采用逆向電流除垢法的循環(huán)水電解裝置研發(fā)

王 浩

(山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，山西 太原 030000)

工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中水分不斷損失，導(dǎo)致水體中各類(lèi)無(wú)機(jī)鹽含量超標(biāo)，引起pH 值變化。由于循環(huán)水中含有大量微生物繁殖所需的礦物元素，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，同時(shí)循環(huán)水中腐蝕性離子濃度不斷上升同樣對(duì)工業(yè)循環(huán)水裝置壽命產(chǎn)生影響，這就需要進(jìn)行合理的循環(huán)水處理，降低循環(huán)水中無(wú)機(jī)鹽含量，減少循環(huán)水補(bǔ)水量。

目前，世界范圍內(nèi)成熟的工業(yè)循環(huán)水處理方案為物理沉降法，即通過(guò)在循環(huán)水中投放化學(xué)藥劑使水中無(wú)機(jī)鹽離子形成沉淀，從而降低循環(huán)水中離子含量，但是此法缺點(diǎn)明顯，運(yùn)行中容易造成二次污染，主要包括排水含磷容易造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，并且濃縮倍率很難得到提高，每天會(huì)產(chǎn)生大量的排污水，也造成了水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。

電解法處理工業(yè)循環(huán)水是近年來(lái)興起的一項(xiàng)新技術(shù)，其運(yùn)用電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理并作用于工業(yè)循環(huán)水中的各類(lèi)無(wú)機(jī)鹽，實(shí)現(xiàn)對(duì)水體的阻垢、防腐及防治微生物，是一種清潔、環(huán)保的循環(huán)水處理技術(shù)。

傳統(tǒng)的電解裝置除垢法為機(jī)械式刮刀除垢，除垢不徹底，除垢效率不高。由于裝置內(nèi)部設(shè)有刮刀，導(dǎo)致電解裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，影響裝置運(yùn)行穩(wěn)定性，且人工操作工作量大。采用逆向電流除垢法后，能達(dá)到循環(huán)水處理工藝智能化操作，并且除垢效率高、裝置運(yùn)行更加穩(wěn)定。

1 技術(shù)原理

1.1 陰極反應(yīng)

通過(guò)電化學(xué)作用，陰極附近會(huì)產(chǎn)生大量氫氧根，并形成強(qiáng)堿性環(huán)境，促進(jìn)Ca2+形成相應(yīng)的Ca(OH)2和CaCO3沉淀，并以水垢的形式附著于陰極表面，進(jìn)而降低離子濃度。

1.2 陽(yáng)極反應(yīng)

在電化學(xué)作用下Cl+轉(zhuǎn)化為Cl2，并溶于循環(huán)水中產(chǎn)生HClO，副產(chǎn)O3、H2O2.這些產(chǎn)物都具備強(qiáng)力殺菌、滅菌作用，結(jié)合反應(yīng)室中不斷波動(dòng)的酸堿環(huán)境以及直流電的不間斷作用，保證整套電解系統(tǒng)同時(shí)具備殺菌、消毒功能。

1.3 除垢原理

將電源正負(fù)極反接在電解裝置原陰陽(yáng)極上，此時(shí)原陰極充當(dāng)陽(yáng)極，原陽(yáng)極充當(dāng)陰極，原陰極側(cè)產(chǎn)生氣體，并且其表面呈酸性環(huán)境，使附著在陰極表面的水垢發(fā)生松動(dòng)，直至脫落。因?yàn)槌笗r(shí)間很短，所以對(duì)原電極及相應(yīng)涂層損壞很小。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 結(jié)構(gòu)方案

設(shè)計(jì)一套用于電解循環(huán)水的新型電解系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含2 臺(tái)循環(huán)水電解槽、2 套適用電源(具有極性轉(zhuǎn)化功能)，一套PLC 控制系統(tǒng)。

其中，電解槽中陰極為桶狀結(jié)構(gòu)，桶體材質(zhì)為碳鋼，桶壁上設(shè)置進(jìn)水口、出水口，底部開(kāi)有錐形排污口，在桶體一側(cè)中央位置焊接導(dǎo)電銅板用于接電;陽(yáng)極為棒狀結(jié)構(gòu)，采用鈦棒表面燒結(jié)含Ir 活性涂層制成，焊接在盲蓋上并插入陰極桶體中央，鈦棒位于盲蓋上方的部位焊接導(dǎo)電銅板用于接電;盲蓋與碳鋼桶體間放置密封墊并用螺柱連接，循環(huán)水電解槽基本構(gòu)造圖見(jiàn)圖1. 整個(gè)裝置在電解作用下，碳鋼桶體作為陰極會(huì)附著各種無(wú)機(jī)鹽垢，鈦棒作為陽(yáng)極產(chǎn)生Cl2、O2，電流密度依據(jù)循環(huán)水中無(wú)機(jī)鹽含量設(shè)定。

圖1 循環(huán)水電解槽基本構(gòu)造圖

2.2 除垢操作

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，2 臺(tái)電解槽并聯(lián)使用，一開(kāi)一備。隨著電解的進(jìn)行，當(dāng)需要清理一號(hào)電解槽陰極桶壁上水垢時(shí)，開(kāi)啟二號(hào)電解槽，關(guān)閉一號(hào)電解槽及該電槽進(jìn)水口和排水口，并切換一號(hào)電槽電源正負(fù)極，在逆向電流的作用下，原陰極上的水垢在電解作用下會(huì)成片脫落。清除出來(lái)的水垢及礦物質(zhì)通過(guò)反洗時(shí)隨水排出，經(jīng)過(guò)水池沉淀，上清液返回循環(huán)水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)的零排放。完成清洗流程后的一號(hào)電槽轉(zhuǎn)為備用電槽，當(dāng)二號(hào)電槽需要清洗作業(yè)時(shí)，一號(hào)電槽開(kāi)始工作，二號(hào)電槽則按照先前一號(hào)電槽所述步驟進(jìn)行除垢作業(yè)。

整套系統(tǒng)接入微電腦控制系統(tǒng)后可以做到無(wú)人值守自動(dòng)化操作。按照系統(tǒng)每天預(yù)計(jì)清除的水垢量確定清洗周期和時(shí)間，并定時(shí)對(duì)循環(huán)水進(jìn)行離子濃度檢測(cè)，保證電化學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定和懸浮物的平衡。將確定好的清洗周期和時(shí)間輸入電腦后，系統(tǒng)將按照流程自動(dòng)作業(yè)。

3 使用效果

3.1 對(duì)不同離子的去除效果

由于在高pH 環(huán)境下陰極附近重碳酸鹽和碳酸鹽的溶解性最差，并且鈣離子受堿度影響程度同樣最大，導(dǎo)致碳酸鈣在電解過(guò)程中最容易在陰極側(cè)形成沉淀。

由于陰極附近為堿性環(huán)境，鎂和硅在其附近也能被預(yù)沉淀出來(lái)，且降低的比例相對(duì)穩(wěn)定，但是去除效率僅為鈣的1/2，原因在于循環(huán)水中總離子濃度在電解過(guò)程中不斷降低。

工業(yè)循環(huán)水中的氯離子在電化學(xué)作用下轉(zhuǎn)化為氯氣，氯氣在水中具有一定的溶解度，一部分溶于水形成次氯酸，另一部分則以氣態(tài)形式通過(guò)冷卻塔放空。因此，循環(huán)水中余氯的含量實(shí)際上一直維持在0.2 ×10-6～0.6 ×10-6.

3.2 對(duì)微生物的控制

微生物對(duì)環(huán)境突變很敏感，其中對(duì)水體的酸堿度(pH 值)變化尤為敏感。當(dāng)水體pH 值變化很小的幾個(gè)單位時(shí)，就能夠抑制甚至消除一些微生物的生長(zhǎng)。

在電解過(guò)程中，由于陰極附近會(huì)產(chǎn)生大量氫氧根，使電槽內(nèi)壁附近能夠形成較強(qiáng)的堿性環(huán)境。相反，陽(yáng)極附近產(chǎn)生大量氯氣和氫離子，形成較強(qiáng)的酸性環(huán)境。

該套裝置在運(yùn)行過(guò)程中陰、陽(yáng)極周邊會(huì)各形成1個(gè)堿性區(qū)和酸性區(qū)，由于離子濃度在裝置內(nèi)部自下而上逐漸降低，導(dǎo)致這兩個(gè)區(qū)域都有一定的pH 值梯度。當(dāng)循環(huán)水不斷從裝置底部進(jìn)入并從裝置上部排出時(shí)，循環(huán)水中寄生的細(xì)菌也會(huì)經(jīng)歷不同的酸堿性環(huán)境，通過(guò)細(xì)菌本身對(duì)酸堿度異常敏感的特性，使該套裝置對(duì)微生物具備一定的殺菌、抑菌作用。

3.3 試驗(yàn)情況

運(yùn)用逆向電流除垢法的小型試驗(yàn)裝置在實(shí)驗(yàn)室模擬工況循環(huán)水處理過(guò)程已經(jīng)取得階段性成功，通過(guò)對(duì)水樣的分析，設(shè)備除垢能力與國(guó)外同類(lèi)裝置相當(dāng)，并且在逆向電流作用下平均0.5 ～1 h 后電極板上所結(jié)的水垢即出現(xiàn)成片脫落，除垢效果能夠滿足工業(yè)化運(yùn)行的需要。

4 結(jié)束語(yǔ)

該套裝置是傳統(tǒng)電解法處理循環(huán)水裝置的革新，采用逆向電流除垢可以達(dá)到工業(yè)循環(huán)廢水處理過(guò)程中自動(dòng)化無(wú)人值守的條件，同時(shí)由于裝置內(nèi)部不存在刮刀，使整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，提高了運(yùn)行穩(wěn)定性。