洛河层井水电脱盐技术研究

荣光辉，欧阳诗昆，李亚洲

（中国石油长庆油田分公司第十二采油厂，甘肃庆阳 745400）

循环冷却水广泛应用在电力、冶金、石油等工业领域[1]，循环水系统的结垢问题一直是困扰工业生产的难题。为了减缓、阻止循环冷却水的结垢，工业上采用加化学药剂、电磁防垢等系列技术方法。这些方法虽然对循环水系统具有一定的缓蚀、阻垢、杀菌效果，但是大量的成垢离子仍然存在于水中，随着时间推移，这些离子仍会在设备和管道内结垢。电脱盐除垢技术利用水及水中矿物质电化学特性，通过电化学来调节水中矿物质平衡，使成垢离子发生电化学反应从水中去除，能有效的缓解循环水的结垢和腐蚀问题。因此，开展洛河层井水电脱盐技术研究，确定经济合理的洛河层井水电脱盐操作条件，对采用洛河层井水作为循环水的地区具有重要的意义。

1 洛河层井水水质分析

1.1 分析结果

洛河层井水分析结果（见表1）。

表1 洛河层井水分析报告

1.2 洛河层井水主要特点

由表1 水质分析报告可看出，洛河层井水有以下特点：（1）电导率高，水中离子含量高，易导致腐蚀和结垢；（2）钙硬度高、碱度高，以碳酸盐垢为主。

2 洛河层井水电脱盐小试研究

2.1 电极材料

阴极电极材料：碳钢板（4.8 cm×4 cm）、不锈钢网（4.8 cm×4 cm）、碳钢网（4.8 cm×4 cm）、不锈钢板（4.8 cm×4 cm）。阳极电极材料：钛基氧化亚钛（4.8 cm×4 cm）、铜（4.8 cm×4 cm）、不锈钢（4.8 cm×4 cm）、石墨（4.8 cm×4 cm）。

2.2 工艺条件研究

实验装置采用电脱盐反应器和水槽串联的方式（见图1），主要包括电解池、电极板、低压直流电源（电源规格为30 V/10 A）和搅拌泵。实验时将电极垂直放置在盛满洛河层井水的电解池反应器中，两极距离2 cm，每个实验持续60 min，分别在反应时间15 min、30 min、45 min、60 min 取样分析。

图1 实验装置示意图

2.2.1 电极筛选

2.2.1.1 阳极筛选（1）实验过程：阴极选用钛网，阳极分别用钛基氧化亚钛、铜、不锈钢、石墨，水流速度0 cm/s（停运搅拌泵），电流密度6 mA/cm2。研究不同阳极材料下，井水硬度、碱度、除垢速率的变化规律，结果（见表2、图2）。

图2 不同阳极除垢速率图（反应时间60 min）

（2）数据分析：从表2 可以看出，随着反应时间的增加，四种不同的阳极板，井水的硬度、碱度均呈下降趋势，并且井水碱度去除效果比硬度去除效果好。

表2 采用不同阳极时井水硬度、碱度变化表

根据电脱盐除垢机理，硬度离子与碱度离子的反应应该按照1:1 进行，即碱度去除率接近硬度去除率。实验结果表明，反应中除了在阴极形成CaCO3沉淀外，在阳极附近通过电解反应形成氢离子（H＋）和羟基自由基（·OH），使阳极呈酸性环境，由于电场作用，水中的HCO3-向阳极迁移，与H+发生反应，生成CO2，导致大量的HCO3-消耗，因此碱度去除效果高于硬度去除效果。

图2 显示，不同阳极材料在相同反应条件下，钛基电极单位面积除垢速率最大，除垢效果最佳。

2.2.1.2 阴极筛选（1）实验过程：阳极选用钛基氧化亚钛，阴极分别用碳钢网、碳钢板、不锈钢板、不锈钢网，水流速度0 cm/s（停运搅拌泵），电流密度6 mA/cm2。研究不同阴极材料下，井水硬度、碱度、除垢速率的变化规律，结果（见表3、图3）。

（2）数据分析：表3、图3 显示了不同阴极材料在相同反应条件下井水硬度、碱度的变化及除垢速率的差异。可以看出，随着反应时间的增加，四种不同的阴极，井水的硬度、碱度均呈下降趋势；不锈钢网和碳钢网阴极井水硬度去除效率最高。采用网状阴极可以增大井水与阴极的接触面积，使井水中Ca2+和Mg2+与阴极接触的机会成倍增加，有利于CaCO3和Mg（OH）2的沉淀反应。

图3 不同阴极除垢速率图（反应时间60 min）

表3 不同阴极条件下井水硬度、碱度变化表

2.2.2 水流速度影响

（1）实验过程：阴极选用碳钢板，阳极选用钛基氧化亚钛，电流密度6 mA/cm2，分别选取3 cm/s、5 cm/s、10 cm/s、20 cm/s 四种水流速度（启动搅拌泵），研究不同水流速度下，井水硬度、碱度、除垢速率的变化规律，结果（见表4、图4）。

图4 不同水流速度除垢速率图（反应时间60 min）

（2）数据分析：表4、图4 显示了不同水流速度下井水硬度、碱度的变化及除垢速率的差异。可以看出，在四种不同水流速度下，随着反应时间的增加，井水硬度和碱度总体都呈现下降趋势，在较低的水流速度下，除垢效果较好，但较低的水流速度，意味着需要扩大反应器体积，所以水流速度的选择要结合设备和现场实际综合考虑[3]。

表4 不同水流速度下井水硬度、碱度变化表

在不同水流速度下，碱度去除效果仍然高于硬度去除效果。碱度的降低有利于降低结垢倾向，达到阻垢的目的。

2.2.3 电流密度影响

（1）实验过程：阴极选用碳钢板，阳极选用钛基氧化亚钛，水流速度5 cm/s，分别选取1 mA/cm2、4 mA/cm2、6 mA/cm2、10 mA/cm2四种电流密度，研究不同电流密度下，硬度、碱度、除垢速率的变化规律，结果（见表5、图5）。

图5 不同电流密度除垢速率图（反应时间60 min）

（2）数据分析：从表5 可以看出，电流密度越大，硬度去除效果越好；反应初期硬度下降较快，随着反应时间的增加，硬度下降速度变慢。高电流密度有利于阴极表面碱度的产生，可以快速除去水垢。随着反应时间的延长，阴极表面逐渐布满水垢，在一定程度上影响了阴极区碱度生成的过程，导致硬度下降变慢。当电流过高时，阴极区析氢反应加剧，会扰乱Ca2+向阴极的迁移，使阴极的水垢沉积过程受阻，不能正常沉积在阴极，反而减少水垢沉积。电流密度的变化对碱度的影响较为缓和，随着反应时间的增加，碱度缓慢降低。

表5 不同电流密度下井水硬度、碱度变化表

图5 显示，当电流密度为6 mA/cm2时，除垢速率最佳，当电流密度为10 mA/cm2时，除垢速率反而下降。所以选择适当的电流密度是保证除垢效果的关键。

2.3 优化操作条件后除垢实验

（1）实验过程：阴极用碳钢板，阳极用钛基氧化亚钛，将电极板垂直放置在盛满洛河层井水的电解池反应器中，两极距离2 cm，电流密度6 mA/cm2，水流速度5 cm/s。连续运行3 h，在运行1 h、2 h、3 h 分别取样分析，综合评价优化操作条件后的洛河层井水电脱盐效果,结果（见图6、图7）。

图6 连续运行3 h 井水水质变化图

图7 连续运行3 h 除垢速率变化图

（2）数据分析：图6、图7 显示，洛河层井水按照优化后的操作条件进行电脱盐处理，水样结垢趋势明显降低，连续运行180 min 后，各项指标依次为硬度去除率：17%，碱度去除率25%，TDS 去除率10.5%，碱度去除率大于硬度去除率。除垢速率随着系统运行时间的增加而增加。可以推断，在反应初期，阴极表面比较干净，在反应初期形成了水垢颗粒，不能有效的沉积在阴极表面，而是随水流流出反应器，因此存在硬度去除率和TDS 去除率低的过程，反应一段时间后，阴极表面不断有水垢附着，有利于水垢颗粒的沉积，使硬度和TDS 去除率增加，系统运行趋于稳定。所以除垢速率随着系统运行时间延长而增大。

3 洛河层井水电脱盐工艺条件中试研究

3.1 中试技术条件

中试装置（见图8），电脱盐电解池规格0.5 m×0.4 m×0.3 m，阳极选用20 cm×20 cm×5 cm 的钛基氧化亚钛板，阴极选用20 cm×20 cm×5 cm 的碳钢板（阴极总面积：0.78 m2），水流量0.3 m3/h，电压20 V，电流50 A。

图8 中试装置示意图

3.2 中试结果分析

中试设备运行6 h，每间隔1 h 取样分析一次，分别测定井水硬度、碱度、TDS 值，计算硬度去除率、碱度去除率、TDS 去除率及除垢速率，结果（见图9、图10）。

图9 连续运行6 h 井水碱度、硬度、TDS 去除率变化图

图9 表明，硬度、碱度、TDS 去除率随着反应时间的增加不断增加，并且碱度去除率大于硬度去除率。碳酸根离子除了在阴极生成碳酸钙外，水中的碳酸氢根离子在向阳极迁移的过程中，会转化成CO2气体逸出，使水中的大量碳酸氢根离子被消耗，故碱度去除率大于硬度去除率。

图10 表明，除垢速率先随反应时间的增加而增加，4 h 后除垢速率随反应时间的增加而减小。前3 h的运行结果与小试结果一致；4 h 后，随着反应的进一步进行，阴极表面结垢大幅度增加，影响了结垢物在阴极的进一步沉积，导致除垢速率开始降低。从中试结果看，洛河层井水电脱盐设备6 h 需要进行一次除垢作业。

图10 连续运行6 h 除垢速率变化图

4 研究结论

选取洛河层井水，开展了电脱盐工艺小试、中试研究。比较了采用不同阴极、阳极电极材料电脱盐工艺的除垢效果；研究了水流速度、电流密度对电脱盐设备除垢率的影响；优选了洛河层井水电脱盐操作条件，并采用优选的操作条件，测定了洛河层井水的电脱盐效果。结论如下：

（1）电脱盐技术可以有效降低洛河层井水的硬度、碱度，满足工业循环水的要求；

（2）阳极附近的强酸区域有利于去除水中的碱度离子，促使水样碱度去除率高于硬度去除率；

（3）筛选钛基氧化亚钛作为电脱盐阳极，电极性能较好，除垢速率、碱度去除率等指标均比较优异；筛选碳钢网为电脱盐阴极材料，除垢速率及碱度去除率较好；

（4）电流密度是除垢的重要影响因素，电流密度不是越高除垢效果就越好，洛河层井水电脱盐适宜的电流密度是6 mA/cm2；

（5）除垢效率受水流速度的影响较大，适宜的水流速度可以达到较好地除垢效果，洛河层井水电脱盐适宜的水流速度是5 cm/s。