电化学除垢设备的应用技术研究

朱晖，张国辉，，李芬芬

(1.陕西延长石油(集团)有限责任公司，陕西 西安 710075；2.陕西化工研究院有限公司，陕西 西安 710054)

工业循环冷却水占工业用水的70%～80%[1]，敞开式循环冷却水系统在长期运行过程中存在腐蚀、结垢和生物黏泥等问题[2-3]。大多数企业采用传统的药剂投加法稳定循环水水质[4-6]，但是对一些高硬和高碱水质系统，药剂并不能完全控制系统结垢。电化学水处理技术被称为“绿色”水处理技术[7]，其中电化学除垢属于典型的主动式除垢技术[8]，可用于循环水旁路除垢，以减轻冷却水系统的结垢负担[9]，阳极产生自由氯及自由基，可以达到杀菌及氧化污染物的功能[10]。本文通过自制电化学除垢设备，考察了设备除垢效果，并在循环水系统进行了现场中试。

1 实验部分

1.1 原料与仪器

无水氯化钙、碳酸氢钠、10%氨水缓冲溶液、EDTA、磷酸氢钠均为分析纯；实验室模拟水质见表1。

表1 实验模拟水质Table 1 Simulated water quality

哈希HQ40d分析仪；哈希2100Q浊度仪；电化学除垢设备，自制。

1.2 实验方法

电化学除垢设备见图1，左图为构造图，右图为设备实验样机。反应器φ=500 mm，H=1 300 mm，材质为碳钢；阳极为3根钛基钌铱电极，φ=50 mm，H=1 200 mm；电源S900-30直流稳压电源。装置程序可设定自动刮垢时间间隔、电流强度、刮垢时间等。

图1 电化学除垢设备构造图和设备图Fig.1 Structure and equipment diagram of equipment 1.PP毛刷；2.阳极；3.电机；4.控制柜； 5.反应室；6.进水口；7.排污口；8.出水口

图2 实验流程Fig.2 Flow chart of the experiment

将配制水样储存在水箱中，用泵从水箱底部将水送到电解水处理器中，同时由设备上方将水送至水箱，形成循环，有效保有水量为500 L。

2 结果与讨论

2.1 实验室模拟实验

采用模拟水质进行实验，实验水量为500 L。控制电流为25 A，电解时间为10 h，每1 h取样分析1次。

图3 电化学除垢设备钙硬去除效果Fig.3 Effect of calcium hardness removal by equipment

2.1.2 对碱度和氯离子去除效果 由图4、图5可知，随着电解时间的增长，对碱度和氯离子去除率越来越高。碱度由原来的291.0 mg/L降至 242.0 mg/L，碱度去除率16.84%；氯离子由原来的315.6 mg/L降至176.0 mg/L，氯离子去除率 44.23%。实验表明，电解除垢对钙硬和氯离子去除效果明显。

图4 电化学除垢设备碱度去除效果Fig.4 Effect of alkalinity removal by equipment

图5 电化学除垢设备氯离子去除效果Fig.5 Effect of chloride ion removal by equipment

通过对比可知，碱度和钙硬的去除率不成正比，图6为电解除垢过程中水质pH值变化。

由图6可知，电解过程中pH先下降后趋于稳定，并没有继续降低，这是过程中OH-在阴极板表面浓度逐渐升高，水中溶解的CO2在极板界面区域发生如下式反应[12-13]，这种平衡保证水质pH不会一直降低。

图6 水质pH值变化Fig.6 Variation of pH value of water quality

2.2 现场中试实验

中试实验为某小型化工厂循环水，系统保有水量200 m3，循环水量250 m3/h，补充水为地下井水，水质见表2，水质属高硬、高碱水质。

表2 循环水系统水质Table 2 Water quality of circulating water systems

用泵将循环水送到电解水处理器中，出水回至循环水池中。循环水系统保有水量200 m3，循环水量250 m3/h。

图7 中试流程Fig.7 Flow chart of pilot plant

2.2.1 单次去除效果 通过三通阀调节电化学设备的处理流量，图8为在工作电流为25 A条件下不同处理流量电化学除垢对钙硬、总硬和碱度的单次处理效果。

由图8可知，去除率和流量有很大的关系，当流量由3 m3/h升高到15 m3/h时，单次钙硬去除率由12.59%降到3.15%，单次总硬度去除率由17.72%降到3.89%，单次碱度去除率由11.02%降到2.5%。

图8 流量对去除效果的影响Fig.8 Effect of flow rate on removal efficiency

图9为在工作电流25A条件下，电化学除垢设备在不同处理流量下对钙硬、总硬和碱度的去除总量的关系图。

图9 流量对去除总量的影响Fig.9 Effect of flow rate on total removal

由图9可知，在处理流量8 m3/h时，单位去除率最高，对钙硬、总硬和碱度的去除总量分别为153.6，433.344，192.0 g/h。所以，此设备装置最佳处理量为8.0 m3/h。

图10为在处理流量8.0 m3/h条件下不同电流强度设备去除效果。

图10 电流强度对去除效果的影响Fig.10 Effect of current intensity on removal efficiency

由图10可知，随着电流强度的增大，钙硬、总硬和碱度的去除率均升高。这是由于工作电流越高，功率越大，去除效果也越明显。由于本设备额定工作电流为30 A，为保证设备长周期工作，设定工作电流25 A。

电化学除垢设备在实际运行中要进行连续工作，工作一定时间后效率降低，要进行除垢并将垢样排出之后继续工作，所以本实验要考察刮垢间隔时间。图11为在流量8.0 m3/h、电流强度25 A时，设备连续去除效果。

图11 反应时间对去除效果的影响Fig.11 Effect of reactive time on removal efficiency

由图11可知，随着时间的增加，总硬去除率降低，这是因为随着时间的增加，反应室器壁沉积的垢越来越多，降低了沉积速度。时间太长，影响整体去除率；时间太短，虽然效率提高，但会增加反洗频次，浪费排污水。由图11可知，设备设置刮垢反洗时间间隔8 h为最佳。

2.2.2 连续去除效果 本装置连续实验时处理量8 m3/h，运行电流25 A，运行电压20 V，反洗除垢间隔8 h，每次反洗时间45 s，循环水系统不加酸运行。2021年4月1日开始进行连续实验，使用后水质越来越好。表3为2021年4月14日循环水运行数据。

表3 循环水数据分析Table 3 Analysis of circulating water data

由表3可知，连续运行2周后，经理论分析钙硬、总硬和碱度去除率均>30%，运行后大大提高了浓缩倍数，节水效果明显，结垢得到明显控制。反洗污水中肉眼可以观察到大量白色片状垢样，证明电解除垢可以永久性的去除水中的硬度。

3 结论

(1)电化学除垢设备实验室小试表明，电流强度25 A，电解时间10 h，钙离子去除率82.04%，碱度去除率16.84%，氯离子去除率44.23%，电化学除垢设备对钙硬、碱度和氯离子去除效果明显。

(2)现场循环水试验表明，电化学除垢设备最佳工艺为：处理流量为8.0 m3/h，电流强度25 A，反洗除垢间隔8 h。此时对钙硬、总硬和碱度的去除率分别为 6.4%，7.4%，6.0%，去除总量分别为 153.6，433.344，192.0 g/h。

(3)针对高碱高硬循环水水质，现场连续运行2周后，硬度和碱度指标相对于理论值的去除率 >30%，反洗污水中肉眼可以观察到大量白色片状垢样。

(4)电化学除垢设备具有明显的除垢节水效果，除垢效果明显，适合在高碱、高硬水系统中推广使用。