電化學除垢技術在焦化廢水處理循環冷卻水中的應用分析

郭麗娜

（山西焦化集團有限公司，山西 洪洞 041600）

0 引言

在焦化廢水處理環節中，循環冷卻水系統的應用極為頻繁，而在循環冷卻水系統的應用過程中，受到各種環境因素的影響，其水分大量蒸發，導致水中的部分無機鹽離子濃度上升，引起循環水結垢問題。以往為解決循環水結垢問題，多采用加藥法，但這種方法對于降低循環水硬度和堿度的效果有限，仍然難以避免循環冷卻水的結垢風險[1-2]。為此，應用新興的電化學除垢技術解決結垢問題是需要重點研究的一項內容。

1 電化學除垢技術方案整體設計

結合電化學除垢的基本原理，本次實驗搭建電化學實驗裝置圖如圖1 所示。

圖1 電化學實驗裝置圖

由圖1 可知，在該裝置運行過程中，模擬循環水從儲水池中通過一定轉速的蠕動泵調節，進入到反應器中。反應器底部設置擋板，起到均勻分布循環水的作用。同時在該裝置中，陰極和陽極分別采用大陰極網筒和小陽極網筒，其材料則分別為鎳網陰極和網狀鈦基涂覆銥釕的形穩陽極。二者按照同心軸的方式進行安裝，并與恒壓直流電源的正負極分別連接，由此該電化學試驗裝置即組建完成[3]。循環水從上側方的出水口出水，通過軟管排入到出水排放池中。

2 不同因素對電化學除垢技術的影響及優化

由于電化學除垢技術及其配套裝置的復雜性，因此影響電化學除垢技術應用效果的因素也相對較多。就此，本環節主要對以下幾方面的影響因素進行探究，并以此總結電化學除垢技術的優化路徑。

1）針對陰極尺寸的影響。根據理論分析可知，陰極直徑影響著陰陽極板之間的間距，而陰陽極板之間的間距變化則直接影響到反應器內各種成垢離子的傳質效果，如該間距值合理，則有助于提高除垢性能并降低能耗。就此，結合本次實驗裝置，調整陰極直徑分別為5、7、9、11、13 cm，其對應的極板間距則分別為1、2、3、4、5 cm。而后控制其他參數不變：安裝高度均為300 mm，電壓控制為20 V，水流量20 L/h，進水硬度400～420 mg/L，各組實驗均電解60 min，最后對硬度和堿度的去除率進行評估，得到的結果如圖2 所示。

圖2 不同陰極尺寸下的電解除垢性能

根據圖2 可知，隨著陰極直徑的擴大，電化學除垢的最大去除率呈現先增大后減小的趨勢，硬度和堿度兩項指標均符合此趨勢。結合相關理論推斷，其主要原因是，在陰極直徑增大的初始階段，陰極面積增大，對溶液內的陰陽離子產生的電場作用更為突出；而繼續增大陰極直徑則會導致電阻升高，反而降低電流效率，因此制約了成垢離子的去除。綜合考慮以上內容，確定直徑9 cm 為陰極直徑尺寸的最優值。

2）對電解電壓的影響進行分析。根據理論分析可知，電解電壓與電流密度正相關，而電流密度是影響除垢效率的關鍵因素。對此，本環節通過設置五個電壓等級，分別為10、15、20、25、30 V，并控制陰極直徑為90 mm，其他參數仍保持不變，分別進行實驗，得到實驗結果如圖3 所示。

圖3 不同電解電壓下的電解除垢性能

根據圖3 可知，隨著電解電壓的增大，硬度和堿度的去除率均呈現上升態勢，當電壓升高至30 V 時，其對應的硬度與堿度的去除率分別達到了40.3%和43.1%。但相對而言，當電壓從20 V 提高至30 V 時，去除率的提升速度明顯放緩，其主要原因是，當電壓超過20 V 后，電解水產生氫氣的速率更快，大量的氣體運動對于成垢離子的吸附作用造成阻礙。就此，結合能耗分析可知，當電壓為20 V 時，能耗為62 W·h，而當電壓為30 V 時，能耗較20 V 時提升了2.5 倍，而去除率僅提升0.19 倍，效果不甚明顯。因此確定電解電壓為20 V。

3）對循環水流量的影響因素進行分析。根據理論分析可知，反應裝置中循環水流量的變化對離子的擴散傳質速率具有直接影響，進而帶來對除垢效率的影響。因此在本環節的實驗中，控制循環水流量分別為10、20、30、40 L/h；同時控制陰極直徑為90 mm，電解電壓20 V，其他參數保持不變，以此進行電解除垢性能的分析，分析結果如圖4 所示。

圖4 不同循環水流量下的電解除垢性能

根據圖4 的實驗結果可知，隨著循環水流量的增大，硬度和堿度的去除率逐漸降低。初步推斷，造成這種現象的主要原因是，循環水流量增大導致反應器內的流速加快，使流速對離子的剪切應力增大，雖然這有助于提升離子傳質速率，但同時也阻礙了成垢離子在陰極附近的聚集與沉積，導致部分成垢離子晶體再次脫離陰極。在此基礎上，對成垢量進行分析后發現，當循環水流量從10 L/h 提升至20 L/h 時，雖然去除率略有下降，但單位陰極沉垢量呈現上漲態勢，增加了2.5 g，此后沉垢量則開始下降。綜合以上分析結果，最終確定循環水流量為20 L/h。

3 實驗測試與討論

通過上述分析測試后，最終確定本次電化學除垢實驗的最優參數為：陰極直徑尺寸9 mm、電解電壓20 V、循環水流量20 L/h。根據以上實驗參數，搭建電化學除垢實驗裝置，并以某地焦化廠廢水處理過程中循環水模塊中的循環水為主要實驗材料，對電化學除垢技術所達到的效果進行初步分析。同時在分析過程中，為確定本次電化學除垢技術所具有的優勢，同時引入傳統加藥處理方法作為對照組進行對比。在實驗過程中，控制電解時間等參數保持不變，得到的實驗結果如表1 所示。

表1 除垢實驗結果數據表

表1 中，實驗組指應用電化學除垢實驗的組別。根據表1 的數據不難看出，本次電化學除垢技術在各項關鍵指標上均顯著優于傳統加藥處理模式，證明本次設計的電化學除垢技術具有一定的優勢，有望在實際的循環冷卻水系統中得到逐步應用。

4 結語

在本次研究中，結合當前焦化廢水處理循環冷卻水易結垢的問題，以新興的電化學除垢技術為基礎，通過大量實驗對電化學除垢技術的主要參數進行調整優化，最終得到電化學除垢技術的優化參數，并以此搭建電化學除垢實驗系統進行實驗。結果表明，本次基于電化學除垢技術的實驗結果全面優于傳統加藥環節所獲得的實驗結果，證明本次實驗取得初步成功。當然在今后的工作中，仍需要在現有實驗的基礎上進行中試放大等后續實驗環節，以提升電化學除垢技術的實用性。