CN111087051A - 一种高效型电化学预结垢水处理装置 - Google Patents
一种高效型电化学预结垢水处理装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种高效型电化学预结垢水处理装置，包括封闭式箱体，在封闭式箱体长度方向上分布有阳极定位连接轴、阳极板、阴极板及刮刀，刮刀固定在刮刀架上，阳极板固定于阳极定位连接轴上，阴极板固定于中心轴上；阳极定位连接轴、刮刀架、中心轴固定于封闭式箱体上；在封闭式箱体宽度方向上，一侧开进水口，另一侧开出水口与排污口，封闭式箱体顶部开有排气孔。本发明的装置的出现将逐渐改变现有循环水系统运行模式，即投加化学药剂，推动循环水系统的处理方式朝着清洁环保节能的方向发展。
Description
技术领域
本发明属于环保设备技术领域，具体是一种高效型电化学预结垢水处理装置，以高效率预先去除水体中成垢离子的电化学水处理装置，尤其适用于钙离子、镁离子含量较高的状况。
背景技术
工业上诸多领域都离不开循环水，循环水在热交换的过程中极易形成水垢，水垢是一种导热性极差的物质，水垢的存在会大大降低换热设备的传热效率，导致燃料消耗量增加，耗费了大量的能源，对环境造成污染；结垢的同时还会伴随着腐蚀，会缩短设备使用寿命，甚至可能产生爆炸，从而引发安全事故。水垢的存在极大的困扰了企业，清理水垢的工作复杂而繁琐，不仅需要拆卸设备和管道，还需停工停产，也耗费了大量人工成本。
目前，现有的除垢方法主要有水预处理法、物理法、化学法等，其中水预处理法采用离子交换设备可提前置换出水中的成垢离子，但该设备需定期更换交换介质，且工作效率不稳定。物理法常采用电磁或强磁处理的方法，阻止水中成垢离子结合生成水垢，但该方法阻垢除垢效果市场普遍反映不佳。化学法主要是向循环水中投加化学药剂来阻止水垢生成，该方法耗费成本过高，且容易造成二次污染。
随着电化学处理技术在各个领域的大规模推广，电化学预结垢处理技术逐步发展起来，出现了种类众多的电化学预结垢设备，具有明显的除垢效果，不过效果无法达到预期值。究其原因在于现有电化学预结垢设备处理量太小，多台联用时波动性大且占地面积较大，普适性不强。基于此，亟需研发制造一种高效型电化学预结垢水处理装置，提升预结垢的稳定性与效率。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种高效型电化学预结垢水处理装置。为了达到以上目的，本发明提供如下技术方案：
一种高效型电化学预结垢水处理装置，包括封闭式箱体，在封闭式箱体长度方向上分布有阳极定位连接轴、阳极板、阴极板及刮刀，所述刮刀固定在刮刀架上，所述阳极板固定于阳极定位连接轴上，所述阴极板固定于中心轴上；所述阳极定位连接轴、刮刀架、中心轴固定于封闭式箱体上；在封闭式箱体宽度方向上，一侧开进水口，另一侧开出水口与排污口，封闭式箱体顶部开有排气孔。
进一步的，所述阳极板包括左半阳极板、右半阳极板，所述左半阳极板与右半阳极板结构相同且对称设置，所述阳极板形状包括但不限于半圆形或矩形；所述左半阳极的靠近右半阳极一侧的中心处设有半圆形的凹槽；所述凹槽用于穿过中心轴，凹槽与中心轴的位置相对应；所述阳极板上设有上下对称设置的两个穿孔；且穿孔用于穿过阳极定位连接轴，穿孔与阳极定位连接轴的位置相对应；所述阳极定位连接轴设置4根。四个小孔用于穿过阳极定位连接轴，便于阳极的精确定位，还可实现对阳极起到支撑作用。两个对称设置的凹槽用于穿过中心轴。
本发明的进一步的技术方案为：所述中心轴设置1根，所述阴极板的中心处设有通孔，所述通孔用于穿过中心轴，所述通孔与中心轴的位置相对应。
本发明的进一步的技术方案为：所述阳极定位连接轴、刮刀架、中心轴通过外部螺栓固定于封闭式箱体上。
本发明的进一步的技术方案为：所述阳极板基材为钛板，所述阳极板的中心半圆环形部分双面镀钌铱、铱钽或铂金贵金属。
本发明的进一步的技术方案为：封闭式箱体内部阴极板、阳极板依次交替排列安装。根据不同领域、不同水质状况的处理需求，阴极、阳极数量与装置大小可实现针对性调整。
本发明的进一步的技术方案为：所述出水口位于进水口的上方，所述排污口位于进水口的下方。
本发明的进一步的技术方案为：每片阴极板的内外两侧均对应一个刮刀，两者紧密接触，最外侧两片阴极只有内侧对应有刮刀。
本发明的进一步的技术方案为：所述刮刀为V形刮刀，刮刀片底端通过沟槽式连接方式与刮刀架通过卡槽安装在刮刀架上，所述刮刀的一端设有卡接部，所述刮刀架上设有卡接凹槽，所述卡接部与卡接凹槽配合连接。可以有效清理预先结垢水处理设备中附着在设备内壁的水垢，这种V形刮刀使用简单，在刮垢的过程中会自动把水垢集中在一起。
本发明的工作原理及有益效果：阳极板、阴极板为装置效果发生的主体。阳极板为中心对称的圆形或方形结构，该结构通过连接轴连接，连接轴同时起到导电作用，方便拆装，操作方便，并且减轻设备重量和耗材。刮刀用于对在阴极产生的垢层进行机械去除，刮刀架用于准确固定刮刀。中心轴用于固定所有阴极并起到导电作用，中心轴转动便带动阴极板转动。进水口、出水口、排污口用于装置运行过程中的进水、出水及排污过程。
封闭式箱体作为一个反应室而存在，待处理水通过进水口进入设备，处理后经出水口进入下级系统，排污口用于将装置产生的污垢排出。
高效型电化学预结垢水处理装置组装完成后，将作为一个整体进行安装，无特殊要求。装置运行时，待处理水通过进水口进入设备，待处理水经过设备处理后通过出水口流出。运行过程中通直流电，阳极板通过阳极定位连接轴导电，阴极板通过中心轴导电。阴极板在中心轴的带动下进行转动，在运行过程中阴极板上会持续产生垢层，刮刀与阴极板紧密接触可将产生的垢层刮除。电解过程中会产生部分氢气、氯气，将通过封闭式箱体顶端的排气口排出。
装置内部进出水正常后接入直流电，同时外接电机驱动中心轴持续缓慢转动，转速控制在4～15r/h，最佳控制为8r/h。运行一段时间后，打开排污口进行排污，根据水质情况不同，排污周期有所不同，一般控制在1~2次/d。排污时，进水口、出水口不关闭，排污时间持续120s后排污口关闭。排污口连接有电动球阀，通过设备控制程序进行控制。
附图说明
图1为本发明的内部结构图；
图2阳极板结构示意图；
图3阴极板结构示意图；
图4装置进出水示意图；
图5 顶部结构示意图；
图6刮刀俯视图；
图7刮刀主视图。
其中：1、箱体；2、阳极定位连接轴；3、阳极板；4、阴极板；5、刮刀；6、刮刀架；7、中心轴；8、进水口；9、出水口；10、排污口；11、排气孔；12、卡接部；13、卡接凹槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明创造提出一种高效型电化学预结垢水处理装置，可高效去除水体中存在的钙离子、镁离子，装置本身因处理效率高，可适用于各类需要去除钙离子、镁离子的领域。装置内部阴极、阳极依次交替排列安装，阴级、阳极正对面积大且占地面积小；同时，根据不同领域、不同水质状况的处理需求，阴极、阳极数量与装置大小可实现针对性调整，阳极数量最多为20片。为保证效果，高效型预结垢装置间还可实现组合搭配使用。阴极板和阳极板的数量可根据实际需要自行选择，这里将以10片阴极、9片阳极组成的高效型电化学预结垢水处理装置作为主要介绍对象。
如图所示，高效型电化学预结垢水处理装置以一个封闭式箱体1为主体，在长度方向上分布有阳极定位连接轴2、阳极板3、阴极板4及刮刀5，所有刮刀5固定在刮刀架6上，阳极板3固定于阳极定位连接轴2上，阴极板4固定于中心轴7上。封闭式箱体1内部阴极板4、阳极板3依次交替排列安装。根据不同领域、不同水质状况的处理需求，阴极、阳极数量与装置大小可实现针对性调整。在封闭式箱体1宽度方向上，一侧开进水口8，另一侧开出水口9与排污口10，封闭式箱体1顶部开有排气孔11。每片阴极板4的内外两侧均对应一个刮刀5，两者紧密接触，最外侧两片阴极只有内侧对应有刮刀5。阳极板3包括左半阳极板、右半阳极板，左半阳极板与右半阳极板结构相同且对称设置，阳极板形状包括但不限于半圆形或矩形；左半阳极的靠近右半阳极一侧的中心处设有半圆形的凹槽；凹槽用于穿过中心轴7，凹槽与中心轴7的位置相对应；阳极板上设有上下对称设置的两个穿孔；且穿孔用于穿过阳极连接轴，穿孔与阳极定位连接轴2的位置相对应；阳极连接轴设置4根。四个小孔用于穿过阳极连接轴，便于阳极的精确定位，还可实现对阳极起到支撑作用。两个对称设置的凹槽用于穿过中心轴7。中心轴7设置1根，阴极板4的中心处设有通孔，通孔用于穿过中心轴7，通孔与中心轴7的位置相对应。
封闭式箱体作为一个反应室而存在，待处理水通过进水口进入设备，处理后经出水口进入下级系统，排污口用于将装置产生的污垢排出。阳极板上的四个小孔用于通过阳极定位连接轴，便于阳极的精确定位，还可实现对阳极起到支撑作用。阳极板、阴极板为装置效果发生的主体。阳极板为中心对称的圆形或方形结构，该结构通过连接轴连接，连接轴同时起到导电作用，方便拆装，操作方便，并且减轻设备重量和耗材。刮刀用于对在阴极产生的垢层进行机械去除，刮刀架用于准确固定刮刀。中心轴用于固定所有阴极并起到导电作用，中心轴7转动便带动阴极板转动。进水口、出水口、排污口用于装置运行过程中的进水、出水及排污过程。
高效型电化学预结垢水处理装置组装完成后，将作为一个整体进行安装，无特殊要求。装置运行时，待处理水通过进水口进入设备，待处理水经过设备处理后通过出水口流出。运行过程中通直流电，阳极板通过阳极定位连接轴导电，阴极板通过中心轴导电。阴极板在中心轴的带动下进行转动，在运行过程中阴极板上会持续产生垢层，刮刀与阴极板紧密接触可将产生的垢层刮除。电解过程中会产生部分氢气、氯气，将通过封闭式箱体顶端的排气口排出。阳极定位连接轴、刮刀架、中心轴通过外部螺栓固定于封闭式箱体上。
装置内部进出水正常后接入直流电，同时外接电机驱动中心轴持续缓慢转动，转速控制在4～15r/h，最佳控制为8r/h。运行一段时间后，打开排污口进行排污，根据水质情况不同，排污周期有所不同，一般控制在1~2次/d。排污时，进水口、出水口不关闭，排污时间持续120s后排污口关闭。排污口连接有电动球阀，通过设备控制程序进行控制。
其中，阳极和阴极是中心对称结构，也可以是镂空的，不仅限于以上描述的结构。
实施例1：
如图所示，封闭式铁质封闭式箱体1大小为L*W*H=1200mm*1000mm*1100mm，由前、后、左、右、上、下共六块板材组成，主体材质为Q235B碳钢，碳钢板厚度为6.5mm。封闭式箱体外部做防腐处理，经打磨抛光、喷砂、上底漆、上面漆工艺后完成；封闭式箱体内部做绝缘处理，将3mmPE板紧密固定于封闭式箱体内部，将水与钢材隔离。
阳极定位连接轴2上下共4根整体长度为1400mm，实心圆轴状，外径为15mm，316不锈钢材质。轴的两端攻外螺纹，螺纹部分长度均100mm，用于将轴固定在封闭式箱体1上，同时便于接电。
阳极板3以圆形为例，阳极板为中心对称结构，一组阳极板为两个片半圆结构，中心开圆孔半径为50mm，圆形镀层半径为250mm，两圆为同心。在每片半圆上开有两个孔，攻内螺纹，每个圆孔半径均为7.5mm，孔中心距离圆弧边缘距离均为37.5mm。两个孔中心距离直径位置距离均为37.5mm。阳极板3基材为钛板，厚度3mm；中心圆环形部分双面镀钌铱、铱钽或铂金贵金属，涂层厚度在0.2～5μm。
阴极板4呈圆板状，中心开圆孔半径为45mm，圆板部分半径为250mm，两圆为同心。基材为316不锈钢或高锰钢，表面做抛光处理，厚度为3mm。
刮刀5固定于刮刀架6上，呈片状，厚度1mm，宽度10mm，长度290mm，材质为316不锈钢或高锰钢。每片阴极板4的内外两侧均对应一个刮刀5，刮刀与相邻电极片紧密贴合，有利于垢的去除。最外侧两片阴极只有内侧对应有刮刀。
如图6-7所示的刮刀结构，刮刀为V形刮刀，刮刀片底端通过沟槽式连接方式与刮刀架通过卡槽安装在刮刀架上，刮刀的一端设有卡接部12，刮刀架上设有卡接凹槽13，卡接部与卡接凹槽配合连接。可以有效清理预先结垢水处理设备中附着在设备内壁的水垢，这种V形刮刀使用简单，在刮垢的过程中会自动把水垢集中在一起。刮刀是一排排列，这是一组，一排有多组，这样方便拆装和替换，不易变形。
刮刀架6中心距离底板685mm，整体长度为1350mm，刀架为圆轴状，实心，外径为30mm，316不锈钢材质。轴的两端攻外螺纹，螺纹部分长度均为75mm，均、用于将轴固定在封闭式箱体1上，封闭式箱体1宽度方向中心线上距离底板685mm处，开孔半径为15mm，两端各一个。
中心轴7中心距离底板350mm，整体长度为1600mm，实心圆轴状，外径为90mm，316不锈钢材质，轴需抛光处理。轴的两端攻外螺纹，螺纹部分长度均为200mm，用于将轴固定在封闭式箱体1上，封闭式箱体1宽度方向中心线上距离底板350mm处，开孔半径为45mm，两端各一个。
进水口8大小为DN150，孔中心为长度方向中心线上距离底板550mm处，连接有长为750mm的316不锈钢管，钢管内径150mm，钢管外端焊接有DN150的法兰。
出水口9大小为DN300，孔中心为长度方向中心线上距离底板750mm处，连接有长为100mm的316不锈钢管，钢管内径300mm，钢管外端焊接有DN300的法兰。
排污口10大小为DN100，孔中心为长度方向中心线上距离底板6mm处，连接有长为50mm的316不锈钢管，钢管内径100mm，钢管外端焊接有DN100的法兰。
排气孔11共5个，每个孔呈长方形，大小均为900mm*50mm，一个孔的中心恰好处于顶端的中心，其他四个孔以此为基准依次排布，每两个孔间距均为100mm。
阳极板3与阴极板4的间距均为50mm。装置运行时为常压运行，因而上端开有排气孔；出水口9的最低处为电极的最高处，更好的保证了电极的工作稳定性。
阴极板4中心孔与中心轴7大小匹配，通过键槽式连接可以实现紧密连接，两者材质均为316不锈钢，通电时只需将阴极连接中心轴7即可，为不发生绕线，通过套筒进行导电，实现中心轴7转动而套筒不转动，进而导电。阳极板5通过阳极定位连接轴8进行，具体接线方式为并联式接线。
高效型电化学预结垢水处理装置阴极、阳极紧密排列且为正对分布，电阻变小，保证了电流分布的稳定性，最终实现处理效率的最大化。运行时控制电压为12～24V，设计电流为600～800A，实际电流视水流速度、水质电导率、温度有所变动。装置应用在工业循环冷却水系统中时高电流不仅可以高效去除钙离子、镁离子，还可以集中产生大量强氧化物，如：臭氧、氧自由基、羟基自由基和双氧水，实现杀菌灭藻与缓蚀功能。
相较于同类型电化学预结垢设备，本装置在提升工作效率的同时，缩小了设备相对体积，减少了排污水量。为保证待处理水经进水口8进入装置后的处理效果，这里将封闭式箱体设计的比较大，在宽度方向上两端均留有243.5mm的空间，实现减少水流速度的目的，从而保证了设备的处理效果。
高效型电化学预结垢水处理装置工作原理包括：
1）待处理水进水封闭式箱体后，发生电化学反应，阴极板附近产生大量的氢氧根离子，使该区域形成强碱性环境（pH大约为10），让易结垢的离子预先结垢，附着于阴极板上。主要化学反应方程如下：
2H2O+2e- → H2+2OH- CO2+OH- → HCO3 -
HCO3 -+OH- → CO3 2-+H2O CO3 2-+ Ca2+ → CaCO3↓（水垢）
2）在阳极板附近，经电化学反应氯离子转化成游离氯，同时产生微量臭氧、氧自由基、羟基自由基和双氧水，这些产物均具备强氧化性，结合电流及局部高和低（阳极）pH值，使产品具有杀菌灭藻的效果。主要化学反应方程如下：
O2+2OH-→ O3+H2O+2e- 2Cl-→ Cl2+2e-
Cl- → Cl0+e- 2H2O → H2O2+2H++2e-
具体实施情况、实施结果：
高效型电化学预结垢水处理装置应用在循环水系统中时，主要根据一定周期内循环水中钙离子、氯离子的变化趋势反应处理效果；在应用于脱盐水站浓缩液处理、中水回用处理、污水处理、油田回注水处理时，主要根据一次性处理时钙离子、镁离子的变化趋势反应处理效果。为更好的体现装置长期运行效果，这里以装置应用于循环水系统时的状况做说明。现有一套工业循环冷却水系统，系统保有水量3000 m3；循环水量为10000 m3/h；运行浓缩倍数为3。在采用一套高效型电化学预结垢水处理装置（9片阳极，钌铱阳极，高锰钢阴极，电流为600A，电压为12V，转速为8r/h）以后，运行三个月，循环水系统浓缩倍数稳定控制为6，循环数系统钙硬度、氯离子均得到有效控制。
表1 关键离子浓度变化趋势
| 项目 | 原系统 | 一周 | 两周 | 一个月 | 三个月及以后 |
| 钙硬度（mg/L） | 520 | 420 | 370 | 330 | ≤300 |
| 氯离子（mg/L） | 400 | 350 | 320 | 300 | ≤290 |
钙硬度的有效控制可以降低系统的结垢倾向，可以提高换热效率，保障系统运行的稳定性。氯离子含量的减少，将大大降低管道及换热器的腐蚀情况，延长系统的运行时间。
有益效果
高效型电化学预结垢水处理装置主要用于除钙离子、镁离子，尤其适用于化工循环水处理、电厂循环水处理、脱盐水站浓缩液处理、中水回用处理、污水处理、油田回注水处理过程中的去除钙离子、镁离子。
本装置应用于工业循环水处理时不仅可以实现钙离子、镁离子的去除，还可实现杀菌灭藻及缓蚀的作用，完全取代现有投加化学药剂控制循环水运行的方式。与此同时，装置在运行过程中还可以提高循环水系统运行过程中的浓缩倍数，浓缩倍数的提高将大大降低补充水量与排污水量，从而减少补充水费用及排污水处理费用。装置的出现将逐渐改变现有循环水系统运行模式，即投加化学药剂，推动循环水系统的处理方式朝着清洁环保节能的方向发展。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种高效型电化学预结垢水处理装置，其特征在于：包括封闭式箱体(1)，在封闭式箱体(1)长度方向上分布有阳极定位连接轴(2)、阳极板(3)、阴极板(4)及刮刀(5)，所述刮刀(5)固定在刮刀架(6)上，所述阳极板(3)固定于阳极定位连接轴(2)上，所述阴极板(4)固定于中心轴(7)上；所述阳极定位连接轴(2)、刮刀架(6)、中心轴(7)固定于封闭式箱体(1)上；在封闭式箱体(1)宽度方向上，一侧开进水口(8)，另一侧开出水口(9)与排污口(10)，所述封闭式箱体(1)顶部开有排气孔(11)；所述阳极板(3)包括左半阳极板、右半阳极板，所述左半阳极板与右半阳极板结构相同且对称设置，所述阳极板呈半圆形或矩形；所述左半阳极的靠近右半阳极一侧的中心处设有半圆形的凹槽；所述凹槽用于穿过中心轴(7)，所述凹槽与中心轴(7)的位置相对应；所述阳极板上设有上下对称设置的两个穿孔；且穿孔用于穿过阳极定位连接轴(2)，所述穿孔与阳极定位连接轴(2)的位置相对应；所述阳极定位连接轴(2)设置4根。
2.如权利要求1所述的一种高效型电化学预结垢水处理装置，其特征在于：所述中心轴(7)设置1根，所述阴极板(4)的中心处设有通孔，所述通孔用于穿过中心轴(7)，所述通孔与中心轴(7)的位置相对应。
3.如权利要求1所述的一种高效型电化学预结垢水处理装置，其特征在于：所述阳极定位连接轴(2)、刮刀架(6)、中心轴(7)通过外部螺栓固定于封闭式箱体(1)上。
4.如权利要求1所述的一种高效型电化学预结垢水处理装置，其特征在于：所述出水口(9)位于进水口(8)的上方，所述排污口(10)位于进水口(8)的下方。
5.如权利要求1所述的一种高效型电化学预结垢水处理装置，其特征在于：所述阳极板基材为钛板，所述阳极板的中心半圆环形部分双面镀钌铱、铱钽或铂金贵金属。
6.如权利要求1所述的一种高效型电化学预结垢水处理装置，其特征在于：封闭式箱体(1)内部阴极板(4)、阳极板(3)依次交替排列安装。
7.如权利要求1所述的一种高效型电化学预结垢水处理装置，其特征在于：每片阴极板(4)的内外两侧均对应一个刮刀(5)，最外侧两片阴极只有内侧对应有刮刀(5)。
8.如权利要求7所述的一种高效型电化学预结垢水处理装置，其特征在于：所述刮刀(5)为V形刮刀(5)，所述刮刀(5)片通过沟槽式连接方式与刮刀架(6)通过卡槽安装在刮刀架(6)上，所述刮刀(5)的一端设有卡接部(12)，所述刮刀架(6)上设有卡接凹槽(13)，所述卡接部(12)与卡接凹槽(13)配合连接。
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