CN114180677A - 一种电化学除垢装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水处理技术领域，公开了一种电化学除垢装置，该装置由阴极反应区、阳极反应区和集垢区三部分组成。在一定的电流电压下，装置内部的多通道纳米尖端阴极表面产生纳米、微气泡均匀的分布在电极表面和液相中，实现了垢的液相成核，然后在气泡和流体双重作用下，形成含有水垢颗粒的气液固混合相并且汇集到液相表层，随着溶液的流动垢的混合相在集垢区收集。该装置首次利用电极产生的纳米、微气泡成核结垢的原理，将其应用于电化学除垢装置中，实现了电化学除垢装置在实际水处理以及软化水过程中电极的抗结垢功能，保证电化学除垢装置的连续运行。

Description

一种电化学除垢装置
技术领域
本发明属于水处理技术领域，特别涉及一种电化学除垢装置。
背景技术
结垢现象在具有换热器、输送管道、冷却泵的循环水系统中非常普遍。它会堵塞管路、减低换热设备的传热效率、造成设备的腐蚀以及浪费能源。为此开发了一系列的软化水体的技术包括机械法、物理法、化学法、超声波法以及电化学方法等。电化学技术被认为是一种“绿色”的软化水体技术，因为其反应过程中不需要向水体中添加任额外的试剂，也不会产生副产物造成水体的二次污染，并且该技术不受处理环境和条件的影响，可以广泛使用于各个场合。
电化学水软化的主要原理是通过在电极上施加一定的电压，在阴极与水的界面处生成大量氢氧根离子，促使碳酸氢根离子转化成碳酸根离子，使阴极附近的碳酸钙和氢氧化镁过饱和而析出。析出分为成核和晶体生长两个部分，成核一般发生在电极表面，因此碳酸钙和氢氧化镁析出后附着在电极表面。专利申请号为202110431015.3的中国发明专利公开了一种采用电化学来软化水体并同步制备碳酸钙晶须的方法，通过阶段性的电解来达到软化水体的目的。同样，参考文献Multi-meshes coupled cathodes enhancedperformance of electrochemical water softening system也通过调控电极形式和参数优化实现了相同的目的。但是以上工作都是将水垢结在了电极表面，虽然成功的软化了水，但是沉积在电极上的水垢不导电，影响电极性能和使用寿命，增加能耗甚至完全阻断电化学反应。为了解决这一问题，多种脱垢方法已被研究，专利号为200620032114.5的中国专利公开了一种倒极运行的电化学反应器，利用倒极的方式使阴极水垢脱落；申请号为200910059929.0的中国发明专利循环水电解除垢装置及除垢方法则采用超声波进行自动除垢清洗；此外，申请号为202110581157.8的中国发明专利一种旋转电化学连续除垢装置和申请号为202110715978.6的中国发明专利一种具备除垢功能的电化学水处理设备则使用刮刀物理剔除电极表面上的水垢。
上述方法的本质都是将已经覆盖在电极表面的垢移除，都不具备自我除垢能力，在使用一段时间后阴极表面产生的水垢只能增加额外的设备进行脱垢，或者将装置停止后采用物理方法或者人工形式清理垢层。这也使得电化学技术的使用过程变得繁琐，增加了额外的处理成本，限制了电化学技术的应用。
发明内容
本发明旨在提供一种电化学除垢装置。该装置克服了传统电化学水处理装置在实际水处理过程中电极结垢以及电化学软化水体过程中电极结垢的难题，利用多通道电极的纳米尖端结构，将阴极产生的气泡控制在纳米、微米尺寸，这些纳米、微气泡不断从电极表面释放，一方面阻止了水垢在电极表面成核，另一方面扩散到溶液的纳米、微气泡作为垢的成核点位，使成核远离了电极表面，而不是附着在电极表面。而且纳米、微气泡作为成核位点，形成的垢晶体难以长大，容易附着在气泡表面上浮到水面。该装置首次利用氢气泡成核结垢的原理，将其应用于电化学水处理装置中，实现了电化学装置在实际水处理以及软化水过程中电极的抗结垢功能，保证电化学装置的连续运行。
一种电化学除垢装置，包括阴极反应区6、阳极反应区2和集垢区，阴极反应区6和阳极反应区2之间通过挡板18隔开；阴极槽盖9和阳极槽盖11分别与挡板18连接，然后与装置外壳10和固定螺丝8构成电化学除垢装置的框架结构；
所述阴极反应区6为结垢、脱垢功能区，主要由多通道纳米尖端阴极19和阴极槽盖9组成，阴极槽盖9下方设有进水口16；多通道纳米尖端阴极19束缚在胶垫4之间，且多通道纳米尖端阴极19与外接的阴极接线柱15相连接；
所述阳极反应区2主要由丝网阳极17、阳极槽盖11和集垢槽外壁20组成，丝网阳极17束缚在胶垫4之间置于阳极反应区2内，且与外接的阳极接线柱12相连接，阳极槽盖11上方设有出水口13；
所述集垢区主要由溢流筒5、集垢槽3、排垢板7和刮板1组成；集垢区置于密封盖14上，溢流筒5为半圆柱体结构，且多通道纳米尖端阴极19靠近阴极槽盖9的一部分电极延伸至溢流筒5并与之相切，溢流筒5最上端位置与出水口13孔径最低位置处于同一水平高度；集垢槽3主要由倾斜板和集垢槽外壁20组成，倾斜板一侧端与溢流筒5相连接，另一侧端与集垢槽外壁20相连接；集垢槽3的出口端与排垢板7相连；刮板1紧贴于集垢槽外壁20和集垢槽3表面；
所述的密封盖14固定于丝网阳极17与非延伸部分的多通道纳米尖端阴极19之间形成的空腔上方；多通道纳米尖端阴极19靠近阴极槽盖9一侧和丝网阳极17靠近阳极槽盖11一侧的溶液与空气相通，使得装置内部的溶液呈“凹”型分布。
所述多通道纳米尖端阴极19和阴极槽盖9之间的距离为0.3～10.0cm。
所述多通道纳米尖端阴极19是以内部具有连续通道结构的材料为基础，然后经过刻蚀、阳极氧化、模板法、喷涂或电泳方法在其表面制备出具有纳米尖端结构覆盖的电极。
所述具有连续通道结构的材料是金属丝网，金属丝网的孔径范围为0.001～2mm；或是含有多通道结构的泡沫碳、多孔碳、纳米碳，通道等效直径为0.001～2mm。
所述金属丝网为铁、铜、铝、钛、锌、镍、不锈钢、合金。
所述泡沫碳、多孔碳、纳米碳是纤维素、木质素、碳纳米管、碳纳米棒、玻璃纤维以及煅烧过的生物质材料。
所述溢流筒5最上端位置与出水口13孔径最低位置处于同一水平高度，且高于多通道纳米尖端阴极19和丝网阳极17最高位置0.2～5cm。
与现有技术相比，本发明一种电化学除垢装置的特点在于：
(1)利用具有纳米结构的通道电极产生的纳米微气泡作为垢的成核位点和运输载体。
(2)该装置在实际水处理和软化水的过程中，抑制了电极表面结垢的难题，从而保证了该装置不间断运行。
(3)该装置采用flow-through的流通方式，克服了序批式反应装置在实际应用过程中混合不均匀，存在滞留区，需要间歇性排空和填充反应装置等问题。
(4)该装置设计巧妙，便于放大和规模化使用，可作为单元结构实现实际应用。
(5)该装置还可以广泛应用于各种实际水的处理以实现总氮去除、杀菌，降解有机污染物、分盐等目标。
附图说明
图1为多通道纳米尖端阴极扫描电镜图。
图2为本发明电化学除垢装置的出水口方向(a)和进水口方向(b)斜视图。
图3为本发明电化学除垢装置的剖面示意图。
图4为本发明电化学除垢装置处理实际水过程中垢的存在形式。
图中：1.刮板、2.阳极反应区、3.集垢槽、4.胶垫、5.溢流筒、6.阴极反应区、7.排垢板、8.固定螺丝、9.阴极槽盖、10.装置外壳、11.阳极槽盖、12.阳极接线柱、13.出水口、14.密封盖、15.阴极接线柱、16.进水口、17.丝网阳极、18.挡板、19.多通道纳米尖端阴极、20.集垢槽外壁。
具体实施方式
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定，基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种多通道纳米尖端阴极的制备方法如下：
(1)铜丝网基底的预处理：将孔径为1mm的铜丝网放入到0.5mol/L的盐酸中去除表现氧化层，之后在乙醇溶液中超声处理10min，然后再1mol/L的氢氧化钠溶液中浸泡30min去除材料表面的污染物。
(2)阳极氧化：然后在恒温40℃，2mol/L的氢氧化钠电解液中，控制电流密度为15mA/cm2，阳极氧化10min后即得到纳米尖端阴极，如图1所示。
结合图2、3说明本发明具体实施方式，将具有纳米尖端结构的铜丝网通过翻折、叠加的方式构建成多通道纳米尖端阴极19，然后将多通道纳米尖端阴极19夹在胶垫4之间后放入到阴极反应区6，以钛丝网为基底的负载钌铱钛活性层的材料做丝网阳极17，按照图2、3所示内容组装好电化学除垢装置。将硬度为1500mg/L冷却循环水从装置进水口16持续注入，调节电化学除垢装置的流速为10mL/min(水力停留时间30min)，设置电流密度10mA/cm2，此时，致密的气泡存在于多通道纳米尖端阴极表面和溶液中，经过一段时间后，溶液的pH值由最初的5.6升为13.5，此时溶液中出现了脱离阴极表面的固液气混合相，上浮至溶液表面发生团聚，如图4所示，并在集垢槽收集。将集垢槽3中的混合相烘干后做XPS和EDS表征后得到该物质主要元素为Ca、Mg、C、O，通过XRD分析判断垢的主要成分为方解石晶体和文石晶体的碳酸钙。经过该电化学除垢装置的处理，出水中硬度的去除率为55％。
实施例2
按照实施例1的方式制备多通道纳米尖端阴极19和组装电化学除垢装置。将硬度为4400mg/L，TN为80mg/L的养殖循环水从装置进水口16持续注入，调节电化学反应装置的流速为5mL/min(水力停留时间60min)，设置电流密度30mA/cm2，经过一段时间处理后，溶液的pH值由最初的6.9升为13.8，溶液中出现了脱离阴极表面的固液气混合相，上浮至溶液表面发生团聚，并在集垢槽收集，出水中硬度的去除率为50％，总氮的去除率95％。

Claims (8)

1.一种电化学除垢装置，其特征在于，该电化学除垢装置包括阴极反应区(6)、阳极反应区(2)和集垢区，阴极反应区(6)和阳极反应区(2)之间通过挡板(18)隔开；阴极槽盖(9)和阳极槽盖(11)分别与挡板(18)连接，然后与装置外壳(10)和固定螺丝(8)构成电化学除垢装置的框架结构；
所述阴极反应区(6)为结垢、脱垢功能区，主要由多通道纳米尖端阴极(19)和阴极槽盖(9)组成，阴极槽盖(9)下方设有进水口(16)；多通道纳米尖端阴极(19)束缚在胶垫(4)之间，且多通道纳米尖端阴极(19)与外接的阴极接线柱(15)相连接；
所述阳极反应区(2)主要由丝网阳极(17)、阳极槽盖(11)和集垢槽外壁(20)组成，丝网阳极(17)束缚在胶垫(4)之间置于阳极反应区(2)内，且与外接的阳极接线柱(12)相连接，阳极槽盖(11)上方设有出水口(13)；
所述集垢区主要由溢流筒(5)、集垢槽(3)、排垢板(7)和刮板(1)组成；集垢区置于密封盖(14)上，溢流筒(5)为半圆柱体结构，且多通道纳米尖端阴极(19)靠近阴极槽盖(9)的一部分电极延伸至溢流筒(5)并与之相切，溢流筒(5)最上端位置与出水口(13)孔径最低位置处于同一水平高度；集垢槽(3)主要由倾斜板和集垢槽外壁(20)组成，倾斜板一侧端与溢流筒(5)相连接，另一侧端与集垢槽外壁(20)相连接；集垢槽(3)的出口端与排垢板(7)相连；刮板(1)紧贴于集垢槽外壁(20)和集垢槽(3)表面；
所述的密封盖(14)固定于丝网阳极(17)与非延伸部分的多通道纳米尖端阴极(19)之间形成的空腔上方；多通道纳米尖端阴极(19)靠近阴极槽盖(9)一侧和丝网阳极(17)靠近阳极槽盖(11)一侧的溶液与空气相通，使得装置内部的溶液呈“凹”型分布。
2.根据权利要求1所述的一种电化学除垢装置，其特征在于，所述多通道纳米尖端阴极(19)和阴极槽盖(9)之间的距离为0.3～10.0cm。
3.根据权利要求1或2所述的一种电化学除垢装置，其特征在于，所述多通道纳米尖端阴极(19)是以内部具有连续通道结构的材料为基础，然后经过刻蚀、阳极氧化、模板法、喷涂或电泳方法在其表面制备出具有纳米尖端结构覆盖的电极。
4.根据权利要求3所述的一种电化学除垢装置，其特征在于，所述具有连续通道结构的材料是金属丝网，金属丝网的孔径范围为0.001～2mm；或是含有多通道结构的泡沫碳、多孔碳、纳米碳，通道等效直径为0.001～2mm。
5.根据权利要求4所述的一种电化学除垢装置，其特征在于，所述金属丝网为铁、铜、铝、钛、锌、镍、不锈钢、合金。
6.根据权利要求4所述的一种电化学除垢装置，其特征在于，所述的泡沫碳、多孔碳、纳米碳是纤维素、木质素、碳纳米管、碳纳米棒、玻璃纤维以及煅烧过的生物质材料。
7.根据权利要求1、2、4-6任一所述的一种电化学除垢装置，其特征在于，所述溢流筒(5)最上端位置与出水口(13)孔径最低位置处于同一水平高度，且高于多通道纳米尖端阴极(19)和丝网阳极(17)最高位置0.2～5cm。
8.根据权利要求3所述的一种电化学除垢装置，其特征在于，所述溢流筒(5)最上端位置与出水口(13)孔径最低位置处于同一水平高度，且高于多通道纳米尖端阴极(19)和丝网阳极(17)最高位置0.2～5cm。
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