CN104261573B - 一种电化学水垢去除装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种电化学水垢去除装置，包括用于电化学水处理的水垢晶核生成单元；所述水垢晶核生成单元包括槽体；所述槽体的底部设有进水口和排污口；所述槽体的顶端设有出水口；设置于所述槽体的内部的旋转阴极；设置于所述槽体的内部的阳极。在本申请中，在旋转阴极附近，水溶液电解产生OH-，在旋转阴极附近界面层获得pH值高达14的碱性溶液，旋转电极将电化学过程中旋转阴极表面上和界面层中形成的水垢晶核扩散到溶液中，大量的晶核为溶液中的结垢离子提供了超大的晶体生长表面和晶体活性生长点；由于大量微小晶核的表面积比旋转阴极表面积大很多倍，结垢离子结晶析出的机率大大增加，除垢效率也就增加。
Description
技术领域
本发明属于水垢去除装置领域，尤其涉及一种电化学水垢去除装置。
背景技术
电化学技术作为一种清洁的水垢控制技术，在冷却循环水处理方面，已经经过了多年的实际应用。电化学去除水垢有多种优势：环境友好，不会带来环境污染；不需要处置和投加化学品；可以实现自动化和更便利的工艺控制。而主要困难是大部分水垢沉积在阴极表面，导致电阻升高和电流效率下降。
目前，采用的几种水垢处理方法包括极性倒置和超声清洗。如申请号为200620032114.5的中国专利文献公开了一种倒极运行的电化学反应器，该电化学反应器在电化学水处理过程中，阴极水垢会不断增厚，其借助倒极使阴极水垢脱落，但是频繁倒极除垢，将使电解装置的阳极丧失催化活性，导致电极产生很高的超电势，电流效率下降，进而降低除垢能力。又如公开号为CN101585569A的中国专利文献公开了循环水电解除垢装置和除垢方法，该装置采用超声波进行自动除垢清洗，当水垢的厚度增加时，测试电极与反应室形成的回路上的电阻增加，当该电阻值达到设定值时，自动进入清洗除垢过程；而产生的水垢则排出反应室，进入分离装置将水垢进行沉淀分离。上述阴极水垢均是沉积到一定厚度再清洗，这会使电阻上升、增加能耗，降低了除垢能力。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电化学水垢去除装置，本发明提供的电化学水垢去除装置具有较高的电化学水垢去除能力。
本申请提供了一种电化学水垢去除装置，包括用于电化学水处理的水垢晶核生成单元；
所述水垢晶核生成单元包括槽体；
所述槽体的底部设有进水口和排污口；
所述槽体的顶端设有出水口；
设置于所述槽体的内部的旋转阴极；
设置于所述槽体的内部的阳极。
优选的，所述旋转阴极为碳钢旋转阴极、不锈钢旋转阴极、钛旋转阴极、钛合金旋转阴极或铝合金旋转阴极。
优选的，所述旋转阴极为筒状。
优选的，所述旋转阴极为筒状，所述阳极布置在旋转阴极的筒状腔室之内。
优选的，所述槽体的内部还包括阴极刮刀；
所述槽体的上下两端均为端板，上端板设有卡槽；
所述阴极刮刀单独固定在所述槽体的上端板的卡槽上。
优选的，所述槽体的内部还包括隔膜；
所述隔膜设置在阳极和旋转阴极之间，将槽体相应分为阳极室和阴极室。
优选的，所述隔膜为阳离子膜。
优选的，所述水垢晶核生成单元还包括辅助电极；
所述辅助电极位于阴极室内。
优选的，所述辅助电极为网状形稳性电极。
优选的，所述阳极为网状形稳性电极或圆柱状形稳性电极。
本申请提供了一种电化学水垢去除装置，包括用于电化学水处理的水垢晶核生成单元；所述水垢晶核生成单元包括槽体；所述槽体的底部设有进水口和排污口；所述槽体的顶端设有出水口；设置于所述槽体的内部的旋转阴极；设置于所述槽体的内部的阳极。在本申请提供的电化学水垢去除装置中，将待处理的水从槽体底部进水口进入水垢晶核生成单元，进行电化学处理，在阳极附近，水电解产生氧气和氧自由基，与水及水中的溶解氧生成双氧水和臭氧；氯离子在阳极附近被氧化生成氯气，氯气进一步与水结合生成次氯酸和盐酸；在旋转阴极附近，水溶液电解产生OH-，在旋转阴极附近界面层获得强碱性溶液，旋转电极将电化学过程中旋转阴极表面上和界面层中形成的水垢晶核扩散到溶液中，含有大量水垢晶核的溶液从槽体顶端的出水口排出槽体；水垢晶核生成单元中生成的污垢则由槽体底端的排污口排出。本申请提供的电化学水垢去除装置中的旋转阴极强化了传质过程，旋转阴极附近产生高浓度的OH-，pH值达到9.5以上，此碱性环境中的结垢离子过饱和度很高，过饱和的结垢离子快速形成晶核，大部分晶核在旋转阴极与刮刀的相对运动中扩散到水溶液中，大量的晶核为溶液中的结垢离子提供了超大的晶体生长表面和晶体活性生长点；由于大量微小晶核的表面积比旋转阴极面积大很多倍，结垢离子结晶析出的机率大大增加，除垢效率也就增加。
进一步的，本申请提供的电化学水垢去除装置还包括隔膜，隔膜将电解液隔离开为阴极液和阳极液，电流效率提高，阴极氢氧根的生成速率与电流效率程正比，单个电化学单元的除垢能力提高到原来的10倍以上。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的电化学水垢晶核生成单元的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的电化学水垢晶核生成单元的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的隔膜、辅助电极和塑料网的分解结构示意图；
图4为本发明实施例提供的隔膜、辅助电极和塑料网的组装结构示意图；
图5为本发明实施例提供的阴极刮刀的安装位置的分解示意图；
图6为本发明实施例提供的阴极刮刀的安装位置的组装示意图；
图7为本申请实施例提供的电化学水垢去除装置示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参考图1～图6，图1中，1为槽体，2为旋转阴极，3为阳极，4为辅助电极，5为阴极刮刀，6为驱动电机，7为阳极接线柱，8为铜环，9为辅助电极接线柱，10为进水口，11为阴极液出口，12为阳极液出口，13为碳刷，14为排污口，15为阳极室入口，16为刮刀固定耳，17为阴极室，18为阳极室，19为连接轴，20为隔膜，21为塑料网。
本申请提供的水垢去除装置包括水垢晶核生成单元，所述水垢晶核生成单元包括槽体1。电化学水垢的晶核生成在槽体1中进行。在本申请的实施例中，所述槽体1可以为圆柱状，也可以为方形；所述槽体1的上端和下端优选均为端板；上端板设有卡槽。
在本申请中，所述槽体1的底部设有进水口10，待处理水由进水口10进入槽体1中，进行电化学处理。在本申请中，所述待处理水的硬度为150mg/L(以CaCO3计)以上；所述待处理水中的离子包括Ca2+、Mg2+、Fe3+、HCO3 -、HSiO3 -、CO3 2-、SO4 2-、Cl-；所述待处理水的温度优选为10℃～50℃，更优选为15℃～40℃。
在本申请中，所述水垢晶核生成单元包括设置于所述槽体1内部的阳极3。在本申请的实施例中，所述槽体1内设置至少一只阳极3；所述旋转阴极2为筒状时，所述阳极3布置在旋转阴极2腔室之内，如图1所示，图1为本发明实施例提供的电化学水垢晶核生成单元的结构示意图；或当旋转阴极2是圆柱状时，旋转阴极2被至少一只阳极3环绕，如图2所示，图2为本发明实施例提供的电化学水垢晶核生成单元的结构示意图。在阳极附近，水电解产生氧气和氧自由基，与水及水中的溶解氧生成双氧水和臭氧，维持槽体内部较强的消毒环境，同时部分氯离子被氧化成氯气，从而形成次氯酸根(ClO-)，次氯酸根具有持续的抑制细菌滋生能力。在本申请的实施例中，本申请采用的阳极可以为网状形稳性电极或圆柱状形稳性电极(DSA)，在200A/m2以上的电流的密度条件下，使用寿命在5年以上。
在本申请中，所述水垢晶核生成单元包括设置于所述槽体1内部的旋转阴极2。在本申请中，所述旋转阴极2的下端通过支架与所述槽体的下端板上的连接轴19相连，上端悬空；所述旋转阴极2优选以30rpm～1500rpm的角速度连续旋转；所述旋转阴极2优选为圆柱状；所述旋转阴极2为碳钢旋转阴极、不锈钢旋转阴极、钛旋转阴极、钛合金旋转阴极或铝合金旋转阴极。在旋转阴极附近，水溶液电解产生OH-，在旋转阴极附近界面层获得pH值9.5以上的强碱性溶液，碳酸钙和氢氧化镁在界面层处于过饱和状态，碳酸钙和氢氧化镁在旋转阴极表面和界面层中快速结晶，部分水垢在旋转阴极表面结晶析出。旋转阴极强化了传质过程，旋转阴极附近产生高浓度的OH-，此碱性环境中的结垢离子过饱和度很高，过饱和的结垢离子快速形成晶核，大部分晶核在旋转阴极与刮刀的相对运动中扩散到阴极室的水溶液中，大量的晶核为溶液中的结垢离子提供了超大的晶体生长表面和晶体活性生长点；由于大量微小晶核的表面积比旋转阴极面积大很多倍，结垢离子结晶析出的机率大大增加，除垢效率也就增加。
在本申请中，所述旋转阴极2的旋转本领域技术人员优选通过驱动装置或齿轮带动等方式实现；所述驱动装置包括连接轴19和驱动电机6；所述连接轴位于槽体1的底部；所述驱动电机位于槽体1的下方；所述旋转阴极2通过连接轴与驱动电机6相连，连接轴同时作为旋转阴极的导线，连接轴上的固定铜环8通过碳刷13直接连接到直流电源的负极。直流电源的正极与阳极接线柱7和辅助电极接线柱9连接。
在本申请中，所述槽体1的顶端设有出水口，待水电化学处理完毕后，将处理后的水从出水口排出。所述槽体1的底部设有排污口14，由其排出水垢。
在电化学过程中，电解电流优选为7A～100A；更优选为10A～50A。
本申请提供了一种电化学水垢去除装置，包括用于电化学水处理的水垢晶核生成单元；所述水垢晶核生成单元包括槽体；所述槽体的底部设有进水口和排污口；所述槽体的顶端设有出水口；设置于所述槽体的内部的旋转阴极；设置于所述槽体的内部的阳极。在本申请提供的电化学水垢去除装置中的旋转阴极附近产生OH-，形成强碱性环境，将电化学过程中旋转阴极表面上和界面层中形成的水垢晶核扩散到电解液中，晶核生成是电化学除垢的控制步骤，本申请提供的水垢晶核生成单元通过旋转阴极的旋转能够提高晶核生成的效率，大量的晶核为阴极液中的结垢离子提供了超大的晶体生长表面和晶体活性生长点；由于大量微小晶核的表面积比阴极表面积大很多倍，结垢离子结晶析出的机率大大增加，除垢效率也就增加。
在本申请中，所述水垢晶核生成单元优选还包括隔膜20，所述隔膜设置在阳极3和旋转阴极2之间，将槽体1相应分为阳极室18和阴极室17。在本申请中，阳极3位于阳极室中，旋转阴极2位于阴极室中。在本申请中，所述隔膜20优选为阳离子膜；在本申请的实施例中，所述阳离子膜可以具体为全氟阳离子膜，例如杜邦公司的Nafion系列的N966。在本申请的某些实施例中，所述隔膜20可以单独固定，也可以与阳极3一起固定。
在本申请中，所述水垢晶核生成单元优选还包括辅助电极4，所述辅助电极4位于阴极室中。在本申请的某些实施例中，所述水垢晶核生成单元优选还包括塑料网21，在本申请的某些实施例中，所述塑料网21设为袋状结构，隔膜20置于膜袋中，保护隔膜不被刺破等损坏；在本申请中，所述隔膜20、辅助电极4和塑料网21的分解示意图如图3所示，辅助电极4在隔膜20的阴极室一侧；将辅助电极4、隔膜20和塑料网21组装在一起，如图4所示，图4为本发明提供的实施例中隔膜20、辅助电极4和塑料网21的组装示意图。
在本申请中，所述水垢晶核生成单元优选还包括阴极刮刀5，所述阴极刮刀5可以直接固定在槽体1的上端板的卡槽上，如图2所示。在本申请中，水垢晶核生成单元优选还包括辅助电极4，所述辅助电极位于旋转阴极2和阳极3之间；所述辅助电极4优选为网状形稳性辅助电极；所述辅助电极4和旋转阴极2之间设置有阴极刮刀5，所述辅助电极4上设置有刮刀固定耳16，所述阴极刮刀5也可以安装在辅助电极4的刮刀固定耳16上，安装示意图如图5和图6所示，图5为本发明实施例提供的阴极刮刀的安装位置的分解示意图；图6为本发明实施例提供的阴极刮刀的安装位置的组装示意图。在本发明中，所述阴极刮刀5的材质为增强型聚合物或陶瓷；所述阴极刮刀的形状可以为长方体形状，长度可以与旋转阴极的长度一致，也可以根据处理能力需要随阴极的长度调节而调节。在本申请的实施例中，所述阴极刮刀优选为4个，4个阴极刮刀优选按照正方形排列，并优选由三个圆形支架固定为自稳定的笼状物；所述圆形支架的材质为增强型聚合物，如增强塑料；笼状物可以固定于槽体1的一端的端板上，如图1所示；也可以固定于槽体1的上下两端的端板上，如图2所示。在本发明中，所述阴极刮刀5通过弹性装置与所述旋转阴极2与表面弹性紧密接触，将旋转阴极2表面上生成的水垢刮除；所述紧密接触物理意义为接触距离越小越好，为无限接近。在本申请中，在阴极刮刀的一侧安装有弹性装置，所述弹性装置一端作用于阴极刮刀上，另一端作用于固定耳上，阴极刮刀在弹性装置的推动下可以水平移动；当阴极刮刀由于与旋转阴极之间摩擦损失时，弹性装置可以推动阴极刮刀继续保持与阴极紧密接触。在本申请实施例中，所述弹性装置可以具体为弹簧。
本申请提供的电化学水垢去除装置的辅助电极4的下方对应的槽体上设有阳极室入口15，所述阳极室入口15上设有单向设施，只允许水溶液流入阳极室18，不允许阳极液从阳极室入口15流出阳极室18。
在本申请的具体实施例中，隔膜20将槽体1相应的分为阳极室和阴极室，相应的有两个出水口，所述槽体1的顶部设有阴极液出口11和阳极液出口12，待水垢晶核生成单元中的电化学反应结束后，将阳极液从阳极液出口12排出，将阴极液从阴极液出口11排出。
在本申请中，电化学单元正常工作时，阳极3处于导通状态，辅助电极4处于断开状态；电化学单元清洗再生时，阳极3处于断开状态，辅助电极4处于导通状态，而旋转阴极2在电化学单元正常工作和清洗再生时，始终处于导通状态。
本申请提供的电化学水垢去除装置优选还包括水垢晶核生长分离单元，所述水垢晶核生长分离单元的结构如图7所示，图7为本申请实施例提供的电化学水垢去除装置示意图。在图7中，2为旋转阴极，3为阳极，17为阴极室，18为阳极室，20为隔膜，22为精密过滤器，23为清水池，24为沉渣池，25为沉渣池上清液回流泵，26为流量计，27为阴极进水储罐，28为排泥斗出口，29为泥渣，30为电解电源，31为阴极室给水泵，32为阳极进水储罐，33为阳极室给水泵，34为水力旋流分离区，35为整流区，36为斜板沉淀区，37为过滤区，38为排泥斗，39为阴极液pH值在线检测仪，40为循环水进水管道，41为阴极室进水管道，42为阴极室给水泵回流管道，43为阳极室进水管道，44为阴极液出水管道，45为阳极液出水管道，46为水力循环澄清池出水管道，47为酸碱中和池出水管道，48为过滤器出水管道，49为沉渣池上清液回流管道，50为絮凝剂投加口，51为阳极室出水管道中的阳极液，52为酸碱中和池出水pH值在线检测仪，53为自动调节阀门，54为酸碱中和池。
本申请将待处理水通过进水管道40分别进入到阴极进水储罐27和阳极进水储罐32；阴极进水储罐27的输出端与阴极室进水管道41相连，所述阴极室进水管道上设有阴极室给水泵31，阴极进水储罐27在阴极室给水泵31的作用下，通过阴极室进水管道41将待处理水输送到阴极室17，在阴极室进水管道上设置有流量计26，所述流量计26测定进水量，如果进水量过多，通过阴极室给水泵回流管道42将多余水回流到阴极进水储罐27；根据所述流量计26计量的阴极室进水量，通过计量泵向絮凝剂投加口50投加絮凝剂，所述絮凝剂包括硫酸铁(Fe2(SO4)3)、氯化铁(FeCl3)、氯化锌(ZnCl2)、聚合氯化铝(PAC)和聚丙烯酰胺(PAM)中的一种或多种；阳极进水储罐32的输出端与阳极室进水管道43相连，所述阳极室进水管道上设有阳极室给水泵33，所述阳极进水储罐32在阳极室给水泵33的作用下，通过阳极室进水管道43将待处理水输送到阳极室18；阳极3与电解电源30的正极相连，旋转阴极2与电解电源30的负极相连，启动电解电源，开始电化学反应，电化学反应过程如上述技术方案所述，在此不再赘述。
本申请提供的水垢晶核生长分离单元通过管道与上述技术方案所述的水垢晶核生成单元的出水口相连。本申请提供的水垢晶核生长分离单元包括水力旋流分离区34、整流区35、斜板沉淀区36、过滤区37和排泥斗38。
本申请提供的水垢晶核生长分离单元包括水力旋流分离区34，所述水力旋流分离区34通过阴极液出水管道44与阴极室17相连。在本申请中，从阴极室中排出的阴极液的pH值通过阴极液pH值在线检测仪39测定，将碱性的含有大量水垢晶核的阴极液由切线方向进入水力旋流分离区，晶核和阴极液中的钙离子、镁离子和碳酸氢根离子在水力旋流分离区螺旋上升，水中的结垢离子与晶核生成单元中生成的晶核之间碰撞，结垢离子在碱性条件下进一步在晶核上生长，晶体进一步长大；晶体之间相互碰撞，发生晶族团聚，长大的晶体颗粒或者絮凝的沉淀物在离心力的作用下进入排泥区，还有部分稍小的晶体颗粒上升到整流区35。
本申请提供的水垢晶核生长分离单元包括整流区35，所述整流区在水力旋流分离区的上方。在本申请中，进入整流区35中的较小的晶体颗粒则进一步生长和团聚。在整流区35中，阴极液平稳流动，然后进入斜板沉淀区36。
本申请提供的水垢晶核生长分离单元包括斜板沉淀区36，所述斜板沉淀区36在整流区35的上方。在本申请中，晶体在所述斜板沉淀区36中生长、絮凝和团聚成稍大的水垢晶体，并在重力的作用下沉淀下来。
本申请提供的水垢晶核生长分离单元包括排泥斗38，所述排泥斗38在水力旋流区34的下方。本申请对所述排泥斗没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的排泥斗即可。在本申请中，所述水垢晶核生长分离单元优选还包括泥渣池24，所述泥渣池24通过排泥斗出口28与排泥斗38相连；所述排泥斗38将泥渣和水一起排到泥渣池24中，沉积到底部的泥渣29另行处置。沉渣池中的上清液则在沉渣池上清液回流泵25的作用下，通过沉渣池上清液回流49进入到待处理水中。
本申请提供的水垢晶核生长分离单元包括过滤区37，所述过滤区37在斜板沉淀区36的上方。在本申请中，电解作用下形成的水垢晶核多为文石结晶，多为多孔的晶体团簇，比水的比重稍大，过滤区37用于拦截逃逸的水垢晶体。在本申请的实施例中，所述过滤区37可以具体为过滤网；所述过滤网可以为金属编织网，也可以为尼龙单丝网；所述过滤网的孔径可以为10μm～120μm，也可以为90μm～100μm。
在本申请中，过滤区37的输出端通过水力循环澄清池出水管道46与酸碱中和池54相连；过滤区37处理后的水通过水力循环澄清池出水管道46进入到酸碱中和池54，酸碱中和池中的pH值调节可以通过阳极液进行调节，所述酸碱中和池的pH值通过酸碱中和池出水pH值在线检测仪52测定，所述酸碱中和池出水pH值在线检测仪52设置在酸碱中和池的输出端；在阳极液出水管道45上设有调节阀53，所述调节阀53将阳极室出水管道中的阳极液51通过阳极液出水管道45的一部分用于调节pH值；所述调节阀53通过在线pH检测仪进行控制；所述酸碱中和池的出水的pH值控制在7～8之间。
在本申请中，酸碱中和池的出水通过酸碱中和池出水管道47输送到精密过滤器22中，所述精密过滤器22的出水端通过过滤器出水管道48与清水池23相连。本申请对所述精密过滤器没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的精密过滤器即可。经过精密过滤器的水直接进入到清水池23进行储存，完成水处理的全过程，备用。
在本申请中，上述技术方案中所述流量计、自动调节阀门、在线电导率仪、pH值在线检测仪等构成控制单元，所述控制单元可以调节电解电流大小、电解的启动、停止和转速，进出水阀门的启动、停止，监测水质数据，并可以根据检测的水质数据阀门和转速进行调节。
具体地，在本申请的实施例中，电化学去除水垢的过程如下：
将待处理的水从槽体1的进水口进入到槽体1中，阳极接线柱7和辅助电极接线柱9连接到电解电源的正极，旋转阴极2通过连接轴与驱动电机相连，连接轴作为阴极的导线，连接轴上固定铜环8通过碳刷13连接到直流电源的负极；槽体1中的水溶液、阳极3、旋转阴极2与电解电源的连线，形成闭合电流回路，隔膜20将槽体相应分为阴极室和阳极室，将启动电解电源，在阳极和阴极附近开始发生电化学反应；在阳极室中，水电解产生氧气和氧自由基，与水及水中的溶解氧生成双氧水和臭氧，维持反应室内部较强的消毒环境，同时将氯离子氧化成氯气，氯气与水结合生成次氯酸和盐酸；在阴极室中，在阴极附近界面层获得pH值高达14的强碱性溶液，碳酸钙和氢氧化镁在界面层中处于过饱和状态，碳酸钙和氢氧化镁在阴极表面和界面层中具备快速生成晶核的条件，通过阴极的旋转，强化传质，使阴极产生的氢氧根和已形成的晶核脱离阴极表面和界面层扩散到阴极液中，在阴极液中进一步生成晶核，已有晶核则进一步生长，随着反应的进行，获得含有大量晶核的阴极液；随后将阴极液由阴极液出口的切线方向进入晶核生长分离单元，晶核和阴极液中的结垢离子在旋流混合反应区螺旋状旋转上升，晶核进一步生长、晶核发生团聚，长大后的晶核颗粒或者絮凝的沉淀物在离心力的作用下进入排泥斗而被去除；部分水垢晶体则经过旋流混合及沉淀的阴极液在经过整流区后，进入斜管沉淀区进一步沉淀分离，最后经过过滤区，完成待处理水的除垢处理。
本发明提供的电化学水垢去除装置可以用在循环水处理，以旁流的形式安装在冷却循环水系统中，循环水系统通过冷却塔不断蒸发，循环水中的矿物质被浓缩，浓缩的程度用浓缩倍数表示，往往采用比较稳定的某种离子计算的浓缩倍数作为该循环水系统的浓缩倍数，例如钾离子、氯离子。如果另外离子计算的比值(循环水中的离子浓度与补充水中该离子浓度之比)较浓缩倍数低，说明钙离子有结晶析出，例如钙离子和碳酸氢根离子。
根据不同的补水水质和循环水系统特征，通常会控制不同的浓缩倍数，以保证循环水中的矿物质不会对循环水系统造成危害，例如结垢导致换热效率下降、氯离子浓度过高导致腐蚀等。
本发明对经过提供的电化学水垢去除装置的进出水的水质进行分析，具体过程为：
将待处理水引入电化学水垢去除装置，阴极直径为200mm，阴极长度为800mm，流量为5m3/h，电流强度为15A，水温度为20℃，每隔半个小时分别从该装置的进口和出口取样分析钙离子硬度、甲基橙碱度、镁离子硬度、氯离子浓度，共分析水样40个，平均结果如下表1，表1为本发明实施例提供的水垢去除装置进出口的水质检测平均结果。
表1为本发明实施例提供的水垢去除装置进出口的水质检测平均结果
注：总硬度、甲基橙碱度和钙硬度均以CaCO3计。
为了进一步说和明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种电化学水垢去除装置进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将两台电化学水垢去除装置以旁流的形式安装在冷却循环水系统中，循环水量为1200m3/h，采用图1所示的电化学水垢晶核生成单元装置两套，此电化学水垢晶核生成单元的总处理量为40m3/h，将温度为15～35℃的待处理水由槽体的进水口进入到槽体中，所述槽体中设有隔膜，隔膜将槽体分为阴极室和阳极室，旋转阴极位于阴极室中，旋转阴极的直径为500mm，长度为800mm，旋转阴极的旋转角速度为10rpm；阳极为阳极室中，旋转阴极、阳极、槽体中的水溶液和电解电源形成闭合电流回路；启动电解电源，电流大小为30A，在阳极和旋转阴极附近开始发生电化学反应；在阳极附近，水电解产生氧气和氧自由基，与水及水中的溶解氧生成双氧水和臭氧；在旋转阴极附近，水溶液电解产生OH-，在旋转阴极附近界面层获得强碱性溶液，旋转电极将电化学过程中旋转阴极表面上和界面层中形成的水垢晶核扩散到溶液中，含有大量水垢晶核的溶液从槽体顶端的出水口排出槽体；水垢晶核生成单元中阴极刮刀刮下的污垢则由槽体底端的排污口排出；
将含有大量晶核的阴极液通过与阴极液出水口相连的管道排出，进入水垢晶核生长分离单元；晶核和阴极液中的结垢离子在旋流混合反应区螺旋状旋转，晶核进一步生长、晶核发生团聚，长大后的晶核大部分汇集于排泥斗区中心而被去除，经过旋流混合及沉淀的阴极液在经过整流区后，进入斜管沉淀区进一步沉淀分离；经过斜管沉淀区后的水再经过孔径为90μm的过滤网拦截水垢晶体；经过过滤网后的水与上述产生的阳极液混合后调节pH值，将水输送到冷却塔水池，完成水的除垢处理；
此装置连续运行6个月，每周检测补水和循环水的水质，平均结果列于下表2，表2为本发明实施例1的水质分析结果。
表2为本发明实施例1的水质分析结果
从表2可以看出，从离子浓度比值计算结果来看，循环水的浓缩倍数以钾离子计为3.6倍；其中甲基橙碱度是投加硫酸中和的结果，还有一部分在冷却塔中吹脱，浓缩倍数不能说明电化学装置去除效率；而打开循环水系统检查换热器和管道，没有发现明显的水垢沉积，说明钙硬度和总碱度的损失为电化学水垢去除装置去除。按照浓缩倍数计算，循环水中的钙硬度以CaCO3计应该为322.5mg/L，而实际钙硬度以CaCO3计仅为139.0mg/L，累计去除效率为56.9％；镁硬度的浓缩倍数为2.4，累计去除效率为34.0％。
实施例2
将两台电化学水垢去除装置以旁流的形式安装在冷却循环水系统中，循环水量为1150m3/h，采用图2所示的电化学水垢晶核生成单元装置两套，此电化学水垢晶核生成单元的总处理量为40m3/h，将温度30℃的待处理水由槽体的进水口进入到槽体中，旋转阴极、阳极、槽体中的水溶液和电解电源形成闭合电流回路，所述旋转阴极直径为500mm，旋转阴极长度为800mm，旋转阴极的旋转角速度为30rpm；启动电解电源，电流大小为40A，在阳极和旋转阴极附近开始发生电化学反应；在阳极附近，水电解产生氧气和氧自由基，与水及水中的溶解氧生成双氧水和臭氧；在旋转阴极附近，水溶液电解产生OH-，在旋转阴极附近界面层获得强碱性溶液，旋转电极将电化学过程中旋转阴极表面上和界面层中形成的水垢晶核扩散到溶液中，含有大量水垢晶核的溶液从槽体顶端的出水口排出槽体；水垢晶核生成单元中生成的污垢则由槽体底端的排污口排出；
将含有大量晶核的阴极液通过与阴极液出水口相连的管道排出，进入水垢晶核生长分离单元；晶核和阴极液中的结垢离子在旋流混合反应区螺旋状旋转，晶核进一步生长、晶核发生团聚，长大后的晶核大部分汇集于排泥斗而被去除，经过旋流混合及沉淀的阴极液在经过整流区后，进入斜管沉淀区进一步沉淀分离；经过斜管沉淀区后的水再经过孔径为100μm的过滤网拦截水垢晶体；经过过滤网后的水与上述阳极室的水混合调节pH值，直接将水输送到冷却塔水池，完成水的除垢处理；冷却塔中pH值进一步采用投加硫酸调节达到使用要求；
此装置连续运行12个月，每周检测补水和循环水的水质，平均结果列于下表3，表3为本发明实施例2的水质分析结果。
表3为本发明实施例2的水质分析结果
从表3可以看出，从离子浓度比值计算结果来看，循环水的浓缩倍数以氯离子计为5.9倍。而打开循环水系统检查换热器和管道，没有发现明显的水垢沉积，说明钙硬度和总碱度的损失为电化学水垢去除装置去除。按照浓缩倍数计算，循环水中的钙硬度应该为264.9mg/L(以CaCO3计)，而实际钙硬度仅为78.5mg/L(以CaCO3计)，累计去除效率为70.4％；镁硬度的浓缩倍数为4.3，累计去除效率为27.9％。
实施例3
将四台电化学水垢去除装置以旁流的形式安装在冷却循环水系统中，循环水量为3000m3/h，采用图1所示的电化学水垢晶核生成单元装置四套，此电化学水垢晶核生成单元的总处理量为100m3/h，将温度为25℃的待处理水由槽体的进水口进入到槽体中，所述槽体中设有隔膜，隔膜将槽体分为阴极室和阳极室，旋转阴极位于阴极室中，旋转阴极的直径为500mm，长度为800mm，旋转阴极的旋转角速度为15rpm；阳极为阳极室中，旋转阴极、阳极、槽体中的水溶液和电解电源形成闭合电流回路；启动电解电源，电流大小为72A，在阳极和旋转阴极附近开始发生电化学反应；在阳极附近，水电解产生氧气和氧自由基，与水及水中的溶解氧生成双氧水和臭氧；在旋转阴极附近，水溶液电解产生OH-，在旋转阴极附近界面层获得强碱性溶液，旋转电极将电化学过程中旋转阴极表面上和界面层中形成的水垢晶核扩散到溶液中，含有大量水垢晶核的溶液从槽体顶端的出水口排出槽体；水垢晶核生成单元中阴极刮刀刮下的污垢则由槽体底端的排污口排出；
将含有大量晶核的阴极液通过与阴极液出水口相连的管道排出，进入水垢晶核生长分离单元；晶核和阴极液中的结垢离子在旋流混合反应区螺旋状旋转，晶核进一步生长、晶核发生团聚，长大后的晶核大部分汇集于排泥斗区中心而被去除，经过旋流混合及沉淀的阴极液在经过整流区后，进入斜管沉淀区进一步沉淀分离；经过斜管沉淀区后的水再经过孔径为50μm的过滤网拦截水垢晶体；经过过滤网后的水输送到冷却塔水池，完成水的除垢处理；
此装置连续运行6个月，每周检测补水和每天检测循环水的水质，平均结果列于下表4，表4为本发明实施例3的水质分析结果。
表4为本发明实施例3的水质分析结果
从表4可以看出，从离子浓度比值计算结果来看，循环水的浓缩倍数以氯离子计为3.1倍；而打开循环水系统检查换热器和管道，没有发现明显的水垢沉积，说明钙硬度和总碱度的损失为电化学水垢去除装置去除。按照浓缩倍数计算，循环水中的钙硬度以CaCO3计应该为1085mg/L，而实际钙硬度以CaCO3计仅为487mg/L，累计去除效率为55％；镁硬度的浓缩倍数为2.6，累计去除效率为15％。
比较例
将市售两套电化学水垢去除装置以旁流的形式安装在冷却循环水系统中，循环水量为1400m3/h，两套电化学水垢去除装置的处理量为50m3/h，电解电流强度为36A，水温度为28～32℃。该电化学水垢去除装置是一个碳钢制造的圆柱状的容器，直径大约为600mm，深为900mm，该圆柱状容器兼作电解反应的阴极；固定在碳钢盖子上有三只阳极和一个气动刮刀，阳极和刮刀都置于圆柱状容器中，阴极与阳极之间没有分隔；阳极柱直径大约为25mm，直伸到容器底部。电极用钛镍氧化物制成，以便耐受局部低pH环境；圆形的塑料刮刀每次清洗时用来擦掉内壁预沉淀出来的矿物质。
清洗周期为6小时，清洗时间为2分钟，每次清洗开始时，两台电动球阀控制着流入该装置内的水的流动方向。清洗的第一步，进口阀门关闭，该装置底部的排污阀门打开。刮刀在活塞的推动下在反应室内自上而下运动，刮掉内壁软的预先沉淀出来的水垢，并和冲洗水一起从底部排出。排污的时候，进水阀门打开，以便冲洗排放区域；约2分钟后，排污阀门关闭，刮刀回到反应室的顶部，出水阀门打开，该装置重新工作。
启动电解过程时，在阳极和旋转阴极附近开始发生电化学反应；在阳极附近，水电解产生氧气和氧自由基，与水及水中的溶解氧生成双氧水和臭氧；在圆柱状容器内壁阴极附近，水溶液电解产生OH-，在阴极附近界面层获得强碱性溶液，水垢在阴极沉积析出，定期气缸启动圆盘状刮刀，刮掉水垢，通过底部排污阀排出系统之外。经过该装置电化学处理后的水直接回到冷却塔水池，完成水的除垢处理；
此装置连续运行12个月，每周检测补水和循环水的水质，平均结果列于下表5，表5为本发明比较例的水质分析结果。甲基橙碱度是投加酸中和后的结果，浓缩倍数不能说明设备的去除效率。
表5为本发明比较例的水质分析结果
从表5可以看出，从离子浓度比值计算结果来看，循环水的浓缩倍数以钾离子计为3.6倍。而打开循环水系统检查换热器和管道，没有发现明显的水垢沉积，说明钙硬度和总碱度的损失为电化学水垢去除装置去除。按照浓缩倍数计算，循环水中的钙硬度应该为909.0mg/L(以CaCO3计)，而实际钙硬度仅为645.6mg/L(以CaCO3计)，累计去除效率为29.0％；镁硬度的浓缩倍数为3.3，累计去除效率为9.4％。
本申请提供了一种电化学水垢去除装置，包括用于电化学处理循环水的水垢晶核生成单元；所述水垢晶核生成单元包括槽体；所述槽体的底部设有进水口和排污口；所述槽体的顶端设有出水口；设置于所述槽体的内部的旋转阴极；设置于所述槽体的内部的阳极。在本申请提供的电化学水垢去除装置中，将待处理的循环水从槽体底部进水口进入水垢晶核生成单元，进行电化学处理，在阳极附近，水电解产生氧气和氧自由基，与水及水中的溶解氧生成双氧水和臭氧；在旋转阴极附近，水溶液电解产生OH-，在旋转阴极附近界面层获得强碱性溶液，旋转电极将电化学过程中旋转阴极表面上和界面层中形成的水垢晶核扩散到溶液中，含有大量水垢晶核的溶液从槽体顶端的出水口排出槽体；水垢晶核生成单元中生成的污垢则由槽体底端的排污口排出。本申请提供的电化学水垢去除装置中的旋转阴极强化了传质过程，旋转阴极附近产生高浓度的OH-，pH值达到9.5以上，此碱性环境中的结垢离子过饱和度很高，过饱和的结垢离子快速形成晶核，大量的晶核为溶液中的结垢离子提供了超大的晶体生长表面和晶体活性生长点；由于大量微小晶核的表面积比旋转阴极表面积大很多倍，结垢离子结晶析出的机率大大增加，除垢效率也就增加。
进一步的，本申请提供的电化学水垢去除装置还包括隔膜，隔膜将电解液隔离开为阴极液和阳极液，电流效率提高，阴极氢氧根的生成速率与电流效率程正比，单个电化学单元的除垢能力提高到原来的10倍以上。
Claims (8)
1.一种电化学水垢去除装置，包括用于电化学水处理的水垢晶核生成单元；
所述水垢晶核生成单元包括槽体；
所述槽体的底部设有进水口和排污口；
所述槽体的顶端设有出水口；
设置于所述槽体的内部的旋转阴极；所述旋转阴极以30rpm～1500rpm的角速度连续旋转；
设置于所述槽体的内部的阳极；
所述槽体的内部还包括隔膜；所述隔膜设置在所述阳极和所述旋转阴极之间，将槽体相应分为阳极室和阴极室；
所述水垢晶核生成单元还包括辅助电极；所述辅助电极位于阴极室内。
2.根据权利要求1所述的电化学水垢去除装置，其特征在于，所述旋转阴极为碳钢旋转阴极、不锈钢旋转阴极、钛旋转阴极、钛合金旋转阴极或铝合金旋转阴极。
3.根据权利要求1所述的电化学水垢去除装置，其特征在于，所述旋转阴极为筒状。
4.根据权利要求1所述的电化学水垢去除装置，其特征在于，所述旋转阴极为筒状，所述阳极布置在旋转阴极的筒状腔室之内。
5.根据权利要求1所述的电化学水垢去除装置，其特征在于，所述槽体的内部还包括阴极刮刀；
所述槽体的上下两端均为端板，上端板设有卡槽；
所述阴极刮刀单独固定在所述槽体的上端板的卡槽上。
6.根据权利要求1所述的电化学水垢去除装置，其特征在于，所述隔膜为阳离子膜。
7.根据权利要求1所述的电化学水垢去除装置，其特征在于，所述辅助电极为网状形稳性电极。
8.根据权利要求1所述的电化学水垢去除装置，其特征在于，所述阳极为网状形稳性电极或圆柱状形稳性电极。
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