高壓靜電在工業循環冷卻水處理中的應用進展

閆美芳，譚強強，劉展，李?；?，高玉華，張利輝，劉振法

(1.中國科學院過程工程研究所 多相復雜系統國家重點實驗室，北京 100049；2.中國科學院大學，北京 100049；3.河北省科學院能源研究所，河北 石家莊 050081；4河北省工業節水工程技術研究中心，河北 石家莊 050081)

工業循環冷卻水處理方法主要有化學法和物理法兩大類。化學法主要是通過向系統中加入化學藥劑控制循環水結垢，而物理法主要是通過物理設備或裝置的處理達到阻垢的目的。相比較而言，物理方法因為沒有化學物質的添加，長期使用不會造成水體及土壤環境的污染，越來越受到人們的重視。

在工業循環冷卻水處理中應用的物理水處理法主要有膜法水處理、靜電水處理和電子水處理等。靜電水處理方法不僅可以防垢、除垢，還可以殺滅細菌和藻類。此外，靜電水處理器一般占地較小，功耗較低，運行維護簡單方便，不產生二次污染，引起了極大關注并對其進行研究[1-3]。本文主要討論了高壓靜電水處理法在循環冷卻水處理中的應用進展。

1 高壓靜電水處理器的結構

靜電水處理又稱高壓靜電水處理法，水處理器的核心部分是靜電高壓發生裝置，其結構示意圖見圖1。

圖1 高壓靜電水處理器結構示意圖Fig.1 Schematic of high voltage electrostatic watertreatment device

高壓靜電水處理器主要有兩個部分組成：①用于提供高電壓和強電場的高壓直流電源；②產生高壓靜電場的裝置。高壓直流電源，通過功能電路模塊將交流220 V電壓輸入轉化高壓直流電壓輸出。產生高壓靜電場的裝置，是將一根鐵芯置于聚四氟乙烯圓筒內作為正極，由無縫管(鋼管或不銹鋼管)制成的殼體作為負極，正負極之間形成一定體積的空腔。當在正負極上施加直流高壓時，正負極之間形成高壓靜電場，水從正負極間腔內流過，即可得到靜電處理。靜電水處理器技術參數：輸入電壓，交流220 V；輸出電壓，直流4～7 kV；功耗15 W；處理水溫一般<90 ℃[1]。

市場上有一種離子棒靜電水處理器，也是一種利用高壓靜電作用的新型水處理器。離子棒靜電水處理器由兩個部分組成：離子棒探頭和電源箱。離子棒探頭是用聚四氟乙烯包裹的鋁制電極，兩端用絕緣材料密封。通過連接電纜，將高壓輸送到離子棒探頭。插入水中后，離子棒探頭周圍的水中就產生了高強度的靜電場。離子棒須安裝在金屬管路上，可多根串聯用于較大的循環水系統?？蓮V泛應用于中央空調循環水、冷媒水、熱交換、鍋爐給水等系統，作為化學法和鈉離子交換軟化法的替代品[1]。

2 高壓靜電水處理作用機理

將高壓靜電水處理技術應用于循環冷卻水系統，不僅可以阻垢，還有殺菌滅藻作用。

2.1 阻垢機理

目前，關于高壓靜電阻垢作用機理，還沒有統一定論。一種說法認為，水是偶極分子，在高壓靜電作用下，偶極矩增加，且按照一定的正負順序進行整齊排列。數個水分子將包圍溶解在水中的鹽類正負離子，這些鹽類離子亦以正負順序進入偶極水分子群中。在靜電作用下，這些鹽離子的運動速度和成垢離子間的碰撞幾率隨著水分子偶極矩的增加而減小，使水垢不易生成。而且，在靜電作用下，隨著水分子偶極矩的增大，鹽溶液的正負離子與水分子間的水合作用及水合力增強，從而使鹽的溶解度和溶解速度增大[1]。另一種說法認為，在液態水中，水分子團簇處于一種不斷地斷開和結合的動態平衡中，這個動態平衡所需能量由水分子的熱運動提供，而靜電場提供的能量可促使水分子氫鍵斷開，但并非提供水分子團簇氫鍵全部斷開的能量，這個能量影響了水中沉積物的生成過程。所以，在靜電場中，阻垢作用主要是因為碳酸鈣的晶型由原來的方解石變成了文石，不易附著在換熱器表面[2]。

2.2 殺菌機理

高壓靜電水處理具有顯著殺菌滅藻作用，主要是因為經過靜電水處理后，大量超氧陰離子自由基、·OH自由基、過氧化氫等在水中產生，細胞的生存條件被破壞，從而導致其死亡[4-8]，具體步驟如下所示。

(2)在足夠能量下，水分子通過氫鍵斷裂，分解為OH-和H+，OH-失去e，變為·OH，·OH之間發生碰撞，生成H2O2[4-6]：

H2O→OH-+H+； OH-→·OH+e；

·OH+·OH→H2O2

3 高壓靜電水處理器的性能和應用研究

3.1 高壓靜電水處理器的阻垢和殺菌性能研究

1975年，中國首臺靜電水處理器由南京大學、南京市浦口運輸公司、華東化工學院聯合研制成功，并進行了應用實驗，效果比較顯著[9]，不僅具有阻垢作用，還有殺菌滅藻作用。此后，一些學者對高壓靜電水處理器用于循環冷卻水系統進行了系統研究。

徐洪斌等[3]研究表明經過高壓靜電處理后，殺菌滅藻效果顯著，在20 kV/m電場強度下，作用時間>6 h，可以達到91.3%的殺菌率，若處理時間>14 d，滅藻率可達100%。因為水在高壓靜電作用下，電導率、pH值、溶解氧等參數發生明顯變化，損傷了細菌結構，破壞了其生長環境，從而達到殺菌滅藻的效果。孫敏華等[16]對模擬的電廠循環冷卻水系統在高壓靜電作用下的殺菌試驗進行了研究。結果表明，高壓靜電具有良好的殺菌作用，在工作電壓為12 kV，作用時間>50 min，殺菌率可達99.9%。

3.2 高壓靜電水處理器在企業循環水系統的應用效果

周昕[17]將靜電水處理器用于中央空調冷卻循環水系統。與化學法相比，提高10%以上的熱效率，設備投資可節省50%～60%，年節電1 000 kV/t水，管理維護費僅為1/300。并且無污染，設備壽命長，可連續使用超過10年。吳真真[18]對高壓靜電處理技術應用于火電廠循環冷卻水系統進行了應用研究，以一個循環水量為5 600 m3/h、冷卻系統容積水量為1 200 m3的循環水系統為例，與化學法相比較：設備投資僅占化學法的2/3，占地面積為化學法的1/4，運行費用為其1/10。高壓靜電場不僅能阻垢和殺菌滅藻，而且設備安裝簡單，運行方便，維護費用低，環保無污染，應用前景廣。李勝[19]對高壓靜電水處理設備在某氯堿企業制冷循環水系統中進行了應用研究，企業循環水流量為1 200 m3/h。在高壓靜電水處理器運行2年后，換熱器的管板及管程均無結垢，說明阻垢效果良好；換熱效率提高，每年節約電費8.9萬元。呂中慶[20]將離子棒靜電器安裝在農藥廠循環冷卻水系統，結果表明，系統運行3年來，濃縮倍數保持在2.0以上，水質指標與加入化學藥劑時相比沒有明顯區別，在每年氣溫最高的6、7、8三個月，未發生菌藻大量滋生的現象，這與之前系統每年6～8月份滋生大量菌藻形成鮮明對比。該農藥廠系統循環水量為200 m3/h，經核算，運行3年，節約電費、人工及藥劑成本共計12.7萬元。王志毅等[21]論述了將TS系列靜電水處理除垢棒應用于工業循環水處理系統中的可行性。結果顯示，靜電器是一次性投資，使用壽命長，可達8～10年，每年節約水處理藥劑的費用3萬余元，系統排污水減少2/3[21]。

3.3 高壓靜電水處理器與環保型藥劑協同性能研究

高壓靜電雖然有一定的阻垢、溶垢作用，但是其適用水質的總硬度<700 mg/L，單獨應用于工業水處理時，應用受到了限制[1]。鑒于此，一些研究學者將靜電水處理技術與環保型水處理藥劑結合起來，研究了二者的協同阻垢作用。

李海花和武秀麗等[22-23]對衣康酸均聚物與高壓靜電場協同阻垢性能進行了研究。結果表明，二者之間的協同增效作用顯著增加。高壓靜電作用使碳酸鈣晶型發生了顯著變化。為了提高環保型藥劑聚環氧琥珀酸的阻垢性能，引入了高壓靜電技術[24]。結果表明，在靜態和動態阻垢試驗中，高壓靜電場和藥劑之間協同阻垢效果明顯。與單使用藥劑相比，靜態協同阻垢率提高了19.3%，動態協同阻垢率提高了12.8%。劉展等[25]研究了靜電場作用下ESA/AMPS共聚物的協同阻垢性能。結果表明，對阻碳酸鈣和磷酸鈣，靜電場與ESA/AMPS共聚物均有協同增效作用。對CaCO3的協同阻垢率比單藥劑作用時提高了19%；對Ca3(PO4)2的協同阻垢率比單藥劑時提高了73.3%。李?；ǖ萚26]研究了在高壓靜電場中，環保型藥劑聚環氧琥珀酸(PESA)的阻垢性能及對碳酸鈣形晶體的影響。結果表明，高壓靜電場和藥劑之間的協同增效作用顯著，在靜電電壓 5 000 V，藥劑使用量6 mg/L的條件下，協同比單使用藥劑提高22.3%。經過靜處理后的水垢中文石CaCO3含量增加，說明靜電作用下有利于文石 CaCO3的生成。李?；ǖ萚27]研究了共聚物(IA/SHP/SAS)與靜電場的協同阻垢性能。結果表明，協同阻垢率提高了12.6%；水垢中的碳酸鈣晶型發生了明顯變化，文石晶型含量增大；靜電場與IA/SHP/SAS協同作用增強了CaCO3晶體的晶格畸變作用，從而使CaCO3的溶解度增加。李?；ǖ妊芯苛烁邏红o電場對CaCO3結晶過程的影響，研究表明，靜電場減緩了碳酸鈣晶體生長過程中初期晶體生長的速度，晶體生長過程中有一個穩定期，穩定期的時長受溫度影響較大。60 ℃時穩定期為3 h，當溫度不斷升高到80 ℃后，穩定期時間縮短到<0.5 h[28]。上述結果表明，高壓靜電水處理技術與環保型水處理藥劑二者之間具有明顯的協同增效作用。二者聯合使用，可降低水處理藥劑的使用量或在藥劑用量一定的條件下提高其阻垢性能，降低了因使用藥劑帶來的環境負荷，為開發協同水處理技術提供了新思路。

由上述研究結果可知，大多是關于高壓靜電水處理技術應用于工業循環冷卻水中的阻垢和殺菌效果的研究與應用，對于其在應用中的緩蝕效果鮮有詳細的研究報道，這可以作為今后學者的研究重點。

4 結論

(1)將高壓靜電水處理器或離子棒高壓靜電器應用于工業循環冷卻水系統，不僅具有阻垢作用，同時可以殺菌滅藻。

(2)高壓靜電器是一次性投資，可使用8～10年，節省了大量阻垢緩蝕和殺菌滅藻劑，減少了加藥的勞動強度，節省了人工開支，具有顯著的經濟效益。同時，該技術的使用清潔無污染，其推廣應用對于節能降耗和保護環境具有重要意義。

(3)高壓靜電與環保型藥劑之間具有協同增效作用，將二者結合使用為開發聯合水處理新工藝提供了思路。