洛河層井水電脫鹽技術研究

榮光輝，歐陽詩昆，李亞洲

（中國石油長慶油田分公司第十二采油廠，甘肅慶陽 745400）

循環冷卻水廣泛應用在電力、冶金、石油等工業領域[1]，循環水系統的結垢問題一直是困擾工業生產的難題。為了減緩、阻止循環冷卻水的結垢，工業上采用加化學藥劑、電磁防垢等系列技術方法。這些方法雖然對循環水系統具有一定的緩蝕、阻垢、殺菌效果，但是大量的成垢離子仍然存在于水中，隨著時間推移，這些離子仍會在設備和管道內結垢。電脫鹽除垢技術利用水及水中礦物質電化學特性，通過電化學來調節水中礦物質平衡，使成垢離子發生電化學反應從水中去除，能有效的緩解循環水的結垢和腐蝕問題。因此，開展洛河層井水電脫鹽技術研究，確定經濟合理的洛河層井水電脫鹽操作條件，對采用洛河層井水作為循環水的地區具有重要的意義。

1 洛河層井水水質分析

1.1 分析結果

洛河層井水分析結果（見表1）。

表1 洛河層井水分析報告

1.2 洛河層井水主要特點

由表1 水質分析報告可看出，洛河層井水有以下特點：（1）電導率高，水中離子含量高，易導致腐蝕和結垢；（2）鈣硬度高、堿度高，以碳酸鹽垢為主。

2 洛河層井水電脫鹽小試研究

2.1 電極材料

陰極電極材料：碳鋼板（4.8 cm×4 cm）、不銹鋼網（4.8 cm×4 cm）、碳鋼網（4.8 cm×4 cm）、不銹鋼板（4.8 cm×4 cm）。陽極電極材料：鈦基氧化亞鈦（4.8 cm×4 cm）、銅（4.8 cm×4 cm）、不銹鋼（4.8 cm×4 cm）、石墨（4.8 cm×4 cm）。

2.2 工藝條件研究

實驗裝置采用電脫鹽反應器和水槽串聯的方式（見圖1），主要包括電解池、電極板、低壓直流電源（電源規格為30 V/10 A）和攪拌泵。實驗時將電極垂直放置在盛滿洛河層井水的電解池反應器中，兩極距離2 cm，每個實驗持續60 min，分別在反應時間15 min、30 min、45 min、60 min 取樣分析。

圖1 實驗裝置示意圖

2.2.1 電極篩選

2.2.1.1 陽極篩選（1）實驗過程：陰極選用鈦網，陽極分別用鈦基氧化亞鈦、銅、不銹鋼、石墨，水流速度0 cm/s（停運攪拌泵），電流密度6 mA/cm2。研究不同陽極材料下，井水硬度、堿度、除垢速率的變化規律，結果（見表2、圖2）。

圖2 不同陽極除垢速率圖（反應時間60 min）

（2）數據分析：從表2 可以看出，隨著反應時間的增加，四種不同的陽極板，井水的硬度、堿度均呈下降趨勢，并且井水堿度去除效果比硬度去除效果好。

表2 采用不同陽極時井水硬度、堿度變化表

根據電脫鹽除垢機理，硬度離子與堿度離子的反應應該按照1:1 進行，即堿度去除率接近硬度去除率。實驗結果表明，反應中除了在陰極形成CaCO3沉淀外，在陽極附近通過電解反應形成氫離子（H＋）和羥基自由基（·OH），使陽極呈酸性環境，由于電場作用，水中的HCO3-向陽極遷移，與H+發生反應，生成CO2，導致大量的HCO3-消耗，因此堿度去除效果高于硬度去除效果。

圖2 顯示，不同陽極材料在相同反應條件下，鈦基電極單位面積除垢速率最大，除垢效果最佳。

2.2.1.2 陰極篩選（1）實驗過程：陽極選用鈦基氧化亞鈦，陰極分別用碳鋼網、碳鋼板、不銹鋼板、不銹鋼網，水流速度0 cm/s（停運攪拌泵），電流密度6 mA/cm2。研究不同陰極材料下，井水硬度、堿度、除垢速率的變化規律，結果（見表3、圖3）。

（2）數據分析：表3、圖3 顯示了不同陰極材料在相同反應條件下井水硬度、堿度的變化及除垢速率的差異。可以看出，隨著反應時間的增加，四種不同的陰極，井水的硬度、堿度均呈下降趨勢；不銹鋼網和碳鋼網陰極井水硬度去除效率最高。采用網狀陰極可以增大井水與陰極的接觸面積，使井水中Ca2+和Mg2+與陰極接觸的機會成倍增加，有利于CaCO3和Mg（OH）2的沉淀反應。

圖3 不同陰極除垢速率圖（反應時間60 min）

表3 不同陰極條件下井水硬度、堿度變化表

2.2.2 水流速度影響

（1）實驗過程：陰極選用碳鋼板，陽極選用鈦基氧化亞鈦，電流密度6 mA/cm2，分別選取3 cm/s、5 cm/s、10 cm/s、20 cm/s 四種水流速度（啟動攪拌泵），研究不同水流速度下，井水硬度、堿度、除垢速率的變化規律，結果（見表4、圖4）。

圖4 不同水流速度除垢速率圖（反應時間60 min）

（2）數據分析：表4、圖4 顯示了不同水流速度下井水硬度、堿度的變化及除垢速率的差異。可以看出，在四種不同水流速度下，隨著反應時間的增加，井水硬度和堿度總體都呈現下降趨勢，在較低的水流速度下，除垢效果較好，但較低的水流速度，意味著需要擴大反應器體積，所以水流速度的選擇要結合設備和現場實際綜合考慮[3]。

表4 不同水流速度下井水硬度、堿度變化表

在不同水流速度下，堿度去除效果仍然高于硬度去除效果。堿度的降低有利于降低結垢傾向，達到阻垢的目的。

2.2.3 電流密度影響

（1）實驗過程：陰極選用碳鋼板，陽極選用鈦基氧化亞鈦，水流速度5 cm/s，分別選取1 mA/cm2、4 mA/cm2、6 mA/cm2、10 mA/cm2四種電流密度，研究不同電流密度下，硬度、堿度、除垢速率的變化規律，結果（見表5、圖5）。

圖5 不同電流密度除垢速率圖（反應時間60 min）

（2）數據分析：從表5 可以看出，電流密度越大，硬度去除效果越好；反應初期硬度下降較快，隨著反應時間的增加，硬度下降速度變慢。高電流密度有利于陰極表面堿度的產生，可以快速除去水垢。隨著反應時間的延長，陰極表面逐漸布滿水垢，在一定程度上影響了陰極區堿度生成的過程，導致硬度下降變慢。當電流過高時，陰極區析氫反應加劇，會擾亂Ca2+向陰極的遷移，使陰極的水垢沉積過程受阻，不能正常沉積在陰極，反而減少水垢沉積。電流密度的變化對堿度的影響較為緩和，隨著反應時間的增加，堿度緩慢降低。

表5 不同電流密度下井水硬度、堿度變化表

圖5 顯示，當電流密度為6 mA/cm2時，除垢速率最佳，當電流密度為10 mA/cm2時，除垢速率反而下降。所以選擇適當的電流密度是保證除垢效果的關鍵。

2.3 優化操作條件后除垢實驗

（1）實驗過程：陰極用碳鋼板，陽極用鈦基氧化亞鈦，將電極板垂直放置在盛滿洛河層井水的電解池反應器中，兩極距離2 cm，電流密度6 mA/cm2，水流速度5 cm/s。連續運行3 h，在運行1 h、2 h、3 h 分別取樣分析，綜合評價優化操作條件后的洛河層井水電脫鹽效果,結果（見圖6、圖7）。

圖6 連續運行3 h 井水水質變化圖

圖7 連續運行3 h 除垢速率變化圖

（2）數據分析：圖6、圖7 顯示，洛河層井水按照優化后的操作條件進行電脫鹽處理，水樣結垢趨勢明顯降低，連續運行180 min 后，各項指標依次為硬度去除率：17%，堿度去除率25%，TDS 去除率10.5%，堿度去除率大于硬度去除率。除垢速率隨著系統運行時間的增加而增加。可以推斷，在反應初期，陰極表面比較干凈，在反應初期形成了水垢顆粒，不能有效的沉積在陰極表面，而是隨水流流出反應器，因此存在硬度去除率和TDS 去除率低的過程，反應一段時間后，陰極表面不斷有水垢附著，有利于水垢顆粒的沉積，使硬度和TDS 去除率增加，系統運行趨于穩定。所以除垢速率隨著系統運行時間延長而增大。

3 洛河層井水電脫鹽工藝條件中試研究

3.1 中試技術條件

中試裝置（見圖8），電脫鹽電解池規格0.5 m×0.4 m×0.3 m，陽極選用20 cm×20 cm×5 cm 的鈦基氧化亞鈦板，陰極選用20 cm×20 cm×5 cm 的碳鋼板（陰極總面積：0.78 m2），水流量0.3 m3/h，電壓20 V，電流50 A。

圖8 中試裝置示意圖

3.2 中試結果分析

中試設備運行6 h，每間隔1 h 取樣分析一次，分別測定井水硬度、堿度、TDS 值，計算硬度去除率、堿度去除率、TDS 去除率及除垢速率，結果（見圖9、圖10）。

圖9 連續運行6 h 井水堿度、硬度、TDS 去除率變化圖

圖9 表明，硬度、堿度、TDS 去除率隨著反應時間的增加不斷增加，并且堿度去除率大于硬度去除率。碳酸根離子除了在陰極生成碳酸鈣外，水中的碳酸氫根離子在向陽極遷移的過程中，會轉化成CO2氣體逸出，使水中的大量碳酸氫根離子被消耗，故堿度去除率大于硬度去除率。

圖10 表明，除垢速率先隨反應時間的增加而增加，4 h 后除垢速率隨反應時間的增加而減小。前3 h的運行結果與小試結果一致；4 h 后，隨著反應的進一步進行，陰極表面結垢大幅度增加，影響了結垢物在陰極的進一步沉積，導致除垢速率開始降低。從中試結果看，洛河層井水電脫鹽設備6 h 需要進行一次除垢作業。

圖10 連續運行6 h 除垢速率變化圖

4 研究結論

選取洛河層井水，開展了電脫鹽工藝小試、中試研究。比較了采用不同陰極、陽極電極材料電脫鹽工藝的除垢效果；研究了水流速度、電流密度對電脫鹽設備除垢率的影響；優選了洛河層井水電脫鹽操作條件，并采用優選的操作條件，測定了洛河層井水的電脫鹽效果。結論如下：

（1）電脫鹽技術可以有效降低洛河層井水的硬度、堿度，滿足工業循環水的要求；

（2）陽極附近的強酸區域有利于去除水中的堿度離子，促使水樣堿度去除率高于硬度去除率；

（3）篩選鈦基氧化亞鈦作為電脫鹽陽極，電極性能較好，除垢速率、堿度去除率等指標均比較優異；篩選碳鋼網為電脫鹽陰極材料，除垢速率及堿度去除率較好；

（4）電流密度是除垢的重要影響因素，電流密度不是越高除垢效果就越好，洛河層井水電脫鹽適宜的電流密度是6 mA/cm2；

（5）除垢效率受水流速度的影響較大，適宜的水流速度可以達到較好地除垢效果，洛河層井水電脫鹽適宜的水流速度是5 cm/s。