采用逆向電流除垢法的循環(huán)水電解裝置研發(fā)

王 浩

(山西焦煤集團有限責任公司 技術(shù)中心，山西 太原 030000)

工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)在運行過程中水分不斷損失，導(dǎo)致水體中各類無機鹽含量超標，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)致水體富營養(yǎng)化，同時循環(huán)水中腐蝕性離子濃度不斷上升同樣對工業(yè)循環(huán)水裝置壽命產(chǎn)生影響，這就需要進行合理的循環(huán)水處理，降低循環(huán)水中無機鹽含量，減少循環(huán)水補水量。

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，即通過在循環(huán)水中投放化學(xué)藥劑使水中無機鹽離子形成沉淀，從而降低循環(huán)水中離子含量，但是此法缺點明顯，運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養(yǎng)化，并且濃縮倍率很難得到提高，每天會產(chǎn)生大量的排污水，也造成了水資源的嚴重浪費。

電解法處理工業(yè)循環(huán)水是近年來興起的一項新技術(shù)，其運用電化學(xué)反應(yīng)機理并作用于工業(yè)循環(huán)水中的各類無機鹽，實現(xiàn)對水體的阻垢、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，能達到循環(huán)水處理工藝智能化操作，并且除垢效率高、裝置運行更加穩(wěn)定。

1 技術(shù)原理

1.1 陰極反應(yīng)

通過電化學(xué)作用，陰極附近會產(chǎn)生大量氫氧根，并形成強堿性環(huán)境，促進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，進而降低離子濃度。

1.2 陽極反應(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)物都具備強力殺菌、滅菌作用，結(jié)合反應(yīng)室中不斷波動的酸堿環(huán)境以及直流電的不間斷作用，保證整套電解系統(tǒng)同時具備殺菌、消毒功能。

1.3 除垢原理

將電源正負極反接在電解裝置原陰陽極上，此時原陰極充當陽極，原陽極充當陰極，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，直至脫落。因為除垢時間很短，所以對原電極及相應(yīng)涂層損壞很小。

2 設(shè)計方案

2.1 結(jié)構(gòu)方案

設(shè)計一套用于電解循環(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)置進水口、出水口，底部開有錐形排污口，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)造圖見圖1. 整個裝置在電解作用下，碳鋼桶體作為陰極會附著各種無機鹽垢，鈦棒作為陽極產(chǎn)生Cl2、O2，電流密度依據(jù)循環(huán)水中無機鹽含量設(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)正常運行時，2 臺電解槽并聯(lián)使用，一開一備。隨著電解的進行，當需要清理一號電解槽陰極桶壁上水垢時，開啟二號電解槽，關(guān)閉一號電解槽及該電槽進水口和排水口，并切換一號電槽電源正負極，在逆向電流的作用下，原陰極上的水垢在電解作用下會成片脫落。清除出來的水垢及礦物質(zhì)通過反洗時隨水排出，經(jīng)過水池沉淀，上清液返回循環(huán)水系統(tǒng)，實現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)的零排放。完成清洗流程后的一號電槽轉(zhuǎn)為備用電槽，當二號電槽需要清洗作業(yè)時，一號電槽開始工作，二號電槽則按照先前一號電槽所述步驟進行除垢作業(yè)。

整套系統(tǒng)接入微電腦控制系統(tǒng)后可以做到無人值守自動化操作。按照系統(tǒng)每天預(yù)計清除的水垢量確定清洗周期和時間，并定時對循環(huán)水進行離子濃度檢測，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間輸入電腦后，系統(tǒng)將按照流程自動作業(yè)。

3 使用效果

3.1 對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，且降低的比例相對穩(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)形式通過冷卻塔放空。因此，循環(huán)水中余氯的含量實際上一直維持在0.2 ×10-6～0.6 ×10-6.

3.2 對微生物的控制

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

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

該套裝置在運行過程中陰、陽極周邊會各形成1個堿性區(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)致這兩個區(qū)域都有一定的pH 值梯度。當循環(huán)水不斷從裝置底部進入并從裝置上部排出時，循環(huán)水中寄生的細菌也會經(jīng)歷不同的酸堿性環(huán)境，通過細菌本身對酸堿度異常敏感的特性，使該套裝置對微生物具備一定的殺菌、抑菌作用。

3.3 試驗情況

運用逆向電流除垢法的小型試驗裝置在實驗室模擬工況循環(huán)水處理過程已經(jīng)取得階段性成功，通過對水樣的分析，設(shè)備除垢能力與國外同類裝置相當，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)化運行的需要。

4 結(jié)束語

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到工業(yè)循環(huán)廢水處理過程中自動化無人值守的條件，同時由于裝置內(nèi)部不存在刮刀，使整個裝置結(jié)構(gòu)簡單化，提高了運行穩(wěn)定性。