直流電解技術(shù)在循環(huán)水處理中的應(yīng)用研究
一、概述
在鋁工業(yè)生產(chǎn)中，為節(jié)約水資源，許多設(shè)備的冷卻水均采用循環(huán)水進(jìn)行冷卻。循環(huán)水系統(tǒng)分為密閉式和敞開式兩大類，無論是密閉式還是敞開式循環(huán)系統(tǒng)，水在長(zhǎng)期循環(huán)使用過程中都會(huì)引起結(jié)垢、菌藻滋生和腐蝕等問題[1]，這些問題的存在嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的效率，同時(shí)也縮短了設(shè)備的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成生產(chǎn)和安全事故[2，3]。因此針對(duì)循環(huán)水水質(zhì)的處理也成為一個(gè)十分重要的課題。
二、 循環(huán)水水質(zhì)處理方法對(duì)比
為了防止結(jié)垢、菌藻滋生和腐蝕所產(chǎn)生的危害，需要對(duì)水質(zhì)進(jìn)行處理。目前較為常見的水質(zhì)處理方法包括：軟化法、藥劑法和直流電解法，這些方法的原理、效果和特點(diǎn)見表1：由表1可以看出，軟化法效果單一，并且存在加速腐蝕風(fēng)險(xiǎn)；化學(xué)法效果明顯，但清潔性差，維護(hù)管理繁瑣，經(jīng)濟(jì)性能不高；直流電解法具有高效、清潔、管理簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)性能好的特點(diǎn)[4]。
三、直流電解法工作原理
直流電解處理工藝是通過直流電解過程中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)除垢、殺菌滅藻和防腐蝕效果，其工作原理如下：
（一）除垢
直流電解過程中陰極會(huì)發(fā)生析氫反應(yīng)生成氫氧根離子，使陰極區(qū)域產(chǎn)生強(qiáng)堿性環(huán)境，促使水中鈣鎂離子發(fā)生沉淀，其具體反應(yīng)過程如下：
陰極反應(yīng)：
沉淀反應(yīng)：
上述反應(yīng)會(huì)使水中鈣鎂硬度沉積在電解反應(yīng)器陰極表面，然后通過倒極電解或機(jī)械刮除的方式使其從陰極脫落并從設(shè)備中排出，使水中鈣鎂離子濃度不斷降低。當(dāng)鈣鎂離子濃度低于沉淀溶解平衡濃度時(shí)，管道和換熱器表面所結(jié)碳酸鈣垢就會(huì)不斷溶解，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)除垢，其反應(yīng)過程如下：
水垢溶解：
水垢溶解形成的鈣鎂離子又被電解去除，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)徹底除垢。
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直流電解工藝采用具有電催化性能的特殊陽(yáng)極，在直流電解過程中由于陽(yáng)極催化作用會(huì)產(chǎn)生活性氯、活性氧、自由基等物質(zhì)，具體反應(yīng)過程如下：
析氯反應(yīng)：
自由基生成反應(yīng)：
電解過程中陽(yáng)極產(chǎn)生的活性氯、活性氧和自由基具有極強(qiáng)的氧化性，對(duì)水中的菌藻類微生物具有強(qiáng)烈的殺滅作用，從而防止菌藻滋生和生物粘泥附著。由于自由基類物質(zhì)氧化還原電位很高，能夠避免各種微生物產(chǎn)生抗藥性。
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防止生物腐蝕：由于電解過程能實(shí)現(xiàn)除垢和避免菌藻滋生，因此能有效防止垢下腐蝕和硫細(xì)菌、鐵細(xì)菌等引起的點(diǎn)蝕、孔蝕。
四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
本次實(shí)驗(yàn)選用沈陽(yáng)艾柏瑞環(huán)境科技有限公司的ZD系列設(shè)備對(duì)循環(huán)水水質(zhì)進(jìn)行處理，該設(shè)備通過直流電解使陰極結(jié)垢，當(dāng)陰極結(jié)構(gòu)達(dá)到一定厚度時(shí)停止電解，啟動(dòng)刮渣裝置，通過機(jī)械動(dòng)作刮除陰極上所結(jié)的碳酸鈣垢，使其從陰極上脫落，落入電解反應(yīng)器底部，然后通過開啟排垢閥排入儲(chǔ)垢槽。排垢結(jié)束后，重新進(jìn)行電解除垢過程。除垢及殺菌滅藻實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別見圖1及圖2。
由圖1可以看出：在設(shè)備安裝初期，系統(tǒng)中硬度迅速降低，半個(gè)月后系統(tǒng)硬度維持在20～30mmol/L；運(yùn)行一個(gè)月后，系統(tǒng)水垢濃度進(jìn)一步降低，并保持在一個(gè)較低的濃度，表明系統(tǒng)原有硬垢排放基本完成，而系統(tǒng)達(dá)到了硬度補(bǔ)給和排垢平衡。
由圖2可以看出：在設(shè)備安裝前幾天中系統(tǒng)中細(xì)菌總數(shù)迅速降低，此后系統(tǒng)細(xì)菌總數(shù)一直保持在102～103CFU/L水平，表明直流電解處理設(shè)備具有良好的殺菌滅藻效果，抑制系統(tǒng)粘泥滋生和腐蝕。
五、結(jié)論
通過以上的分析表明，直流電解法作為一種新型技術(shù)應(yīng)用在水循環(huán)系統(tǒng)的除垢及殺菌滅藻領(lǐng)域具有重要作用，可明顯改善系統(tǒng)傳熱效率，降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗和水耗；不需投加任何化學(xué)藥劑，環(huán)境清潔性極高。隨著該技術(shù)的研究進(jìn)一步深入，直流電解技術(shù)在循環(huán)水處理領(lǐng)域必將具有更廣闊的應(yīng)用前景。
