电化学除垢技术在焦化废水处理循环冷却水中的应用分析

郭丽娜

（山西焦化集团有限公司，山西 洪洞 041600）

0 引言

在焦化废水处理环节中，循环冷却水系统的应用极为频繁，而在循环冷却水系统的应用过程中，受到各种环境因素的影响，其水分大量蒸发，导致水中的部分无机盐离子浓度上升，引起循环水结垢问题。以往为解决循环水结垢问题，多采用加药法，但这种方法对于降低循环水硬度和碱度的效果有限，仍然难以避免循环冷却水的结垢风险[1-2]。为此，应用新兴的电化学除垢技术解决结垢问题是需要重点研究的一项内容。

1 电化学除垢技术方案整体设计

结合电化学除垢的基本原理，本次实验搭建电化学实验装置图如图1 所示。

图1 电化学实验装置图

由图1 可知，在该装置运行过程中，模拟循环水从储水池中通过一定转速的蠕动泵调节，进入到反应器中。反应器底部设置挡板，起到均匀分布循环水的作用。同时在该装置中，阴极和阳极分别采用大阴极网筒和小阳极网筒，其材料则分别为镍网阴极和网状钛基涂覆铱钌的形稳阳极。二者按照同心轴的方式进行安装，并与恒压直流电源的正负极分别连接，由此该电化学试验装置即组建完成[3]。循环水从上侧方的出水口出水，通过软管排入到出水排放池中。

2 不同因素对电化学除垢技术的影响及优化

由于电化学除垢技术及其配套装置的复杂性，因此影响电化学除垢技术应用效果的因素也相对较多。就此，本环节主要对以下几方面的影响因素进行探究，并以此总结电化学除垢技术的优化路径。

1）针对阴极尺寸的影响。根据理论分析可知，阴极直径影响着阴阳极板之间的间距，而阴阳极板之间的间距变化则直接影响到反应器内各种成垢离子的传质效果，如该间距值合理，则有助于提高除垢性能并降低能耗。就此，结合本次实验装置，调整阴极直径分别为5、7、9、11、13 cm，其对应的极板间距则分别为1、2、3、4、5 cm。而后控制其他参数不变：安装高度均为300 mm，电压控制为20 V，水流量20 L/h，进水硬度400～420 mg/L，各组实验均电解60 min，最后对硬度和碱度的去除率进行评估，得到的结果如图2 所示。

图2 不同阴极尺寸下的电解除垢性能

根据图2 可知，随着阴极直径的扩大，电化学除垢的最大去除率呈现先增大后减小的趋势，硬度和碱度两项指标均符合此趋势。结合相关理论推断，其主要原因是，在阴极直径增大的初始阶段，阴极面积增大，对溶液内的阴阳离子产生的电场作用更为突出；而继续增大阴极直径则会导致电阻升高，反而降低电流效率，因此制约了成垢离子的去除。综合考虑以上内容，确定直径9 cm 为阴极直径尺寸的最优值。

2）对电解电压的影响进行分析。根据理论分析可知，电解电压与电流密度正相关，而电流密度是影响除垢效率的关键因素。对此，本环节通过设置五个电压等级，分别为10、15、20、25、30 V，并控制阴极直径为90 mm，其他参数仍保持不变，分别进行实验，得到实验结果如图3 所示。

图3 不同电解电压下的电解除垢性能

根据图3 可知，随着电解电压的增大，硬度和碱度的去除率均呈现上升态势，当电压升高至30 V 时，其对应的硬度与碱度的去除率分别达到了40.3%和43.1%。但相对而言，当电压从20 V 提高至30 V 时，去除率的提升速度明显放缓，其主要原因是，当电压超过20 V 后，电解水产生氢气的速率更快，大量的气体运动对于成垢离子的吸附作用造成阻碍。就此，结合能耗分析可知，当电压为20 V 时，能耗为62 W·h，而当电压为30 V 时，能耗较20 V 时提升了2.5 倍，而去除率仅提升0.19 倍，效果不甚明显。因此确定电解电压为20 V。

3）对循环水流量的影响因素进行分析。根据理论分析可知，反应装置中循环水流量的变化对离子的扩散传质速率具有直接影响，进而带来对除垢效率的影响。因此在本环节的实验中，控制循环水流量分别为10、20、30、40 L/h；同时控制阴极直径为90 mm，电解电压20 V，其他参数保持不变，以此进行电解除垢性能的分析，分析结果如图4 所示。

图4 不同循环水流量下的电解除垢性能

根据图4 的实验结果可知，随着循环水流量的增大，硬度和碱度的去除率逐渐降低。初步推断，造成这种现象的主要原因是，循环水流量增大导致反应器内的流速加快，使流速对离子的剪切应力增大，虽然这有助于提升离子传质速率，但同时也阻碍了成垢离子在阴极附近的聚集与沉积，导致部分成垢离子晶体再次脱离阴极。在此基础上，对成垢量进行分析后发现，当循环水流量从10 L/h 提升至20 L/h 时，虽然去除率略有下降，但单位阴极沉垢量呈现上涨态势，增加了2.5 g，此后沉垢量则开始下降。综合以上分析结果，最终确定循环水流量为20 L/h。

3 实验测试与讨论

通过上述分析测试后，最终确定本次电化学除垢实验的最优参数为：阴极直径尺寸9 mm、电解电压20 V、循环水流量20 L/h。根据以上实验参数，搭建电化学除垢实验装置，并以某地焦化厂废水处理过程中循环水模块中的循环水为主要实验材料，对电化学除垢技术所达到的效果进行初步分析。同时在分析过程中，为确定本次电化学除垢技术所具有的优势，同时引入传统加药处理方法作为对照组进行对比。在实验过程中，控制电解时间等参数保持不变，得到的实验结果如表1 所示。

表1 除垢实验结果数据表

表1 中，实验组指应用电化学除垢实验的组别。根据表1 的数据不难看出，本次电化学除垢技术在各项关键指标上均显著优于传统加药处理模式，证明本次设计的电化学除垢技术具有一定的优势，有望在实际的循环冷却水系统中得到逐步应用。

4 结语

在本次研究中，结合当前焦化废水处理循环冷却水易结垢的问题，以新兴的电化学除垢技术为基础，通过大量实验对电化学除垢技术的主要参数进行调整优化，最终得到电化学除垢技术的优化参数，并以此搭建电化学除垢实验系统进行实验。结果表明，本次基于电化学除垢技术的实验结果全面优于传统加药环节所获得的实验结果，证明本次实验取得初步成功。当然在今后的工作中，仍需要在现有实验的基础上进行中试放大等后续实验环节，以提升电化学除垢技术的实用性。