電化學法處理循環(huán)冷卻水的研究進展

摘要：循環(huán)冷卻水系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的冷卻過程，其顯著提高水資源的利用效率。然而，結(jié)垢問題直接影響循環(huán)冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電化學法可以有效緩解結(jié)垢帶來的負面問題。因此，本文從兩個方面（調(diào)控陰極面積，高效分離氫離子和氫氧根）詳細闡述電化學法處理循環(huán)冷卻水的最新研究進展，以更好地利用電化學法處理循環(huán)冷卻水。

關(guān)鍵詞：水軟化；電化學；循環(huán)冷卻水；處理；水垢沉積；分離H+和OH-

中圖分類號：TQ085.4 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）02-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.02.030

Research Progress of Electrochemical Methods for Treating Circulating Cooling Water

LU Xiaomei， XUE Chunli， ZHANG Shuai

（Dezhou Ecological Environment Monitoring Center of Shandong Province， Dezhou 253000， China）

Abstract： The circulating cooling water system has been widely used in the cooling process of industrial production， significantly improving the efficiency of water resource utilization. However， scaling directly affects the stability of the circulating cooling system. Electrochemical methods can effectively alleviate the negative problems caused by scaling. Therefore， this paper elaborates on the latest research progress in electrochemical treatment of circulating cooling water from two aspects （regulating cathode area and efficiently separating hydrogen ions and hydroxide ions）， in order to better utilize electrochemical treatment of circulating cooling water.

Keywords： water softening; electrochemistry; circulating cooling water; treatment; scale deposition; separation of H+ and OH-

循環(huán)冷卻水作為重要的換熱介質(zhì)，廣泛應(yīng)用于發(fā)電、冶金、石油等工業(yè)企業(yè)，已成為這些行業(yè)不可或缺的一部分[1]。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的穩(wěn)定運行不僅對保證企業(yè)安全可靠生產(chǎn)具有重要意義，而且可以有效減少水資源的消耗和浪費，有利于綠色產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。結(jié)垢是循環(huán)冷卻水系統(tǒng)經(jīng)常存在的現(xiàn)象，結(jié)垢會導致循環(huán)水換熱效率下降和能耗上升。因此，減少或阻斷循環(huán)水系統(tǒng)的結(jié)垢就成為保證循環(huán)水系統(tǒng)安全正常運行的關(guān)鍵措施。

1 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)結(jié)垢原理

循環(huán)水的使用對企業(yè)生產(chǎn)作用重大，但是循環(huán)水中存在鈣離子、鎂離子以及碳酸鹽、硫酸鹽、重碳酸鹽等物質(zhì)，這些物質(zhì)是結(jié)垢的主要成分。在實際生產(chǎn)中，隨著循環(huán)冷卻系統(tǒng)的運行，系統(tǒng)內(nèi)水分會不斷蒸發(fā)，蒸發(fā)濃縮作用使得水中鈣、鎂離子以及碳酸氫鹽等濃度不斷升高，導致循環(huán)水硬度和堿度不斷提升[2]。碳酸氫根離子并不穩(wěn)定，在流經(jīng)換熱設(shè)備時會受熱分解成碳酸根離子，在水中極易與鈣離子結(jié)合形成碳酸鈣水垢。另一部分水垢來源于水分持續(xù)蒸發(fā)時不溶于水的化合物以晶體形式析出。常見的水垢有碳酸鈣、氫氧化鎂、硫酸鈣和二氧化硅等，最常見的是碳酸鈣。

2 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)結(jié)垢危害

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)結(jié)垢的危害主要有3個方面[3]。第一，水垢是一種熱的不良導體，其導熱系數(shù)通常僅為普通碳鋼的十分之一。這意味著水垢在熱交換器的內(nèi)部表面堆積，會嚴重阻礙熱量的傳導。水垢累積對熱量傳遞和能耗增加的影響如表1所示[4]。第二，水垢在管道內(nèi)壁附著形成堅硬的層面，這不僅會減小管道的橫截面積，還會增加水流的阻力。為了維持正常的液體流動速度，必須增加泵的動力輸出，這意味著額外的能源消耗。第三，水垢的存在也會引發(fā)垢下腐蝕問題。垢下腐蝕是指水垢下方的金屬表面發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。這種腐蝕可能導致管道、設(shè)備和熱交換器的穿孔或泄漏，這不僅會損害其性能，還會增加維護和修復的費用。

3 電化學處理循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的最新進展

在控制硬度和結(jié)垢方面，石灰軟化和離子交換等成熟的控制策略已在工業(yè)上得到發(fā)展。然而，石灰軟化需要添加大量的化學物質(zhì)，引入外部鹽離子的同時還會產(chǎn)生大量的污泥[5]。離子交換法作為石灰軟化的一種替代方法，由于其效率高、操作方便，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)和生活用水的軟化。但它需要高濃度鹽水來進行廢樹脂再生，高濃度廢鹽水的頻繁排放是全球關(guān)注的問題[6]。相比之下，電化學水軟化工藝通過電解水使陰極附近形成高堿性環(huán)境，硬度離子在陰極表面成核、積累和生長，從而達到去除硬度的目的，如圖1所示。然而，它的應(yīng)用仍然受到相對較低的軟化效率和需要較大的電極表面的限制。

3.1 增大水垢沉積面積

3.1.1 復合網(wǎng)狀陰極

多網(wǎng)格耦合陰極大大削弱內(nèi)部競爭[7]，如圖2所示，該陰極由7層不同網(wǎng)目的304不銹鋼編織網(wǎng)組成，網(wǎng)格數(shù)分別為8目、12目、20目和50目[8]。20目

網(wǎng)和12目網(wǎng)主要用于水垢的沉積，50目網(wǎng)主要作用是生成堿度，8目網(wǎng)為OH-的擴散提供途徑。整個陰極的中心是50目網(wǎng)，8目網(wǎng)、12目網(wǎng)、20目網(wǎng)依次對稱布置在50目網(wǎng)的兩側(cè)，將具有不同網(wǎng)格的7層緊密結(jié)合在一起構(gòu)建陰極。在電流密度18.4 A/m2和溫度

25 ℃的條件下進行電化學水軟化試驗，經(jīng)過480 min后，硬度和堿度均從350 mg/L下降到小于100 mg/L。在整個除垢過程中，陰極外層水垢的沉積不會影響陰極內(nèi)層堿度的產(chǎn)生，避免陰極被水垢覆蓋失活，實現(xiàn)更高的除垢率和更低的能耗。總體來說，該系統(tǒng)克服傳統(tǒng)電化學系統(tǒng)的局限性，為電化學水軟化技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用提供新思路。

3.1.2 碳氈圍欄陰極

為了緩解陰極結(jié)垢，將陰極設(shè)計成圍欄結(jié)構(gòu)，防止陰極沉淀[9]。如圖3所示，陰極采用鏡面不銹鋼，同時用碳氈作為結(jié)晶誘導材料進行隔離，由于陰極表面光滑，結(jié)垢層可以自動脫落，因此它是減少電還原區(qū)域結(jié)垢的理想陰極。碳氈作為誘導結(jié)晶材料，具有以下優(yōu)點：價格低廉，易于獲得，作為易耗品，減少陰極的損耗；具有優(yōu)異的晶核黏附能力；環(huán)保性能好。電流密度為40 A/m2時，Ca2+和Mg2+的去除率分別為81.1%和65.1%，與傳統(tǒng)陰極相比，分別提高12.8%和46.1%。這表明陰極上的沉淀成功向碳氈轉(zhuǎn)移，清潔的圍欄陰極提供長期且高效的OH-生產(chǎn)。該設(shè)計為增強結(jié)晶過程和減少陰極結(jié)垢提供一條有前途的策略，也為去除硬度開辟新的研究方向。

3.2 H+-OH-分離的一體化系統(tǒng)

3.2.1 陽極邊界層提取H+

不分割電解池可以從陽極邊界層中提取H+，節(jié)能且工業(yè)可擴展，以產(chǎn)生酸性水和堿性水，然后將電解池與微過濾和離子交換相結(jié)合進行水軟化[10]。在電解池中，蠕動泵將電解生成的H+從陽極邊界層抽提出來，得到沉淀硬度離子的堿性溶液。在該系統(tǒng)中，CaCO3在電解槽堿性出水中形成晶體，然后被結(jié)晶器中的鈦材質(zhì)多孔管狀微過濾器攔截，并用H+型弱酸離子交換樹脂進一步去除水中殘留的高硬度物質(zhì)。管狀鏡面不銹鋼陰極（高20 cm，直徑8 cm）和管狀鈦陽極（高20 cm，直徑4 cm）被同心放置在電解池中。當最佳電流密度為10 mA/cm2時，總硬度可從400 mg/L降至40 mg/L，去除效率為90%，能耗為

1.9 kW·h/kg CaCO3。總之，從陽極表面提取酸邊界層分離酸堿具有很大的工業(yè)應(yīng)用潛力。

3.2.2 尼龍網(wǎng)分離H+-OH-

使用尼龍網(wǎng)將反應(yīng)器分為陰極室和陽極室，減弱H+和OH-的中和[11]。試驗過程中，在不銹鋼網(wǎng)陰極與釕銥鈦網(wǎng)陽極間隙（2 mm）處插入7張400目尼龍網(wǎng)，每個尼龍網(wǎng)的厚度為0.1 mm。進水通過陰極室的均相成核后流入過濾裝置，進一步沉淀，然后出水外排。試驗數(shù)據(jù)顯示，尼龍網(wǎng)有效地分離H+和OH-，同時產(chǎn)生的OH-數(shù)量超過形成水垢晶體的要求；在產(chǎn)生堿性區(qū)域方面，便宜的尼龍網(wǎng)可以取代昂貴的質(zhì)子交換膜（PEM）。

不加尼龍網(wǎng)時，總硬度從最初的500 mg/L下降到30 min時的350 mg/L，使用PEM時總硬度下降到95 mg/L。同樣條件下，當使用7層400目尼龍網(wǎng)時，總硬度急劇下降到65 mg/L左右，去除效果要優(yōu)于PEM。綜合來看，這種方法顯著提高電化學軟化的能耗，有效去除硬度，有望推動電化學軟化技術(shù)的實際應(yīng)用。

4 結(jié)語

電化學水軟化技術(shù)可以有效去除水中硬度，延長設(shè)備壽命，減少維護成本，并為社會和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，電化學水軟化技術(shù)也在不斷改進和完善。但是，目前仍然存在一些挑戰(zhàn)需要解決，比如，如何在不使用離子交換膜的情況下增加氫離子和氫氧根的分離效率。未來，要繼續(xù)深入研究電化學水軟化技術(shù)，以提高其效率和降低成本。總體來說，要改進電極材料，優(yōu)化操作條件，開發(fā)新的反應(yīng)器。

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