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

電化學(xué)水處理技術(shù)在循環(huán)水處理系統(tǒng)中的應(yīng)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(huì)帶來管道和設(shè)備的結(jié)垢、腐蝕以及微生物大量滋生等問題。目前，對(duì)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(duì)管道及設(shè)備造成的不利影響，普遍使用投加化學(xué)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(yùn)行成本高。電化學(xué)水處理技術(shù)利用水及水中礦物質(zhì)的電化學(xué)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(xué)藥劑帶來的環(huán)境污染。

1電化學(xué)水處理技術(shù)的工作原理

電化學(xué)水處理技術(shù)的主要工作原理是利用電化學(xué)的氧化還原反應(yīng)，將水中的Ca²⁺、Mg²⁺以固體形式排除，降低水體的硬度，同時(shí)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(dá)到殺菌滅藻功能。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于電化學(xué)循環(huán)水處理技術(shù)的機(jī)理研宄主要集中在以下兩個(gè)方面：

1.1電化學(xué)除垢原理

在電流的作用下水在陰極發(fā)生電解反應(yīng)生成OH^-，見式（1）、式（2）。由陰極反應(yīng)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(shí)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(shí)在電場(chǎng)的作用下，CaCO₃在陰極板表面的結(jié)晶形式由堅(jiān)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(xué)殺菌原理

研究者認(rèn)為電化學(xué)消毒并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的過程，其包括了物理、化學(xué)和生物等多種作用機(jī)制與反應(yīng)歷程，可以認(rèn)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(tuán)作用等。

在電場(chǎng)的作用下，水中的氯離子會(huì)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(rèn)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(kuò)散到帶負(fù)電的細(xì)菌表面，并通過細(xì)菌的細(xì)胞壁穿透到細(xì)菌內(nèi)部。當(dāng)次氯酸到達(dá)細(xì)菌內(nèi)部時(shí)，能起氧化作用破壞細(xì)菌的酶系統(tǒng)而使細(xì)菌死亡。在電催化反應(yīng)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(qiáng)氧化性的物質(zhì)能使微生物細(xì)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(xué)水處理設(shè)備工作方式

2.1 電化學(xué)水處理設(shè)備的安裝

EST電化學(xué)水處理設(shè)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(duì)緊湊，安裝場(chǎng)地占用面積小，不需要土建施工。

圖1 EST電化學(xué)水處理裝置流程圖

2.2電化學(xué)水處理設(shè)備工作流程

電化學(xué)水處理設(shè)備利用水垢預(yù)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(xué)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(yīng)室、陽極、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、刮刀、進(jìn)出口、排污閥及控制部分等（見圖2）。

冷卻水在反應(yīng)室內(nèi)，經(jīng)過電化學(xué)作用發(fā)生下列反應(yīng)：（1）在陰極（反應(yīng)室內(nèi)壁）附近形成一個(gè)強(qiáng)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(dǎo)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(shí)生成氫氧根自由基、氧自由基、臭氧和雙氧水，這些物質(zhì)進(jìn)一步強(qiáng)化了在反應(yīng)室內(nèi)和整個(gè)水系統(tǒng)的殺菌滅藻效果。（5）當(dāng)設(shè)備工作時(shí)間達(dá)到設(shè)定值或者水中電導(dǎo)率過高時(shí)，控制系統(tǒng)就啟動(dòng)自動(dòng)刮垢、排污和清洗程序。進(jìn)水閥門自動(dòng)關(guān)閉，同時(shí)排污閥門開啟，電機(jī)啟動(dòng)刮刀刮掉反應(yīng)室內(nèi)壁的軟質(zhì)水垢，與沉淀物一起排出反應(yīng)室。然后進(jìn)水閥門開啟，刮刀停止運(yùn)動(dòng)，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(dòng)關(guān)閉，設(shè)備恢復(fù)正常工作。

圖2 電化學(xué)水處理設(shè)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(shí)施循環(huán)水處理技術(shù)升級(jí)改造項(xiàng)目，使用該電化學(xué)水處理設(shè)備一套，到目前為止該設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，循環(huán)水各項(xiàng)指標(biāo)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(shè)備自動(dòng)化程度高，運(yùn)行穩(wěn)定，與投加藥劑相比運(yùn)行費(fèi)用減少75%。設(shè)備投運(yùn)前、后循環(huán)水各項(xiàng)指標(biāo)平均數(shù)據(jù)對(duì)比見表1。裝置投運(yùn)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(dǎo)率均有一定程度的降低。

表1 設(shè)備投運(yùn)前、后循環(huán)水各項(xiàng)指標(biāo)平均數(shù)據(jù)對(duì)比

3電化學(xué)水處理設(shè)備使用優(yōu)勢(shì)

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

（2）免加化學(xué)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(xué)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(xué)設(shè)備通過LSI、RSI軟件系統(tǒng)控制運(yùn)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(shí)，確保熱交換效率始終達(dá)到設(shè)計(jì)能力的98%以上，熱交換器3年內(nèi)不需要清洗。

（4）經(jīng)濟(jì)實(shí)用。單臺(tái)設(shè)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(shè)備投資回報(bào)周期在1年左右。

4結(jié)論與展望

電化學(xué)循環(huán)水技術(shù)的研究與應(yīng)用，取代了用添加化學(xué)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(yùn)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(fèi)用，節(jié)約補(bǔ)充水費(fèi)用的同時(shí)，節(jié)省巨額的污水處理與排放費(fèi)用；優(yōu)化循環(huán)水系統(tǒng)的同時(shí)，大幅度降低企業(yè)污水系統(tǒng)的巨額投資與運(yùn)行費(fèi)用，有著極其重要的環(huán)保與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

面對(duì)越來越嚴(yán)峻的水資源危機(jī)與水污染現(xiàn)狀，電化學(xué)水處理設(shè)備將具有很高的優(yōu)越性和應(yīng)用前景。