循环水除垢技术的研究与应用

循环水除垢技术的研究与应用

张彩宁

陕西省榆林市米脂县陕西金泰氯碱化工有限公司  陕西省榆林市  718100

摘要：我国是一个人均水资源有限的大国，循环水除垢技术的研究和应用在我国工业领域发展、水资源节约方面有着重要的意义。本文主要围绕循环水除垢技术的研究和应用展开阐述，汇总复合网状阴极、电化学-微滤耦合、三维阴极的电化学除垢新研究成果，为优化电化学循环水除垢中的阴极失活问题提供一些思路。

关键词：循环水；除垢；电化学

引言：根据水利部公布的2023年《中国水资源公报》信息可知，全国用水总量5906.5亿m³，其中工业用水970.2亿m³，占总用量16.4%。这个数据相较于2019年的1237亿m³，占总用量21%，有明显下降。工业循环冷却水是工业用水的大头，提高工业循环冷却水利用率、提高循环次数，可以有效改善工业用水浪费严重的情况，进一步降低工业用水的总量和比例。影响工业循环冷却水利用次数的主要原因是，循环水中杂质较多，较高的硬度和碱度导致循环水浓缩倍数低，还会在交换器表面结垢，威胁设备安全。

1 循环水常用除垢工艺

常见的循环水除垢工艺主要有加药、超声波、电磁、电化学等几个大类。加药主要加的是阻垢剂，阻垢剂中存在特性吸附分子，可以将容易结垢的碳酸根、磷酸根、硝酸根离子吸附结合，提高这些离子在循环水中的溶解度，实现降低结垢量的效果。应用超声波设备发出频率在20~120kHz的超声波，可以剥落循环水管道和设备上已经形成的污垢，减少污垢在管道、设备上的堆积，降低污垢对循环水系统的影响。碳酸根、磷酸根、硝酸根离子与水分子的结合形成污垢，应用电磁法可使离子和水分子的结合体被洛伦兹力影响，出现氢键断裂的情况，使碳酸根、磷酸根、硝酸根离子无法在循环水系统中以污垢形态沉积在管道和设备上。电化学法是通过外加电源的方式来对循环水进行电解，促使水体分解出氢气和氢氧根离子，一方面提升阴极位置的pH值，促使结垢离子因为溶解度降低在阴极析出，促使结垢离子与氢氧根结合，直接在阴极上生成沉淀；另一方面阳极周围生成的O3/H2O2/CLO-都有强氧化性，可以通过氧化还原反应阻止结垢，还能够对循环水进行杀菌。在循环水除垢工艺中，电化学工艺的优势比较显著，无需额外添加药物，绿色无污染；无需动用成本较高的超声波和电磁设备，应用成本较低；且能够在除垢的同时对循环水体进行杀菌，还可自动化应用，属于对环境、对工业生产企业都很友好的除垢工艺。

2 电化学除垢工艺的研究和应用

2.1 电化学除垢工艺的问题

电化学除垢工艺的应用过程中，需要根据循环水体的硬度、碱度使用不同的阴阳极材料，很多研究工作都是在静态的、固定不变的循环水体中进行，实现了较高的除垢效率。但实际上，工业循环水系统不断运行状态下，导致循环水体的硬度、碱度会在慢慢发生变化，电化学极板面对的工作环境与实验室仿真模拟环境并不相同。当前工业循环水使用的复合型板状电极虽然有较好的除垢效果，但存在阴极沉垢不均匀的现象，导致后续从阴极上剥落时有一定难度。而且，工业生产中会搭配使用多种除垢工艺，或循环水系统先使用了阻垢剂，后引入电化学除垢工艺，其中阻垢剂的存在对电化学除垢效果存在一定的影响。

2.2 电化学除垢工艺的优化研究和应用

在工业生产中，电化学极板除垢时难以避免接触含有阻垢剂的循环水体，如何提升此种情况下的电化学除垢工艺应用效果，成为研究的热点。磷酸是一种价格低廉的阻垢剂，常被用于工业循环水除垢。鲁宁宁在2022年的研究中进行了磷酸浓度对电化学除垢工艺效果的影响实验，在磷酸二氢根浓度0 1.5 3.0 4.5 6.0mg/L，硬度350mg/L，碱度320mg/L的水体中进行电化学除垢，探究对电化学除垢的影响。实验结果显示，随着磷酸二氢根浓度的上升，电离作用对硬度、碱度的去除率相应下降，最大下降幅度达到20%。原因在于磷酸二氢根作为一种二元酸根离子，电离常数低、很难发生电离，但却可以与溶液中的氢氧根离子发生反应，与钙离子一同在阴极表面生成白色沉淀，降低了阴极表面的反应活性，阻碍电化学除垢。

针对此种情况，目前工业企业在循环水除垢工艺的应用上进行了多方面的探究：

2.2.1 复合网状阴极电化学除垢

用复合型网状阴极代替板式阴极进行电化学除垢，可以有效提升阴极与水体的接触面积，提高阴极表面的反应效率，降低阻垢剂的存在对电化学除垢的干扰程度。而且，复合型网状阴极上附着的垢层较传统板状阴极更加松散，容易从阴极上剥落，有利于电化学设备重复投入利用，提高循环水体的除垢效果，降低除垢成本。

2.2.2 电化学-微滤耦合除垢

电化学阴极既是电离主要发生地，也是水垢沉积重点区域，会因为水垢沉积而出现活性下降的情况。Zaslavschi等研究人员提出采用阳离子交换膜隔离阴阳极的方式，在阴极外构建外置的结晶室，使水体中的硬度、碱度离子可以在结晶室内结晶，从而降低电化学阴极水垢沉积情况，保持阴极的活跃度，提高循环水体中的硬度、碱度去除效率。但这种方式中所用的离子交换膜容易被污染，外置结晶室体积大、成本高，工业应用的难度大。有学者在Zaslavschi等研究基础上提出将涂覆有催化剂的钛滤膜构建结晶室，一方面利用滤膜的微滤功能分离水垢与水体，降低水垢在阴极上的沉积，另一方面借助钛滤膜阴极电解产生局部高碱性的环境，提高硬度离子的结晶率，提高硬度除垢效果。还可以通过间歇倒极的方式，让钛滤膜暂时发挥阳极作用，剥落钛滤膜表面的水垢，完成膜清洗，延长电化学-微滤耦合体的使用寿命，降低成本和能耗。

2.2.3 三维阴极电化学除垢

针对电化学阴极因为垢层附着导致活性降低的问题，黄亚鹏在2022年的研究中提出改变阴极三维形态提高活性、降低能耗的方法。研究中指出可用锯齿长度20mm、角度60°的阴极代替传统阴极，利用尖端效应加大局部碱度、硬度水垢的沉积速率，从而使阴极表面实现不断更新来保持活性。且锯齿形也增加了阴极与水体的接触面积，有助于提高电化学的除垢效率。关于阴极垢层剥落的问题，提出搭配高速搅拌机旋转剥落的方法，不仅可以顺利实现对锯齿形阴极垢层的剥落，还可以预沉氢氧化镁，辅助提高电化学除垢效率。

结语：电化学是当前工业生产中常用的循环水除垢工艺，具有绿色、环保、效率高等优势，也存在容易受到阻垢剂影响、容易阴极失活的问题。本文阐述了复合网状阴极、电化学-微滤耦合、三维阴极的电化学除垢研究及应用成果，希望可以为工业循环水利用率的提升提供一些思路。

参考文献：

[1]荣光辉,毛振兴,刘保录,等. 循环水电化学除垢研究进展 [J]. 化工机械, 2023, 50 (04): 448-455.

[2]刘延财,王奋中,曹国玉,等. 循环水电化学除垢技术在化工企业的研究与应用 [J]. 中国氯碱, 2021, (04): 20-23.