摘要： 本文主要介紹了水垢對太陽能熱水器的種種危害及水垢在太陽能熱水器裡形成的機理。通過分析水垢形成的機理及原因，提出了不同的防治水垢形成的方法，并對各種方法總結了各自的優缺點、使用環境及現在的市場推廣情況。

關鍵字：太陽能熱水器、水垢、離子交換法、電磁法、永磁性、電磁性、阻垢劑、光催化片

一 水垢對太陽能熱水器的危害

我們經常看到家裡的電壺、電熱水器等家用電器，單位的鍋爐、換熱器等設備在使用一段時間後附着一層厚厚的水垢，這些水垢層将嚴重阻止熱量的傳遞，降低了設備的傳熱效率，增加了能耗。不單是電熱水器與鍋爐結垢，使用太陽能熱水器尤其是夏天溫度較高，也經常結垢，緻使真空管炸管、内膽腐蝕、管路堵塞等故障，水垢對太陽能的危害主要有以下幾點。

圖3離子交換法原理圖

由于實際工作的需要，軟化水設備的标準工作流程主要包括：工作(有時叫做産水，下同)、反洗、吸鹽(再生)、慢沖洗(置換)、快沖洗五個過程。不同軟化水設備的所有工序非常接近，隻是由于實際工藝的不同或控制的需要，可能會有一些附加的流程。任何以鈉離子交換為基礎的軟化水設備都是在這五個流程的基礎上發展來的(其中，全自動軟化水設備會增加鹽水重注過程)。

此種方法主要優點是：效果穩定準确，工藝成熟，可以将硬度降低至0。其缺點為：（1）、工作過程會産生過量的再生廢液；（2）、耗鹽量大，需經常加鹽還原；（3）、排出大量含鹽廢水易引起管道腐蝕，熱水使用存在安全隐患；（4）、設備放置在室内占有空間大；（5）、相對于太陽能來說價格偏高。

3、電磁法

采用在水中加上一定的磁場來改變水分子的特性，從而改變碳酸鈣(碳酸鎂)沉積的速度及沉積時的物理特性來阻止水垢的形成的方法叫做電磁法。電磁法阻垢主要有兩種外加磁場的方式：永磁型和電磁型兩種結構方案。永磁型防垢器外形呈管狀，内部是钕鐵硼高磁性材料，外部是碳鋼屏蔽體，水從钕鐵硼與外殼的夾層流過即被磁化處理，水分子鍵同時發生角度和長度的變形，氫鍵角從105℃減小到103℃左右，使水的物理結構發生變化，即原水分子大締合鍊狀大分子的氫鍵斷裂成單個水分子，水中單個水分子急劇增加，水中溶解鹽的正負離子就迅速被大量單個水分子包圍，運動速度降低，有效碰撞次數減少，靜電引力下降、從而使水中的鈣、鎂離子無法與碳酸根結合成碳酸鈣和碳酸鎂，從而達到除垢、防垢、阻垢的效果。同時由于水體吸收大量被激勵的電子，使水的偶極矩增強，與鹽的正負離子的親和能力增強，從而使管壁上原有的水垢逐漸松軟以至脫落，大締合水分子成單個水分子後，極微小的水分子可以滲透、疏松、溶解垢體，也能達到除垢的效果。使用條件是：水流過防垢器的流速≥2 M/S；适用水溫：0℃~80℃；中心磁場的磁場強度≥160MTØ。永磁型除垢器結構見圖4與圖5.

電磁型防垢器有管道式防垢器和纏繞式防垢器兩種型式，如下圖所示，管道式防垢器安裝時，管道從管道式防垢器上的孔徑穿過（如圖6所示）；纏繞式防垢器安裝時，把設備上的電源線按照一定的方向纏繞在給水管道上（如圖7所示），在通電時兩種型式的防垢器線圈都會在給水管道上産生磁場，水流過電磁場切割磁力線，水被磁化，它的磁性來源于通電的線圈，防垢原理與使用條件同永磁性防垢器。電磁防垢器如下圖所示。

圖8纏繞式除垢儀結構原理圖

圖9管道式防垢器的應用

此種防垢器的特點是：設備投資小，安裝方便，運行費用低；但是效果不夠穩定，沒有統一的衡量标準，因為通過磁場後的水分子将在24小時左右時間恢複到通磁前的狀态，所以處理後對水的使用時間、距離都有一定局限。從原理上看隻能應用在循環水或即熱式太陽能熱水器的防垢處理，針對儲水式的太陽能熱水器，此種防垢方式還值得探讨。電磁法防垢對磁力大小有硬性指标要求，磁場強度要在2000高斯以上，最主要的是現在磁化功能并沒有得到相關的認證，對其可行性與實效性存在質疑。

4、加藥劑法

向水中加入專用的阻垢劑，可以使鈣鎂離子、碳酸根離子與藥劑的分子形成絡合物，增加其在高溫水中的溶解度，從而使水垢不能析出、沉積。目前工業上可以使用的阻垢劑很多，在水處理中常用的阻垢劑有複磷酸鹽、有機膦酸、膦羧酸、有機膦酸脂、聚羧酸等。目前在生活用水行業通用的阻垢劑是矽磷晶，它是一種緩慢溶解的球狀化學藥劑，主要是由多種磷酸鹽、矽酸鹽經特殊加工工藝制成。如圖10與圖11所示自來水從進口進入阻垢器，水從裝有矽磷晶的藥罐裡流過，矽磷晶就溶解在水裡進入太陽能熱水器，消耗量是1~3ppm即１噸(1百萬克)水中溶解矽磷晶量1~3克，适應水的鈣硬度範圍在30~400ppm之間，這對于我國絕大部分地區都是适用的。矽磷晶技術使用方便，無動力消耗，不增加用水系統的阻力，平時無需專人維護，這種方法的特點是：一次性投入較少，适應性廣，阻垢、除垢能力強，性能穩定，尤其适合于儲水式加熱器，隻需要根據系統的用水量大小，按時添加矽磷晶。

5、光催化氧化法

光催化氧化反應是目前研究較多的一項高級氧化技術。所謂光催化反應，就是在光的作用下進行的化學反應。光化學反應需要分子吸收特定波長的電磁輻射，受激産生分子激發态，然後發生化學反應生成新的物質，或者變成引發熱反應的中間化學産物。他屬于光化學反應降解污染物，有催化劑參與的光化學氧化過程，在當前的水處理行業應用方式主要是利用光催化片做為氧化劑，将無機的光敏半導體材料ＴｉＯ2燒固在陶瓷表面，形成牢固的二氧化钛膜面層即光催化片，同時結合一定量的紫外線光線輻照，使光敏半導體在光的照射下激發産生電子-空穴對，吸附在半導體上的溶解氧、水分子等與電子-空穴作用，産生氧化性極強的自由基，再通過與污染物之間的羟基加和、取代、電子轉移等方式将污染物降解為無毒物質，無二次污染。最終将水中污染物礦化為無害的二氧化碳和水，也将水中的成垢離子HCO3-、CO32-轉化為二氧化碳和水。即使在微光的作用下也能起強烈的光催化作用，具有防污、防臭、抗菌（殺菌）、除（阻）垢的效果，水質經過淨化後水PH值呈弱堿性、小分子團，改善了水質。

此種水處理方式在瓶裝飲用水行業已開始使用，在太陽能熱水器裡的使用還在研究階段。在太陽能中利用方案一：太陽能的水箱至少要做成透光的水箱，或者做成一小部分透光，隻要水箱裡的水能有光線輻射進去就可以，在水箱裡面放置光催化片，光催化片的面積需要與水箱容積相匹配，一般300升水需要配置0.6㎡～1㎡。方案二：在太陽能的進水管道前增加一個透光或半透光的水箱，裡面放置光催化片，即前置水箱，前置水箱可以放置在室外或室内，水在前置水箱裡就被處理，進入太陽能水箱後就不會結垢。一般光催化片對水的處理時間需要3-4小時，處理過的水能夠長時間不結垢。此種阻垢方法的應用技術可行，不過推廣的瓶頸主要在加工工藝和産品結構上，即如何把光催化片放置在水箱裡，如何把光線引進水箱。

家用飲水機一般是采用反滲透膜(RO)的技術，均可以攔截水中的鈣鎂離子，從根本上降低水的硬度。這種方法的特點是，效果明顯而穩定，水流量小，出水沒有壓力、對進水壓力有較高要求，需要經常更換濾芯，設備投資、運行成本都較高，适合家用飲用水不适合做太陽能熱水器用水處理設備，所以在這裡就不在詳述。

四 總結

通過以上對水垢危害及解決辦法的介紹，相信大家對于市場的阻垢除垢的産品能夠有所了解并加以鑒别。由于太陽能熱水器市場并不十分成熟，産品良莠不齊，許多小廠家做市場宣傳時，為了突出自己的産品，出現了很多虛誇太陽能熱水器功能的賣點。例如有些太陽能熱水器廠家，在太陽能熱水器水箱裡面加上一根鎂棒，就講述鎂棒能阻垢、除垢，使熱水器永不生垢，是阻垢型熱水器，并以阻垢為他們熱水器的賣點，本人實在是不敢恭維，我也咨詢過不少鎂棒防腐方面的專業人士，鎂棒在水中消耗掉變成鎂離子，使水的PH值略有增加，更容易生成水垢，怎麼能除垢呢？在市場上還有一些廠家用前置的淨水器來除垢，據了解淨水器一般是起過濾雜質作用的，裡面有過濾網與活性炭濾芯，通過淨水器的水能夠過濾雜質，但是不能過濾鈣鎂離子，仍然不能起到防垢除垢的目的。

在太陽能熱水器日益普及的今天，太陽能領域裡正由許多技術人才在研究高溫結垢的課題，也有許多的與太陽能相關聯企業在為太陽能行業做着積極的貢獻，相信太陽能熱水器結垢的問題在将來會得到完美的解決。

來源：中國太陽能工程 作者：皇明太陽能股份有限公司 劉洪緒

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