CN110054258A - 一种二氧化碳曝气电化学除垢装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种二氧化碳曝气电化学除垢装置及方法，属于水处理技术领域。包括反应器筒体、若干阴极板、若干阳极板、超声清洗器和曝气管；通过曝气管在持续水处理过程中通入二氧化碳进行曝气，一方面补充了水体中的碳酸根离子，促进了钙离子的进一步去除；另一方面促进了极板附近的离子迁移和化学反应；同时，曝气作用延缓了结垢物质在极板表面的沉积，与超声清洗器共同作用，可以达到清洗极板的目的。该装置结构设计合理，解决了持续水处理过程中水体碱度下降造成的硬度离子去除率下降的问题，提高了电化学的除垢效率。
Description
技术领域
本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种二氧化碳曝气电化学除垢装置及方法。
背景技术
工业循环冷却水在使用过程中存在结垢问题，影响设备换热效率，通常采用投加阻垢剂的方式以控制钙、镁硬度离子的结垢倾向。但是，投加阻垢剂会带来二次污染，且硬度离子依然存在于水体中，存在一定风险。电化学方法能够通过阴极的原位反应产生强碱性环境，实现循环水中钙、镁等硬度离子的沉淀，是一种很有潜力的循环水除垢技术。然而，已有的电化学除垢装置未考虑持续水处理过程中，水体碱度下降造成的硬度离子去除率下降，电化学的除垢效率有待进一步提升。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种二氧化碳曝气电化学除垢装置及方法，提高了持续水处理过程中硬度离子的去除率和电化学的除垢效率。
本发明通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种二氧化碳曝气电化学除垢装置，包括反应器筒体、若干阴极板、若干阳极板和曝气管；反应器筒体内部设有超声清洗器，反应器筒体下部设有排污管，反应器筒体上设有进水管和出水管，进水管和出水管与反应器筒体内部连通；阴极板和阳极板设在反应器筒体内部，阴极板和阳极板分别连接有电流控制器；曝气管一端伸入反应器筒体内部，另一端与外部二氧化碳气源连接。
优选地，反应器筒体上设有若干电极接线柱，阴极板和阳极板分别与对应的电极接线柱连接，若干电极接线柱与电流控制器连接；若干阴极板和若干阳极板平行交替布置，且阴极板的数量＝阳极板的数量+1。
优选地，曝气管的出气孔设在阴极板的下方。
优选地，曝气管为微孔曝气管。
优选地，超声清洗器的发声平面与阴极板和阳极板的极板平面垂直。
优选地，反应器筒体的下平面为漏斗式结构，排污管设在漏口处。
优选地，进水管设在反应器筒体下部，出水管设在反应器筒体上部，进水管和出水管在反应器筒体周向上间隔180°设置。
优选地，反应器筒体的材质为不锈钢，阴极板的材质为不锈钢、钛或镍，阳极板为DSA电极。
本发明还公开了采用上述二氧化碳曝气电化学除垢装置进行电化学除垢的方法，包括：将待处理水体由进水管通入反应器筒体，通过电流控制器调整阴极板和阳极板间的电流密度，通过曝气管向水体通入二氧化碳，经电化学除垢后的水体由出水管排出反应器筒体；超声清洗器按预定周期进行清洗，结垢物质通过排污管排出反应器筒体。
优选地，阴极板和阳极板间的电流密度为0～20mA/cm2；二氧化碳的曝气强度为0～2m3/m2·h；超声清洗器的预定周期为：每隔1～2h，清洗10～20min；每隔2～12h打开排污管排出结垢物质。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种二氧化碳曝气电化学除垢装置，通过曝气管在持续水处理过程中通入二氧化碳进行曝气，一方面补充了水体中的碳酸根离子，促进了钙离子的进一步去除；另一方面促进了极板附近的离子迁移和化学反应；同时，曝气作用延缓了结垢物质在极板表面的沉积，与超声清洗器共同作用，可以达到清洗极板的目的。该装置结构设计合理，解决了持续水处理过程中水体碱度下降造成的硬度离子去除率下降的问题，提高了电化学的除垢效率。
进一步地，阴极板和阳极板平行交替布置，并且阴极板的数量＝阳极板的数量+1，因为电化学除垢反应主要发生在阴极板上，因此，多布置一块阴极板有利于增加反应面积，最大限度的利用阴极板。
进一步地，曝气管的出气孔设在阴极板的下方，产生的二氧化碳气泡在上升过程中可以对上部的阴极板表面产生冲刷作用。
进一步地，采用微孔曝气管进行曝气，具有气泡细密、点状曝气、气量小、长距离曝气均匀、能耗低等，且安装方便、成本低。
进一步地，超声清洗器的发声平面与阴极板和阳极板的极板平面垂直，使得超声可以作用于所有极板，避免发声平面与极板平行或形成其它角度时，超声穿透极板造成能量衰减。
进一步地，反应器筒体的下平面为漏斗式结构，排污管设在漏口处，避免结垢物质产生淤积死角，能够顺利从排污管排出装置。
进一步地，反应器筒体采用不锈钢，能够避免反应器筒体受到腐蚀，增加装置的使用寿命；阴极板采用不锈钢、钛或镍，材料易于制备且性质稳定；阳极板采用DSA电极，具有良好的稳定性和催化活性。
本发明公开的采用上述二氧化碳曝气电化学除垢装置进行电化学除垢的方法，待处理水体连续流入反应器筒体内部，其中钙、镁等硬度离子在阴极附近与碳酸根或氢氧根反应生成沉淀物质，同时引起水体中碳酸根浓度下降，通过二氧化碳曝气，使水体中持续生成碳酸根离子，使得钙离子得到进一步反应去除，通过超声和曝气对阴极板进行间歇性清洗，并定时将沉淀的结垢物质排出装置。该方法操作简单，电化学的除垢效率高。
附图说明
图1为本发明的系统构成正视示意图；
图2为本发明的系统构成侧视示意图。
图中：1-反应器筒体，2-阴极板，3-阳极板，4-曝气管，5-电极接线柱，6-电流控制器，7-排污管，8-进水管，9-出水管，10-超声清洗器，11-气体压缩机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
图1、图2为本发明的二氧化碳曝气电化学除垢装置，包括反应器筒体1、若干阴极板2、若干阳极板3和曝气管4；反应器筒体1内部设有超声清洗器10，优选地，超声清洗器10设在反应器筒体1的两端，超声清洗器10的发声平面与阴极板2和阳极板3的极板平面垂直。反应器筒体1的下平面为漏斗式结构，当反应器筒体1为长方体时，四个侧面下部分别连接有四个斜坡面，四个斜坡面形成漏斗形；当反应器筒体1为圆柱体时，下部带有锥度的斜面形成漏斗形；排污管7设在漏口处。
反应器筒体1上设有进水管8和出水管9，进水管8和出水管9与反应器筒体1内部连通，优选地，进水管8设在反应器筒体1下部，出水管9设在反应器筒体1上部，进水管8和出水管9在反应器筒体1周向上间隔180°设置。
阴极板2和阳极板3设在反应器筒体1内部，反应器筒体1上设有若干电极接线柱5，阴极板2和阳极板3分别与对应的电极接线柱5连接，若干电极接线柱5与电流控制器6连接；若干阴极板2和若干阳极板3平行交替布置，且阴极板3的数量＝阴极板2的数量+1，如：设置1块阳极板3时，设置2块阴极板2分别位于阳极板3两侧；设置2块阳极板3时，设置3块阴极板2，2块阳极板3分别设在3块阴极板2之间；以此类推。
曝气管4一端伸入反应器筒体1内部，另一端与外部二氧化碳气源如二氧化碳钢瓶或烟道连接，通过气体压缩机通入反应器筒体1内部。曝气管4的出气口设在阴极板2的下方，可以采用如下方案：方案1，曝气管4包括1根主管，主管上连接若干根支管，每根支管的出气孔设在每个阴极板2的下方；方案2，设置一根管径较粗的曝气管4横穿所有阴极板2，在每个阴极板2的下方开有出气孔。曝气管4优选采用微孔曝气管。
反应器筒体1的材质为不锈钢，阴极板2的材质为不锈钢、钛或镍，阳极板3为DSA电极，主要为钛、锰、钴、贵金属钌、铱等的氧化物，基体为钛。
上述二氧化碳曝气电化学除垢装置的工作原理如下：
待处理水体由进水管8通入反应器筒体1，通过电流控制器6调整阴极板2和阳极板3间的电流密度至0～20mA/cm2，阴极板2附近发生氢离子还原反应，周围液体产生碱性环境，冷却循环水中的钙、镁等硬度离子发生如下化学反应：
HCO3 -+OH-→CO3 2-
Ca2++CO3 2-→CaCO3↓
Mg2++OH-→Mg(OH)2↓
生成的CaCO3和Mg(OH)2沉淀，部分附着于阴极板2表面，部分沉淀于反应器筒体1的底部，还有部分随水体经出水管9流出反应器筒体1；随着反应的进行，水体中的碳酸根浓度会逐渐降低；通过气体压缩机11、曝气管4向水体通入二氧化碳或含二氧化碳浓度较高的烟气，曝气强度0-2m3/m2·h，在阴极板2附近发生如下化学反应：
CO2+H2O→H2CO3
H2CO3+2OH-→CO3 2-+H2O
Ca2++CO3 2-→CaCO3↓
二氧化碳溶于水后，在阴极板2附近的碱性环境中反应生成碳酸根，碳酸根与钙离子继续反应生成CaCO3沉淀，促进钙离子的进一步去除；经过电化学除垢后，水体经出水口9流出反应器筒体1；在除垢的过程中，阴极板2表面积累了结垢物质，每隔1～2h，开启超声清洗器10，清洗10～20min，在超声和曝气的作用下，阴极板2表面的结垢物质脱落，沉淀在反应器筒体1的底部；根据结垢物质的沉积量，每隔2～12h打开排污管7，将沉淀物排出装置。
下面以采用本装置进行冷却循环水电化学处理为例，对本装置进行进一步地说明：
将冷却循环水从进水管8连续通入反应器筒体1的内，从出水口9流出反应器筒体1，通过电流控制器6调节极板间的电流密度为10mA/cm2。此时，阴极板2附近发生氢离子还原反应，并产生碱性环境，冷却循环水中的钙、镁等硬度离子生成CaCO3和Mg(OH)2沉淀，部分沉淀附着于阴极板2表面，部分沉降于反应器筒体1的底部，还有部分随水流出反应器筒体1。随着反应的进行，水体中的碳酸根离子浓度会逐渐下降，为了补充碳酸根离子，促进钙离子的沉淀反应，开启气体压缩机11，通过曝气管4向反应器内持续鼓入二氧化碳气体，曝气强度调至1m3/m2·h，二氧化碳溶于水后在阴极板2附近生成碳酸根离子，使得钙离子进一步沉淀去除。每隔1h开启超声清洗器10对阴极板2进行清洗，极板表面的结垢物质脱落，部分沉淀于反应器筒体1的底部。每隔6h打开排污管7将积累的结垢物质排出装置。重复上述过程，以实现对循环水的电化学处理。
需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式之一，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种二氧化碳曝气电化学除垢装置，其特征在于，包括反应器筒体(1)、若干阴极板(2)、若干阳极板(3)和曝气管(4)；反应器筒体(1)内部设有超声清洗器(10)，反应器筒体(1)下部设有排污管(7)，反应器筒体(1)上设有进水管(8)和出水管(9)，进水管(8)和出水管(9)与反应器筒体(1)内部连通；阴极板(2)和阳极板(3)设在反应器筒体(1)内部，阴极板(2)和阳极板(3)分别连接有电流控制器(6)；曝气管(4)一端伸入反应器筒体(1)内部，另一端与外部二氧化碳气源连接。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳曝气电化学除垢装置，其特征在于，反应器筒体(1)上设有若干电极接线柱(5)，阴极板(2)和阳极板(3)分别与对应的电极接线柱(5)连接，电极接线柱(5)与电流控制器(6)连接；阴极板(2)和阳极板(3)平行交替布置，且阴极板(3)的数量＝阳极板(2)的数量+1。
3.根据权利要求1所述的二氧化碳曝气电化学除垢装置，其特征在于，曝气管(4)的出气孔设在阴极板(2)的下方。
4.根据权利要求1所述的二氧化碳曝气电化学除垢装置，其特征在于，曝气管(4)为微孔曝气管。
5.根据权利要求1所述的二氧化碳曝气电化学除垢装置，其特征在于，超声清洗器(10)的发声平面与阴极板(2)和阳极板(3)的极板平面垂直。
6.根据权利要求1所述的二氧化碳曝气电化学除垢装置，其特征在于，反应器筒体(1)的下平面为漏斗式结构，排污管(7)设在漏口处。
7.根据权利要求1所述的二氧化碳曝气电化学除垢装置，其特征在于，进水管(8)设在反应器筒体(1)下部，出水管(9)设在反应器筒体(1)上部，进水管(8)和出水管(9)在反应器筒体(1)周向上间隔180°设置。
8.根据权利要求1所述的二氧化碳曝气电化学除垢装置，其特征在于，反应器筒体(1)的材质为不锈钢，阴极板(2)的材质为不锈钢、钛或镍，阳极板(3)为DSA电极。
9.采用权利要求1～8任意一项所述二氧化碳曝气电化学除垢装置进行电化学除垢的方法，其特征在于，包括：
将待处理水体由进水管(8)通入反应器筒体(1)，通过电流控制器(6)调整阴极板(2)和阳极板(3)间的电流密度，通过曝气管(4)向水体通入二氧化碳，经电化学除垢后的水体由出水管(9)排出反应器筒体(1)；超声清洗器(10)按预定周期进行清洗，结垢物质通过排污管(7)排出反应器筒体(1)。
10.根据权利要求9所述的二氧化碳捕集方法，其特征在于，阴极板(2)和阳极板(3)间的电流密度为0～20mA/cm2；二氧化碳的曝气强度为0～2m3/m2·h；超声清洗器(10)的预定周期为：每隔1～2h，清洗10～20min；每隔2～12h打开排污管(7)排出结垢物质。
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