水被磁化，它的磁性来源于通电的线圈，防垢原理与使用条件同永磁性防垢器。电磁防垢器如下图所示。
图8缠绕式除垢仪结构原理图
图9管道式防垢器的应用
此种防垢器的特点是：设备投资小，安装方便，运行费用低；但是效果不够稳定，没有统一的衡量标准，因为通过磁场后的水分子将在24小时左右时间恢复到通磁前的状态，所以处理后对水的使用时间、距离都有一定局限。从原理上看只能应用在循环水或即热式太阳能热水器的防垢处理，针对储水式的太阳能热水器，此种防垢方式还值得探讨。电磁法防垢对磁力大小有硬性指标要求，磁场强度要在2000高斯以上，最主要的是现在磁化功能并没有得到相关的认证，对其可行性与实效性存在质疑。
4、加药剂法
向水中加入专用的阻垢剂，可以使钙镁离子、碳酸根离子与药剂的分子形成络合物，增加其在高温水中的溶解度，从而使水垢不能析出、沉积。目前工业上可以使用的阻垢剂很多，在水处理中常用的阻垢剂有复磷酸盐、有机膦酸、膦羧酸、有机膦酸脂、聚羧酸等。目前在生活用水行业通用的阻垢剂是硅磷晶，它是一种缓慢溶解的球状化学药剂，主要是由多种磷酸盐、硅酸盐经特殊加工工艺制成。如图10与图11所示自来水从进口进入阻垢器，水从装有硅磷晶的药罐里流过，硅磷晶就溶解在水里进入太阳能热水器，消耗量是1~3ppm即１吨(1百万克)水中溶解硅磷晶量1~3克，适应水的钙硬度范围在30~400ppm之间，这对于我国绝大部分地区都是适用的。硅磷晶技术使用方便，无动力消耗，不增加用水系统的阻力，平时无需专人维护，这种方法的特点是：一次性投入较少，适应性广，阻垢、除垢能力强，性能稳定，尤其适合于储水式加热器，只需要根据系统的用水量大小，按时添加硅磷晶。
5、光催化氧化法
光催化氧化反应是目前研究较多的一项高级氧化技术。所谓光催化反应，就是在光的作用下进行的化学反应。光化学反应需要分子吸收特定波长的电磁辐射，受激产生分子激发态，然后发生化学反应生成新的物质，或者变成引发热反应的中间化学产物。他属于光化学反应降解污染物，有催化剂参与的光化学氧化过程，在当前的水处理行业应用方式主要是利用光催化片做为氧化剂，将无机的光敏半导体材料ＴｉＯ2烧固在陶瓷表面，形成牢固的二氧化钛膜面层即光催化片，同时结合一定量的紫外线光线辐照，使光敏半导体在光的照射下激发产生电子-空穴对，吸附在半导体上的溶解氧、水分子等与电子-空穴作用，产生氧化性极强的自由基，再通过与污染物之间的羟基加和、取代、电子转移等方式将污染物降解为无毒物质，无二次污染。最终将水中污染物矿化为无害的二氧化碳和水，也将水中的成垢离子HCO3-、CO32-转化为二氧化碳和水。即使在微光的作用下也能起强烈的光催化作用，具有防污、防臭、抗菌（杀菌）、除（阻）垢的效果，水质经过净化后水PH值呈弱碱性、小分子团，改善了水质。
此种水处理方式在瓶装饮用水行业已开始使用，在太阳能热水器里的使用还在研究阶段。在太阳能中利用方案一：太阳能的水箱至少要做成透光的水箱，或者做成一小部分透光，只要水箱里的水能有光线辐射进去就可以，在水箱里面放置光催化片，光催化片的面积需要与水箱容积相匹配，一般300升水需要配置0.6㎡～1㎡。方案二：在太阳能的进水管道前增加一个透光或半透光的水箱，里面放置光催化片，即前置水箱，前置水箱可以放置在室外或室内，水在前置水箱里就被处理，进入太阳能水箱后就不会结垢。一般光催化片对水的处理时间需要3-4小时，处理过的水能够长时间不结垢。此种阻垢方法的应用技术可行，不过推广的瓶颈主要在加工工艺和产品结构上，即如何把光催化片放置在水箱里，如何把光线引进水箱。
家用饮水机一般是采用反渗透膜(RO)的技术，均可以拦截水中的钙镁离子，从根本上降低水的硬度。这种方法的特点是，效果明显而稳定，水流量小，出水没有压力、对进水压力有较高要求，需要经常更换滤芯，设备投资、运行成本都较高，适合家用饮用水不适合做太阳能热水器用水处理设备，所以在这里就不在详述。
四 总结
通过以上对水垢危害及解决办法的介绍，相信大家对于市场的阻垢除垢的产品能够有所了解并加以鉴别。由于太阳能热水器市场并不十分成熟，产品良莠不齐，许多小厂家做市场宣传时，为了突出自己的产品，出现了很多虚夸太阳能热水器功能的卖点。例如有些太阳能热水器厂家，在太阳能热水器水箱里面加上一根镁棒，就讲述镁棒能阻垢、除垢，使热水器永不生垢，是阻垢型热水器，并以阻垢为他们热水器的卖点，本人实在是不敢恭维，我也咨询过不少镁棒防腐方面的专业人士，镁棒在水中消耗掉变成镁离子，使水的PH值略有增加，更容易生成水垢，怎么能除垢呢？在市场上还有一些厂家用前置的净水器来除垢，据了解净水器一般是起过滤杂质作用的，里面有过滤网与活性炭滤芯，通过净水器的水能够过滤杂质，但是不能过滤钙镁离子，仍然不能起到防垢除垢的目的。
在太阳能热水器日益普及的今天，太阳能领域里正由许多技术人才在研究高温结垢的课题，也有许多的与太阳能相关联企业在为太阳能行业做着积极的贡献，相信太阳能热水器结垢的问题在将来会得到完美的解决。
来源：中国太阳能工程 作者：皇明太阳能股份有限公司 刘洪绪
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