電化學工業(yè)循環(huán)冷卻水處理技術 - 循環(huán)水處理

電化學水處理技術在循環(huán)水處理系統(tǒng)中的應用

循環(huán)水系統(tǒng)是冶金工業(yè)、石油工業(yè)、化工工業(yè)以及建筑的空調(diào)系統(tǒng)必不可少的能源介質(zhì)之一。提高循環(huán)水的利用率將極大減緩用水壓力，然而減少循環(huán)水的排放，提高其濃縮倍數(shù)，必然會帶來管道和設備的結(jié)垢、腐蝕以及微生物大量滋生等問題。目前，對于工業(yè)循環(huán)水處理系統(tǒng)，為減少因循環(huán)水中鹽類等的濃縮而對管道及設備造成的不利影響，普遍使用投加化學藥劑的方法來保持水質(zhì)穩(wěn)定，以提高循環(huán)水系統(tǒng)的濃縮倍數(shù)。然而，這種方法所使用的藥劑昂貴，運行成本高。電化學水處理技術利用水及水中礦物質(zhì)的電化學特性，通過調(diào)節(jié)水中礦物質(zhì)的平衡，解決了工業(yè)循環(huán)水的結(jié)垢、腐蝕、微生物滋生三大問題，從根本上解決投加化學藥劑帶來的環(huán)境污染。

1電化學水處理技術的工作原理

電化學水處理技術的主要工作原理是利用電化學的氧化還原反應，將水中的Ca²⁺、Mg²⁺以固體形式排除，降低水體的硬度，同時產(chǎn)生氧化性物質(zhì)，抑制循環(huán)水系統(tǒng)中菌藻的滋生，達到殺菌滅藻功能。目前，國內(nèi)外對于電化學循環(huán)水處理技術的機理研宄主要集中在以下兩個方面：

1.1電化學除垢原理

在電流的作用下水在陰極發(fā)生電解反應生成OH^-，見式（1）、式（2）。由陰極反應產(chǎn)生的OH^-離子，打破陰極附近溶液中堿度與硬度的平衡，溶液中的HCO₃^-離子轉(zhuǎn)化為CO₃^2-離子，見式（3）。同時水中的Ca²⁺、Mg²⁺等成垢離子在靜電引力的作用下向陰極區(qū)遷移，分別生成CaCO₃、Mg(OH)₂沉淀析出，見式（4）、式（5）。

（1）      O₂+2 H₂O+4e→4OH^-

（2）     2H₂O+2e→H₂+2OH^-

（3）     OH^-+ HCO₃^-→CO₃^2-+ H₂O

（4）     Ca²⁺+CO₃^2-→CaCO₃↓

（5）     Mg²⁺+2OH^-→Mg(OH)₂↓

同時在電場的作用下，CaCO₃在陰極板表面的結(jié)晶形式由堅硬的方解石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為疏松的文石型結(jié)構(gòu)，更易于剝離去除。

1.2電化學殺菌原理

研究者認為電化學消毒并不是一個簡單的過程，其包括了物理、化學和生物等多種作用機制與反應歷程，可以認為是多種因素共同作用完成的。其中主要涉及如電解氯化、活性基團作用等。

在電場的作用下，水中的氯離子會被氧化成氯氣、次氯酸、次氯酸根等自由氯組分，見式（6）、式（7）、式（8）。一般認為，電解氯化作用，主要通過次氯酸起作用。次氯酸為很小的中性分子，只有它才能擴散到帶負電的細菌表面，并通過細菌的細胞壁穿透到細菌內(nèi)部。當次氯酸到達細菌內(nèi)部時，能起氧化作用破壞細菌的酶系統(tǒng)而使細菌死亡。在電催化反應中，通過電解水以及溶解在水中的氧氣在電極表面生成一些短壽命的中間產(chǎn)物，即臭氧（式9）、羥基自由基（式10）、過氧化氫（式11）和氧自由基（式12）等，這些強氧化性的物質(zhì)能使微生物細胞中的多種成分發(fā)生氧化，從而使微生物產(chǎn)生不可逆的變化而死亡。

（6）        2Cl^- -2e→Cl₂

（7）        Cl^-+H₂O-2 e→HClO +H⁺

（8）        Cl^-+2OH^-- 2 e→ClO+ H₂O

（9）        O₂ + 2OH^--2e→O₃+ H₂O

（10）    OH^- - e→OH⁰

（11）    2H₂O- 2 e→H₂O₂ + 2H⁺

（12）    H₂O -2 e→O⁰ + 2 H⁺

2 電化學水處理設備工作方式

2.1 電化學水處理設備的安裝

EST電化學水處理設備采用旁路安裝，在不改變現(xiàn)有工藝情況下，可以直接并聯(lián)在幾乎所有的現(xiàn)有循環(huán)水系統(tǒng)上（見圖1）。處理單元相對緊湊，安裝場地占用面積小，不需要土建施工。

圖1 EST電化學水處理裝置流程圖

2.2電化學水處理設備工作流程

電化學水處理設備利用水垢預沉積和氯離子的氧化產(chǎn)物，用于工業(yè)循環(huán)冷卻水、中央空調(diào)循環(huán)水等，從而取代軟化樹脂或者化學藥劑解決結(jié)垢和微生物控制的問題。其主要構(gòu)成部件有: 反應室、陽極、驅(qū)動電機、刮刀、進出口、排污閥及控制部分等（見圖2）。

冷卻水在反應室內(nèi)，經(jīng)過電化學作用發(fā)生下列反應：（1）在陰極（反應室內(nèi)壁）附近形成一個強堿性環(huán)境，使碳酸鈣從水中析出，與沉積的重金屬離子一起附著在內(nèi)壁上。（2）電流導致懸浮顆粒失穩(wěn)，形成較大絮體沉淀下來。（3）在陽極附近，氯離子被電解氧化生成游離氯或者次氯酸。（4）在陽極附近同時生成氫氧根自由基、氧自由基、臭氧和雙氧水，這些物質(zhì)進一步強化了在反應室內(nèi)和整個水系統(tǒng)的殺菌滅藻效果。（5）當設備工作時間達到設定值或者水中電導率過高時，控制系統(tǒng)就啟動自動刮垢、排污和清洗程序。進水閥門自動關閉，同時排污閥門開啟，電機啟動刮刀刮掉反應室內(nèi)壁的軟質(zhì)水垢，與沉淀物一起排出反應室。然后進水閥門開啟，刮刀停止運動，將水垢和沉淀物徹底清洗干凈。大約2-5分鐘后，排污閥門自動關閉，設備恢復正常工作。

圖2 電化學水處理設備內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.3 投用前后循環(huán)水水質(zhì)比較

某企業(yè)實施循環(huán)水處理技術升級改造項目，使用該電化學水處理設備一套，到目前為止該設備運行穩(wěn)定，循環(huán)水各項指標均有明顯改觀，水質(zhì)明顯變清，透明度高，水垢去除看得見。設備自動化程度高，運行穩(wěn)定，與投加藥劑相比運行費用減少75%。設備投運前、后循環(huán)水各項指標平均數(shù)據(jù)對比見表1。裝置投運后，循環(huán)水總鐵離子質(zhì)量濃度逐步降低并趨于穩(wěn)定，循環(huán)水的總堿度、總硬度、Cl^-濃度和電導率均有一定程度的降低。

表1 設備投運前、后循環(huán)水各項指標平均數(shù)據(jù)對比

3電化學水處理設備使用優(yōu)勢

（1）電解系統(tǒng)由微電腦控制，全自動化操作，維護方便簡單，占地面積小，重量輕，安裝方便靈活。

（2）免加化學水處理藥劑，綠色環(huán)保，無污染物排放，節(jié)水，節(jié)能，提高生產(chǎn)效率。與使用化學水處理藥劑比較，節(jié)水≥40%、節(jié)能≥23%、提高生產(chǎn)效率≥4%；綠色環(huán)保，排水經(jīng)過沉淀澄清即可循環(huán)利用。

（3）提高生產(chǎn)效率。電化學設備通過LSI、RSI軟件系統(tǒng)控制運行，確保換熱器水側(cè)結(jié)垢物質(zhì)厚度在0.1mm左右。在防腐蝕同時，確保熱交換效率始終達到設計能力的98%以上，熱交換器3年內(nèi)不需要清洗。

（4）經(jīng)濟實用。單臺設備處理量50m³/h-100m³/h，電極壽命≥3年，殺菌滅藻效果是藥劑的10倍以上，設備投資回報周期在1年左右。

4結(jié)論與展望

電化學循環(huán)水技術的研究與應用，取代了用添加化學藥劑方式處理循環(huán)水，從源頭上解決了循環(huán)水污染的根本問題，一方面讓循環(huán)水系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定，另一方面徹底解決循環(huán)水排污引起的環(huán)保問題，節(jié)約藥劑費用，節(jié)約補充水費用的同時，節(jié)省巨額的污水處理與排放費用；優(yōu)化循環(huán)水系統(tǒng)的同時，大幅度降低企業(yè)污水系統(tǒng)的巨額投資與運行費用，有著極其重要的環(huán)保與經(jīng)濟價值。

面對越來越嚴峻的水資源危機與水污染現(xiàn)狀，電化學水處理設備將具有很高的優(yōu)越性和應用前景。