CN108423773B - 一种适于循环冷却水处理的三维流化床电解装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适于循环冷却水处理的三维流化床电解装置及方法，装置包括反应器壳体、柱状阳极、环形多孔板、十字阴极、分布板和颗粒电极；反应器壳体包括端盖、流化室和下部空腔，端盖上设有颗粒电极填充口和电源接头，流化室设有出水口和颗粒电极回收口，下部空腔设有进水口，利用上述装置将循环冷却水引入流化室内，对颗粒电极进行流化，本发明充分利用了流化床的特点使得电解阴极电解面积得到极大扩展，提高了电解效率，本发明通过将阴极设计为三维电极的形式，大大提高了电解防垢效率，解决了二维电极电解水处理器存在的防垢效率低下的问题。且设备简单，只消耗电能，环境友好，处理效果优秀，适于工业化应用。

Description

一种适于循环冷却水处理的三维流化床电解装置及方法

技术领域

本发明属于工业循环冷却水处理以及三维电极电化学反应器领域，具体涉及一种适于循环冷却水处理的三维流化床电解装置及方法。

背景技术

循环冷却水系统在运行过程中常常会出现微生物繁殖、结垢和腐蚀等多种问题。因此，必须采取一定手段控制循环冷却水的品质。目前普遍采用同时投加杀生剂和阻垢缓蚀剂的控制方法，虽然控制效果好，但是药剂费用高，导致运行成本较高，随排污水排出的药剂也很容易对环境造成二次污染。因为水中的物质浓度特别是离子浓度在加药后没有减少，只是减缓了水的结垢倾向和对系统设备的腐蚀倾向，循环冷却水的浓缩倍率不能太高，这就导致必须保持较大的排污水量和补充水量，不利于节约水资源。此外，还存在药剂运输成本大，自动加药装置投资成本高、维护困难等多种问题。迫切需要寻找一种新的处理循环冷却水的方法，解决投加药剂法存在的问题。

电解技术是近年来新兴的一种绿色循环冷却水处理技术，能够实现不投加任何化学药剂即可净化循环冷却水品质的处理效果，具有非常广阔的应用前景。与药剂法相比，电解处理循环冷却水具有环境友好、设备简单、易于自动化控制、运行成本低、节水效果明显等诸多优点。电解技术对循环冷却水进行杀生和防垢的原理如下：

(1)阳极采用具有较低析氯电位的涂层钛电极，通过电解氧化水中的氯离子生成活性氯，对冷却水中滋生的微生物起到强烈的杀灭作用。电解同时还会生成过氧化氢、臭氧、羟基自由基等活性氧副产物，共同杀灭微生物。活性氯生成的化学反应式如下：

Cl^--2^e-→Cl²

C_l2+H₂O→HClO+H⁺+Cl^-

(2)阴极通过氧还原反应或析氢反应生成氢氧根，在电极表面创造出高pH值的碱性环境，将富集到表面的钙离子和镁离子等成垢离子预沉淀析出，起到防垢的作用。氢氧根生成和钙离子、镁离子沉淀的化学反应式如下：

O₂+2H₂O+4e^-→4OH^-

2H₂O+2e^-→H₂+2OH^-

Mg²⁺+2OH^-→Mg(OH)₂↓

利用电解技术处理循环冷却水的设备称为电解水处理器。为了保证较好的处理效果，电解水处理器必须具有较高的电解杀生和防垢效率。通常情况下，电解水处理器的杀生效率很高，可以达到90％以上，但是防垢效率仍然较低。造成防垢效率低下的主要原因主要有：

(1)钙离子沉淀形成碳酸钙的过程，受反应中钙离子和碳酸氢根离子的传质控制，沉淀速率存在上限；

(2)需要较大的阴极面积来提供电化学反应和沉淀结晶的场所，普通的二维电极反应器难以满足要求；

(3)阴极表面附着的沉淀物需要持续清除，否则沉淀物会阻碍后续反应的进行。

这些问题一起限制了电解水处理器的大规模推广应用。因此，有必要对现有的电解水处理器进行改进创新，从根源上解决上述问题，提出适于电解处理循环冷却水的新思路。

流化床电化学反应器是一种采用颗粒电极的三维电极电化学反应器，因其能提供非常大的比电极面积和较高的传质速率，近年来在废水处理、能源转换、湿法冶金等领域获得了大规模的应用。流化床电化学反应器可以分为单极性电极反应器和复极性电极反应器。复极性颗粒电极上同时发生阴阳极反应，不适于电解水处理技术，因为阳极生成的氢离子可能将沉淀物溶解，重新释放成垢离子到冷却水中。而单极性颗粒电极上只发生一种反应，正好用来解决电解防垢低下的问题。

发明内容

基于此，有必要针对电解处理循环冷却水技术中存在的问题，提出一种新型的具有大比电极面积、高传质速率、并且可以高效清除阴极表面沉淀物的电解水处理器形式。采用三维电极的流化床电化学反应器能够满足这一要求。

本发明的目的在于，提供一种适于循环冷却水处理的三维流化床电解装置，以及利用上述装置进行循环冷却水处理的方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种适于循环冷却水处理的三维流化床电解装置，包括反应器壳体，所述反应器壳体上部和下部分别设有出水口和进水口，其特征在于：所述反应器壳体内设有分别通过导线与外部电源正负极相连的电解阳极和电解阴极，电解阳极通过绝缘隔板包裹隔离，所述绝缘隔板外部与反应器壳体内壁之间空间为流化室，所述流化室内设有大量具有导电性能的颗粒电极，绝缘隔板上设有供水通过但能阻挡颗粒电极与电解阳极接触的小孔，当循环水从进水口进来然后从出水口出去时带动颗粒电极在流化室内形成流化床。

作为改进，所述电解阳极为柱状阳极，绝缘隔板为环形多孔板。

作为改进，所述电解阴极由多个板状阴极组成，柱状阳极设于两个相邻的板状阴极之间，并通过环形多孔板与板状阴极处的颗粒电极隔离开。

作为改进，所述电解阴极为由多个板状电极以反应器壳体中心径向分布组成的轮辐状电极。

作为改进，所述电解阴极为由两个板状电极十字交叉组成的十字阴极，柱状阳极设于设于十字阴极的四个象限内。

作为改进，所述颗粒电极为空心金属颗粒或表面镀有导电金属层的玻璃颗粒。

作为改进，所述反应器壳体底部设有下部空腔，流化室底部与下部空腔顶部之间设有分布水流的分布板，所述进水口设于分布板下方的下部空腔上。

作为改进，所述电解阳极为金属氧化物涂层钛电极，涂层可以是钌钛二元氧化物、钌钛铱三元氧化物或钌钛铱锡四元氧化物。

作为改进，所述流化室底部的反应器壳体侧壁上设有用于回收颗粒电极的回收口，反应器壳体顶部设有用于填充颗粒电极的填充口。

一种适于循环冷却水处理的三维流化床电解方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、按照三维流化床电解装置结构组装，之后关闭回收口，通过填充口填充颗粒电极；

步骤二、将三维流化床电解装置接入循环冷却水管路，旁流的循环冷却水从进水口流入反应器壳体内，经过分布板后，推动流化室中的颗粒电极呈流化状态；

步骤三、通电的电解阳极、电解阴极和颗粒电极对循环冷却水进行电解杀生和防垢处理，处理后从出水口流出；

步骤四、反应器壳体的出水下游后可以设置机械过滤器或沉淀池来去除水流带出的沉淀物；

步骤五、长时间运行后，关闭进水口和出水口，从回收口排出旧的颗粒电极，再从填充口加入新的颗粒电极。

本发明装置非常适用于循环冷却水的处理，与现有的二维电极电解水处理器相比，能够产生如下的有益效果：

(1)比电极面积更大。传统二维平板电极的比电极面积为15m²/m³，三维流化床电极的比表电极面积高达3500m²/m³，因此具有非常大的活性电极表面提供给电解防垢作用。

(2)传质速率更高。流化态的颗粒电极之间的频繁碰撞，导致颗粒电极表面扩散层变薄，水中离子向电极表面的传质速率大大提高。

(3)电位、电流密度和反应速率分布更均匀。均匀的电流密度分布，避免了阴极板的某些地方因阴极保护电流密度过小而被高腐蚀性的循环冷却水所腐蚀。

(4)阴极沉淀物清除更高效。导电颗粒之间的相互碰撞对表面沉淀物的清除效率相比二维电极采用刮刀的效率更高，沉淀物清除的也更为彻底。

(5)本发明充分利用了流化床的特点使得电解阴极电解面积得到极大扩展，提高了电解效率，本发明装置还存在结构简单、对环境友好等诸多优点。

附图说明

附图1为本发明装置的结构示意图。

附图2为本发明装置的电极布置图。

1-反应器壳体，2-柱状阳极，3-环形多孔板，4-十字阴极，5-颗粒电极，6-分布板，11-端盖，111-填充口，112-接头，12-流化室，121-出水口，122-回收口，13-下部空腔，131-进水口。

具体实施方式

为了理解本发明，下面将结合附图对本发明进行详细阐述。

一种适于循环冷却水处理的三维流化床电解装置，包括反应器壳体1，所述反应器壳体1上部和下部分别设有出水口121和进水口131，所述反应器壳体1内设有分别通过导线与外部电源正负极相连的电解阳极和电解阴极，反应器壳体1内设有将电解阳极包裹隔离的绝缘隔板，所述绝缘隔板外部与反应器壳体1内壁之间空间为流化室12，所述流化室12内设有大量具有导电性能的颗粒电极5，绝缘隔板上设有供水通过但能阻挡颗粒电极5与电解阳极接触的小孔，当循环水从进水口131进来然后从出水口121出去时带动颗粒电极5在流化室12内形成流化床，所述颗粒电极5为导电体、表面镀有低碳钢、不锈钢、钛或钛合金、镍或镍合金金属层的玻璃小球或类球状颗粒，流化过程中与电解阴极碰撞接触，一起带电形成阴极，在其表面预沉淀成垢离子，流化态颗粒电极5间的相互剧烈撞击使得其表面附着的沉淀物脱落，并被流动的冷却水带出反应器；所述电解阳极可以为柱状阳极2，绝缘隔板为包裹在柱状阳极2外的环形多孔板3。所述电解阴极由多个板状阴极组成，柱状阳极2设于两个相邻的板状阴极之间，并通过环形多孔板3与板状阴极处的颗粒电极5隔离开。所述电解阴极为由多个板状电极以反应器壳体1中心径向分布组成的轮辐状电极，作为一种最优的实施例，所述电解阴极为由两个板状电极十字交叉组成的十字阴极4，下面以十字阴极4为例说明：

一种适于循环冷却水处理的三维流化床电解装置，如附图1所示，包括反应器壳体1、柱状阳极2、环形多孔板3、十字阴极4、颗粒电极5和用于水流分别的分布板6。反应器壳体1还包括端盖11、流化室12和下部空腔13。所述下部空腔13底部设有进水口131，并通过法兰与流化室12相连接；流化室12下部设有回收颗粒电极5的回收口122，上部设有出水口121，并通过法兰与端盖11相连接；端盖11上方设有填充颗粒电极5的填充口111，还设有与之绝缘的接头112，柱状阳极2和十字阴极4通过接头112与外部电源的正负极相连接。柱状阳极2和环形多孔板3同轴设置，一共4组，对称分布于十字阴极4分割出的四个空间中，如附图2所示。柱状阳极2与外部电源的正极相连，十字阴极4与外部电源的负极相连接。柱状阳极2为金属氧化物涂层钛电极，涂层可以是钌钛二元氧化物、钌钛铱三元氧化物或钌钛铱锡四元氧化物。十字阴极4的材料可以是低碳钢、不锈钢、钛或钛合金、镍或镍合金。颗粒电极5为表面镀有低碳钢、不锈钢、钛或钛合金、镍或镍合金金属层的玻璃小球或类球状颗粒。环形多孔板3和分布板6为高机械强度的绝缘材料，板上有均匀分布的开孔，且孔径尺寸小于颗粒电极5的直径，以保证颗粒电极5与柱状阳极2分隔开，环形多孔板3阻止颗粒电极5与柱状阳极2相接触，使其成为单极性电极颗粒，分布板6阻止颗粒电极5落入下部空腔13并起到分布水流，促进流化的作用。

需要指出的是本发明中分布板6采用现有技术公知分布板，具体参考流化床工艺中分布板，其中一个实施例为在分布板6上设有大量供水流过的分布孔，分布孔上方设有顶盖，水流从分布板下方往上方流动，从分布孔流出来时碰到顶盖，从顶盖侧方流出，这样既达到水流均匀分布，又能防止颗粒电极5从分布孔中掉入到分布板6下方。

本发明采用流化床反应器，反应器本身不能做的太大，适合小规模对水质要求高的循环冷却水处理，如超高压直流输电换流站，经过本发明装置和方法处理后水质可以明显提高。

一种适于循环冷却水处理的三维流化床电解方法，包括以下步骤：

步骤一、按照三维流化床电解装置结构组装，之后关闭回收口122，通过填充口111填充颗粒电极5；

步骤二、将三维流化床电解装置接入循环冷却水管路，旁流的循环冷却水从进水口131流入反应器壳体1内，经过分布板6后，推动流化室12中的颗粒电极5呈流化状态；

步骤三、通电的电解阳极、电解阴极和颗粒电极5对循环冷却水进行电解杀生和防垢处理，处理后从出水口121流出；

步骤四、反应器壳体1的出水下游后可以设置机械过滤器或沉淀池来去除水流带出的沉淀物；

步骤五、长时间运行后，关闭进水口131和出水口121，从回收口122排出旧的颗粒电极5，再从填充口111加入新的颗粒电极5。

Claims (8)

1.一种适于循环冷却水处理的三维流化床电解装置，包括反应器壳体，所述反应器壳体上部和下部分别设有出水口和进水口，其特征在于：所述反应器壳体内设有分别通过导线与外部电源正负极相连的电解阳极和电解阴极，电解阳极通过绝缘隔板包裹隔离，所述绝缘隔板外部与反应器壳体内壁之间空间为流化室，所述流化室内设有大量具有导电性能的颗粒电极，绝缘隔板上设有供水通过但能阻挡颗粒电极与电解阳极接触的小孔，当循环水从进水口进来然后从出水口出去时带动颗粒电极在流化室内形成流化床；所述电解阳极为柱状阳极，绝缘隔板为环形多孔板；

所述电解阴极由多个板状阴极组成，柱状阳极设于两个相邻的板状阴极之间，并通过环形多孔板与板状阴极处的颗粒电极隔离开。

2.如权利要求1所述的三维流化床电解装置，其特征在于：所述电解阴极为由多个板状电极以反应器壳体中心径向分布组成的轮辐状电极。

3.如权利要求2所述的三维流化床电解装置，其特征在于：所述电解阴极为由两个板状电极十字交叉组成的十字阴极，柱状阳极设于设于十字阴极的四个象限内。

4.如权利要求1所述的三维流化床电解装置，其特征在于：所述颗粒电极为空心金属颗粒或表面镀有导电金属层的玻璃颗粒。

5.如权利要求1至4任意一项所述的三维流化床电解装置，其特征在于：所述反应器壳体底部设有下部空腔，流化室底部与下部空腔顶部之间设有分布水流的分布板，所述进水口设于分布板下方的下部空腔上。

6.如权利要求1至4任意一项所述的三维流化床电解装置，其特征在于：所述电解阳极为金属氧化物涂层钛电极，涂层可以是钌钛二元氧化物、钌钛铱三元氧化物或钌钛铱锡四元氧化物。

7.如权利要求1至4任意一项所述的三维流化床电解装置，其特征在于：所述流化室底部的反应器壳体侧壁上设有用于回收颗粒电极的回收口，反应器壳体顶部设有用于填充颗粒电极的填充口。

8.一种如权利要求1所述适于循环冷却水处理的三维流化床电解装置的电解方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、按照三维流化床电解装置结构组装，之后关闭回收口，通过填充口填充颗粒电极；

步骤二、将三维流化床电解装置接入循环冷却水管路，旁流的循环冷却水从进水口流入反应器壳体内，经过分布板后，推动流化室中的颗粒电极呈流化状态；

步骤三、通电的电解阳极、电解阴极和颗粒电极对循环冷却水进行电解杀生和防垢处理，处理后从出水口流出；

步骤四、反应器壳体的出水下游后可以设置机械过滤器或沉淀池来去除水流带出的沉淀物；

步骤五、长时间运行后，关闭进水口和出水口，从回收口排出旧的颗粒电极，再从填充口加入新的颗粒电极。

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