電化學法處理冷卻循環水技術的應用

李 森，王海峰

（貴州大學材料與冶金學院，貴州 貴陽 550003）

目前工業生產的冷卻環節已普遍采用循環冷卻系統，極大地提高了用水效率。然而，冷卻水的循環使用必將出現系統的結垢及腐蝕問題。結垢會大大降低冷卻系統的換熱效率，嚴重時還會造成管道堵塞出現安全問題[1]。另外，由于循環水系統和換熱設備的堵塞造成水流量減少，若想保持原有的冷卻效果必須增大輸水設備的動力消耗，所以對于此問題必須加以處理。目前此問題的處理方式主要停留在除垢階段，即設備上出現結垢時再用機械法、磁場法、超聲波法等技術，使水垢松軟剝落。雖然傳統的在冷卻水中加入阻垢劑的方法具有一定的阻垢效果，但必然會帶來二次污染的新問題，而且不同水質對阻垢劑有不同的要求，難以選擇控制。并且以上方法并沒有使水中的結垢性離子去除減少，所以結垢不可避免。本實驗提出的電解水處理裝置，從阻垢和除垢兩方面入手，通過調整不同的電化學參數，不僅有效去除了水中易結垢的Ca2+、Mg2離子，而且還可以使換熱設備上的垢層軟化、剝落。另外，電解法處理冷卻循環水工藝還具有操作簡單、自動化程度高、環境友好等特點。

1 工藝機理

1.1 電解及伴隨反應

在一定電壓下，水發生氧化還原反應，在陰極生成OH?。隨著時間的推移，便會在陰極板與水的兩相界面形成一個高堿性區域，而這會增加CO2的溶解度[4]從而促進 CO32－的生成。同時，在電場作用下Ca2+、Mg2+等陽離子向陰極移動與CO32－在兩相界面鍵合，在陰極板上結晶析出[5]，從而達到阻垢的目的。

1.2 電磁場對水分子的影響

水分子在常態下，是以大分子鏈狀結構穩定存在的。由于本電解裝置的電源為特制電源會產生電磁場，在電磁場的作用下水分子的鏈狀聚集態被打破，極大地提高了水分子與垢層的接觸機會，從而增大了對水垢的溶解性。與此同時受電場影響水分子的極性得到加強氫氧鍵變長，這一變化是使水分對于陰陽離子具有更好的包圍隔離作用，從而阻止其鍵合沉積。另外巴斯大學早已證明磁場可以改變晶體的晶型，促使CaCO3及MgCO3由方解石型轉變為紋石型，使其更加容易剝離。國內外許多學者也做了大量研究證明了這一結論[5]。

2 研究方法

以某鐵合金廠為研究實例，在該企業循環水管道上開一旁路，加載本方法裝置。圖1為實驗裝置圖，冷卻循環水管中的冷卻循環水經過管道和設備連接管進入控制及電解系統，經過本裝置的電化學處理經過回水管流入循環水池?？刂萍半娊庀到y內設有流量控制器、電解系統、自動檢測系統，流量控制器可根據實際需要調節流量大??；電解系統內設有特制電源、電解槽，電解槽內設有極板（極板垂直固定于電解槽內，設定極板間距為 100 mm，陽極板材料為鈦基氧化物涂層，陰極材料為不銹鋼，極板為方形，尺寸為 1 m2），極板通過導線與電源連接；自動檢測系統可實時檢測循環水的電導率、溶解性總固體并自動保存記錄。實驗通過調整流量、電壓、電流密度的大小，獲取最佳工藝參數。本應用是在實驗室研究基礎上的中試，在前期研究的基礎上本系統在一定時間間隔內自動改變一次極板極性，從而使富集在陰極板上的水垢自動脫落。由于電導率、溶解性總固體等和結垢性離子的去除效率呈反比，所以通過實時檢測溶解性總固體、電導率的變化情況可表征本工藝的除垢效果[7-9]。

圖1 本裝置處理示意圖

3 實驗結果及分析

3.1 電流大小對處理效果的影響

設定流量為1000 m3/h，極板間距為100 mm，每隔30 min在回水管處取一組數據，并改變電流大小。圖2為電流變化對處理效果的影響。通過圖2可以看到電流變化對除垢效果有明顯的影響，但并非電流越大除垢效果越好。電流為12 A時出現了一個比較大的拐點，除垢效果變得更加明顯，在16 A時達到最佳值，然后出現反向趨勢。對pH值的檢測表明，pH值的變化趨勢與圖像中的拐點基本上是一致的。其實這一現象恰恰驗證了上文提到的電解及伴隨反應的正確性。因為按照這一理論，第一步防垢實現的關鍵便是 OH?的生成，pH值越高OH?濃度越大，表明陰極反應越劇烈。對于除垢效果在電流大于16 A后出現下降趨勢，是因為陰極反應與其伴隨反應的競爭影響。如果電解反應的速率過大，就會有過多的H2O被電解從而有更多OH?生成，這會增加二氧化碳的溶解度從而有較多的Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2的生成，而它們的溶解度遠大于MgCO3、CaCO3，所以會引起溶解性總固體的增加。

圖2 電流變化對處理效果的影響

3.2 電壓變化對處理效果的影響

設定流量為1000 m3/h，極板間距為100 mm，調整電流大小，每隔 30 min于回水管處取一組數據。圖3為電壓對處理效果的影響。通過圖3可以看到，電壓變化對處理效果的影響也是很明顯的。這不難理解，因為電壓越大電解反應越劇烈。但圖3并沒有表現出隨著電壓的增大除垢效果越明顯的趨勢，而是出現了幾個拐點。原因很簡單，除垢效果不只是由電解反應決定的，還與伴隨反應及離子的遷移速度有關。從圖3可以看到，電壓為6 V時溶解性總固體的變化最為明顯，電壓為12 V時電導率下降值最大，并不一致，這與之前的理論并不沖突。首先，溶解性總固體和電導率的變化是受溫度影響的，隨著電解的進行和電壓的升高水溫是升高的。前者在本處理系統內主要是通過 Ca(OH)2、Mg(OH)2、MgCO3、CaCO3等的析出來體現的，而溫度越高這些物質的溶解度反而越低，電導率則是正相關的。再者，對pH值的檢測和上文提到的理論解釋也可以說明這一現象。另外，電壓越高離子遷移速度就會越快，伴隨反應進行得也就越劇烈，MgCO3、CaCO3等的析出也就越明顯，同時溶解性總固體就會降低。而電壓越大水的電解反應也越快，離子濃度便會升高，電導率是增大的。

3.3 流量變化對處理效果的影響

圖3 電壓變化對處理效果的影響

圖4 流量變化對處理效果的影響

設定電流為20 A，電壓為30 V，每隔30 min在回水管處取一組數據。圖4為流量變化對處理效果的影響。流量對處理效果的影響，主要與水在處理系統內停留的時間有關。另外，由于循環水有一定的電導率，是上下流向的，而電場是左右方向的，由于電磁感應的作用，會有磁場產生。磁場對處理效果特別是水的物理性質和結垢晶型有較大影響，加之本裝置的電解系統工作時也會產生一個較大的電磁場影響，就尤其顯著。對于流量的控制從圖4中可以看出，當流量為800 m3/h 時電導率下降是比較明顯的，當流量為1100 m3/h時溶解性總固體變化最為明顯。那么，就可以根據企業的實際用水量來控制處理速度。

3.4 裝置工作前后水垢的XRD分析結果

RIR為物象的參考強度，I為擬合強度，W為物象的百分比。裝置工作前后水垢的 XRD分析結果見表1。從XRD分析結果可以看出本電解系統可以有效改變水垢的晶型，也證明了1.2節中的理論分析是正確的。

表1 XRD分析結果

3.5 裝置在某企業中的應用

某企業安裝本裝置前一直對水垢進行酸洗處理，管道堵塞和設備損壞的現象經常發生，并且酸洗后的廢水處理比較麻煩，經濟代價較高。本裝置在某企業循環冷卻設備運少。該企業自2012年10月安裝本裝置以來，循環系統和換熱設備結垢基本消失，系統運行正常。從圖5可看出處理過后管道結垢基本消失，剩余少量也變得松軟。

4 結 論

某鐵合金廠加載本裝置系統后，電導率、溶解性總固體有明顯的降低趨勢，在陰極板析出的結垢非常明顯，方便可行。并可以得出以下結論。

（1）本方法裝置有良好的阻垢、除垢效果，可有效去除水中的結垢性無機鹽。

（2）本方法裝置具有很大靈活性，可根據實際需求調整處理能力。

（3）本方法裝置可以使水垢晶型由方解石向文石型轉化，后者更容易剝離去除。

（4）本方法裝置的工作原理為直接對循環水進行處理，不需添加任何物質及附加條件，不產生任何有害物質，屬于綠色環保工藝。

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