CN108193222B - 一种电解海水制氯防污的方法 - Google Patents

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Abstract

一种电解海水制氯防污的方法属于海水防污领域。海水首先经过粗滤，除去水中杂质颗粒；其次，通过超滤膜组件，进一步除去海水中的微小、胶体物质；经过前处理的净化海水，通过纳滤膜，除去钙镁离子，使钙镁离子总浓度降低至500‑600ppm,然后，利用吸附树脂，使海水中的钙镁离子总浓度小于100ppm；经过上述预处理的海水，进入海水离子膜电解槽进行电解；海水通过电解产生氯气和稀碱液；本发明采用粗滤、精滤和膜组件，对海水进行预处理达到了海水净化脱钙镁、硫酸根离子的目的，满足了离子膜电解槽用海水的水质要求。采用离子膜电解槽技术，构成可以用来电解海水的离子膜电解槽。最后，提出了充分利用电解氯的方法，包括向海水管系进行有效氯分配的措施。

Description

一种电解海水制氯防污的方法
技术领域
本发明涉及一种采用离子膜电解槽技术电解海水制氯防污的方法，属于海水防污领域。
背景技术
自古以来，海洋生物的污损问题一直影响着人类的海上活动。为此，从木质船时代，人们就开始着手研究清除污损生物的方法。随着科学技术的发展，到如今防污手段大致分成以下三类：防污涂层，防污药剂和电化学防污技术。
防污涂层一般用于船舶外壳的防污。基于海水管系的复杂性，特别是海水管路的直径大小不一，小口径管路较多、管路拐弯多、阀门管件多，无法采用内涂防污涂层进行防污。此外，虽然采用化学药剂，比如液氯、二氧化氯、次氯酸钠和过乙酸等，也可以进行海洋生物污损的防治。然而，由于这些化学品在储存、运输方面都有一定的安全要求，所以也不太适用于船舶上海水管系的防污。
由于以上两种防污手段在船舶管道防污使用受限，电化学防污技术逐渐成为管道防污的主要手段。电化学防污技术的实质是，以海水作为电解质，利用电解槽，通过电化学反应，制备一些能够抑制、或者灭活海洋生物生长的化学物质，比如氯、铜离子等。电化学防污手段主要分两种：电解铜铝阳极法和电解海水防污法。
电解铜、铝阳极防污是在低压直流电压条件下，对铜、铝阳极进行电解，产生出Cu离子和Al(OH)3。由于Cu离子具有一定的毒性，进入海水管系后，可以杀死海洋污损生物。而Al(OH)3是具有一定粘性的絮状物质，能够作为Cu离子的载体，把Cu离子运送到海水管系各区域，从而有效的防止海洋生物的船舶海水系统的污损问题。这种防污技术相对简单，极化电位低，能耗较低。但是，在采用这种技术进行防污的过程中，是否能够有效地电解铜电极，高效率地产生出一价铜离子，无法控制。与此同时，一方面。电解铜离子可能引起、并加速海水管系的腐蚀；另一方面，一价铜离子杀菌才具有高效的杀菌效果，并且还具有一定的选择性。除此之外，铜离子的毒性也会构成重金属离子对海洋污染的担心，且电解产生的氢气也会构成了海水管系的安全问题。
电解海水防污是利用特制的电极电解海水产生氯，由于氯具有强氧化性，
为此可以用来杀死海生物的幼虫或孢子，从而防止海生物附着和生长。
电解海水时，主要发生以下反应
阳极区反应：2Cl-→Cl2↑+2e
阴极区反应：2H2O+2e→2OH-+H2
在溶液中，阳极产生的氯气在溶于水之后，与阴极产生的氢氧根及水反应：
Cl2+2NaOH→NaOCl+NaCl+H2O
在海水电解过程中，当电解产生的氯溶于水中，则生成次氯酸钠。次氯酸钠具有很强的氧化性，在海水中当有效氯浓度达到0.03ppm以上时，就对海洋污损生物具有较强的抑制生长作用，从而防止海生物在利用海水的设备或系统上附着、生长，达到防止海生物污损的目的。
电解海水防污有两种方式，一种为直接式，将电解阳极直接装在管路和海水过滤器上；另一种为间接式(即电解槽式)，主要用于海水管路系统。直接式电解海水防污装置虽然具有结构简单、安装方便、成本低的特点，但是电解海水过程中产生的钙镁沉淀物可能造成管道堵塞。同时，由于将管道作为电解的阴极，则可能造成整个管系电位差异，导致一部分管道得到一定的阴极保护，而另一部分管道发生腐蚀。除此之外，电解过程产生的氢气则会在管道高位富集，构成安全隐患。相反，间接式电解海水防污装置则是利用专门的电解槽电解海水进行防污。电解槽又分无隔膜电解槽和离子膜电解槽两种。
无隔膜电解槽防污装置是将过滤海水送入电解槽中进行电解。电解产生的有效氯与海水混合，形成含有有效氯的海水，并经管道输送到海水管系中。对于无隔膜电解槽，对电极材质的耐蚀性要求较高，因为它受到的腐蚀较严重。
离子膜电解槽主要由阳极、阴极、离子膜、电解槽框和导电铜棒等部件组成。电解槽可以由若干个单元槽串联或并联组成。离子膜电解槽的阳极用金属钛网制成，并且钛阳极网上涂有钛、钌等氧化物涂层。阴极由碳钢网制成，上面涂有镍涂层；离子膜把电解槽隔成阴极室和阳极室两个部分。离子膜有一种特殊的性质，即它只允许阳离子通过，而阻止阴离子和气体通过，也就是说只允许Na+通过，而Cl-、OH-和气体则不能通过。这样，能防止阴极产生的H2和阳极产生的Cl2相混合而引起爆炸。
发明内容
一种电解海水制氯防污的方法，其特征在于：海水首先经过粗滤，除去水中5微米以上的杂质颗粒；其次，通过超滤膜组件，进一步除去海水中的微米级的微小、胶体物质；第三，经过前处理的净化海水，通过纳滤膜，除去钙镁离子，使钙镁离子总浓度降低至500-600ppm。然后，利用吸附树脂，，使海水中的钙镁离子总浓度小于100ppm。
经过上述预处理的海水，进入海水离子膜电解槽进行电解；海水通过电解产生氯气和稀碱液。
电解槽由阳极、阴极室组成，并且利用离子膜将电解槽阳极室与阴极室隔离。其中，电解阳极为钛镀氧化物网板电极；电解阴极材料为纯镍、或者316L不锈钢材料，并且电极阴极也是加工成网板电极，以达到阳极、阴极的面积基本相等；离子膜为全氟离子膜，其性能参数为厚度150-200微米，强度不低于36MPa,线性膨胀率低于10％，含水率不小于20％，电导率不小于0.1S/cm,耐10％碱液腐蚀，耐温不低于80度；
这种全氟离子在电解槽槽压的作用下，海水中的部分水可以通过全氟离子膜膜进入阴极室。这样，当电解电流密度为2000-3000A/m2时，其电解槽的槽压为5.0-6.0V。
进一步，海水进入电解槽阳极室之后，进行电解，产生氯气；同时，海水中氯化钠浓度降低，形成稀海水。
利用复合塔器，将电解制备的氯气由复合塔器的下端进入，同时将稀海水和稀碱液混合从复合塔器的上端进入，使得氯气与进入的混合液充分接触反应，生成次氯酸钠，并从复合塔器底部流出，进入储罐储存；复合塔器下端采用填料，上端为筛板构成。
采用计量泵进行计量注入海水管道或者设备；在海水管道末端或者设备末端采用有效氯检测器对末端海水中的有效氯进行检测，确保有效氯浓度不小于0.01mg/升。有效氯检测器的信号与计量泵的控制进行连锁，实现有效氯加注的自动控制。
本发明选择了一种离子膜，采用离子膜电解槽技术，构成可以用来电解海水的离子膜电解槽。同时，采用粗滤、精滤和膜组件，对海水进行预处理达到了海水净化脱钙镁、硫酸根离子的目的，满足了离子膜电解槽用海水的水质要求。最后，提出了充分利用电解氯的方法，包括向海水管系进行有效氯分配的措施。
附图说明
图1海水离子膜电解制氯防污工艺流程示意图
图2电解海水离子膜电解槽结构示意图
1海水进入口 2电解阳极 3稀海水流出口 4氯气出口 5氢气出口 6碱液流出口 7电解阴极 8碱液循环进入口 9离子膜
具体实施方式
海水首先经过粗滤，除去水中5微米以上的杂质颗粒。其次，通过超滤膜组件，进一步除去海水中微米级的微小、胶体物质。第三，经过前处理的净化海水，通过纳滤膜，除去钙镁离子，使钙镁离子总浓度降低至500-600ppm,然后，利用吸附树脂，再进一步除去海水中的钙镁离子、硫酸根离子等阴阳离子，使海水中的钙镁离子总浓度小于100ppm.在这种情况下，海水中的氯化钠含量在2.0-2.5％。
经过上述预处理的海水，进入专用海水离子膜电解槽进行电解。海水通过电解产生氯气和稀碱液。将氯气和稀碱液通过气液喷射器进行混合，并注入到海水管系设备，从而实现防污目的。
1、研制了专门用于电解海水/稀盐水的离子膜电解槽技术
图2所示为离子膜电解槽的结构示意图。电解槽由阳极、阴极室组成。其中，电解阳极(图2中1)为北京北化机有限公司生产提供的钛镀氧化物网板电极。电解阴极(图2中7)材料为纯镍、或者316L不锈钢材料。电解阴极也是加工成网板电极。离子膜为一种专用全氟离子膜(型号117型)(图2中9)，其性能参数为厚度150-200微米，强度不低于36MPa,线性膨胀率低于10％，含水率不小于20％，电导率不小于0.1S/cm,耐碱液腐蚀，耐温不低于80度。最为重要的是这种全氟离子在电解槽槽压的作用下，水可以通过膜进入阴极室。由此，使用这种膜电解稀盐水、海水时，其膜产生的电阻较低，电解槽的槽压也较低。同时，为了节约能耗，降低电解槽的槽压，利用离子膜将电解槽阳极室与阴极室隔离开来。这样，大大地缩短了电解槽阳极与阴极之间的距离，可以显著地降低电解槽的槽压值，达到节约能源的目的。所以，当电解电流密度为2000-3000A/m2时，其电解槽的槽压为5.0-6.0V。
2、提出了高效利用电解氯的方法，使得电解氯的利用率达到100％。
如图2所示，海水进入电解槽阳极室之后，进行电解，产生氯气。同时，海水中氯化钠浓度降低，形成稀海水。由于氯气在稀海水存在一定的溶解度，为了提高氯气的利用率，该发明提出将稀海水与氯气混合，采用喷射器注入到海水管道或者设备中。
3、提出了由海水电解制备氯与电解过程中产生的稀碱液混合、反应，生成含次氯酸钠混合液后，再向防污系统注入，比如海水管系，进行定量控制分配的方法。具体方案如下：
利用复合塔器，将电解制备的氯气由复合塔器的下端进入，同时将稀海水和稀碱液混合从复合塔器的上端进入，使得氯气与进入的混合液充分接触反应，生成次氯酸钠，并从复合塔器底部流出，进入储罐储存。复合塔器下端采用填料，上端为筛板构成。
为了实现次氯酸钠溶液的定量分配，采用计量泵进行计量注入海水管道或者设备。在海水管道末端或者设备末端采用有效氯检测器对末端海水中的有效氯进行检测，确保有效氯浓度不小于0.01mg/升。有效氯检测的信号与计量泵进行连锁控制。这样，一旦末端有效氯含量低于0.01mg/升时，计量泵自动增大流量，末端有效氯达到要求。反之，计量泵会自动降低流量。

Claims (2)

1.一种电解海水制氯防污的方法，其特征在于：海水首先经过粗滤，除去水中5微米以上大小的颗粒，其次，通过超滤膜组件，进一步除去海水中的微米级的微小、胶体物质；然后通过纳滤膜，除去钙镁离子，使钙镁离子总浓度降低至500-600ppm；然后，利用吸附树脂，使海水中的钙镁离子总浓度小于100ppm；
经过上述预处理的海水，进入海水离子膜电解槽进行电解；海水通过电解产生氯气和稀碱液；电解槽由阳极、阴极室组成；其中，电解阳极为钛镀氧化物网板电极；电解阴极材料为纯镍、或者316L不锈钢材料，同样加工成网板形状电极；离子膜为全氟离子膜，其作用是利用离子膜将电解槽阳极室与阴极室隔离，并且其性能参数为厚度150-200微米，强度不低于36MPa,线性膨胀率低于10％，含水率不小于20％，电导率不小于0.1S/cm,耐碱液腐蚀，耐温不低于80度；
在电解槽槽压的作用下，海水中的部分水通过全氟离子膜进入阴极室；电解电流密度为2000-3000A/m2时，电解槽的槽压为5.0-6.0V。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，海水进入电解槽阳极室之后，进行电解，产生氯气；同时，海水中氯化钠浓度降低，形成稀海水；稀海水利用复合塔器，将电解制备的氯气由复合塔器的下端进入，同时将稀海水和稀碱液混合从复合塔器的上端进入，使得氯气与进入的混合液充分接触反应，生成次氯酸钠，并从复合塔器底部流出，进入储罐储存；复合塔器下端采用填料，上端为筛板构成；
采用计量泵进行计量注入海水管道或者设备；在海水管道末端或者设备末端采用有效氯检测器对末端海水中的有效氯进行检测，确保有效氯浓度不小于0.01mg/升；有效氯检测器的信号与计量泵的控制进行连锁，实现有效氯加注的自动控制。
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