CN106277369B - 一种电化学阻垢方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电化学阻垢方法，包括：1)、将电解槽通过隔膜分为阳极室与阴极室，阳极与阴极分别置于阳极室与阴极室中；2)、让待处理的水体经阳极室入口流经阳极室：在通电后，在阳极室内成为酸性区域；利用阳极产生的酸度将流经阳极室的水体中的碱度降低或去除，然后从阳极室出口流出；在阴极室，使用导电液体进行循环流动。本发明电化学阻垢方法是针对待处理水体中的碱度来进行处理，在处理过程中阳极室没有水垢析出，因此不会像传统的电化学除垢技术那样，需要设计大量的部件或装置来完成阳极上水垢的刮除及外排，由此能够极大的简化设备设计，减少人工干预。

Description

一种电化学阻垢方法

技术领域

本发明属于电化学技术领域，特别涉及一种电化学阻垢方法。

背景技术

利用电化学技术来进行除垢处理已经早有文献(Desalination,2006,201:150；Desalination,2008,230:329；Desalination,2016,381:8；西安交通大学学报,2009,43(5):104；西安交通大学学报,2013,47(7):47)、专利公开(CN105523611A、CN105668713A)报道，并已经在工程实践中得到一定程度的应用。相比于传统的化学加药方法以及现在研究较多的磁化技术、电磁技术及超声波技术，电化学技术的优点在于能够将水中的成垢离子以水垢沉积的方式从水体中析出，属于一种典型的主动式除垢阻垢技术。但是，由于水垢需要在阴极区域析出并沉积在阴极板上，因此在其余的因素得以优化的前提下，可利用的阴极面积将成为影响水垢析出的关键因素。

为提高电化学除垢技术的处理效率，中国专利公开第CN105621538A、CN105523611A、CN105668713A及CN105565438A号对电化学除垢设备进行了相应的优化设计，其创新出发点即在于充分优化电化学设备内部结构，尽最大可能的扩大可利用阴极面积，以利于水垢在阴极的析出，提高设备的处理效率与处理能力。

为打破阴极面积大小的限值因素，文献(Desalination,2010,263:285；Journalof Membrance Science,2013,445:88)提出一种新的处理思路，即利用离子交换膜将电化学反应器分隔为阳极室与阴极室，当待处理的水流经阴极室后，将其引入电化学反应器外部设置的结晶器内，以相应的技术控制水体中的水垢结晶析出，由此能够减弱由于阴极面积大小所造成的水垢析出的限制情形。然而，该技术引入体积庞大的外部结晶器，既增加了设备面积，又增加了设备造价，给工程实践带来很大困扰。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电化学阻垢方法，以解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电化学阻垢方法，包括：1)、将电解槽通过隔膜分为阳极室与阴极室，阳极与阴极分别置于阳极室与阴极室中；2)、让待处理的水体经阳极室入口流经阳极室：在通电后，在阳极室内成为酸性区域；利用阳极产生的酸度将流经阳极室的水体中的碱度降低或去除，然后从阳极室出口流出；在阴极室，使用导电液体进行循环流动。

进一步的，阳极室内酸性区域的pH值小于等于5。

进一步的，阳极室与阴极室内的液体不混流。

进一步的，阴极室中导电流体为无硬度的水体。

进一步的，阴极室中导电流体为待处理的水体，阴极室出口后端连接外部结晶器。

进一步的，所采用的阳极为碳电极、贵金属电极或金属氧化物电极；阴极为不锈钢、铸铁、石墨、铝或铜；隔膜为阴离子交换膜、阳离子交换膜或双极膜。

进一步的，使用单个电解槽对待处理的水体进行处理。

进一步的，使用若干阳极区串联或者阳极区并联的电解槽对待处理的水体进行处理。

进一步的，将若干电解槽阳极区串联形成一个处理系统，采用若干处理系统并联对待处理的水体进行处理。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明所提出的电化学阻垢方法是在充分理解阳极及其所产生的高酸度区域在除垢阻垢过程中的作用的基础上提出的，与现有利用阴极高碱度区域除垢的电化学除垢技术相比，具有绝对的理论创新性。另外，电化学阻垢方法也属于主动式技术，只是其针对的对象由传统电化学方法的成垢离子变为碱度离子。此外，由于电化学阻垢技术是针对待处理水体中的碱度来进行处理，在处理过程中没有水垢析出，因此不会像传统的电化学除垢技术那样，需要设计大量的部件或装置来完成阴极上水垢的刮除及外排，由此能够极大的简化设备设计，减少人工干预。

附图说明

图1为电解过程中，阴阳两级之间溶液pH值的分布示意图；

图2为碳酸化合态分布图；

图3为带隔膜的双室电解槽示意图；

图4为串联状态下的电化学处理系统示意图；

图5为并联状态下的电化学处理系统示意图；

图6为复合状态下的电化学处理系统示意图。

具体实施方式

现有技术方案都是基于水垢在阴极析出的基本原理。现在的文献报道及专业领域技术人员对电化学除垢技术原理的认识，也都局限于成垢离子在阴极区域与碱度的结合后形成水垢析出，进而使得水中硬度下降而无法在换热设备表面结垢。

当电化学反应发生时，对应于阴极的高pH值区域，阳极附近则是低pH值区域，如附图1所示；图1为采用pH微电极测试得到的结果；所用阳极为钛基体二氧化铅电极，所用阴极为铜电极，阴阳两极间距为4cm；所用电解液为高氯酸钠溶液，浓度为0.1M；所用电流密度为2mA·cm^-2；由于电极表面产生的气泡很容易损伤pH微电极，因此测试终止于接近电极表面2mm处。由于电场的存在，使得流经电场的水体中的钙镁离子会向阴极区域附近进行定向迁移，进而通过成垢反应而在阴极板上析出；同理，水体中的碱度离子(碳酸氢根)也会由于电场的作用而向阳极区域进行定向迁移。根据附图1所示，阳极区附近的pH值已经下降到2以下；结合碳酸平衡过程(如附图2所示(数据来源：《环境化学(第二版)》，戴树桂主编，高等教育出版社，P153))，当pH值小于等于5以下时，碳酸氢根即会大量转化为二氧化碳(或是游离态的碳酸)。由此，可知阳极表面及其附近的区域所存在的高酸性区域会使得流经的水体中的碱度离子被大量消耗。由上述叙述可知，对于电化学除垢阻垢技术而言，其原理是双方面的：在阴极区域，由于成垢离子在高碱度的环境下析出成为水垢，导致水体中的成垢离子浓度降低，使得水体结垢趋势减弱，这一部分的功能被称为“除垢”，即将水体中的成垢离子除去；在阳极区域，由于碱度离子在高酸度的环境下形成二氧化碳，造成水体中的碱度离子浓度降低，也会使得水体结垢趋势减弱，这一部分的功能被称为“阻垢”，即只是通过减少碱度而阻止水垢析出，而并非将水垢去除掉。这两者配合才使得电化学除垢阻垢技术对控制水垢有较好的效果。

本发明提出一种电化学阻垢方法，利用阳极的高酸度区域来减少(甚至去除)水体中的碱度，使得被处理水体变为高硬度低碱度水体(甚至高硬度无碱度水体)，进而达成阻垢的目的。

本发明一种电化学阻垢方法，包括以下步骤：

(1)将电解槽通过隔膜3分为阳极室与阴极室，阳极10与阴极20分别置于阳极室与阴极室中，如附图3所示；

(2)让待处理的水体经阳极室入口11流经阳极室：在通电后，在阳极室内会成为高酸度区域；利用阳极产生的高酸度将流经阳极室的水体中的碱度去除，使得出水变为高硬度低碱度水体(甚至高硬度无碱度水体)从阳极室出口12流出，这样能够使得水体的结垢趋势减弱(甚至消失)；

(3)在阴极室，则可以根据实际需求选择合适的液体进行循环流动。如果选择将待处理的水体从阴极室入口21流经阴极室，从阴极室出口22流出，则会出现水垢析出的情况，需要在阴极室出口22后端接水垢处理部分。如果选择无硬度的水体在阴极区进行循环流动，则阴极室的作用仅仅在于完成导电作用，无水垢会析出；此时，所用的循环液体可以根据实际情况选择。

本发明中，阴阳两室内的液体不混流。

本发明中，所采用的阳极为适合于电化学水处理的阳极，包括但不限于：碳电极(石墨电极、掺硼金刚石电极等)、贵金属电极及金属氧化物电极(尤其是钛基体系列的金属氧化物电极)等。

本发明中，所采用的阴极为适合于电化学水处理的阴极，包括但不限于：不锈钢、铸铁、石墨、铝、铜等。

本发明中，所采用的隔膜为可以将阳极室与阴极室分割开的隔膜，包括但不限于：阴离子交换膜、阳离子交换膜、双极膜等。

本发明中，所采用的电解槽供电方式包括但不限于：直流恒压供电、直流恒流供电、直流脉冲供电等。

本发明中，涉及到的反应器尺寸设计及配套的电极尺寸与隔膜尺寸等具体问题，可以根据所针对的处理对象进行优化。

本发明中，在运行过程中涉及到的电化学参数(如电流密度)、水流速度、水力停留时间等，可以根据不同水质条件进行优化。

实施例1：单纯的电化学阻垢技术运行状态：以附图3所示的单个双室电解槽为例，待处理的水由阳极室入口11进入阳极室，在阳极室中停留一段时间后，由阳极室出口12离开阳极室。在正常的处理过程中，电解槽通电运行后，阳极室内由于阳极表面发生的电化学反应而呈现高酸度；流经水体中的碱度离子会与其发生化学反应，变成二氧化碳气体或是游离态碳酸，从而使得离开阳极室的水体中的碱度离子减少(甚至消失)。在阴极室当中，可以设置无害水体(高导电率、无成垢离子)循环处理，保证整个电解槽处于导电状态，以利于电化学反应过程的顺利进行。如此设计，可以保证被处理水体在换热器上结垢的趋势减弱(甚至消失)，同时又不存在需要处理大量水垢固体的麻烦。

实施例2：电化学阻垢与电化学除垢并行运行状态：以附图3所示的单个双室电解槽为例，待处理的水由阳极室入口11进入阳极室，在阳极室中停留一段时间后，由阳极室出口12离开阳极室。在正常的处理过程中，电解槽通电运行后，阳极室内由于阳极表面发生的电化学反应而呈现高酸度；流经水体中的碱度离子会与其发生化学反应，变成二氧化碳气体或是游离态碳酸，从而使得离开阳极室的水体中的碱度离子减少(甚至消失)。阴极室当中也进行待处理水体的循环，但是两室之间的循环水体没有交叉。这样使得阴极的除水垢功能也得以利用，但是因为有水垢固体析出，在阳极室出口设置相应的后处理装备，进行水垢的及时清除，保证整个电解槽处于导电状态，以利于电化学反应过程的顺利进行。如此设计，可以使得电化学装置对于硬度和碱度的去除能力加倍，除垢阻垢效果更好。

实施例3：为保证处理效果，可以选择将多个处理单元的阳极区串联，即一个阳极区的出水再进另外一个阳极室的进水，如此依次串联下去，使得水体得到充分的处理，保证其中的碱度被彻底去除掉，而完全没有结垢趋势。连接方式如附图4所示。串联的处理单元数目可以根据实际需要来确定，附图4所示的五组处理单元串联仅仅是一种实例。

实施例4：为保证处理水量，可以选择将多个处理单元并联，即同一管路的水流可以分成若干份，分别经由相应的处理单元处理后，再汇集成同一管路，保证处理水量。连接方式如附图5所示。并联的处理单元数目可以根据实际需要来确定，附图5所示的八组处理单元并联仅仅是一种实例。

实施例5：为同时保证处理效果及处理水量，可以选择复合连接方式，即将多个处理单元串联形成一个处理集团，而后将若干个处理集团并联形成一个完整的处理体，能够保证流经的水体得到足够的处理，并且处理水量也能够满足要求。连接方式如附图5所示。复合连接方式的组合方式、处理单元数目等可以根据实际需要来确定，附图5所示的五组串联后再六组并联仅仅是一种实例。

实施例6：为进一步提高处理效果，上述串联方式、并联方式及复合连接方式中，均可以将阴极室的除垢功能也加以利用，只是在设备设计时需要考虑设置相应的后处理过程，保证水垢的及时清除，保证整个电解槽处于导电状态，以利于电化学反应过程的顺利进行。

Claims (6)

1.一种电化学阻垢方法，其特征在于，包括：

1)、将电解槽通过隔膜(3)分为阳极室与阴极室，阳极(10)与阴极(20)分别置于阳极室与阴极室中；

2)、让待处理的水体经阳极室入口(11)流经阳极室：在通电后，在阳极室内成为酸性区域；利用阳极产生的酸度将流经阳极室的水体中的碱度降低或去除，然后从阳极室出口(12)流出；在阴极室，使用导电液体进行循环流动；

阴极室中导电流体为待处理的水体，阴极室的阴极室出口后端连接外部结晶器；或者，阴极室中导电流体为无硬度的水体；

隔膜为阴离子交换膜或双极膜；

阳极室内为酸性区域，其pH值小于等于5。

2.根据权利要求1所述的一种电化学阻垢方法，其特征在于，阳极室与阴极室内的液体不混流。

3.根据权利要求1所述的一种电化学阻垢方法，其特征在于，所采用的阳极为碳电极、贵金属电极或金属氧化物电极；阴极为不锈钢、铸铁、石墨、铝或铜。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种电化学阻垢方法，其特征在于，使用单个电解槽对待处理的水体进行处理。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的一种电化学阻垢方法，其特征在于，使用若干阳极区串联或者阳极区并联的电解槽对待处理的水体进行处理。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的一种电化学阻垢方法，其特征在于，将若干电解槽阳极区串联形成一个处理系统，采用若干处理系统并联对待处理的水体进行处理。