CN102491456A

CN102491456A - 冷却循环水电化学除垢、缓蚀、杀菌灭藻方法及装置

Info

Publication number: CN102491456A
Application number: CN2011104139202A
Authority: CN
Inventors: 王海峰; 王芹; 唐道文; 廖曼妮
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-12-13
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2012-06-13

Abstract

本发明公开一种冷却循环水电化学除垢、缓蚀、杀菌灭藻方法及装置，属于水处理及节能减排领域，装置电化学反应室（8）内设置有一组或多组阴极板（11）及阳极板（12），在加载直流电时，阴阳极板界面发生电化学反应，水中的Ca²⁺、Mg²⁺、Fe²⁺、其他金属离子、硅酸盐、磷酸盐类等物质在阴极板（11）上沉积形成疏松的针状纹石类矿物结晶；阳极板（12）产生活性氧、自由氢氧基、O₃等，灭活水中的菌藻，且经处理后的水与循环水混合后仍保持一定的菌藻灭活及抑制作用。该装置设置渣斗（15），当阴阳极极性互换时，水垢剥离并下沉至渣斗（15），通过排渣管（13）排除。装置安装于循环水旁路时，会在循环系统管壁及器璧形成一层致密的Fe₃O₄薄膜，阻碍腐蚀进程。

Description

冷却循环水电化学除垢、缓蚀、杀菌灭藻方法及装置

技术领域

本发明涉及水处理技术及节能减排领域，特别是一种冷却循环水电化学除垢、缓蚀、杀菌灭藻方法及装置。

背景技术

冷却循环水一般采用化学法处理，即向循环水中加入阻垢剂、缓蚀剂、杀菌灭藻剂，但阻垢剂、缓蚀剂并不能降低水中Ca、Mg离子浓度，不可避免水垢的形成，一旦水垢在冷却循环水系统管壁及器璧析出，不仅极大地降低冷却设施换热效率，还将导致垢下腐蚀的发生，且循环水外排时将对环境造成污染；杀菌灭藻剂对管道及热交换设备存在腐蚀。

其他如超声波法、电子除垢法等，只能改变水垢的结晶形态，不能降低水质硬度，阻垢作用有限，且无杀菌灭藻作用。现有的冷却水电化学处理技术如牺牲阳极保护法、电解法等仅限于除垢、缓蚀、杀菌灭藻中的某一功能，且多使用高压直流电或交流电处理，能耗大，运行成本高。目前冷却循环水处理尚无低耗并可同时可实现除垢、缓蚀、杀菌灭藻功能的方法及装置。

发明内容

本发明提供一种冷却循环水电化学法同时实现除垢、缓蚀、杀菌灭藻，并分离排出水垢的方法及装置。

本发明的构成

一种冷却循环水电化学除垢、缓蚀、杀菌灭藻方法及装置，处理装置电化学反应室8内的阴阳极板或极网在加载直流电的状况下，极板或极网界面发生电化学反应，水中的Ca²⁺、Mg²⁺、Fe²⁺、硅酸盐、磷酸盐、其他金属离子物质在阴极板上沉积形成疏松的针状纹石类矿物结晶；阳极板上产生活性氧、自由氢氧基、O₃，灭活水中的菌藻，且经处理后的水与循环水混合后仍保持一定的菌藻灭活及抑制作用；同时，由于管壁及器璧结垢受到抑制，极大地减小了垢下腐蚀的发生几率，溶解于水中的Fe²⁺离子在反应器内发生一系列反应生成Fe₂O₃·nH₂O，即铁锈。Fe₂O₃·nH₂O部分在阴极板以水垢形式析出，部分在循环水系统管壁及器璧最终形成较为致密的Fe₃O₄薄膜，阻止腐蚀的进一步发生。

使用直流电加载于电极，在电流≤20A及电压≤300V条件下对进入反应装置内的水进行电化学处理。

阴极板采用钛基金属板或钛基金属网板，阳极板使用钛基金属涂布贵金属或贵金属氧化物，可降低析氧电位。

在改变装置外形的情况下，可使用板状电极、网板状电极、筒状电极、环状电极或圆形柱状电极。

装置正常处理一定时间后，极板表面将沉积大量水垢，可通过短时间交换阴阳极极性实现水垢的剥离，剥离下的水垢沉积于装置底部的渣斗中，通过排渣管排出。

装置可安装于循环水旁路进行处理，也可以自循环水池中通过提升设备抽入装置内进行处理。

基于权利要求1所制作的装置可不设置反应室而直接将阴阳极插入循环水池内进行处理。

当水中有Cl^－存在时，通过电化学反应可产生ClO₂、Cl₂、HClO、ClO^－等物质，对水中的菌藻具有灭活作用。

与现有技术比较，本方法使用高频脉冲直流电加载置于水中的一定间距的一组或多组阴阳极板上，阴极板为钛基金属极板（或极网），阳极板为钛基金属涂布贵金属或钛基金属涂布贵金属氧化物涂层极板（或极网）。

在电流作用下，水中物质在阴阳极极板（或极网）界面分别发生电化学反应，水中Ca²⁺、Mg²⁺、硅酸盐、磷酸盐、其他金属离子等在阴极板（或极网）界面区域反应生成CaCO₃、MgCO₃、Ca₂SiO₄、Ca(OH)₂、Mg(OH)₂等难溶物质，并以水垢形式在极板表面结晶析出，极大地降低处理出水硬度，从而起到对冷却循环水系统除垢的作用。在高频脉冲直流电的作用下，CaCO₃及MgCO₃等水垢主要成分在阴极板表面的结晶形式由方解石型转变为较为疏松的纹石型针状结晶，便于剥离去除。少量随水流带走的细微纹石型水垢在冷却循环水系统中将成为晶核，促使冷却循环水系统管道、交换器璧等易结垢部位的水垢转化至水中悬浮的纹石晶核上絮状析出，并随水流带走，从而防止水垢在冷却循环水系统管道、器璧的生成，并提高设备换热效率。以上两种方式可强化本装置对冷却水循环系统的除垢效果。本发明也支持普通直流电的应用，但电化学处理效率将低于高频脉冲直流电，电耗也将升高。

由于管壁及器璧结垢受到抑制，极大地减小了垢下腐蚀的发生几率。溶解于水中的Fe²⁺离子在反应器内发生一系列反应生成Fe₂O₃·nH₂O，即铁锈。Fe₂O₃·nH₂O部分在阴极板析出，形成水垢，部分在循环水系统管壁及器璧最终形成较为致密的Fe₃O₄薄膜，阻止腐蚀的进一步发生。

不仅如此，由于管壁及器璧结垢减少，将极大提高热交换器换热效率，同时节约循环水泵能量消耗。

带负电的微生物在电场作用下向阳极迁移，造成生物放电而被灭活，该电场具有广谱杀菌作用。不仅如此，在具有钛基金属涂布贵金属或钛基金属涂布贵金属氧化物涂层阳极的催化作用下，可使析氧电位下降，在电化学反应过程中产生初生态活性氧[O]、OH自由基及少量H₂O₂、O₃等，当水中存在氯离子时，反应还将生成少量ClO₂、HClO、ClO^－等物质，这些物质具有较强的杀菌灭藻作用，使本装置处理后出水与循环水混合后仍具有较强的杀菌灭藻及抑制菌藻生存的作用。

以上反应均在同一反应装置内完成，即在同一装置的作用下实现冷却循环水的电化学除垢、缓蚀、杀菌灭藻。

需处理的水自进水管进入反应室，阴阳两极接通高频直流电源，在电流作用下，水中Ca²⁺、Mg²⁺、硅酸盐、磷酸盐类及冷却系统腐蚀产生的Fe离子及其他金属离子以沉淀形式在阴极沉积并形成疏松水垢，降低出水的硬度，防止循环水系统水垢生成，水中部分Fe²⁺离子最终将形成Fe₃O₄膜，减缓腐蚀，对循环水管路及器璧形成保护；阳极吸附带负电的微生物并利用电场进行灭活，涂布贵金属或贵金属氧化物的阳极产生活性氧、氢氧自由基及O₃，对细菌及藻具有较强的杀灭作用，由于处理后的水中存在活性氧、氢氧自由基及O₃，装置出水与冷却循环系统内水混合后仍可保持较强的杀菌灭藻及抑制作用。

本装置采用高频脉冲直流电源，水垢在阴极形成时较为疏松，便于去除。当反应装置连续处理一定时间后，水垢将在阴极富集并达到一定厚度，控制系统根据设定参数切换反应装置阴阳极极性，水垢逐渐软化脱落，并下沉至反应室底部，通过排渣管定时排除。水垢排除后切换至正常处理程序继续处理。

附图说明

图1是本发明结构示意图，图2是图1的左视图，图3是本发明系统图。

图中1.进水阀， 2.进水管， 3.进水电导仪， 4.布水器，5.出水管，6.出水电导仪，7.出水阀，8.电化学反应室，9.阴极接线柱，10.阳极接线柱，11.阴极板，12 ——阳极板，13.排渣管，14.排渣阀， 15.渣斗，16.高频直流电源，17.控制系统，18.设备支架。

具体实施方式

如图1-3所示，设备电化学反应室8为玻璃钢或PE材质，反应室底部设有渣斗15，便于水垢集中沉积，渣斗底部外接排渣管13及排渣阀14，便于水垢排除。

进水阀1、进水管2设置于设备电化学反应室8底部，与反应室8底部安装的布水器4相连，布水器4的主要作用是将待处理水均匀分配到电化学反应室断面，防止贯穿沟流影响处理效果。出水管5及出水阀7设置于反应室上部，与进水管2相对。

电化学反应室8内安置一组或并联安置多组极板，其中阳极板12为钛金属涂布贵金属或钛金属涂布贵金属氧化物涂层，可降低析氧电位，使析氧电位＜0.2V，以促进活化氧及O₃生成。阴极板11为钛极板。阴极及阳极可使用极板或极网。

进水管2及出水管5上分别安置进水电导仪3及出水电导仪6探头，用于检测进出水电导率。

电化学反应室8上部设置有盖板，与反应室箱体之间使用密封圈密封，使电化学反应室8处于密闭状态。

阴极接线柱9及阳极接线柱10穿过反应室盖板于反应室内分别与阴极板11及阳极板12相连，接线柱于反应室外通过电缆线与高频直流电源16相连，阴阳极接线柱与反应室盖板通过密封圈密封。

控制系统17与高频直流电源16同置于控制柜中，通过已设置处理程序的PLC芯片对系统进行控制，控制系统接收进水电导仪3及出水电导仪6的信号，通过运算自动改变设备运行的电化学参数。

本冷却循环水电化学处理装置可安装于冷却循环水系统旁路中，也可通过水泵等提升设备自循环水池提升至本装置内处理。

本冷却循环水电化学处理装置运行时，水通过进水管2进入反应室，自出水管5排出反应室，在反应室的阴极板11及阳极板12上发生一系列电化学反应，以实现冷却循环水系统的除垢、缓蚀、杀菌灭藻。当装置运行一定时间后，系统自动交换阴阳极极性，短时间内即可实现水垢的剥离。本方法的反应原理如下：

（1）除垢原理

电化学反应过程中，在电流的作用下，阴极发生如下反应：

2H₂O＋2e^－—→2OH^－＋H₂↑

随着反应的进行，OH^－在阴极板表面浓度逐渐升高，阴极板界面区域pH值上升，水中溶解的CO₂在极板界面区域与发生如下反应：

CO₂＋OH^－—→HCO₃ ^2－

HCO₃ ^2－＋OH^－—→CO₃ ^2－＋H₂O

水中Ca²⁺、Mg²⁺、硅酸盐、磷酸盐等与上述物质在阴极板界面区域反应生成CaCO₃、MgCO₃、Ca₂SiO₄、Ca(OH)₂、Mg(OH)₂等物质，并以水垢形式在极板表面结晶析出，极大地降低处理出水硬度，从而起到对冷却循环水系统除垢的作用。部分反应如下：

Ca²⁺＋CO₃ ^2－—→CaCO₃↓

Mg²⁺＋CO₃ ^2－—→MgCO₃↓

Ca²⁺＋2OH^－—→Ca(OH)₂↓

Mg²⁺＋2OH^－—→Mg(OH)₂↓

2Ca²⁺＋SiO₄＋H₂O—→Ca₂ SiO₄·H₂O

CaCO₃及MgCO₃结晶通常为排列整齐、结构致密、质地坚硬的方解石型结晶，难以去除。本装置运用高频脉冲直流电源，促使CaCO₃及MgCO₃在阴极板表面的结晶形式转变为较为疏松的纹石型针状结晶，便于剥离去除。少量随水流带走的细微纹石型水垢在冷却循环水系统中将成为晶核，促使冷却循环水系统管道、交换器璧等易结垢部位的水垢转化至水中悬浮的纹石晶核上絮状析出，并随水流带走，从而防止水垢在冷却循环水系统管道、器璧的生成，并提高设备换热效率。以上两种方式可强化本装置对冷却水循环系统的除垢效果。

（2）除锈缓蚀原理

由于管壁及器璧结垢受到抑制，极大地减小了垢下腐蚀的发生几率。溶解于水中的Fe²⁺离子在反应器内发生一系列反应生成Fe₂O₃·nH₂O，即铁锈。Fe₂O₃·nH₂O部分在阴极板析出，形成水垢，部分在循环水系统管壁及器璧最终形成较为致密的Fe₃O₄薄膜，阻止腐蚀的进一步发生。反应如下：

Fe²⁺－e^－—→Fe³⁺

Fe³⁺＋3OH^－—→Fe(OH)₃↓

Fe(OH)₃—→Fe₂O₃·3 H₂O

3Fe₂O₃·nH₂O＋2e—→2Fe₃O₄＋O＋3nH₂O

（3）杀菌灭藻原理

在反应室内的电化学反应过程中，电极与水之间存在电场作用，带负电的微生物在电场作用下向阳极迁移，造成生物放电而被灭活，该电场具有广谱杀菌作用。不仅如此，在具有钛基金属涂布贵金属或钛基金属涂布贵金属氧化物涂层阳极的催化作用下，可使析氧电位＜0.2V，在电化学反应过程中产生初生态活性氧[O]、OH自由基及少量H₂O₂、O₃等，当水中存在氯离子时，反应还将生成少量ClO₂、HClO、ClO^－等物质，这些物质具有较强的杀菌灭藻作用，使本装置处理后出水与循环水混合后仍具有较强的杀菌灭藻及抑制菌藻生存的作用。主要反应如下：

H₂O－2e^－—→O⁰＋2H⁺

H₂O—→HO＋H⁺＋e^－

4OH^－－4e^－—→O₂↑＋2 H₂O

O₂＋4HO－2e^－—→O₃↑＋H₂O

3H₂O—→O₃↑＋6H⁺＋6e^－

2H₂O－2e^－—→H₂O₂↑＋2H⁺

实例1

某化工厂企业冷却水开路循环系统，循环水池容积2850m³，采用本装置2台进行处理，处理量1.0 m³/h.台，水自循环水池通过水泵提升进入设备，经处理后排入循环水池内，连续运行50d，循环水池内水质参数如表1所示。

Figure 2011104139202100002DEST_PATH_IMAGE001

实例2

某企业水环真空泵冷却水循环系统，安装本装置运行60天后，对排出的水垢进行分析，成分如表2所示。

Claims

1.一种冷却循环水电化学除垢、缓蚀、杀菌灭藻方法及装置，其特征在于处理装置电化学反应室（8）内的阴阳极板或极网在加载直流电的状况下，极板或极网界面发生电化学反应，水中的Ca²⁺、Mg²⁺、Fe²⁺、硅酸盐、磷酸盐、其他金属离子物质在阴极板（11）上沉积形成疏松的针状纹石类矿物结晶；阳极板（12）上产生活性氧、自由氢氧基、O₃，灭活水中的菌藻，且经处理后的水与循环水混合后仍保持一定的菌藻灭活及抑制作用；同时，由于管壁及器璧结垢受到抑制，极大地减小了垢下腐蚀的发生几率，溶解于水中的Fe²⁺离子在反应器内发生一系列反应生成Fe₂O₃·nH₂O，即铁锈，Fe₂O₃·nH₂O部分在阴极板以水垢形式析出，部分在循环水系统管壁及器璧最终形成较为致密的Fe₃O₄薄膜，阻止腐蚀的进一步发生。

2.根据权利要求1所述的冷却循环水电化学除垢、缓蚀、杀菌灭藻方法及装置，其特征在于使用直流电加载于电极，在电流≤20A及电压≤300V条件下对进入反应装置内的水进行电化学处理。

3.根据权利要求1所述的冷却循环水电化学除垢、缓蚀、杀菌灭藻方法及装置，其特征在于阴极板采用钛基金属板或钛基金属网板，阳极板使用钛基金属涂布贵金属或贵金属氧化物，可降低析氧电位。

4.根据权利要求1或2或3所述的冷却循环水电化学除垢、缓蚀、杀菌灭藻方法及装置，其特征在于在改变装置外形的情况下，可使用板状电极、网板状电极、筒状电极、环状电极或圆形柱状电极。

5.根据权利要求1或2或3所述的冷却循环水电化学除垢、缓蚀、杀菌灭藻方法及装置，其特征在于装置正常处理一定时间后，极板表面将沉积大量水垢，可通过短时间交换阴阳极极性实现水垢的剥离，剥离下的水垢沉积于装置底部的渣斗中，通过排渣管排出。

6.根据权利要求1或2或3所述的冷却循环水电化学除垢、缓蚀、杀菌灭藻方法及装置，其特征在于装置可安装于循环水旁路进行处理，也可以自循环水池中通过提升设备抽入装置内进行处理。

7.根据权利要求1或2或3所述的冷却循环水电化学除垢、缓蚀、杀菌灭藻方法及装置，其特征在于基于权利要求1所制作的装置可不设置反应室而直接将阴阳极插入循环水池内进行处理。

8.根据权利要求1或2或3所述的冷却循环水电化学除垢、缓蚀、杀菌灭藻方法及装置，其特征在于当水中有Cl^－存在时，通过电化学反应可产生ClO₂、Cl₂、HClO、ClO^－物质，对水中的菌藻有灭活作用。