高壓靜電在工業(yè)循環(huán)冷卻水處理中的應(yīng)用進(jìn)展

閆美芳，譚強(qiáng)強(qiáng)，劉展，李?；?，高玉華，張利輝，劉振法

(1.中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所 多相復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100049；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.河北省科學(xué)院能源研究所，河北 石家莊 050081；4河北省工業(yè)節(jié)水工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050081)

工業(yè)循環(huán)冷卻水處理方法主要有化學(xué)法和物理法兩大類(lèi)?；瘜W(xué)法主要是通過(guò)向系統(tǒng)中加入化學(xué)藥劑控制循環(huán)水結(jié)垢，而物理法主要是通過(guò)物理設(shè)備或裝置的處理達(dá)到阻垢的目的。相比較而言，物理方法因?yàn)闆](méi)有化學(xué)物質(zhì)的添加，長(zhǎng)期使用不會(huì)造成水體及土壤環(huán)境的污染，越來(lái)越受到人們的重視。

在工業(yè)循環(huán)冷卻水處理中應(yīng)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(xì)菌和藻類(lèi)。此外，靜電水處理器一般占地較小，功耗較低，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單方便，不產(chǎn)生二次污染，引起了極大關(guān)注并對(duì)其進(jìn)行研究[1-3]。本文主要討論了高壓靜電水處理法在循環(huán)冷卻水處理中的應(yīng)用進(jìn)展。

1 高壓靜電水處理器的結(jié)構(gòu)

靜電水處理又稱(chēng)高壓靜電水處理法，水處理器的核心部分是靜電高壓發(fā)生裝置，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 高壓靜電水處理器結(jié)構(gòu)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(gè)部分組成：①用于提供高電壓和強(qiáng)電場(chǎng)的高壓直流電源；②產(chǎn)生高壓靜電場(chǎng)的裝置。高壓直流電源，通過(guò)功能電路模塊將交流220 V電壓輸入轉(zhuǎn)化高壓直流電壓輸出。產(chǎn)生高壓靜電場(chǎng)的裝置，是將一根鐵芯置于聚四氟乙烯圓筒內(nèi)作為正極，由無(wú)縫管(鋼管或不銹鋼管)制成的殼體作為負(fù)極，正負(fù)極之間形成一定體積的空腔。當(dāng)在正負(fù)極上施加直流高壓時(shí)，正負(fù)極之間形成高壓靜電場(chǎng)，水從正負(fù)極間腔內(nèi)流過(guò)，即可得到靜電處理。靜電水處理器技術(shù)參數(shù)：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(chǎng)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(gè)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(guò)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?chē)乃芯彤a(chǎn)生了高強(qiáng)度的靜電場(chǎng)。離子棒須安裝在金屬管路上，可多根串聯(lián)用于較大的循環(huán)水系統(tǒng)?？蓮V泛應(yīng)用于中央空調(diào)循環(huán)水、冷媒水、熱交換、鍋爐給水等系統(tǒng)，作為化學(xué)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(jī)理

將高壓靜電水處理技術(shù)應(yīng)用于循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，不僅可以阻垢，還有殺菌滅藻作用。

2.1 阻垢機(jī)理

目前，關(guān)于高壓靜電阻垢作用機(jī)理，還沒(méi)有統(tǒng)一定論。一種說(shuō)法認(rèn)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(fù)順序進(jìn)行整齊排列。數(shù)個(gè)水分子將包圍溶解在水中的鹽類(lèi)正負(fù)離子，這些鹽類(lèi)離子亦以正負(fù)順序進(jìn)入偶極水分子群中。在靜電作用下，這些鹽離子的運(yùn)動(dòng)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(fù)離子與水分子間的水合作用及水合力增強(qiáng)，從而使鹽的溶解度和溶解速度增大[1]。另一種說(shuō)法認(rèn)為，在液態(tài)水中，水分子團(tuán)簇處于一種不斷地?cái)嚅_(kāi)和結(jié)合的動(dòng)態(tài)平衡中，這個(gè)動(dòng)態(tài)平衡所需能量由水分子的熱運(yùn)動(dòng)提供，而靜電場(chǎng)提供的能量可促使水分子氫鍵斷開(kāi)，但并非提供水分子團(tuán)簇氫鍵全部斷開(kāi)的能量，這個(gè)能量影響了水中沉積物的生成過(guò)程。所以，在靜電場(chǎng)中，阻垢作用主要是因?yàn)樘妓徕}的晶型由原來(lái)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(jī)理

高壓靜電水處理具有顯著殺菌滅藻作用，主要是因?yàn)榻?jīng)過(guò)靜電水處理后，大量超氧陰離子自由基、·OH自由基、過(guò)氧化氫等在水中產(chǎn)生，細(xì)胞的生存條件被破壞，從而導(dǎo)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(guò)氫鍵斷裂，分解為OH-和H+，OH-失去e，變?yōu)椤H，·OH之間發(fā)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(yīng)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(guó)首臺(tái)靜電水處理器由南京大學(xué)、南京市浦口運(yùn)輸公司、華東化工學(xué)院聯(lián)合研制成功，并進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，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(xué)者對(duì)高壓靜電水處理器用于循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

徐洪斌等[3]研究表明經(jīng)過(guò)高壓靜電處理后，殺菌滅藻效果顯著，在20 kV/m電場(chǎng)強(qiáng)度下，作用時(shí)間>6 h，可以達(dá)到91.3%的殺菌率，若處理時(shí)間>14 d，滅藻率可達(dá)100%。因?yàn)樗诟邏红o電作用下，電導(dǎo)率、pH值、溶解氧等參數(shù)發(fā)生明顯變化，損傷了細(xì)菌結(jié)構(gòu)，破壞了其生長(zhǎng)環(huán)境，從而達(dá)到殺菌滅藻的效果。孫敏華等[16]對(duì)模擬的電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)在高壓靜電作用下的殺菌試驗(yàn)進(jìn)行了研究。結(jié)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(shí)間>50 min，殺菌率可達(dá)99.9%。

3.2 高壓靜電水處理器在企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)的應(yīng)用效果

周昕[17]將靜電水處理器用于中央空調(diào)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)。與化學(xué)法相比，提高10%以上的熱效率，設(shè)備投資可節(jié)省50%～60%，年節(jié)電1 000 kV/t水，管理維護(hù)費(fèi)僅為1/300。并且無(wú)污染，設(shè)備壽命長(zhǎng)，可連續(xù)使用超過(guò)10年。吳真真[18]對(duì)高壓靜電處理技術(shù)應(yīng)用于火電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用研究，以一個(gè)循環(huán)水量為5 600 m3/h、冷卻系統(tǒng)容積水量為1 200 m3的循環(huán)水系統(tǒng)為例，與化學(xué)法相比較：設(shè)備投資僅占化學(xué)法的2/3，占地面積為化學(xué)法的1/4，運(yùn)行費(fèi)用為其1/10。高壓靜電場(chǎng)不僅能阻垢和殺菌滅藻，而且設(shè)備安裝簡(jiǎn)單，運(yùn)行方便，維護(hù)費(fèi)用低，環(huán)保無(wú)污染，應(yīng)用前景廣。李勝[19]對(duì)高壓靜電水處理設(shè)備在某氯堿企業(yè)制冷循環(huán)水系統(tǒng)中進(jìn)行了應(yīng)用研究，企業(yè)循環(huán)水流量為1 200 m3/h。在高壓靜電水處理器運(yùn)行2年后，換熱器的管板及管程均無(wú)結(jié)垢，說(shuō)明阻垢效果良好；換熱效率提高，每年節(jié)約電費(fèi)8.9萬(wàn)元。呂中慶[20]將離子棒靜電器安裝在農(nóng)藥廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行3年來(lái)，濃縮倍數(shù)保持在2.0以上，水質(zhì)指標(biāo)與加入化學(xué)藥劑時(shí)相比沒(méi)有明顯區(qū)別，在每年氣溫最高的6、7、8三個(gè)月，未發(fā)生菌藻大量滋生的現(xiàn)象，這與之前系統(tǒng)每年6～8月份滋生大量菌藻形成鮮明對(duì)比。該農(nóng)藥廠系統(tǒng)循環(huán)水量為200 m3/h，經(jīng)核算，運(yùn)行3年，節(jié)約電費(fèi)、人工及藥劑成本共計(jì)12.7萬(wàn)元。王志毅等[21]論述了將TS系列靜電水處理除垢棒應(yīng)用于工業(yè)循環(huán)水處理系統(tǒng)中的可行性。結(jié)果顯示，靜電器是一次性投資，使用壽命長(zhǎng)，可達(dá)8～10年，每年節(jié)約水處理藥劑的費(fèi)用3萬(wàn)余元，系統(tǒng)排污水減少2/3[21]。

3.3 高壓靜電水處理器與環(huán)保型藥劑協(xié)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(zhì)的總硬度<700 mg/L，單獨(dú)應(yīng)用于工業(yè)水處理時(shí)，應(yīng)用受到了限制[1]。鑒于此，一些研究學(xué)者將靜電水處理技術(shù)與環(huán)保型水處理藥劑結(jié)合起來(lái)，研究了二者的協(xié)同阻垢作用。

李?；ê臀湫沱惖萚22-23]對(duì)衣康酸均聚物與高壓靜電場(chǎng)協(xié)同阻垢性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，二者之間的協(xié)同增效作用顯著增加。高壓靜電作用使碳酸鈣晶型發(fā)生了顯著變化。為了提高環(huán)保型藥劑聚環(huán)氧琥珀酸的阻垢性能，引入了高壓靜電技術(shù)[24]。結(jié)果表明，在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)阻垢試驗(yàn)中，高壓靜電場(chǎng)和藥劑之間協(xié)同阻垢效果明顯。與單使用藥劑相比，靜態(tài)協(xié)同阻垢率提高了19.3%，動(dòng)態(tài)協(xié)同阻垢率提高了12.8%。劉展等[25]研究了靜電場(chǎng)作用下ESA/AMPS共聚物的協(xié)同阻垢性能。結(jié)果表明，對(duì)阻碳酸鈣和磷酸鈣，靜電場(chǎng)與ESA/AMPS共聚物均有協(xié)同增效作用。對(duì)CaCO3的協(xié)同阻垢率比單藥劑作用時(shí)提高了19%；對(duì)Ca3(PO4)2的協(xié)同阻垢率比單藥劑時(shí)提高了73.3%。李海花等[26]研究了在高壓靜電場(chǎng)中，環(huán)保型藥劑聚環(huán)氧琥珀酸(PESA)的阻垢性能及對(duì)碳酸鈣形晶體的影響。結(jié)果表明，高壓靜電場(chǎng)和藥劑之間的協(xié)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(xié)同比單使用藥劑提高22.3%。經(jīng)過(guò)靜處理后的水垢中文石CaCO3含量增加，說(shuō)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(chǎng)的協(xié)同阻垢性能。結(jié)果表明，協(xié)同阻垢率提高了12.6%；水垢中的碳酸鈣晶型發(fā)生了明顯變化，文石晶型含量增大；靜電場(chǎng)與IA/SHP/SAS協(xié)同作用增強(qiáng)了CaCO3晶體的晶格畸變作用，從而使CaCO3的溶解度增加。李海花等研究了高壓靜電場(chǎng)對(duì)CaCO3結(jié)晶過(guò)程的影響，研究表明，靜電場(chǎng)減緩了碳酸鈣晶體生長(zhǎng)過(guò)程中初期晶體生長(zhǎng)的速度，晶體生長(zhǎng)過(guò)程中有一個(gè)穩(wěn)定期，穩(wěn)定期的時(shí)長(zhǎng)受溫度影響較大。60 ℃時(shí)穩(wěn)定期為3 h，當(dāng)溫度不斷升高到80 ℃后，穩(wěn)定期時(shí)間縮短到<0.5 h[28]。上述結(jié)果表明，高壓靜電水處理技術(shù)與環(huán)保型水處理藥劑二者之間具有明顯的協(xié)同增效作用。二者聯(lián)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(lái)的環(huán)境負(fù)荷，為開(kāi)發(fā)協(xié)同水處理技術(shù)提供了新思路。

由上述研究結(jié)果可知，大多是關(guān)于高壓靜電水處理技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)循環(huán)冷卻水中的阻垢和殺菌效果的研究與應(yīng)用，對(duì)于其在應(yīng)用中的緩蝕效果鮮有詳細(xì)的研究報(bào)道，這可以作為今后學(xué)者的研究重點(diǎn)。

4 結(jié)論

(1)將高壓靜電水處理器或離子棒高壓靜電器應(yīng)用于工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，不僅具有阻垢作用，同時(shí)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(jié)省了大量阻垢緩蝕和殺菌滅藻劑，減少了加藥的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了人工開(kāi)支，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，該技術(shù)的使用清潔無(wú)污染，其推廣應(yīng)用對(duì)于節(jié)能降耗和保護(hù)環(huán)境具有重要意義。

(3)高壓靜電與環(huán)保型藥劑之間具有協(xié)同增效作用，將二者結(jié)合使用為開(kāi)發(fā)聯(lián)合水處理新工藝提供了思路。