摘要:電化學(xué)水處理技術(shù)是一種環(huán)境友好的新型水處理技術(shù),本文介紹了電化學(xué)水處理技術(shù)的工作原理、工作流程,對(duì)比了電化學(xué)水處理設(shè)備投用前后的水質(zhì)變化。評(píng)估其取代傳統(tǒng)的以投加化學(xué)藥劑處理、提高濃縮倍數(shù)節(jié)水的可行性。從而在節(jié)水、節(jié)能、環(huán)保、系統(tǒng)化學(xué)性質(zhì)及腐蝕和結(jié)垢等方面實(shí)現(xiàn)有效穩(wěn)定控制,真正能達(dá)到節(jié)能減排的目的。
關(guān)鍵詞:電化學(xué); 水處理; 除垢; 殺菌
循環(huán)水系統(tǒng)是冶金工業(yè)、石油工業(yè)、化工工業(yè)以及建筑的空調(diào)系統(tǒng)必不可少的能源介質(zhì)之一。提高循環(huán)水的利用率將極大減緩用水壓力,然而減少循環(huán)水的排放,提高其濃縮倍數(shù),必然會(huì)帶來(lái)管道和設(shè)備的結(jié)垢、腐蝕以及微生物大量滋生等問(wèn)題。目前,對(duì)于工業(yè)循環(huán)水處理系統(tǒng),為減少因循環(huán)水中鹽類等的濃縮而對(duì)管道及設(shè)備造成的不利影響,普遍使用投加化學(xué)藥劑的方法來(lái)保持水質(zhì)穩(wěn)定[1],以提高循環(huán)水系統(tǒng)的濃縮倍數(shù)。然而,這種方法所使用的藥劑昂貴,運(yùn)行成本高。電化學(xué)水處理技術(shù)利用水及水中礦物質(zhì)的電化學(xué)特性,通過(guò)調(diào)節(jié)水中礦物質(zhì)的平衡,解決了工業(yè)循環(huán)水的結(jié)垢、腐蝕、微生物滋生三大問(wèn)題,從根本上解決投加化學(xué)藥劑帶來(lái)的環(huán)境污染。
1電化學(xué)水處理技術(shù)的工作原理
電化學(xué)水處理技術(shù)的主要工作原理是利用電化學(xué)的氧化還原反應(yīng),將水中的Ca2+、Mg2+以固體形式排除,降低水體的硬度,同時(shí)產(chǎn)生氧化性物質(zhì),抑制循環(huán)水系統(tǒng)中菌藻的滋生,達(dá)到殺菌滅藻功能。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)于電化學(xué)循環(huán)水處理技術(shù)的機(jī)理研宄主要集中在以下兩個(gè)方面:
1.1電化學(xué)除垢原理
在電流的作用下水在陰極發(fā)生電解反應(yīng)生成OH-,見(jiàn)式(1)、式(2)。由陰極反應(yīng)產(chǎn)生的OH-離子,打破陰極附近溶液中堿度與硬度的平衡,溶液中的HCO3-離子轉(zhuǎn)化為CO32-離子,見(jiàn)式(3)。同時(shí)水中的Ca2+、Mg2+等成垢離子在靜電引力的作用下向陰極區(qū)遷移,分別生成CaCO3、Mg(OH)2沉淀析出,見(jiàn)式(4)、式(5)。
(1) O2+2 H2O+4e→4OH-
(2) 2H2O+2e→H2+2OH-
(3) OH-+ HCO3-→CO32-+ H2O
(4) Ca2++CO32-→CaCO3↓
(5) Mg2++2OH-→Mg(OH)2↓
同時(shí)在電場(chǎng)的作用下,CaCO3在陰極板表面的結(jié)晶形式由堅(jiān)硬的方解石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為疏松的文石型結(jié)構(gòu),更易于剝離去除[2-3]。
1.2電化學(xué)殺菌原理
研究者[4]認(rèn)為電化學(xué)消毒并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程,其包括了物理、化學(xué)和生物等多種作用機(jī)制與反應(yīng)歷程,可以認(rèn)為是多種因素共同作用完成的。其中主要涉及如電解氯化、活性基團(tuán)作用等。
在電場(chǎng)的作用下,水中的氯離子會(huì)被氧化成氯氣、次氯酸、次氯酸根等自由氯組分,見(jiàn)式(6)、式(7)、式(8)。一般認(rèn)為,電解氯化作用,主要通過(guò)次氯酸起作用。次氯酸為很小的中性分子,只有它才能擴(kuò)散到帶負(fù)電的細(xì)菌表面,并通過(guò)細(xì)菌的細(xì)胞壁穿透到細(xì)菌內(nèi)部。當(dāng)次氯酸到達(dá)細(xì)菌內(nèi)部時(shí),能起氧化作用破壞細(xì)菌的酶系統(tǒng)而使細(xì)菌死亡。在電催化反應(yīng)中,通過(guò)電解水以及溶解在水中的氧氣在電極表面生成一些短壽命的中間產(chǎn)物,即臭氧(式9)、羥基自由基(式10)、過(guò)氧化氫(式11)和氧自由基(式12)等,這些強(qiáng)氧化性的物質(zhì)能使微生物細(xì)胞中的多種成分發(fā)生氧化,從而使微生物產(chǎn)生不可逆的變化而死亡。
(6) 2Cl- -2e→Cl2
(7) Cl-+H2O-2 e→HClO +H+
(8) Cl-+2OH-- 2 e→ClO+ H2O
(9) O2 + 2OH--2e→O3+ H2O
(10) OH- - e→OH0
(11) 2H2O- 2 e→H2O2 + 2H+
(12) H2O -2 e→O0 + 2 H+
2 電化學(xué)水處理設(shè)備工作方式
2.1 電化學(xué)水處理設(shè)備的安裝
EST電化學(xué)水處理設(shè)備采用旁路安裝,在不改變現(xiàn)有工藝情況下,可以直接并聯(lián)在幾乎所有的現(xiàn)有循環(huán)水系統(tǒng)上處理單元相對(duì)緊湊,安裝場(chǎng)地占用面積小,不需要土建施工。
2.2電化學(xué)水處理設(shè)備工作流程
電化學(xué)水處理設(shè)備利用水垢預(yù)沉積和氯離子的氧化產(chǎn)物,用于工業(yè)循環(huán)冷卻水、中央空調(diào)循環(huán)水等,從而取代軟化樹(shù)脂或者化學(xué)藥劑解決結(jié)垢和微生物控制的問(wèn)題。其主要構(gòu)成部件有: 反應(yīng)室、陽(yáng)極、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、刮刀、進(jìn)出口、排污閥及控制部分等(見(jiàn)圖2)。
冷卻水在反應(yīng)室內(nèi),經(jīng)過(guò)電化學(xué)作用發(fā)生下列反應(yīng):(1)在陰極(反應(yīng)室內(nèi)壁)附近形成一個(gè)強(qiáng)堿性環(huán)境,使碳酸鈣從水中析出,與沉積的重金屬離子一起附著在內(nèi)壁上。(2)電流導(dǎo)致懸浮顆粒失穩(wěn),形成較大絮體沉淀下來(lái)。(3)在陽(yáng)極附近,氯離子被電解氧化生成游離氯或者次氯酸。(4)在陽(yáng)極附近同時(shí)生成氫氧根自由基、氧自由基、臭氧和雙氧水,這些物質(zhì)進(jìn)一步強(qiáng)化了在反應(yīng)室內(nèi)和整個(gè)水系統(tǒng)的殺菌滅藻效果。(5)當(dāng)設(shè)備工作時(shí)間達(dá)到設(shè)定值或者水中電導(dǎo)率過(guò)高時(shí),控制系統(tǒng)就啟動(dòng)自動(dòng)刮垢、排污和清洗程序。進(jìn)水閥門(mén)自動(dòng)關(guān)閉,同時(shí)排污閥門(mén)開(kāi)啟,電機(jī)啟動(dòng)刮刀刮掉反應(yīng)室內(nèi)壁的軟質(zhì)水垢,與沉淀物一起排出反應(yīng)室。然后進(jìn)水閥門(mén)開(kāi)啟,刮刀停止運(yùn)動(dòng),將水垢和沉淀物徹底清洗干凈。大約2-5分鐘后,排污閥門(mén)自動(dòng)關(guān)閉,設(shè)備恢復(fù)正常工作。
2.3 投用前后循環(huán)水水質(zhì)比較
某企業(yè)實(shí)施循環(huán)水處理技術(shù)升級(jí)改造項(xiàng)目,使用山西芮海環(huán)??萍加邢薰镜碾娀瘜W(xué)水處理設(shè)備一套,到目前為止該設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定,循環(huán)水各項(xiàng)指標(biāo)均有明顯改觀,水質(zhì)明顯變清,透明度高,水垢去除看得見(jiàn)。設(shè)備自動(dòng)化程度高,運(yùn)行穩(wěn)定,與投加藥劑相比運(yùn)行費(fèi)用減少75%。設(shè)備投運(yùn)前、后循環(huán)水各項(xiàng)指標(biāo)平均數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表1。裝置投運(yùn)后,循環(huán)水總鐵離子質(zhì)量濃度逐步降低并趨于穩(wěn)定,循環(huán)水的總堿度、總硬度、Cl-濃度和電導(dǎo)率均有一定程度的降低。
3電化學(xué)水處理設(shè)備使用優(yōu)勢(shì)
(1)電解系統(tǒng)由微電腦控制,全自動(dòng)化操作,維護(hù)方便簡(jiǎn)單,占地面積小,重量輕,安裝方便靈活。
(2)免加化學(xué)水處理藥劑,綠色環(huán)保,無(wú)污染物排放,節(jié)水,節(jié)能,提高生產(chǎn)效率。與使用化學(xué)水處理藥劑比較,節(jié)水≥40%、節(jié)能≥23%、提高生產(chǎn)效率≥4%;綠色環(huán)保,排水經(jīng)過(guò)沉淀澄清即可循環(huán)利用。
(3)提高生產(chǎn)效率。電化學(xué)設(shè)備通過(guò)LSI、RSI軟件系統(tǒng)控制運(yùn)行,確保換熱器水側(cè)結(jié)垢物質(zhì)厚度在0.1mm左右。在防腐蝕同時(shí),確保熱交換效率始終達(dá)到設(shè)計(jì)能力的98%以上,熱交換器3年內(nèi)不需要清洗。
(4)經(jīng)濟(jì)實(shí)用。單臺(tái)設(shè)備處理量50m3/h-100m3/h,電極壽命≥3年,殺菌滅藻效果是藥劑的10倍以上,設(shè)備投資回報(bào)周期在1年左右。
4結(jié)論與展望
電化學(xué)循環(huán)水技術(shù)的研究與應(yīng)用,取代了用添加化學(xué)藥劑方式處理循環(huán)水,從源頭上解決了循環(huán)水污染的根本問(wèn)題,一方面讓循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定,另一方面徹底解決循環(huán)水排污引起的環(huán)保問(wèn)題,節(jié)約藥劑費(fèi)用,節(jié)約補(bǔ)充水費(fèi)用的同時(shí),節(jié)省巨額的污水處理與排放費(fèi)用;優(yōu)化循環(huán)水系統(tǒng)的同時(shí),大幅度降低企業(yè)污水系統(tǒng)的巨額投資與運(yùn)行費(fèi)用,有著極其重要的環(huán)保與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
面對(duì)越來(lái)越嚴(yán)峻的水資源危機(jī)與水污染現(xiàn)狀,電化學(xué)水處理設(shè)備將具有很高的優(yōu)越性和應(yīng)用前景。
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