摘要：電化學(xué)水處理技術(shù)是一種環(huán)境友好的新型水處理技術(shù)，本文介紹了電化學(xué)水處理技術(shù)的工作原理、工作流程，對(duì)比了電化學(xué)水處理設(shè)備投用前后的水質(zhì)變化。評(píng)估其取代傳統(tǒng)的以投加化學(xué)藥劑處理、提高濃縮倍數(shù)節(jié)水的可行性。從而在節(jié)水、節(jié)能、環(huán)保、系統(tǒng)化學(xué)性質(zhì)及腐蝕和結(jié)垢等方面實(shí)現(xiàn)有效穩(wěn)定控制，真正能達(dá)到節(jié)能減排的目的。

關(guān)鍵詞：電化學(xué); 水處理; 除垢; 殺菌

循環(huán)水系統(tǒng)是冶金工業(yè)、石油工業(yè)、化工工業(yè)以及建筑的空調(diào)系統(tǒng)必不可少的能源介質(zhì)之一。提高循環(huán)水的利用率將極大減緩用水壓力，然而減少循環(huán)水的排放，提高其濃縮倍數(shù)，必然會(huì)帶來(lái)管道和設(shè)備的結(jié)垢、腐蝕以及微生物大量滋生等問(wèn)題。目前，對(duì)于工業(yè)循環(huán)水處理系統(tǒng)，為減少因循環(huán)水中鹽類等的濃縮而對(duì)管道及設(shè)備造成的不利影響，普遍使用投加化學(xué)藥劑的方法來(lái)保持水質(zhì)穩(wěn)定[1]，以提高循環(huán)水系統(tǒng)的濃縮倍數(shù)。然而，這種方法所使用的藥劑昂貴，運(yùn)行成本高。電化學(xué)水處理技術(shù)利用水及水中礦物質(zhì)的電化學(xué)特性，通過(guò)調(diào)節(jié)水中礦物質(zhì)的平衡，解決了工業(yè)循環(huán)水的結(jié)垢、腐蝕、微生物滋生三大問(wèn)題，從根本上解決投加化學(xué)藥劑帶來(lái)的環(huán)境污染。

1電化學(xué)水處理技術(shù)的工作原理

電化學(xué)水處理技術(shù)的主要工作原理是利用電化學(xué)的氧化還原反應(yīng)，將水中的Ca2+、Mg2+以固體形式排除，降低水體的硬度，同時(shí)產(chǎn)生氧化性物質(zhì)，抑制循環(huán)水系統(tǒng)中菌藻的滋生，達(dá)到殺菌滅藻功能。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于電化學(xué)循環(huán)水處理技術(shù)的機(jī)理研宄主要集中在以下兩個(gè)方面：

1.1電化學(xué)除垢原理

在電流的作用下水在陰極發(fā)生電解反應(yīng)生成OH-，見(jiàn)式（1）、式（2）。由陰極反應(yīng)產(chǎn)生的OH-離子，打破陰極附近溶液中堿度與硬度的平衡，溶液中的HCO3-離子轉(zhuǎn)化為CO32-離子，見(jiàn)式（3）。同時(shí)水中的Ca2+、Mg2+等成垢離子在靜電引力的作用下向陰極區(qū)遷移，分別生成CaCO3、Mg(OH)2沉淀析出，見(jiàn)式（4）、式（5）。

（1）      O2+2 H2O+4e→4OH-

（2）     2H2O+2e→H2+2OH-

（3）     OH-+ HCO3-→CO32-+ H2O

（4）     Ca2++CO32-→CaCO3↓

（5）     Mg2++2OH-→Mg(OH)2↓

同時(shí)在電場(chǎng)的作用下，CaCO3在陰極板表面的結(jié)晶形式由堅(jiān)硬的方解石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為疏松的文石型結(jié)構(gòu)，更易于剝離去除[2-3]。

1.2電化學(xué)殺菌原理

研究者[4]認(rèn)為電化學(xué)消毒并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程，其包括了物理、化學(xué)和生物等多種作用機(jī)制與反應(yīng)歷程，可以認(rèn)為是多種因素共同作用完成的。其中主要涉及如電解氯化、活性基團(tuán)作用等。

在電場(chǎng)的作用下，水中的氯離子會(huì)被氧化成氯氣、次氯酸、次氯酸根等自由氯組分，見(jiàn)式（6）、式（7）、式（8）。一般認(rèn)為，電解氯化作用，主要通過(guò)次氯酸起作用。次氯酸為很小的中性分子，只有它才能擴(kuò)散到帶負(fù)電的細(xì)菌表面，并通過(guò)細(xì)菌的細(xì)胞壁穿透到細(xì)菌內(nèi)部。當(dāng)次氯酸到達(dá)細(xì)菌內(nèi)部時(shí)，能起氧化作用破壞細(xì)菌的酶系統(tǒng)而使細(xì)菌死亡。在電催化反應(yīng)中，通過(guò)電解水以及溶解在水中的氧氣在電極表面生成一些短壽命的中間產(chǎn)物，即臭氧（式9）、羥基自由基（式10）、過(guò)氧化氫（式11）和氧自由基（式12）等，這些強(qiáng)氧化性的物質(zhì)能使微生物細(xì)胞中的多種成分發(fā)生氧化，從而使微生物產(chǎn)生不可逆的變化而死亡。

（6）        2Cl- -2e→Cl2

（7）        Cl-+H2O-2 e→HClO +H+

（8）        Cl-+2OH-- 2 e→ClO+ H2O

（9）        O2 + 2OH--2e→O3+ H2O

（10）    OH- - e→OH0

（11）    2H2O- 2 e→H2O2 + 2H+

（12）    H2O -2 e→O0 + 2 H+

2 電化學(xué)水處理設(shè)備工作方式

2.1 電化學(xué)水處理設(shè)備的安裝

EST電化學(xué)水處理設(shè)備采用旁路安裝，在不改變現(xiàn)有工藝情況下，可以直接并聯(lián)在幾乎所有的現(xiàn)有循環(huán)水系統(tǒng)上處理單元相對(duì)緊湊，安裝場(chǎng)地占用面積小，不需要土建施工。

2.2電化學(xué)水處理設(shè)備工作流程

電化學(xué)水處理設(shè)備利用水垢預(yù)沉積和氯離子的氧化產(chǎn)物，用于工業(yè)循環(huán)冷卻水、中央空調(diào)循環(huán)水等，從而取代軟化樹(shù)脂或者化學(xué)藥劑解決結(jié)垢和微生物控制的問(wèn)題。其主要構(gòu)成部件有: 反應(yīng)室、陽(yáng)極、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、刮刀、進(jìn)出口、排污閥及控制部分等（見(jiàn)圖2）。

冷卻水在反應(yīng)室內(nèi)，經(jīng)過(guò)電化學(xué)作用發(fā)生下列反應(yīng)：（1）在陰極（反應(yīng)室內(nèi)壁）附近形成一個(gè)強(qiáng)堿性環(huán)境，使碳酸鈣從水中析出，與沉積的重金屬離子一起附著在內(nèi)壁上。（2）電流導(dǎo)致懸浮顆粒失穩(wěn)，形成較大絮體沉淀下來(lái)。（3）在陽(yáng)極附近，氯離子被電解氧化生成游離氯或者次氯酸。（4）在陽(yáng)極附近同時(shí)生成氫氧根自由基、氧自由基、臭氧和雙氧水，這些物質(zhì)進(jìn)一步強(qiáng)化了在反應(yīng)室內(nèi)和整個(gè)水系統(tǒng)的殺菌滅藻效果。（5）當(dāng)設(shè)備工作時(shí)間達(dá)到設(shè)定值或者水中電導(dǎo)率過(guò)高時(shí)，控制系統(tǒng)就啟動(dòng)自動(dòng)刮垢、排污和清洗程序。進(jìn)水閥門(mén)自動(dòng)關(guān)閉，同時(shí)排污閥門(mén)開(kāi)啟，電機(jī)啟動(dòng)刮刀刮掉反應(yīng)室內(nèi)壁的軟質(zhì)水垢，與沉淀物一起排出反應(yīng)室。然后進(jìn)水閥門(mén)開(kāi)啟，刮刀停止運(yùn)動(dòng)，將水垢和沉淀物徹底清洗干凈。大約2-5分鐘后，排污閥門(mén)自動(dòng)關(guān)閉，設(shè)備恢復(fù)正常工作。

2.3 投用前后循環(huán)水水質(zhì)比較

某企業(yè)實(shí)施循環(huán)水處理技術(shù)升級(jí)改造項(xiàng)目，使用山西芮海環(huán)?？萍加邢薰镜碾娀瘜W(xué)水處理設(shè)備一套，到目前為止該設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，循環(huán)水各項(xiàng)指標(biāo)均有明顯改觀，水質(zhì)明顯變清，透明度高，水垢去除看得見(jiàn)。設(shè)備自動(dòng)化程度高，運(yùn)行穩(wěn)定，與投加藥劑相比運(yùn)行費(fèi)用減少75%。設(shè)備投運(yùn)前、后循環(huán)水各項(xiàng)指標(biāo)平均數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表1。裝置投運(yùn)后，循環(huán)水總鐵離子質(zhì)量濃度逐步降低并趨于穩(wěn)定，循環(huán)水的總堿度、總硬度、Cl-濃度和電導(dǎo)率均有一定程度的降低。

3電化學(xué)水處理設(shè)備使用優(yōu)勢(shì)

（1）電解系統(tǒng)由微電腦控制，全自動(dòng)化操作，維護(hù)方便簡(jiǎn)單，占地面積小，重量輕，安裝方便靈活。

（2）免加化學(xué)水處理藥劑，綠色環(huán)保，無(wú)污染物排放，節(jié)水，節(jié)能，提高生產(chǎn)效率。與使用化學(xué)水處理藥劑比較，節(jié)水≥40%、節(jié)能≥23%、提高生產(chǎn)效率≥4%；綠色環(huán)保，排水經(jīng)過(guò)沉淀澄清即可循環(huán)利用。

（3）提高生產(chǎn)效率。電化學(xué)設(shè)備通過(guò)LSI、RSI軟件系統(tǒng)控制運(yùn)行，確保換熱器水側(cè)結(jié)垢物質(zhì)厚度在0.1mm左右。在防腐蝕同時(shí)，確保熱交換效率始終達(dá)到設(shè)計(jì)能力的98%以上，熱交換器3年內(nèi)不需要清洗。

（4）經(jīng)濟(jì)實(shí)用。單臺(tái)設(shè)備處理量50m3/h-100m3/h，電極壽命≥3年，殺菌滅藻效果是藥劑的10倍以上，設(shè)備投資回報(bào)周期在1年左右。

4結(jié)論與展望

電化學(xué)循環(huán)水技術(shù)的研究與應(yīng)用，取代了用添加化學(xué)藥劑方式處理循環(huán)水，從源頭上解決了循環(huán)水污染的根本問(wèn)題，一方面讓循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，另一方面徹底解決循環(huán)水排污引起的環(huán)保問(wèn)題，節(jié)約藥劑費(fèi)用，節(jié)約補(bǔ)充水費(fèi)用的同時(shí)，節(jié)省巨額的污水處理與排放費(fèi)用；優(yōu)化循環(huán)水系統(tǒng)的同時(shí)，大幅度降低企業(yè)污水系統(tǒng)的巨額投資與運(yùn)行費(fèi)用，有著極其重要的環(huán)保與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

面對(duì)越來(lái)越嚴(yán)峻的水資源危機(jī)與水污染現(xiàn)狀，電化學(xué)水處理設(shè)備將具有很高的優(yōu)越性和應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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