采用逆向电流除垢法的循环水电解装置研发

王 浩

(山西焦煤集团有限责任公司 技术中心，山西 太原 030000)

工业循环水系统在运行过程中水分不断损失，导致水体中各类无机盐含量超标，引起pH 值变化。由于循环水中含有大量微生物繁殖所需的矿物元素，导致水体富营养化，同时循环水中腐蚀性离子浓度不断上升同样对工业循环水装置寿命产生影响，这就需要进行合理的循环水处理，降低循环水中无机盐含量，减少循环水补水量。

目前，世界范围内成熟的工业循环水处理方案为物理沉降法，即通过在循环水中投放化学药剂使水中无机盐离子形成沉淀，从而降低循环水中离子含量，但是此法缺点明显，运行中容易造成二次污染，主要包括排水含磷容易造成水体富营养化，并且浓缩倍率很难得到提高，每天会产生大量的排污水，也造成了水资源的严重浪费。

电解法处理工业循环水是近年来兴起的一项新技术，其运用电化学反应机理并作用于工业循环水中的各类无机盐，实现对水体的阻垢、防腐及防治微生物，是一种清洁、环保的循环水处理技术。

传统的电解装置除垢法为机械式刮刀除垢，除垢不彻底，除垢效率不高。由于装置内部设有刮刀，导致电解装置结构复杂化，影响装置运行稳定性，且人工操作工作量大。采用逆向电流除垢法后，能达到循环水处理工艺智能化操作，并且除垢效率高、装置运行更加稳定。

1 技术原理

1.1 阴极反应

通过电化学作用，阴极附近会产生大量氢氧根，并形成强碱性环境，促进Ca2+形成相应的Ca(OH)2和CaCO3沉淀，并以水垢的形式附着于阴极表面，进而降低离子浓度。

1.2 阳极反应

在电化学作用下Cl+转化为Cl2，并溶于循环水中产生HClO，副产O3、H2O2.这些产物都具备强力杀菌、灭菌作用，结合反应室中不断波动的酸碱环境以及直流电的不间断作用，保证整套电解系统同时具备杀菌、消毒功能。

1.3 除垢原理

将电源正负极反接在电解装置原阴阳极上，此时原阴极充当阳极，原阳极充当阴极，原阴极侧产生气体，并且其表面呈酸性环境，使附着在阴极表面的水垢发生松动，直至脱落。因为除垢时间很短，所以对原电极及相应涂层损坏很小。

2 设计方案

2.1 结构方案

设计一套用于电解循环水的新型电解系统，该系统包含2 台循环水电解槽、2 套适用电源(具有极性转化功能)，一套PLC 控制系统。

其中，电解槽中阴极为桶状结构，桶体材质为碳钢，桶壁上设置进水口、出水口，底部开有锥形排污口，在桶体一侧中央位置焊接导电铜板用于接电;阳极为棒状结构，采用钛棒表面烧结含Ir 活性涂层制成，焊接在盲盖上并插入阴极桶体中央，钛棒位于盲盖上方的部位焊接导电铜板用于接电;盲盖与碳钢桶体间放置密封垫并用螺柱连接，循环水电解槽基本构造图见图1. 整个装置在电解作用下，碳钢桶体作为阴极会附着各种无机盐垢，钛棒作为阳极产生Cl2、O2，电流密度依据循环水中无机盐含量设定。

图1 循环水电解槽基本构造图

2.2 除垢操作

系统正常运行时，2 台电解槽并联使用，一开一备。随着电解的进行，当需要清理一号电解槽阴极桶壁上水垢时，开启二号电解槽，关闭一号电解槽及该电槽进水口和排水口，并切换一号电槽电源正负极，在逆向电流的作用下，原阴极上的水垢在电解作用下会成片脱落。清除出来的水垢及矿物质通过反洗时随水排出，经过水池沉淀，上清液返回循环水系统，实现循环水系统的零排放。完成清洗流程后的一号电槽转为备用电槽，当二号电槽需要清洗作业时，一号电槽开始工作，二号电槽则按照先前一号电槽所述步骤进行除垢作业。

整套系统接入微电脑控制系统后可以做到无人值守自动化操作。按照系统每天预计清除的水垢量确定清洗周期和时间，并定时对循环水进行离子浓度检测，保证电化学系统的稳定和悬浮物的平衡。将确定好的清洗周期和时间输入电脑后，系统将按照流程自动作业。

3 使用效果

3.1 对不同离子的去除效果

由于在高pH 环境下阴极附近重碳酸盐和碳酸盐的溶解性最差，并且钙离子受碱度影响程度同样最大，导致碳酸钙在电解过程中最容易在阴极侧形成沉淀。

由于阴极附近为碱性环境，镁和硅在其附近也能被预沉淀出来，且降低的比例相对稳定，但是去除效率仅为钙的1/2，原因在于循环水中总离子浓度在电解过程中不断降低。

工业循环水中的氯离子在电化学作用下转化为氯气，氯气在水中具有一定的溶解度，一部分溶于水形成次氯酸，另一部分则以气态形式通过冷却塔放空。因此，循环水中余氯的含量实际上一直维持在0.2 ×10-6～0.6 ×10-6.

3.2 对微生物的控制

微生物对环境突变很敏感，其中对水体的酸碱度(pH 值)变化尤为敏感。当水体pH 值变化很小的几个单位时，就能够抑制甚至消除一些微生物的生长。

在电解过程中，由于阴极附近会产生大量氢氧根，使电槽内壁附近能够形成较强的碱性环境。相反，阳极附近产生大量氯气和氢离子，形成较强的酸性环境。

该套装置在运行过程中阴、阳极周边会各形成1个碱性区和酸性区，由于离子浓度在装置内部自下而上逐渐降低，导致这两个区域都有一定的pH 值梯度。当循环水不断从装置底部进入并从装置上部排出时，循环水中寄生的细菌也会经历不同的酸碱性环境，通过细菌本身对酸碱度异常敏感的特性，使该套装置对微生物具备一定的杀菌、抑菌作用。

3.3 试验情况

运用逆向电流除垢法的小型试验装置在实验室模拟工况循环水处理过程已经取得阶段性成功，通过对水样的分析，设备除垢能力与国外同类装置相当，并且在逆向电流作用下平均0.5 ～1 h 后电极板上所结的水垢即出现成片脱落，除垢效果能够满足工业化运行的需要。

4 结束语

该套装置是传统电解法处理循环水装置的革新，采用逆向电流除垢可以达到工业循环废水处理过程中自动化无人值守的条件，同时由于装置内部不存在刮刀，使整个装置结构简单化，提高了运行稳定性。