電化學除垢設備的應用技術研究

朱暉，張國輝，，李芬芬

(1.陜西延長石油(集團)有限責任公司，陜西 西安 710075；2.陜西化工研究院有限公司，陜西 西安 710054)

工業循環冷卻水占工業用水的70%～80%[1]，敞開式循環冷卻水系統在長期運行過程中存在腐蝕、結垢和生物黏泥等問題[2-3]。大多數企業采用傳統的藥劑投加法穩定循環水水質[4-6]，但是對一些高硬和高堿水質系統，藥劑并不能完全控制系統結垢。電化學水處理技術被稱為“綠色”水處理技術[7]，其中電化學除垢屬于典型的主動式除垢技術[8]，可用于循環水旁路除垢，以減輕冷卻水系統的結垢負擔[9]，陽極產生自由氯及自由基，可以達到殺菌及氧化污染物的功能[10]。本文通過自制電化學除垢設備，考察了設備除垢效果，并在循環水系統進行了現場中試。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

無水氯化鈣、碳酸氫鈉、10%氨水緩沖溶液、EDTA、磷酸氫鈉均為分析純；實驗室模擬水質見表1。

表1 實驗模擬水質Table 1 Simulated water quality

哈希HQ40d分析儀；哈希2100Q濁度儀；電化學除垢設備，自制。

1.2 實驗方法

電化學除垢設備見圖1，左圖為構造圖，右圖為設備實驗樣機。反應器φ=500 mm，H=1 300 mm，材質為碳鋼；陽極為3根鈦基釕銥電極，φ=50 mm，H=1 200 mm；電源S900-30直流穩壓電源。裝置程序可設定自動刮垢時間間隔、電流強度、刮垢時間等。

圖1 電化學除垢設備構造圖和設備圖Fig.1 Structure and equipment diagram of equipment 1.PP毛刷；2.陽極；3.電機；4.控制柜； 5.反應室；6.進水口；7.排污口；8.出水口

圖2 實驗流程Fig.2 Flow chart of the experiment

將配制水樣儲存在水箱中，用泵從水箱底部將水送到電解水處理器中，同時由設備上方將水送至水箱，形成循環，有效保有水量為500 L。

2 結果與討論

2.1 實驗室模擬實驗

采用模擬水質進行實驗，實驗水量為500 L。控制電流為25 A，電解時間為10 h，每1 h取樣分析1次。

圖3 電化學除垢設備鈣硬去除效果Fig.3 Effect of calcium hardness removal by equipment

2.1.2 對堿度和氯離子去除效果 由圖4、圖5可知，隨著電解時間的增長，對堿度和氯離子去除率越來越高。堿度由原來的291.0 mg/L降至 242.0 mg/L，堿度去除率16.84%；氯離子由原來的315.6 mg/L降至176.0 mg/L，氯離子去除率 44.23%。實驗表明，電解除垢對鈣硬和氯離子去除效果明顯。

圖4 電化學除垢設備堿度去除效果Fig.4 Effect of alkalinity removal by equipment

圖5 電化學除垢設備氯離子去除效果Fig.5 Effect of chloride ion removal by equipment

通過對比可知，堿度和鈣硬的去除率不成正比，圖6為電解除垢過程中水質pH值變化。

由圖6可知，電解過程中pH先下降后趨于穩定，并沒有繼續降低，這是過程中OH-在陰極板表面濃度逐漸升高，水中溶解的CO2在極板界面區域發生如下式反應[12-13]，這種平衡保證水質pH不會一直降低。

圖6 水質pH值變化Fig.6 Variation of pH value of water quality

2.2 現場中試實驗

中試實驗為某小型化工廠循環水，系統保有水量200 m3，循環水量250 m3/h，補充水為地下井水，水質見表2，水質屬高硬、高堿水質。

表2 循環水系統水質Table 2 Water quality of circulating water systems

用泵將循環水送到電解水處理器中，出水回至循環水池中。循環水系統保有水量200 m3，循環水量250 m3/h。

圖7 中試流程Fig.7 Flow chart of pilot plant

2.2.1 單次去除效果 通過三通閥調節電化學設備的處理流量，圖8為在工作電流為25 A條件下不同處理流量電化學除垢對鈣硬、總硬和堿度的單次處理效果。

由圖8可知，去除率和流量有很大的關系，當流量由3 m3/h升高到15 m3/h時，單次鈣硬去除率由12.59%降到3.15%，單次總硬度去除率由17.72%降到3.89%，單次堿度去除率由11.02%降到2.5%。

圖8 流量對去除效果的影響Fig.8 Effect of flow rate on removal efficiency

圖9為在工作電流25A條件下，電化學除垢設備在不同處理流量下對鈣硬、總硬和堿度的去除總量的關系圖。

圖9 流量對去除總量的影響Fig.9 Effect of flow rate on total removal

由圖9可知，在處理流量8 m3/h時，單位去除率最高，對鈣硬、總硬和堿度的去除總量分別為153.6，433.344，192.0 g/h。所以，此設備裝置最佳處理量為8.0 m3/h。

圖10為在處理流量8.0 m3/h條件下不同電流強度設備去除效果。

圖10 電流強度對去除效果的影響Fig.10 Effect of current intensity on removal efficiency

由圖10可知，隨著電流強度的增大，鈣硬、總硬和堿度的去除率均升高。這是由于工作電流越高，功率越大，去除效果也越明顯。由于本設備額定工作電流為30 A，為保證設備長周期工作，設定工作電流25 A。

電化學除垢設備在實際運行中要進行連續工作，工作一定時間后效率降低，要進行除垢并將垢樣排出之后繼續工作，所以本實驗要考察刮垢間隔時間。圖11為在流量8.0 m3/h、電流強度25 A時，設備連續去除效果。

圖11 反應時間對去除效果的影響Fig.11 Effect of reactive time on removal efficiency

由圖11可知，隨著時間的增加，總硬去除率降低，這是因為隨著時間的增加，反應室器壁沉積的垢越來越多，降低了沉積速度。時間太長，影響整體去除率；時間太短，雖然效率提高，但會增加反洗頻次，浪費排污水。由圖11可知，設備設置刮垢反洗時間間隔8 h為最佳。

2.2.2 連續去除效果 本裝置連續實驗時處理量8 m3/h，運行電流25 A，運行電壓20 V，反洗除垢間隔8 h，每次反洗時間45 s，循環水系統不加酸運行。2021年4月1日開始進行連續實驗，使用后水質越來越好。表3為2021年4月14日循環水運行數據。

表3 循環水數據分析Table 3 Analysis of circulating water data

由表3可知，連續運行2周后，經理論分析鈣硬、總硬和堿度去除率均>30%，運行后大大提高了濃縮倍數，節水效果明顯，結垢得到明顯控制。反洗污水中肉眼可以觀察到大量白色片狀垢樣，證明電解除垢可以永久性的去除水中的硬度。

3 結論

(1)電化學除垢設備實驗室小試表明，電流強度25 A，電解時間10 h，鈣離子去除率82.04%，堿度去除率16.84%，氯離子去除率44.23%，電化學除垢設備對鈣硬、堿度和氯離子去除效果明顯。

(2)現場循環水試驗表明，電化學除垢設備最佳工藝為：處理流量為8.0 m3/h，電流強度25 A，反洗除垢間隔8 h。此時對鈣硬、總硬和堿度的去除率分別為 6.4%，7.4%，6.0%，去除總量分別為 153.6，433.344，192.0 g/h。

(3)針對高堿高硬循環水水質，現場連續運行2周后，硬度和堿度指標相對于理論值的去除率 >30%，反洗污水中肉眼可以觀察到大量白色片狀垢樣。

(4)電化學除垢設備具有明顯的除垢節水效果，除垢效果明顯，適合在高堿、高硬水系統中推廣使用。