PDF《电化学水垢去除技术处理能力核算及技术改进》

电化学水垢去除技术处理能力核算及技术改进 徐浩,雷佳妮,杨鸿辉,延卫,杨柳(西安交通大学环境科学与工程系,陕西西安 710049) [摘要] 电化学水垢去除技术是一种主动式水垢控制技术,可将水垢以固体形式从循环冷却水中析出.

通过理 论计算得出该技术处理能力计算表达式,并结合工程实践状况分析了影响处理能力的因素,重点分析了影响设备传 质条件的因素. 在此基础上,提出了电化学水垢去除技术的

2 个改进方向:即将电化学水垢去除技术与其他除垢技 术联用,以及发展与现有水垢阴极沉积思路相反的电化学阳极除碱技术. [关键词] 水垢;

电化学除垢;

电化学阳极除碱 [中图分类号] TQ085+ .4 [文献标识码] A [文章编号] 1005-829X(2019)02-0017-04 Checking on the treatment ability of electrochemical scale removing technology and its improvement Xu Hao,Lei Jiani,Yang Honghui,Yan Wei,Yang Liu (Department of Environmental Science &

Engineering,Xi'

an Jiaotong University , Xi'

an 710049,China) Abstract: Electrochemical scale removing technology is a kind of active scale controlling technology,which can pre- cipitate the scale from the circulating cooling water in solid form. The removing ability calculation expression of the technology is obtained by theoretical calculation. The factors influencing the removing ability are analyzed according to the engineering practice status,and the factor influencing the equipment mass transfer condition is analyzed em- phatically. Based on this,two improvement directions of electrochemical scale removing technology are presented. One is the combination of electrochemical scale removal technology with other scale removing technologies,and the other one is the development of anodic electrochemical alkali removing technology,which is contrary to the existing scale cathodic deposition concept. Key words: scale;

electrochemical scale removal;

electrochemical anodic alkali removal 结垢是循环冷却水系统当中广泛存在的一种现 象〔1〕 . 循环水中含有大量离子和杂质,由于水蒸发浓 缩,水中 Ca2+ 、Mg2+ 等金属离子和 CO3 2- 、HCO3 - 等阴离 子结合在一起, 容易形成 CaCO3 与MgCO3 等水垢〔2〕 . 另外, 循环水系统的水温、pH 和盐度适合大多数微 生物的繁殖生长〔3〕 ,当微生物与水垢掺混在一起,会 形成生物黏泥,从而带来更大危害. 水垢的危害主要表现在以下几方面:(1)造成管 路堵塞,使管路水流量减少;

(2)造成管壁两侧传热 受阻,使能源消耗增加;

(3)引发垢下腐蚀,造成管路 穿孔〔4〕 . 为此,研究人员提出了一系列解决水垢的方 法,如:阻垢剂法〔5〕 、离子交换法、加酸法、高压静电 法〔6〕 、超声波法〔7〕 、磁化法〔8〕 、电磁法〔9〕 及电化学除垢 法〔10-11〕 . 电化学水垢去除技术属于典型的主动式除垢技 术, 其优点是可将成垢离子直接以固体形式从水中 沉出, 从而可减少循环水结垢趋势, 提高其浓缩倍 数,进而可减少排污量,有效节约水资源〔2〕 . 目前,该 技术已在工程实践中得到一定程度应用, 表现出较 好的经济价值.但是,作为一项处于推广阶段的新技 术, 电化学水垢去除技术的最大缺陷在于其单位面 积阴极除垢能力不够〔12〕 . D. Hasson 等〔13〕 的研究表 明, 采用电化学法对硬度为

2 000 mg/L, 流量为

20 m3 /h 的循环水体系进行处理, 当硬度消减量为一半 时,所需阴极面积高达

400 m2 ,远远超过目前实际电 化学除垢设备的阴极面积. 基于此, 笔者通过理论计算得出该技术处理能 力计算表达式, 并结合工程实践状况分析了影响处 理能力的因素.在此基础上,提出了电化学水垢去除 技术的

2 个改进方向. [基金项目] 国家自然科学基金项目(21507104);

陕西省自然科学基础研究计划项目(2017JM2015) 第39 卷第

2 期2019 年2月工业水处理 Industrial Water Treatment Vol.39 No.2 Feb.,2019

17 1 设备处理能力核算 1.1 技术原理 图1为电化学水垢去除技术原理示意. 图1电化学水垢去除技术原理示意 根据文献〔14〕~〔16〕所述,在阴极极化过程中, 有2段区域会产生 OH- ,分别是氧还原过程〔见式 (1)〕和析氢过程〔见式(2)〕. 实际工程中,电化学设 备阴极上会有大量气泡产生,可认为式(2)析氢过程 是产生 OH- 的主反应. 溶液主体中 Ca2+ 在传质及电 场综合作用下向阴极表面区域迁移,式(3)生成的 CO3 2- 即与到达阴极表面区的 Ca2+ 反应生成 CaCO3 沉淀〔见式(4)〕,并沉积于阴极表面. O2+2H2O+4e- →4OH- (1) 2H2O+2e- →H2↑+2OH- (2) HCO3 - +OH- →CO3 2- +H2O (3) Ca2+ +CO3 2- →CaCO3↓ (4) 1.2 理论处理能力 根据式(1)~式(4) 可知,反应过程中电子与CaCO3 沉淀的物质的量比为 1∶1. 由此,可根据电化 学过程中通过的电量来对 CaCO3 沉淀的理论生成 量进行计算. n碳酸钙 =3 600It/(e0*N0) (5) m碳酸钙= n碳酸钙*M碳酸钙= 0.003

736 3It (6) 式中:I―― ―输入电流,A;

t―― ―处理时间,h;

e0―― ―电子电量,其值 1.602 176*10-19 C;

N0―― ―阿伏伽德罗常数,其值 6.022*1023 ;

n碳酸钙 ―― ―碳酸钙的物质的量,mol;

M 碳酸钙―― ―碳酸钙摩尔质量,其值 100g/mol;

m碳酸钙 ―― ―碳酸钙质量,kg. 当电化学过程使用脉冲电源时, 需考虑所用脉 冲占空比(η占空比),最终生成 CaCO3 的质量应进行修 正,如式(7)所示. m碳酸钙=0.003

736 3Itη占空比 (7) 当上述 t 为1h时,所得数据为电化学设备的理 论小时处理能力;

当上述 t 为24 h 时,所得数据为电 化学设备的理论日处理能力. 综上可知,对单台电化学除垢设备而言,决定其 除垢能力的根本因素是处理过程中所通过的电量. 但上述计算所得数值是在理想状态下, 实际处理量 由于受到各种限值因素的影响会小于这

2 个值,需 要进行修正. 1.3 处理能力修正 电化学设备理论处理能力的依据是式(1)~式(4), 由此才得出电子与 CaCO3 沉淀的物质的量比 为1∶1. 式(1)与式(2)属于电化学反应,由于存在电 驱动,其反应效率可视为 100%. 但是,循环水体系 复杂,可能会有其他物质(离子或有机物)优先在阴 极表面发生反应而消耗电子,使式(1)与式(2)所代 表的 OH- 生成过程效率降低, 进而直接影响后续 CaCO3 生成过程,此部分修正系数设为 η1. 由于循环 水体系的复杂性,η1 很难估计. 式(3)属于化学反 应,由于 OH- 随电化学过程不断产生,从化学反应平 衡的观点看,该反应应该持续向右进行,反应效率可 视为 100%. 在电化学水垢去除过程中,HCO3 - 浓度 代表碱度,当碱度超过硬度时,HCO3 - 处于过量状态, 对式(3)没有影响. 但HCO3 - 存在的形态受到溶液 pH 影响.循环水 pH 一般在 7~9,根据碳酸化合态分 布(见图 2),该范围内 HCO3 - 占比在 80%~100%,此 部分修正系数设为 η2. 考虑实际情况下,循环水 pH 在7.5 附近,可将 η2 取为 90%. 式(4)属于沉淀反 应,反应彻底,其反应效率可视为 100%. 但是该沉 淀反应的前提为 Ca2+ 与CO3 2- 之间存在接触碰撞,并 以合适方式沉积在反应器阴极表面, 因此反应器内 部传质条件对于此步骤影响巨大, 此部分修正系数 设为 η3. 图2碳酸化合态分布图 由于 η

1、η

2、η3 的不确定性,可以根据效率 100% 的情况计算得出理论 CaCO3 产量,然后结合实际情 况下 CaCO3 产量,计算出经验修正系数 η修正,该系 专论与综述 工业水处理 2019-02,39(2)

18 数可将 η

1、η

2、η3 三者都包含进去,即可修正为: m碳酸钙=0.003

736 3Itη1η2η3=0.003

736 3Itη修正 (8) 实际使用过程中, 针对某种型号的电化学水垢 去除设备,可以测量系列处理条件下 CaCO3 实际产 生量,形成系列条件下的 η修正,以方便针对不同实际 条件水样时进行估算及设备选型.

2 传质条件改善 由式(1)~式(4)及前述处理能力影响因素分析 可知, 反应器内部传质条件对水垢沉积具有很大影 响. 实际工程中能够影响反应器内部传质条件的因 素包括(但不限于):阴极面积、水流状态、水力停留 时间、电流密度、循环水硬度等. (1)阴极面积. 增大阴极面积,能够使水体与阴 极接触面积变大,水中 Ca2+ 与阴极接触机会增多,有 利于 CaCO3 沉淀反应的进行. 此外,阴极接水电阻 会由于阴极面积增加而降低, 使电化学设备电压在 相同电流条件下得以降低,有利于降低运行能耗.为 了提高电化学水垢去除技术的处理效率,发明了专 利CN105621538A、CN105523611A、CN105668713A 以及 CN105565438A, 对电化学除垢设备进行优化 设计. 其创新点即在于充分优化电化学设备内部结 构,尽最大可能扩大可用阴极面积,以利于水垢在阴 极析出,提高设备处理效率与处理能力. (2)水流状态. 电化学水垢去除技术本质为 Ca2+ 向阴极的定向迁移过程, 而水体流动状态对定向迁 移有较大影响.水流处于完全层流状态时,仅有........