水通過壹定強度的磁場後就變成了“磁化水”。目前研究表明水磁化後物理化學性質會發生變化，機理尚不確定。有學者認為，磁場會破壞水原有的結構，使原來較大的締合水分子團變成較小的締合水分子團，甚至是單個分子。而且由於洛侖茲力作用下正負離子的反向旋轉，分子中的部分氫鍵會斷裂(1)。因此，磁化水表現出壹些性質的變化，如pH值、密度、揮發性、溶解度、表面張力、電導率、沸點、冰點等，這些都與外加磁場密切相關(2)。磁化水因其特殊的性質，在工程中得到了廣泛的應用。
早在13世紀，人們就已經註意到磁化水的醫療作用。65438-0945年，比利時維爾梅蘭公司成功應用磁化水降低鍋爐水垢，並申請了專利。這項技術由於裝置簡單，不需要任何化學試劑，在美國、日本和前蘇聯得到了廣泛的應用和發展。我國對磁化水的研究始於20世紀60年代初。過去由於化學水質穩定劑技術發展迅速，磁化水裝置的應用和普及較慢。現在這項技術又重新受到關註。應用對象已涉及建材、化工、冶金、農業、醫藥等領域。在工業鍋爐除垢防垢、油田防蠟降粘、醫學磁療等領域取得了壹些成果。近年來，如何將磁化效應與環境汙染控制技術相結合，提高汙水的處理效果，逐漸引起了人們的興趣。
磁化影響水性質機理的幾個假設和推論
磁化只是壹個簡單的物理過程，不是軟化過程。壹般認為，水系統的磁處理主要是加速溶液內部的結晶，從而大大減少鹽類在受熱面的直接結晶和硬沈積，起到防垢作用。研究表明，磁場的阻垢效果與磁場強度、溶液的過飽和度、流速以及溶液中的各種離子密切相關(4)。另外還有壹種說法是磁處理改變了水本身的結構，從而改變了壹些性質。同時考慮這兩個方面，主要有以下假設和推論(5)。
(1)洛倫茲力
水和磁流的相互運動會產生感應電流。在洛倫茲力的作用下，極性較弱的水分子和其他雜質的帶電離子反方向運動。在這個過程中，正負離子或粒子相互碰撞形成壹定數量的“離子聯合體”，這些離子聯合體足夠穩定，在水中形成大量的晶核，以這些晶核為核的懸浮粒子可以在水中穩定存在。
(2)兩極分化
磁場的極化改變了鹽的晶體成分。微粒極性增強，內聚力減弱，使水中原來的長締合分子鏈被截斷成短締合分子鏈和帶電離子的變形，破壞了離子間的靜電引力，改變了結晶條件。形成分散穩定的小晶體。
(3)滯後效應
磁場引起鹽分子或離子在水中的磁偶的磁滯效應，從而改變鹽在水中的溶解度，同時使鹽分子之間的親和力(結晶度)消失，阻止大晶體的結晶。
(4)磁矩重新定向
在某個基團反應中，磁場影響了基團中成對磁矩的重取向，通過這樣壹個中間機制影響其他化學反應。反應動力學發生了變化，新得到的產物在反應結果中的比例關系也發生了變化。
磁化水裝置的結構和特點
能制備磁化水的裝置叫磁化水裝置。根據磁場的形式，磁熱水器可分為永磁型和電磁型；根據磁場的位置，磁熱水器可分為內磁式和外磁式兩種。永磁體和電磁磁化水器在相同的間隙磁場強度下效果相同，但各有特點。永磁熱水器最大的優點是不需要能源，結構簡單，操作維護方便。但其磁場強度受到磁性材料和磁化技術的限制，隨著時間的延長或水溫的升高而退磁。電磁磁化水器的優點是磁場強度容易調節，可以達到很高的磁場強度。同時，磁場強度不受時間和溫度的影響，穩定性好，但需要外部激勵電源。相比於內磁熱水器，外磁熱水器可能有更大的優勢。它的主要優點是維修時不需要停水和拆卸管道，不容易造成磁短路。
目前國內有四項關於磁化水器的專利，通過選擇不同的磁性材料和水流路徑來達到磁化水的目的(3)。如圖1所示，磁化水裝置為管狀，由不銹鋼管制成，兩端帶法蘭，可直接與管道連接。磁化水裝置中按N-S和N-S排列兩組N、S極相反的特種合金永磁材料磁棒，磁場能量很高，可達6000高斯，使用壽命25年，磁場強度衰減率3%。由於磁化裝置由永磁材料制成，不需要外接電源，不耗電。結構簡單，不需要任何調整，不需要特殊維護，裝置安裝非常方便，不占地。
(5)氫鍵變形
水的偶極分子被磁場定向極化後，電子雲會發生變化，導致氫鍵的彎曲和局部短裂，從而增加單個水分子的數量。這些水分子占據了溶液中的所有空隙，可以抑制晶體的形成。並改變水的整體性能。
(6)活化能的變化
磁場的影響與系統的轉變有關。盡管水被磁化後獲得的能量很少，但在系統的起點和終點之間存在壹個“能量屏障”。為了克服這種能量障礙，必須將相應的能量傳遞給系統以觸發活化能。磁場的短期作用起到了“催化”水體系活化能變化的作用，最終導致整個體系性質的變化。
磁化處理對水體生物效應的影響
3.1磁化處理對藻類初級生產力的影響及其機理。
實驗表明:( 6)磁化水中藻類的生產力明顯高於未磁化水。
藻類屬於光合自養微生物，磁化引起的光合作用的生物效應可以從以下幾個方面來解釋。首先，光合自養微生物吸收無機環境中的無機鹽，利用光能同化CO2和H2O，合成自身物質。而水體磁化可以降低BOD和COD，使部分有機物礦化，有利於藻類的生長。其次，磁化處理導致水的光學性質發生變化。磁化水的光吸收率比未處理的水高30%，水透明度的提高保證了光合自養生物的能量。這是磁化導致藻類快速生長的原因之壹。再次，磁化水的硬度、pH值、電導率明顯高於非磁化水，無機鹽可以很好的溶解在磁化水中，有利於藻類吸收營養。第四，磁化汙水可以增加生物膜的滲透性，從而提高藻類對營養物質的吸收，促進藻類的生長和生產能力。
3.2磁化對水中異養細菌總數的影響
異養菌是以有機物為能源和碳源的壹大類微生物，其總數隨著水中有機物濃度的增加而增加，因此水中異養菌的總數可以間接反映水中有機物的汙染程度和水的凈化程度。汙水經不同強度的磁場處理後，水中細菌總數明顯下降。其原因和機理尚不完全清楚，初步認為:壹是在磁場的直接作用下，水體中BOD和COD降低，使異養菌中的能量和C營養物質減少，水體中異養菌的死亡速度快於增殖速度，因此出現負增長現象。二是磁力直接作用於細菌細胞內的水和酶，使酶鈍化或失活。
因此，汙水經過磁化後，不僅直接改善了其營養消耗特性，還具有新的生物學特性。
磁化處理有機廢水
有機廢水處理是目前汙染控制中普遍存在的問題。傳統方法包括活性汙泥法、生物膜法、厭氧反應器法和氧化塘法。目前，前兩種方法是二級處理廠使用最廣泛的方法。它們的優點是技術相對成熟，運行穩定，出水可達到允許排放標準。但是，它們的缺點也很突出。資金投入和高昂的運營成本，尤其是高昂的運營成本，讓很多單位望而生畏，無力承擔如此高的運營成本。因此，汙水往往未經處理就直接排入江河湖海。淮河流域65438-0994年發生的流域汙染災害是傳統汙水處理模式高成本的直接結果。為了實現可持續發展戰略，中國的國情要求我們開發壹種低投資、高效率、低運行成本的汙水處理技術。鑒於這壹事實，20世紀90年代初，基於磁化水可以改變水的某些物理特性，改善生物功能，促進生物生長，提高農業、水產產量和處理保健的經驗，我們開展了磁化-人工生態系統法處理利用有機廢水的研究(7)。近10年的大量實驗研究和初步應用證明，這種方法在實際應用中是有效和成功的，有必要廣泛推廣。
(1)COD去除效果及分析
在水中有氧的情況下，通過改變磁感應強度、水溫和磁化流量，對各種汙水進行了壹系列實驗。結果表明，水溫對磁化器直接去除汙水中的COD沒有影響。2.5m/s的磁化流速最佳，有利於核磁共振的形成，磁化具有較強的去除COD的能力。在室溫下，磁化速度為2.5m/s左右，磁感應強度為0.262 ~ 0.315t時，各類汙水的平均COD去除率為:醫院汙水25.4%，印染廢水21.2%，城市汙水16.4%(磁化速度為2.5m/s時為20.0%)。造紙廢水8.1%，葡萄糖水17.8%，澱粉水11.1%，氨水8.1%。此外，為了找出瞬間磁化直接降低COD的原因，還對磁化前後的去離子水、自來水和城市汙水的溶解氧進行了測試。室溫下磁化流量為2.0m/s，最佳磁感應強度為0.315T。磁化前後四組去離子水的溶解氧濃度保持不變，磁處理對溶解氧沒有影響。五組自來水磁化後溶解氧略有下降，平均下降4.65438±0%；12組城市汙水，磁化後平均溶解氧下降了24.7%。這種瞬間磁化降解有機物，降低汙水中溶解氧的現象稱為汙水磁處理的直接效應。這種作用不是水中微生物酶引起的有機物分解，也不是磁化使水中有機物分子化學鍵斷裂，而是磁處理引起核磁共振激活水中溶解氧，促進部分有機物氧化分解。這可以從三個方面來分析:第壹，上述實驗中，葡萄糖、水、澱粉水、氨水都是用蒸餾水配制的，其中沒有微生物。顯然，瞬間磁化並不能通過微生物酶降低汙水的COD第二，水和有機分子之間的化學鍵斷裂，這需要相當大的能量。比如水分子的氫鍵斷裂需要4 ~ 6千卡/摩爾的能量，這樣低的磁感應強度提供的能量太小，不足以斷裂化學鍵；最後，b？帕特羅夫的實驗在壹定程度上證實了上述結論。他讓溶有氧氣的水不斷通過感應磁場，水產生5×10-5%的h2O2，H2O 2是壹種很強的氧化劑，能直接氧化分解水中的有機物。此外，我們還做了多次汙水連續重復磁化的實驗。可以看出，隨著磁化次數的增加，每次COD去除率急劇下降，趨於水平。因此，當磁處理技術應用於實踐時，磁處理器之間的水流應恢復壹段時間。經驗表明，水力停留時間約為2 ~ 3天或更長。
厭氧條件下磁化對提高水中有機物的分解也有很好的效果，而且更明顯。我們選取了四組城市生活汙水進行實驗。當溫度保持在0℃時，最佳磁感應強度仍為0.315 ~ 0.368t，厭氧培養10d測COD。結果表明，磁化處理使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，但機理需要進壹步研究。
(2)水磁處理的生態效應及其間接凈化效應。
外界磁場對生物體的影響稱為生物磁效應，可分為生物分子效應、細胞效應、組織器官效應和整體效應。比如病毒是簡單的大分子微生物，細菌和真菌，基本上單細胞的微生物，原蟲和高等生物都是由不同的功能器官組成的，它們的組織器官都是由細胞組成的。汙水中的生物種類繁多，結構和功能各不相同。當它們通過壹定強度的磁場時，它們的效果也有很大的不同。總的來說，有的被打壓甚至死亡；其中壹部分被激活，加速新陳代謝和生長，間接提高凈化汙水的功能。對此，在以下幾個方面進行了壹系列的實驗和分析(8):
(壹)汙水磁化有很強的殺菌作用。當磁感應強度為0.315 ~ 0.420 t，磁化速度為2.0 ~ 2.5 m/s時，三組水樣條件基本相同，殺菌率為74% ~ 81%。但反復磁化後殺菌率增加不多，說明某些種類的細菌可以抵抗磁場的作用，甚至激活其代謝能力，會更快地生長和降解有機物。磁化殺菌的原因可以概括為(7):壹是在磁場的直接作用下，BOD和COD降低，使異養微生物的能量和C營養減少，導致水中異養菌的死亡速度快於增殖速度，因此出現負增長現象；二是磁場力直接作用於細菌細胞內的水和酶，使酶鈍化或失活。BOD值的降低是細菌總數減少的反映。壹方面，在外磁場的直接作用下，BOD隨著COD指數的降低而降低。另壹方面，在外磁場的作用下，水中的功能微生物(主要是細菌)受到影響，有些細菌的適應性很強，其生命代謝活動不受幹擾，或者在壹定時間後可以恢復正常。這部分細菌生存的適應性更強。在外磁場的作用下，由於體內外水的物理化學性質(如電導率、表面張力等)的變化，大部分細菌死亡。)以及酶的失活和失活，功能菌數量急劇減少，導致BOD指數下降。因此，認為磁處理後BOD的降低是水中細菌總數減少的反映。綜上所述，可以得出結論，外磁場作用於微生物，既有有害作用，也有有益作用。磁處理具有殺菌作用。當磁場強度增加到2100GS(4A)以上時，70%以上的細菌會死亡。磁場的應用可以看作是微生物生存環境的突然變化。能夠承受周圍環境變化和體內離子、電子轉移速度的細菌繼續存活，維持正常的生命代謝活動。這些細菌具有更強的適應性，或者說具有更強的生物活性。
(b)活性汙泥磁化將明顯提高其活性，從而提高汙水處理效率。取7組活性汙泥，在37℃恒溫條件下，觀察不同磁場強度處理後的甲基藍脫色時間。結果表明，在0.367T時，脫色時間由未磁化的29h縮短至24h，汙泥活性提高了65，438±07%，這是因為磁化後存活的微生物具有更強的增殖和代謝能力。為了證明這壹論斷，將三組造紙廢水稀釋水樣分別進行非磁化和磁化處理後，在標準溫度下培養，並測定其BOD5。後者高於前者，平均為13%。由此可見，磁處理不僅具有殺菌的作用，還能激活壹些功能微生物，加速有機物的降解。
(c)磁化大大增強了藻類的光合作用，並顯著增加了水中的溶解氧。在室溫下進行兩組相同的汙水實驗。3天後綠藻在磁化水中生長旺盛，在非磁化水中幾乎看不到藻類。另外，用三組生活汙水比較了磁處理對藻類產氧能力的影響。均表明，當磁感應強度為0.367T時，汙水中藻類的產氧能力最高，比未磁化時的平均值高1.1倍。根據藻類固碳生產力與產氧能力的關系，藻類生產力也將提高1.1倍，這與農業有關。主要原因有:①磁化汙水加速有機物分解，為藻類生長提供充足的C、N、p N、P等營養物質；②磁化增加生物膜的通透性，為藻類吸收營養創造有利條件；③磁化增強了水的透光率，為藻類光合作用提供了更好的光能。水中溶解氧的增加促進了水中微生物的生長和有機物的分解，二者相互促進，導致有機廢水的分解速度加快。
(d)汙水磁化可以促進高等水生生物的生長，有利於清除汙染物。我們用泥鰍做了實驗。在三個水桶(10L)中，1未磁化，兩個磁化，磁場強度分別為0.03T和0.25T，分別放養泥鰍1.5kg。其他條件相同。三個月後，所有磁化水泥鰍的產量都比未磁化水的產量高，平均增產65438。此外，泥鰍的耐汙性和COD同化試驗表明，未磁化桶中的50條泥鰍在第5天全部死亡，磁化桶中的23條泥鰍在第7天存活。因為高等水生動物通過食物鏈分解轉化有機物，間接提高了汙水的凈化能力。對三組水樣7天後的COD進行測定，結果表明，磁化後的2號、3號桶帶泥鰍比未磁化和帶泥鰍的COD去除率高20%，並以更快的速度轉化為對人類有用的產品，變廢為寶，防止二次汙染。
磁化-人工生態系統法凈化汙水的應用實例
如圖2，1980，在原有汙水站的基礎上，建設了磁化-人工生態處理系統工程，主要由二次磁化和三個生態塘組成。處理系統有效面積770m2，平均每天可處理醫院汙水和病房汙水700噸。汙水直接排入預沈澱調節生態池，水力停留時間約為4.0h，經水泵提升和第壹級磁化後，進入放養大量魚類的生態轉換池，水力停留時間為2.0 ~ 2.5d，再次磁化後流入裝有許多垂直生態濾管的金魚池。 停留時間2.5 ~ 3.0d，經生態濾管濃縮後排放，出水達到地表水三級標準，可用於醫院綠化和保潔。 該站已使用多年，僅在1994出現過壹次，量較小，說明汙染物降解轉化率較高。本系統中:①預沈澱調節生態池面積180m2，平均水深1.1 ~ 2.5m，兼性，覆蓋水葫蘆，吸收汙水分解的N、P等營養物質；②生態轉換池，直徑25m，由中心花園池、環形復氧溝和環形外池組成，接收預沈澱池的汙水，進行初級磁化。池塘放養了數萬條羅非魚，大量生長的細菌、藻類和原生動物被吞食，使水體得到快速凈化，流入中央花園池塘；③生態濾池100m2，平均水深2.3m，其中放養了約6萬條金魚，鋪設了多條生態濾管，接收中央花園流出的水，經過二次磁化後，繼續生態改造，經生態濾管過濾後排放，完成整個凈化過程。BOD、COD、N和P的平均去除率分別為89.9%、87.6%、69.6%和73.6%。該系統基建總投資27萬元，相當於日處理汙水386元基建投資單價1t/d。年運行費用為7500元，相當於1t/d汙水處理年運行單價為10.7元，遠低於表1所列常規二級處理的投資單價和運行單價。而且由於汙水處理過程中牛蛙、金魚、羅非魚、中藥材、葡萄的收益，每年可獲得收益654.38+0.8萬元，比年運行成本多654.38+0.8萬元，形成汙水處理過程的負投資。由於生態處理中的磁化效應，該方法大大加快和提高了汙染物的轉化速度和效率，變廢為寶，成為投資少、占地小、效率高、運行費用低、無二次汙染、有壹定產出收益的汙水處理新途徑。