電解次氯酸鈉發(fā)生器關(guān)鍵參數(shù)及運(yùn)行成本的研究

孫財(cái)遠(yuǎn) 陳守應(yīng) 陳 豪 龔曲靖 呂仕友

(貴州楚天兩江環(huán)境股份有限公司,貴陽 550081)

水資源作為不可替代的自然資源,在人類生存、生態(tài)保護(hù)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有重要地位[1]。我國(guó)淡水資源總量為28000億立方米,占全球水資源中的6%,居世界第四位,僅次于巴西、俄羅斯和加拿大,但人均淡水資源總量不足世界平均水平的1/4,只有2200立方米,是全球13個(gè)人均水資源最貧乏的國(guó)家之一。我國(guó)幅員遼闊,地形地貌迥異,各地水資源的數(shù)量相差十分懸殊,水資源的降雨量、蒸發(fā)量、徑流量和時(shí)空分布等在年內(nèi)分配不均勻[2-3],這不僅容易造成頻繁的大面積洪災(zāi)或旱災(zāi),加劇了水資源供需失衡的矛盾,而且對(duì)水資源的開發(fā)利用也極為不利。日趨嚴(yán)重的水污染不僅降低了水體的使用功能,進(jìn)一步加劇了水資源短缺的矛盾[4],大量工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)廢水、生活污水及廢棄物排入自然水體,造成了巨大的環(huán)境問題,對(duì)中國(guó)正在實(shí)施的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略帶來了極大的挑戰(zhàn)[5],而且還嚴(yán)重威脅到居民的用水安全與健康。與此同時(shí),疫情的爆發(fā),讓更多的人關(guān)注到水資源的安全問題[6],污水消毒排放以及凈水消毒飲用已成為國(guó)內(nèi)外的熱點(diǎn)話題之一。

消毒是水處理工藝中重要的組成部分,以物理法和化學(xué)法為主[7]。物理法有紫外線法,通過紫外輻射進(jìn)行消毒殺菌,采用該方式未能破壞其生長(zhǎng)環(huán)境[8],且受到水質(zhì)中懸浮物及濁度的影響,處理效果未能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)[9]。化學(xué)法采用含氯消毒劑、臭氧等強(qiáng)氧化劑作為消毒劑,通過消毒劑強(qiáng)氧化性作用于細(xì)菌及病毒的蛋白結(jié)構(gòu),使蛋白快速變性失活,進(jìn)而殺死細(xì)菌及病毒;除此之外,水體中未反應(yīng)完的消毒劑,可以有效破壞細(xì)菌及病毒的生長(zhǎng)環(huán)境,達(dá)到持續(xù)抑制的作用[10]。

由于氯消毒法具有技術(shù)成熟、成本低廉、消毒效率高、消毒持續(xù)穩(wěn)定、抗外干擾能力強(qiáng)、消毒副產(chǎn)物無毒等優(yōu)勢(shì),適用于各類水體消毒,已成為水處理中應(yīng)用最廣泛的消毒技術(shù),如國(guó)內(nèi)外的大多數(shù)自來水廠、污水處理、工業(yè)廢水處理及中水回用消毒[11]。氯消毒技術(shù)中的液氯、二氧化氯屬于高濃度劇毒危險(xiǎn)品、易燃易爆品,使用時(shí)存在較高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),一旦泄漏會(huì)嚴(yán)重危害人體健康及周邊生態(tài),其安全儲(chǔ)存、運(yùn)輸對(duì)設(shè)備要求較高[12],因此國(guó)內(nèi)外許多科研工作者都在尋找液氯、二氧化氯的替代品。無隔膜法的次氯酸鈉發(fā)生器技術(shù)的應(yīng)用,可以有效解決液氯、二氧化氯使用安全問題,但次氯酸鈉發(fā)生器的鹽耗及電耗高、有效產(chǎn)氯濃度低[13]、氯化鈉參與反應(yīng)效率低等問題成為了開發(fā)的難點(diǎn)與重點(diǎn)[14-15]。本文基于次氯酸鈉發(fā)生器的開發(fā),對(duì)次氯酸鈉發(fā)生器的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究,旨在為低鹽耗、高產(chǎn)氯的次氯酸鈉發(fā)生器的研制提供一定的參考。

1 工作原理

該發(fā)生器選用無隔膜電解法,解決了離子在膜間移動(dòng)而導(dǎo)致能耗增加、隔膜使用壽命、使用環(huán)境要求苛刻、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等問題[16]。次氯酸鈉發(fā)生器是一種以低濃度氯化鈉經(jīng)高直流電進(jìn)行電解,在電解槽陰陽極板間發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)及溶液反應(yīng),生成次氯酸鈉消毒液的設(shè)備。次氯酸鈉的生成包括電解反應(yīng)和溶液反應(yīng),見下式。電解槽結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 電解槽結(jié)構(gòu)

總反應(yīng):NaCl + H2O = NaClO + H2↑

陽極: 2Cl-- 2e-→ Cl2

陰極: 2H2O + 2e-→ H2+ 2OH-

溶液反應(yīng): 2NaOH + Cl2= NaCl + NaClO + H2O

2 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)的對(duì)象:次氯酸鈉發(fā)生器,該實(shí)驗(yàn)裝置為本公司自研設(shè)備次氯酸鈉發(fā)生器,實(shí)驗(yàn)裝置使用的電解槽的電極板面積為1.05 m2,設(shè)計(jì)電流為271A,電極單元數(shù)為5,設(shè)計(jì)電壓為24 V。

試驗(yàn)試劑:使用電解介質(zhì)為氯化鈉,純度為一級(jí)純(符合GB/T5462-2015要求)。

試驗(yàn)內(nèi)容:

(1)考察電流密度及電解電壓對(duì)次氯酸鈉發(fā)生器運(yùn)行效果的影響;

(2)考察電解液濃度對(duì)次氯酸鈉發(fā)生器運(yùn)行效果的影響;

(3)考察電解液流量對(duì)次氯酸鈉發(fā)生器運(yùn)行效果的影響;

(4)考察電解槽電極板間距對(duì)次氯酸鈉發(fā)生器運(yùn)行效果的影響;

(5)考察電解槽電極板結(jié)垢對(duì)次氯酸鈉發(fā)生器運(yùn)行效果的影響;

(6)考察同等投加量條件下,成品次氯酸鈉和次氯酸鈉發(fā)生器的噸水處理成本。

2.2 指標(biāo)檢測(cè)方法

電解液濃度:重量法;

有效氯濃度:氧化還原滴定法(依據(jù)《次氯酸鈉發(fā)生器》(GB12176-1990));

電流:萬用表測(cè)定法。

2.3 數(shù)據(jù)計(jì)算

次氯酸鈉發(fā)生器鹽耗、直流電耗、電解槽效率、交流電耗按照《次氯酸鈉發(fā)生器》(GB12176-1990),計(jì)算方式如表1所示。運(yùn)行成本以同等消毒劑投加量,計(jì)算噸水處理成本,計(jì)算方式如表2所示。

表1 成品次氯酸鈉和次氯酸鈉發(fā)生器的成本核算

表1 次氯酸鈉發(fā)生器參數(shù)計(jì)算公式

表2 水處理成本計(jì)算

3 結(jié)果與分析

3.1 電流密度的影響

試驗(yàn)中設(shè)置電解液流量250 L/h、電解液濃度30 g/L、電極板間距為5 mm時(shí),考察不同電流密度對(duì)次氯酸鈉發(fā)生器運(yùn)行效果的影響,結(jié)果如圖2所示。

(a)電流密度對(duì)有效氯和鹽耗的影響

(b)電流密度對(duì)氯化鈉參與百分比和直流電耗的影響

由圖2可知,在電解液流量250 L/h、電解液濃度30 g/L、電極板間距為5 mm時(shí),有效氯濃度隨著電流密度升高而升高,在電流密度為1600 mA/dm2時(shí),有效氯濃度曲線出現(xiàn)拐點(diǎn),電流密度的增加,有效氯濃度提升不顯著;鹽耗隨著電流密度的升高而降低,電流密度為1600 mA/dm2時(shí),鹽耗曲線出現(xiàn)拐點(diǎn),提高電流密度可以一定程度降低鹽耗;氯化鈉參與反應(yīng)的百分比和直流電耗,隨著電流密度的升高而升高。在次氯酸鈉發(fā)生器運(yùn)行過程中,提高電流密度可以增大有效氯的濃度,氯化鈉參與反應(yīng)百分比提高,鹽耗降低,但直流電耗升高,導(dǎo)致電耗增加。

3.2 電解液濃度的影響

試驗(yàn)中設(shè)置電解液流量250 L/h、電流密度為1300 mA/dm2、電極板間距為5 mm時(shí),考察不同電解液濃度對(duì)次氯酸鈉發(fā)生器運(yùn)行效果的影響,結(jié)果如圖3所示。

(a)電解液濃度對(duì)有效氯和鹽耗的影響

(b)電解液濃度對(duì)氯化鈉參與百分比和直流電耗的影響

由圖3可知,在電解液流量250 L/h、電流密度為1300 mA/dm2、電極板間距為5 mm時(shí),有效氯濃度隨著電解液濃度的升高而升高,電解液濃度為30 g/L時(shí),有效氯濃度趨向于平穩(wěn);鹽耗隨著電解液的濃度升高而升高,呈現(xiàn)線性正相關(guān),線性相關(guān)性為0.9876;氯化鈉參與反應(yīng)百分比隨著電解液的濃度升高而降低,氯化鈉參與反應(yīng)百分比從49%下降為24%,呈現(xiàn)線性負(fù)相關(guān),線性相關(guān)性為0.9857;直流電耗隨著電解液的濃度升高而降低。從上述分析,電解液濃度的增加,在一定濃度內(nèi)可以有效提高產(chǎn)氯濃度,當(dāng)電解液濃度超過30 g/L時(shí),有效氯的提升不顯著。隨著電解液濃度增加,氯化鈉的反應(yīng)效率下降,電解液濃度的提高,未能提高氯化鈉參與反應(yīng)百分比,氯化鈉的損失比增大,鹽耗增加。

3.3 電解液流量

試驗(yàn)中設(shè)置電解液濃度30 g/L、電極板間距為5 mm、電流密度為1300 mA/dm2時(shí),考察不同電解液流量對(duì)次氯酸鈉發(fā)生器運(yùn)行效果的影響,結(jié)果如圖4所示。

(b)電解液流量對(duì)氯化鈉參與百分比和直流電耗的影響

由圖4可知,在電解液濃度30 g/L、電極板間距為5 mm、電流密度為1300 mA/dm2時(shí),有效氯濃度隨著電解液流量的升高而降低,呈現(xiàn)線性負(fù)相關(guān),線性相關(guān)性為0.9922;鹽耗隨著電解液流量的升高而升高,呈現(xiàn)線性正相關(guān),線性相關(guān)性為0.9914;氯化鈉參與反應(yīng)百分比隨著電解液流量的升高而降低,氯化鈉參與反應(yīng)百分比從36%下降為23%,呈現(xiàn)線性負(fù)相關(guān),線性相關(guān)性為0.991;直流電耗隨著電解液流量升高而降低。隨著電解液流量增加,有效氯濃度下降主要原因是產(chǎn)氯量增加比小于流量增加比,導(dǎo)致有效氯被稀釋而呈現(xiàn)高的負(fù)相關(guān)性(0.9922)。

3.4 電極板間距的影響

試驗(yàn)中設(shè)置電解液濃度30 g/L、電解液流量250 L/h、電流密度為1300 mA/dm2時(shí),考察不同電極板間距對(duì)次氯酸鈉發(fā)生器運(yùn)行效果的影響,結(jié)果如圖5表示。

(a)電極間距對(duì)有效氯和鹽耗的影響

(b)電極間距對(duì)氯化鈉參與百分比和直流電耗的影響

由圖5可知,在電解液濃度30 g/L、電解液流量250 L/h、電流密度為1300 mA/dm2時(shí),有效氯濃度隨著電極板間距的升高而降低,呈現(xiàn)線性負(fù)相關(guān),線性相關(guān)性為0.9718。電極板間距在3.5 mm以內(nèi)時(shí),鹽耗隨著電極板間距升高而緩慢升高;當(dāng)電極板間距大于3.5 mm,鹽耗急劇上升;氯化鈉參與反應(yīng)百分比隨著電極板間距的升高而降低,呈現(xiàn)線性負(fù)相關(guān),線性相關(guān)性為0.9473。電極板間距在3.5 mm以內(nèi)時(shí),直流電耗隨著電極板間距升高而緩慢升高;當(dāng)電極板間距大于3.5 mm,鹽耗急劇上升。試驗(yàn)結(jié)果表明隨著電極板間距的升高,不利于次氯酸鈉發(fā)生器的產(chǎn)氯濃度的提高,同時(shí)鹽耗和電耗均有所提高。

3.5 電解槽電極板結(jié)垢的影響

試驗(yàn)中設(shè)置電解液濃度30 g/L、電解液流量250 L/h、電流密度為1300 mA/dm2、電極板間距為5 mm時(shí),考察電極板結(jié)垢情況對(duì)次氯酸鈉發(fā)生器運(yùn)行效果的影響,結(jié)果如圖6表示。

(a)電極結(jié)垢對(duì)有效氯和鹽耗的影響

(b)電極結(jié)垢對(duì)氯化鈉參與百分比和直流電耗的影響

由圖6可知,在電解液濃度30 g/L、電解液流量250 L/h、電流密度為1300 mA/dm2、電極板間距為5mm時(shí),電極板輕度、中度結(jié)垢的運(yùn)行效果對(duì)比未結(jié)垢電極板,運(yùn)行效果無明顯差異,有效氯濃度(6.3～6.6 g/L)、鹽耗(4.4～4.8 kg/kg)、直流電耗(4.1～4.4 kW·h/kg)及氯化鈉參與反應(yīng)百分比(32%～36%)數(shù)據(jù)相近;當(dāng)電極板嚴(yán)重結(jié)垢時(shí),有效氯濃度(5.3 g/L)和氯化鈉參與反應(yīng)的百分比(28%)下降,鹽耗(5.6 kg/kg)和直流電耗(5.5 kW·h/kg)提高。試驗(yàn)結(jié)果表明隨著電極板結(jié)垢程度加劇,電極板結(jié)垢程度在中度以前,對(duì)次氯酸鈉發(fā)生器的運(yùn)行效果無明顯影響;隨著結(jié)垢程度的加劇,次氯酸鈉發(fā)生器運(yùn)行效果變差。

3.6 同等投加量的成品次氯酸鈉和次氯酸鈉發(fā)生器的成本核算

試驗(yàn)中以處理量為800 m3/d的醫(yī)療廢水,有效氯的投加量為20 g/m3,核算成品次氯酸鈉發(fā)生器和成品次氯酸鈉的成本,結(jié)果如表1所示。

試驗(yàn)中以廢水處理量為800 m3/d的醫(yī)療廢水,有效氯的投加量為20 g/m3,對(duì)比次氯酸鈉發(fā)生器和成品次氯酸鈉噸水處理成本,成品次氯酸鈉的噸水處理成本為0.390元/t,鹽耗為4.00～12.00 kg/kg的次氯酸鈉發(fā)生器噸水處理成本為0.185～0.554 元;次氯酸鈉發(fā)生器的噸水處理成本隨著鹽耗的增加而增加,當(dāng)鹽耗低于8.57 kg/kg,次氯酸鈉發(fā)生器的噸水處理成本低于成品次氯酸鈉。次氯酸鈉發(fā)生器應(yīng)用于醫(yī)院污水處理消毒,應(yīng)選擇有效氯濃度高、鹽耗低的作為工程應(yīng)用的最佳選擇;同時(shí)提高有效氯濃度和產(chǎn)氯量,降低鹽耗也是該設(shè)備開發(fā)的重點(diǎn)。在試驗(yàn)的裝置中,有效氯濃度為7.5 g/L,鹽耗為4.00 kg/kg是最佳的運(yùn)行參數(shù)。

2.次氯酸鈉發(fā)生器的費(fèi)用核算包括試劑費(fèi)用和電費(fèi)。

4 結(jié)論

(1)電流密度、電解液濃度與有效氯濃度呈正相關(guān),電解液流量、電極板間距與有效氯濃度呈負(fù)相關(guān),電解液流量與有效氯相關(guān)性高,相關(guān)性為0.9922;電解液濃度在30 g/L時(shí)內(nèi),隨著電解液濃度的增加,可以有效提高產(chǎn)氯濃度,超過該濃度值,有效氯的提升不顯著。

(2)電解液濃度、電解液流量和電極板間距與鹽耗呈正相關(guān),其中電解液濃度呈和電解液流量與鹽耗相關(guān)性高,分別為0.9876和0.9914;電流密度與鹽耗呈負(fù)相關(guān),氯化鈉參與反應(yīng)的百分比與鹽耗為對(duì)立關(guān)系。

(3)電流密度、電極板間距與直流電耗呈正相關(guān),直流電耗隨著電流密度、電極板間距的增加而提高;電解液濃度、電解液流量與直流電耗呈負(fù)相關(guān),直流電耗隨著電解液濃度、電解液流量增加而降低。

(4)電極結(jié)垢程度未達(dá)到重度前,對(duì)運(yùn)行效果無明顯影響,但隨著電極結(jié)垢加劇,次氯酸鈉發(fā)生器運(yùn)行效果變差,在使用過程中應(yīng)及時(shí)對(duì)電解槽進(jìn)行酸洗,去除結(jié)垢。

(5)次氯酸鈉發(fā)生器的噸水處理成本隨著鹽耗的增加而增加,當(dāng)鹽耗低于8.57 kg/kg,次氯酸鈉發(fā)生器的噸水處理成本低于成品次氯酸鈉噸水處理成本。當(dāng)次氯酸鈉發(fā)生器鹽耗低于4.5 kg/kg(《次氯酸鈉發(fā)生器》B級(jí)要求)[17],按照(1)-(4)的要求優(yōu)化條件,次氯酸鈉發(fā)生器的運(yùn)行成本會(huì)大大低于成品次氯酸鈉,使工業(yè)化推廣成為必然,且能降低成品次氯酸鈉運(yùn)行的次生風(fēng)險(xiǎn)。