CN111689552B

CN111689552B - 水处理设备及循环水系统

Info

Publication number: CN111689552B
Application number: CN202010693699.XA
Authority: CN
Inventors: 张春晖; 张鑫; 邵冲; 李韧; 吴盟盟
Original assignee: Zhongguancun Zhizhen Environmental Protection Co ltd
Current assignee: Zhongguancun Zhizhen Environmental Protection Co ltd
Priority date: 2020-07-17
Filing date: 2020-07-17
Publication date: 2025-01-24
Anticipated expiration: 2040-07-17
Also published as: CN111689552A

Abstract

本申请公开一种水处理设备及循环水系统，属于水处理技术领域。所公开的水处理设备包括反应箱、电极组件和供电模组，所述反应箱包括处理空间、进水口和出水口，所述进水口和出水口均与所述处理空间连通；所述电极组件设置于所述处理空间内，且所述电极组件包括间隔布设的第一电极部和第二电极部；所述供电模组的正极与所述第一电极部电连接，所述供电模组的负极与第二电极部电连接；其中，所述第一电极部和第二电极部均为钛铁银合金电极。上述方案能够解决目前的水处理设备存在的电极耐用性较差、去锈除垢效率较低的问题。

Description

水处理设备及循环水系统

技术领域

本申请属于水处理技术领域，具体涉及一种水处理设备及循环水系统。

背景技术

在工业生产活动中，为了降低成本损耗，通常需要使用工业循环水。工业循环水在长时间使用后，会存在氢氧化铁、碳酸钙和碳酸镁等污染物质，而这些污染物质会在循环管网中形成铁锈和水垢，会严重影响循环水系统的稳定性和经济效益，并存在安全隐患。

目前，电化学技术作为绿色环保的水处理技术，也被应用在工业循环水的去锈除垢处理上，尤其是以金属电极为核心的原位电化学修复技术。现有的水处理设备采用金属电极时，通常需要在金属电极的表面通过修饰涂覆钌铱等贵金属用于防腐，不仅成本较高，而且金属电极防腐层的制备通常采用化学沉淀法等修饰方法来实现，普遍存在涂覆不均匀、防腐材料易脱落等情况，而使得金属电极使用寿命较短；同时，上述的水处理设备在电化学过程中，污水中污染物的传质主要通过污染物的浓度梯度和污水自身的温度梯度引起的层流，传质速率较慢而影响到电化学反应效率，进而使得设备的去锈除垢效率较低。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种水处理设备，能够解决目前的水处理设备存在的电极耐用性较差、去锈除垢效率较低的问题。

为了解决上述技术问题，本申请是这样实现的：

一方面，本申请实施例提供一种水处理设备，其包括：

反应箱，所述反应箱包括处理空间、进水口和出水口，所述进水口和出水口均与所述处理空间连通；

电极组件，所述电极组件设置于所述处理空间内，且所述电极组件包括间隔布设的第一电极部和第二电极部；

供电模组，所述供电模组的正极与所述第一电极部电连接，所述供电模组的负极与第二电极部电连接；

其中，所述第一电极部和第二电极部均为钛铁银合金电极。

另一方面，本申请实施例提供一种循环水系统，其包括循环管网以及前述的水处理设备，所述水处理设备设置于所述循环管网上。

在本申请实施例公开的水处理设备中，第一电极部与供电模组的正极电连接，第二电极部与供电模组的负极电连接，进而能够在反应箱的处理空间中产生电化学催化氧化还原反应，并有效去除废水中的COD等污染物。

与此同时，第一电极部和第二电极部均为钛铁银合金电极，其中，钛电极成分具备较佳的防腐性能，可提升电极整体的防腐性能；铁电极和银电极在阳极的活性较高，能够显著提升电化学反应速率，且铁电极能够形成混凝剂，并将废水中的COD混凝后聚集、沉降，进而实现固液分离，银电极能够促使产生羟基自由基，用以取出铁锈，且也能够分解COD；在电化学反应速率加快的情况下，阴极区域更易形成强碱环境，将形成水垢的钙镁离子等沉淀析出。

相较于现有技术，本申请实施例公开的水处理设备无疑具备较佳的耐用性，且还具备较高的去锈除垢效率。

附图说明

图1为本申请实施例公开的水处理设备的结构示意图；

图2为本申请实施例公开的第一电极部(第二电极部)的结构示意图；

图3为本申请实施例公开的水处理设备的俯视图；

图4为本申请实施例公开的水处理设备的主视图；

图5为本申请实施例公开的水处理设备的侧视图；

附图标记说明：

100-反应箱、110-处理空间、120-进水口、130-出水口、140-安装部、150-排渣口、160-开口、

200-电极组件、210-第一电极部、220-第二电极部、230-外延耳部、231-电连接孔、

300-供电模组、400-第一电路、500-第二电路。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

以下结合附图，详细说明本申请实施例公开的技术方案。

请参考图1～图5，本申请实施例公开一种水处理设备，其能够对废水进行去锈、除垢、去污处理。所公开的水处理设备包括反应箱100、电极组件200和供电模组300。

其中，反应箱100是水处理设备的主体构件，其是水处理设备的部分结构的支撑安装基础。电极组件200为水处理设备的功能构件，供电模组300是水处理设备的赋能构件，电极组件200和供电模组300配合使用能够对废水进行电化学处理；供电模组300的类型有多种，例如外接电源、蓄电池等。在本实施例中，供电模组300通过电极组件200使得电流通过废水(相当于电化学质溶液)，即可在电极组件200的阳极产生氧化反应、在电极组件200的阴极产生还原反应，进而对废水的COD进行处理。

具体而言，反应箱100包括处理空间110、进水口120和出水口130，进水口120和出水口130均与处理空间110连通。应理解的是，处理空间110即是指对废水电化学反应(电化学过程)的实现区域，废水由进水口120进入到处理空间110，并在被处理之后由出水口130排出。

需要说明的是，由于反应箱100内需要进行电化学反应，因此通常情况下，反应箱100为绝缘结构件，也即，其具备绝缘效果。在本实施例中，反应箱100的类型有多种，举例来说其可以为PVC(即聚氯乙烯)树脂、混凝土等材质的反应箱。

在另一种具体的实施方式中，反应箱100可由有机玻璃制成，如此情况下，反应箱100不仅具备绝缘效果，而且有机玻璃具备透明特性，因此操作人员可清晰地观察处理空间110内的情况，以判断废水的处理情况。当然，为了使得反应箱100具备透明特性，还可以采用其他的材料，例如PC(即聚碳酸脂)树脂等。

电极组件200设置于处理空间110内，如前所述，电极组件200在处理空间110中对废水进行处理。同时，电极组件200包括间隔布设的第一电极部210和第二电极部220，如此，第一电极部210和第二电极部220均位于处理空间110内，且二者相距一定距离，以避免在分别进行电化学反应时出现干扰。

在本实施例中，供电模组300的正极与第一电极部210电连接，供电模组300的负极与第二电极部220电连接。应理解的是，如此设置下，第一电极部210即作为阳极存在，第二电极部220即作为阴极存在，在第一电极部210产生氧化反应，在第二电极部220产生还原反应。

第一电极部210和第二电极部220均为钛铁银合金电极。需要说明的是，由于钛电极具有较强的耐腐蚀性，因此其作为第一电极部210和第二电极部220的一部分，无疑能够提升它们的耐用性。

同时，由于铁电极在第一电极部210较为活跃，较容易失去电子而发生氧化反应，并被逐渐氧化为Fe³⁺，同时在第一电极部210处还存在如下反应：

2H₂O-2e^-→2OH·+2H⁺

可见，在第一电极部210水发生氧化反应，水分子失去电子被氧化为OH·(即羟基自由基)。OH·具有很强的氧化性，可将废水中的有机污染物和氨氮污染物分别氧化分解为二氧化碳和氮气，反应式如下：

COD+OH·→CO₂↑+H₂O

2NH₃+6OH·→N₂↑+6H₂O+6e^-

同样地，银电极在第一电极部210也较为活跃，其能够加快第一电极部210附近水的氧化反应，促使产生OH·，进而提升对废水中的COD和氨氮污染物的处理效果。

进一步地，由于处理空间110中存在较多的OH·，废水中的铁锈(主要成分为氢氧化铁)，OH·可将铁锈氧化为三氧化二铁，并最终氧化成四氧化三铁而沉淀，进而与废水实现固液分离，如此该水处理设备即可将废水中的铁锈杂质进行去除。

与此同时，在第二电极部220处水得到电子而发生还原反应，反应式如下：

2H₂O+2e^-→H₂+2OH^-

前述的Fe³⁺与OH^-生成氢氧化铁，氢氧化铁是絮凝剂，因此在其沉淀的过程中，会将水中的COD混凝后结块聚集一起沉淀，进而将部分污染物从废水中分离出来，如此就进一步地去除了废水中的COD。

结合前述，铁电极和银电极在第一电极部210的氧化反应起到促进作用，为了达到平衡，进而也加快了第二电极部220处还原反应的速率，由此第二电极部220附近会产生大量的OH^-，而使得第二电极部220附近成为强碱环境。由于废水中的水垢主要由钙镁离子形成，而此时废水中的钙镁离子会与OH^-结合，并形成氢氧化钙和氢氧化镁而在第二电极部220上结垢析出。

如上述反应过程，本实施例公开的水处理设备即对废水中的铁锈、水垢和污染物进行了去除清理。

在前述的实施方式中，处理空间110中会产生沉淀物聚集，为了避免造成处理空间110的拥挤，在可选的方案中，反应箱100还可以包括排渣口150，排渣口150与处理空间110连通。具体而言，在处理空间110内的沉淀物聚集到一定量时，可打开排渣口150，将沉淀物排出。沉淀物的排出可通过预设时间间隔进行，或者通过观察对处理空间110的内部情况进行检测获得沉淀物的体量在进行排出。

需要说明的是，在本实施例水处理设备使用的钛铁银电极中，其集合了单独的钛电极、铁电极和银电极的优点，钛电极使得钛铁银电极整体具备较佳的防腐性能，但是钛电极反应活性较差，而铁电极和银电极反应活性较佳，因此也使得钛铁银电极整体具备较佳的反应活性，如此钛铁银电极在电极主要的性能方面都拥有了较好的表现。

由上述说明可知，在本申请实施例公开的水处理设备中，第一电极部210与供电模组300的正极电连接，第二电极部220与供电模组300的负极电连接，进而能够在反应箱100的处理空间110中产生电化学催化氧化还原反应，并有效去除废水中的COD等污染物。

与此同时，第一电极部210和第二电极部220均为钛铁银合金电极，其中，钛电极成分具备较佳的防腐性能，可提升电极整体的防腐性能；铁电极和银电极在阳极的活性较高，能够显著提升电化学反应速率，且铁电极能够形成混凝剂，并将废水中的COD混凝后聚集、沉降，进而实现固液分离，银电极能够促使产生羟基自由基，用以去除铁锈，且也能够分解COD；在电化学反应速率加快的情况下，阴极区域更易形成强碱环境，将形成水垢的钙镁离子等沉淀析出。

为了使得水处理设备的处理效果达到最佳，在可选的方案中，钛铁银合金电极中各组分物质的量百分比可以为：Ti：62％～81％；Fe：16％～32％；Ag：3％～8％。

具体而言，在如此配比下，钛元素具有较高的占比，无疑能够显著提升整个电极的耐腐蚀性，进而具有较佳的耐用性；铁元素和银元素占比较少，但依然能够显著优化水处理设备的电化学反应速率，且能够通过生成氢氧化铁实现絮凝效果、以及在第二电极部220附近形成强碱环境。

在一种具体的实施方式中，钛铁银合金电极中各组分物质的量百分比可以为：Ti：70％；Fe：25％；Ag：5％。当然，本实施例未限制钛铁银合金电极中各组分的具体占比。

为了强化水处理设备的电化学反应，提升对废水的处理效果，在可选的方案中，电极组件200可以包括多个第一电极部210和多个第二电极部220，多个第一电极部210通过第一电路400与供电模组300电连接，也即是说，多个第一电极部210相互并联后再由第一电路400与供电模组300电连接；多个第二电极部220通过第二电路500与供电模组300电连接，且第一电极部210与第二电极部220依次交替布设，也即是说，多个第二电极部220相互并联后再由第二电路500与供电模组300电连接。

如此情况下，在处理空间110进行电化学反应的区域增大，水处理设备对废水的处理量增大，其处理能力增强的同时，进而能够提升废水处理后的洁净度。当然，本实施例未限制第一电极部210和第二电极部220的具体数量，如图1～图3所示，第一电极部210和第二电极部220均可设置为5个；二者也可以均设置为4个、6个或7个等。

通常情况下，第一电极部210和第二电极部220可以沿反应箱100内的水流方向布设。应理解的是，如此设置下，第一电极部210和第二电极部220会处于废水的流动方向上，废水基于运动惯性，会撞击在第一电极部210和第二电极部220上，而使得第一电极部210和第二电极部220能够最大限度地与废水接触，进而能够尽量避免废水未被处理就从反映空间110排出。因此，该实施方式无疑能够进一步地优化水处理设备的处理效果。

在本实施例中，第一电极部210和第二电极部220的形状可以有多种，例如第一电极部210和第二电极部220均为块状结构或杆状结构等。在另一种具体的实施方式中，第一电极部210可以为第一电极板，第二电极部220可以为第二电极板。

应理解的是，第一电极板和第二电极板作为板形结构，无疑具备更大平面布设面积，其能够在处理空间110内占据更多的空间，进而能够延及处理空间110内更大范围内的废水，并对这些废水进行电化学处理。如此可见，该实施方式无疑能够强化水处理设备的处理能力。

进一步地，第一电极板与第二电极板之间可以平行设置。如此设置下，多个第一电极板和多个第二电极板在实现间隔布设的基础下，且能够避免相邻的电极板因为偏斜而过于靠近，如此能够使得各个电极板分布得更为均匀，进而使得各电极板之间能够形成足够的间隔空间，该间隔空间能够容纳较多前述的沉淀物，就避免了沉淀物在电极板之间积聚而挤压电极板、造成损坏。

为了使得电极组件200安装得更为稳定可靠，在可选的方案中，反应箱100内可以设置有安装部140，电极组件200通过安装部140定位安装于处理空间110内。具体而言，安装部140能够对电极组件200进行限位约束，避免电极组件200错位移动、松脱等情况；当电极组件200与安装部140实现配合，即完成了在处理空间110内的安装。

在本实施例中，安装部140的类型有多种，例如安装部140可以为卡扣部，电极组件200可与安装部140卡扣配合。在另一种具体的实施方式中，安装部140可以为卡槽，第一电极部210和第二电极部220均嵌设于安装部140内。

应理解的是，当第一电极部210和第二电极部220位于安装部140内时，安装部140周围的部分能够包绕于第一电极部210和第二电极部220，并对第一电极部210和第二电极部220进行限位约束；当第一电极部210和第二电极部220出现偏斜或错位移动时，第一电极部210和第二电极部220就会与安装部140周围的部分相抵触，如此第一电极部210和第二电极部220就被限制于安装部140内，且保持预设安装状态不变。

本实施例未限制进水口120和出水口130在反应箱100的具体设置位置，其可以有多种，例如进水口120和出水口130设置于反应箱100相邻的端面上。在另一种具体的实施方式中，反应箱100可以具有相互背离的第一端面和第二端面，进水口120设置于第一端面，出水口130设置于所述第二端面。

应理解的是，由于第一端面与第二端面相背离，如此，由进水口120进入处理空间110的废水能够沿直线运动至出水口130，而废水沿直线传播明显比折弯运动速率更快，因此该实施方式能够确保水处理设备处于一个较高的处理效率；同时，如此设置下，也更有利于废水与电极组件200有更大的接触面积，来提升废水的处理量。

本实施例未限制进水口120和出水口130之间的设置关系，其可以有多种，例如，在反应箱100的高度方向上，进水口120设置于出水口130之下。而在另一种具体的实施方式中，在反应箱100的高度方向上，进水口120可以设置于出水口130之下。

应理解的是，如此设置下，废水在反应箱100内下进上出，也即逆流式流动方式，该实施方式有利于废水的传质。具体而言，废水由下向上运动，能够有效避免污染物向下沉积，并能够带动污染物向上运动而与电极组件200接触，以进行电化学反应。

在本实施例中，反应箱100的构型可以有多种，例如反应箱100为封闭壳体。在另一种具体的实施方式中，反应箱100可以具有开口160，开口160与处理空间110连通，第一电极部210和第二电极部220均设置有外延耳部230，外延耳部230通过开口160伸出至反应箱100之外，且第一电极部210通过外延耳部230与供电模组300电连接，第二电极部220通过外延耳部230与供电模组300电连接。

如此设置下，通过外延耳部230伸出于反应箱100之外，能够方便实现第一电极部210和第二电极部220与供电模组300的电连接，且在反应箱100之外，更便于操作；同时，基于开口160，操作人员还可以方便地观察到处理空间110内部的处理情况，以便于实施应对措施。

为了确保电极组件200与供电模组300的连接稳定性，第一电极部210和第二电极部220上可设置有电连接孔231，对应导电线缆可嵌设于电连接孔231，而实现可靠电连接。

需要说明的是，本实施例未限制水处理设备中各结构的具体尺寸，其可以根据实际处理需求来设置。

本实施例所公开的水处理设备具有优良的废水处理效果，在一些具体的应用例中：

(1)采用本实施例的水处理设备处理循环冷却水，废水中氢氧化铁浓度在20～30mg/L，钙、镁离子浓度总量为800～1200mg/L。电解30min后，废水中氢氧化铁浓度降至<1.0mg/L，钙、镁离子浓度总量低于20mg/L，处理效果良好。

(2)采用本实施例的水处理设备处理煤层气采出水，废水中氢氧化铁浓度在10～20mg/L，钙、镁离子浓度总量为1000～2000mg/L。电解60min后，氢氧化铁浓度降至<1.0mg/L，钙、镁离子浓度总量低于300mg/L，处理效果良好。

(3)采用本实施例的水处理设备处理页岩气采排水，废水中氢氧化铁浓度在10～20mg/L，钙、镁离子浓度总量为1000～2000mg/L。电解60min后，废水中氢氧化铁浓度降至<1.0mg/L，钙、镁离子浓度总量低于300mg/L，处理效果良好。

为了制备品质优良的钛铁银合金电极，本申请实施例还公开一种钛铁银合金电极的制备方法，所公开的钛铁银合金电极的制备方法包括如下步骤：

提供钛元素原料、铁元素原料和银元素原料。具体可选用纯度为99.6％海绵钛、99.9％纯铁和99.6％纯银作为原材料，它们均易于采购，较为便捷；对上述三种原材料进行配比，使得钛、铁和银三元素物质的量百分比为：Ti：62％～81％；Fe：16％～32％；Ag：3％～8％，具体地，可选为Ti：70％；Fe：25％；Ag：5％。当然，本实施例未限制钛铁银合金电极中三种成分原材料的具体类型。

将上述配比完成的三种原材料在第一熔炼装置中进行熔炼，并将三种原材料熔炼为铸锭。第一熔炼装置可选为非自耗真空电弧炉，本实施例不限制其具体类型。可选地，在熔炼时刻向第一熔炼装置中加入保护气体，以防止三种原材料在熔炼过程中被氧化；保护气体的类型有多种，通常可选为氮气，也可以为氩气等其他保护气体。

进一步地，在该步骤中，还可以翻转铸锭以使其上下面对调，并再次进行熔炼。熔炼和翻转操作可重复多次(如5次或6次)，以保证铸锭内各元素成分分布更为均匀，如此能够提升钛铁银合金电极的品质，进而能够在水处理设备中实现较优的去污效果。

在铸锭完成之后，将铸锭在第二熔炼装置中熔炼为合金液。第二熔炼装置可选为坩埚和电熔炉的组合，当然，本实施例不限制第二熔炼装置的具体类型。

最后，将合金液通过预设模具成型为预设尺寸的钛铁银合金电极。结合前述，预设模具可选用板形模具；而钛铁银合金电极的预设尺寸可根据实际工况来确定。

基于前述的水处理设备，本申请实施例还公开一种循环水系统，该循环水系统包括循环管网以及前述的水处理设备，水处理设备设置于循环管网上。基于水处理设备对铁锈、水垢和污染物的去除清理，其不仅能够对循环水中的污染物进行处理，还能够减少循环管网中的铁锈和水垢，进而避免铁锈和水垢附着于管壁上。因此，在现有技术中由于铁屑和水垢而产生的散热效果降低、机组高压报警乃至机组停机等问题都能够得到有效缓解。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。

Claims

1.一种水处理设备，其特征在于，包括：

反应箱（100），所述反应箱（100）包括处理空间（110）、进水口（120）和出水口（130），所述进水口（120）和出水口（130）均与所述处理空间（110）连通；

电极组件（200），所述电极组件（200）设置于所述处理空间（110）内，且所述电极组件（200）包括间隔布设的第一电极部（210）和第二电极部（220）；

供电模组（300），所述供电模组（300）的正极与所述第一电极部（210）电连接，所述供电模组（300）的负极与第二电极部（220）电连接；

其中，所述第一电极部（210）和第二电极部（220）均为钛铁银合金电极；

在所述反应箱（100）的高度方向上，所述进水口（120）设置于所述出水口（130）之下；

所述反应箱（100）还包括排渣口（150），所述排渣口（150）与所述处理空间（110）连通。

2.根据权利要求1所述的水处理设备，其特征在于，所述钛铁银合金电极中各组分物质的量百分比：

Ti：62%~81%；Fe：16%~32%；Ag：3%~8%。

3.根据权利要求1所述的水处理设备，其特征在于，所述电极组件（200）包括多个所述第一电极部（210）和多个所述第二电极部（220），多个所述第一电极部（210）通过第一电路（400）与所述供电模组（300）电连接，多个所述第二电极部（220）通过第二电路（500）与所述供电模组（300）电连接，且所述第一电极部（210）与所述第二电极部（220）依次交替布设。

4.根据权利要求1或3所述的水处理设备，其特征在于，所述第一电极部（210）和所述第二电极部（220）沿所述反应箱（100）内的水流方向布设。

5.根据权利要求3所述的水处理设备，其特征在于，所述第一电极部（210）为第一电极板，所述第二电极部（220）为第二电极板。

6.根据权利要求1或5所述的水处理设备，其特征在于，所述反应箱（100）内设置有安装部（140），所述电极组件（200）通过所述安装部（140）定位安装于所述处理空间（110）内。

7.根据权利要求6所述的水处理设备，其特征在于，所述安装部（140）为卡槽，所述第一电极部（210）和所述第二电极部（220）均嵌设于所述安装部（140）内。

8.根据权利要求1所述的水处理设备，其特征在于，所述反应箱（100）具有相互背离的第一端面和第二端面，所述进水口（120）设置于所述第一端面，所述出水口（130）设置于所述第二端面。

9.一种循环水系统，其特征在于，包括循环管网以及权利要求1至8中任一项所述的水处理设备，所述水处理设备设置于所述循环管网上。