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          直流電解技術在循環水處理中的應用研究


            一、概述
            在鋁工業生產中,為節約水資源,許多設備的冷卻水均采用循環水進行冷卻。循環水系統分為密閉式和敞開式兩大類,無論是密閉式還是敞開式循環系統,水在長期循環使用過程中都會引起結垢、菌藻滋生和腐蝕等問題[1],這些問題的存在嚴重影響了系統的效率,同時也縮短了設備的使用壽命,嚴重時會造成生產和安全事故[2,3]。因此針對循環水水質的處理也成為一個十分重要的課題。
            二、 循環水水質處理方法對比
            為了防止結垢、菌藻滋生和腐蝕所產生的危害,需要對水質進行處理。目前較為常見的水質處理方法包括:軟化法、藥劑法和直流電解法,這些方法的原理、效果和特點見表1:由表1可以看出,軟化法效果單一,并且存在加速腐蝕風險;化學法效果明顯,但清潔性差,維護管理繁瑣,經濟性能不高;直流電解法具有高效、清潔、管理簡便、經濟性能好的特點[4]。
            三、直流電解法工作原理
            直流電解處理工藝是通過直流電解過程中發生的電化學反應來實現除垢、殺菌滅藻和防腐蝕效果,其工作原理如下:
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            直流電解過程中陰極會發生析氫反應生成氫氧根離子,使陰極區域產生強堿性環境,促使水中鈣鎂離子發生沉淀,其具體反應過程如下:
            陰極反應:
            沉淀反應:
            上述反應會使水中鈣鎂硬度沉積在電解反應器陰極表面,然后通過倒極電解或機械刮除的方式使其從陰極脫落并從設備中排出,使水中鈣鎂離子濃度不斷降低。當鈣鎂離子濃度低于沉淀溶解平衡濃度時,管道和換熱器表面所結碳酸鈣垢就會不斷溶解,從而實現系統除垢,其反應過程如下:
            水垢溶解:
            水垢溶解形成的鈣鎂離子又被電解去除,從而實現系統徹底除垢。
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            直流電解工藝采用具有電催化性能的特殊陽極,在直流電解過程中由于陽極催化作用會產生活性氯、活性氧、自由基等物質,具體反應過程如下:
            析氯反應:
            自由基生成反應:
            電解過程中陽極產生的活性氯、活性氧和自由基具有極強的氧化性,對水中的菌藻類微生物具有強烈的殺滅作用,從而防止菌藻滋生和生物粘泥附著。由于自由基類物質氧化還原電位很高,能夠避免各種微生物產生抗藥性。
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            防止生物腐蝕:由于電解過程能實現除垢和避免菌藻滋生,因此能有效防止垢下腐蝕和硫細菌、鐵細菌等引起的點蝕、孔蝕。
            四、實驗結果分析
            本次實驗選用沈陽艾柏瑞環境科技有限公司的ZD系列設備對循環水水質進行處理,該設備通過直流電解使陰極結垢,當陰極結構達到一定厚度時停止電解,啟動刮渣裝置,通過機械動作刮除陰極上所結的碳酸鈣垢,使其從陰極上脫落,落入電解反應器底部,然后通過開啟排垢閥排入儲垢槽。排垢結束后,重新進行電解除垢過程。除垢及殺菌滅藻實驗結果分別見圖1及圖2。
            由圖1可以看出:在設備安裝初期,系統中硬度迅速降低,半個月后系統硬度維持在20~30mmol/L;運行一個月后,系統水垢濃度進一步降低,并保持在一個較低的濃度,表明系統原有硬垢排放基本完成,而系統達到了硬度補給和排垢平衡。
            由圖2可以看出:在設備安裝前幾天中系統中細菌總數迅速降低,此后系統細菌總數一直保持在102~103CFU/L水平,表明直流電解處理設備具有良好的殺菌滅藻效果,抑制系統粘泥滋生和腐蝕。
            五、結論

            通過以上的分析表明,直流電解法作為一種新型技術應用在水循環系統的除垢及殺菌滅藻領域具有重要作用,可明顯改善系統傳熱效率,降低系統運行能耗和水耗;不需投加任何化學藥劑,環境清潔性極高。隨著該技術的研究進一步深入,直流電解技術在循環水處理領域必將具有更廣闊的應用前景。




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