循環水的電化學除硬機理研究

崔云峰

(陽煤集團太原化工新材料有限公司，山西 太原 03000)

引 言

循環水系統在冶金、石油化工以及空調系統的能源介質中發揮重要的作用。將循環水的利用率提高可以緩和水資源短缺的壓力，但是減少排放以及提高循環水濃縮倍數的操作肯定會引起管道、設備的結垢以及滋生微生物等問題[1]。水質變硬結垢后將會使設備腐蝕，換熱效率被動下降，甚至堵塞管道造成嚴重故障和安全問題。本文就水垢問題進行研究與探討。硬度被稱為重要水質指標，通常以水中Ca2+、Mg2+的含量作為衡量數據。總硬度由碳酸鹽硬度(也被稱為暫時硬度)、非碳酸鹽硬度(也被稱為永久硬度)二者構成。如果循環水硬度過高，不僅會產生水垢使得管道等設備堵塞從而降低設備運轉性能、影響生產，嚴重時還會導致爆炸等。

投加化學藥劑是解決水垢問題的常規方法。該方法雖然簡單并有一定效果，但仍存在缺陷，例如投加藥劑品種多、費用大、調整難度高，同時對強制排污系統易造成二次環境污染，具有較高的運行水平和復雜的管理維護的缺陷等。因此，為了替代化學藥劑法，相關領域專家一直在研究其他可行的循環水除硬的方法，其中之一就是電化學法。電化學法于20世紀70年代被提出，在90年代后迅速發展，目前電化學水處理技術成為一項高新工程技術并且是一種清潔無污染對環境友好的技術，還擁有防垢除垢以及緩蝕防腐的功能[2]。與傳統的阻垢方法相比，電化學處理循環水既工藝流程簡單，又節能環保。具體來說具備以下多個特點：1) 不需添加任何藥劑，綠色環保無有害物質產生。2) 可根據實際情況調整相關電化學參數，可適用的范圍較廣，適合多種情況下的循環水除硬。預計成為水質除硬技術中的重要應用之一。正是由于其具有以上諸多優點，越來越受到市場的青睞。目前，該技術在民用循環水系統中應用十分廣泛，隨著科學技術的發展和人們環保意識的增強，人們將不斷發展與完善電化學水處理技術。

本文探討了電化學循環水處理技術的反應機理及規律。

1 電化學循環水處理技術的工作原理

電化學循環水處理技術的主要工作原理為電化學的氧化還原反應理論，通過沉淀方法去除循環水中的Ca2+、Mg2+，使得硬度降低，反應產生的氧化性物質還有殺菌滅藻的效果。以下簡單說明電化學反應及伴隨反應的理論[3]。

其原理是通過帶電電極的表面吸附水中帶電粒子，使得水中溶解鹽、帶電粒子等富集在電極表面，待處理的循環水中溶解鹽、膠體、帶電物不斷地減少，從而達到除硬的目的。受到電場影響，存在于水體中陰、陽電極之間流動的帶電粒子將遷移到帶相反電荷的電極，并大量吸附在電極表面，不斷地富集[4]。在這一過程中OH-在陰極板表面濃度逐漸升高，水中溶解的CO2在極板界面區域發生如式(1)、式(2)。

(1)

(2)

Ca2+、Mg2+等正離子由于受到電場的作用而發生移動，CO32-與Ca2+、Mg2+等陽離子以離子鍵的形式鍵合，以沉淀CaCO3、MgCO3形式析出，從而達到阻垢的目的。同時在陽極會發生相應的氧化反應還有其他產物，已檢測到的有H2O2、O3、ClO-等也會在電極表面產生[5]，經過證實這幾類物質有很強的氧化和滲透能力，能有效去除有機物，減緩菌藻生長，防止設備遭受腐蝕等，此外這類強氧化物質能破壞垢分子的結合力，使得他們晶體結構發生變化，疏松軟垢取代了堅硬垢，最后積垢脫落。這里應用到另一個化學理論即分子結晶動力學理論：通常情況下CaCO3和MgCO3很難排除，原因是這類物質有著整齊的排列、致密的結構、堅硬的質地的方解石晶型。而在上述的電場以及氧化物的作用下，陰極板表面的致密結晶狀態變為疏松球狀結晶并且體積膨脹很多，使其附著很方便剝除。

除了常見的電化學反應及其理論，分子極化理論也可能在電化學除垢過程中有所涉及[6]。水是極性分子，電負性更高的氧對電子有強的吸引力。在常態下氫氧鍵電子云會偏向氧原子。在電場力的作用下受極化作用影響，電子云將更加偏向氧。從而在水分子內部形成明顯的正負電荷中心，循化水中的正負離子、基團被隔離包圍起來。這一理論為電化學的機理研究起到了指引作用。

從現有文獻報道及專業領域技術人員對該技術原理的認識，以上這些原理解說被人們普遍接受[7]。但筆者認為其都局限于在陰極區域成垢離子與堿性離子結合形成沉淀析出從而降低水的硬度。事實上，與陰極附近高pH區相互對應的是陽極附近的低pH區，例如HCO3-在電場作用下定向移動到陽極區域，HCO3-進入酸性較高pH小于5的陽極區會與氫離子發生反應轉變為CO2，這就說明陽極表面的酸性環境會較多消耗水中的HCO3-，而在陰極區的Ca2+在堿性高的環境下以沉淀形式析出，降低水中Ca2+濃度，削弱水體結垢的動力，這稱為除垢過程。陽極區域HCO3-在高酸度環境反應生成化合物CO2，水中HCO3-濃度降低，阻止水體結垢，這稱之為阻垢過程，通過降低堿性離子濃度而阻止析出水垢。除垢和阻垢兩者之間相互配合對控制循環水結垢現象有較好成效。

2 結語

作為一種對環境友好，無污染且成本低的水處理技術，在日益嚴格的環境標準要求下，電化學水處理技術將受到更多關注。科學技術人員應進一步深入研究電化學循環水處理技術的除硬以及滅菌等機理，為后續反應器裝置的設計、技術優化等提供重要的參考與指引。開發、制備高效、穩定的陰陽極板，是降低電化學水處理裝置能耗和成本的主要手段之一。