电解水除垢处理及工作原理解析

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：当应用电解水处理设备进行除垢时，一般是将电解水处理设备作为一个旁流管路装置增设在循环冷却水管道上，与循环冷却水管道并联运行。为了解电解水装置的工作原理，下面结合电解水实验，了解电解水装置如何引起CaCO3水垢在处理装置内部的阴极板上结垢的。因此，在电解过程中应及时清除阴极界面处CaCO3水垢，否则随着CaCO3水垢的积累，CaCO3水垢的析出速度将减缓，不利于电解水处理设备的连续运行。

当应用电解水处理设备进行除垢时，一般是将电解水处理设备作为一个旁流管路装置增设在循环冷却水管道上，与循环冷却水管道并联运行。当循环冷却水流过电解水处理设备时，水中部分碳酸钙沉积在阴极板上，只要定期清除这些沉积在阴极板上的碳酸钙沉淀物，即可有效降低旁流部分的循环冷却水中的硬度和碱度。电解水处理设备安装在循环冷却水系统中的旁流管路示意图，如图7-7所示。

图7-7 电解水处理设备在循环冷却水系统中旁流管路示意图

1—电解水处理设备 2—换热器 3—循环水泵 4—调节阀门 5—冷却塔 6—原循环冷却水管路 7—电解水旁流管路

在电解水处理旁流管路中，电解水处理装置相当于一个水质软化器，起到降低循环冷却水硬度和碱度的作用。为了达到降低循环冷却水系统水质硬度和碱度的目的，电解水处理装置要尽可能多地除掉水中的致硬离子Ca²⁺、Mg²⁺离子，降低水中的碱度。

为了解电解水装置的工作原理，下面结合电解水实验，了解电解水装置如何引起CaCO₃水垢在处理装置内部的阴极板上结垢的。实验装置如图7-8所示。其中，阳极板采用钛基涂钌不溶性金属板，阴极板采用不锈钢板（1Cr18Ni9Ti），两板规格50×100× 1.0mm³，电解池为3L烧杯，参比电极为饱和甘汞电极（SCE），水质的总硬度400mg/L，总碱度200mg/L（均以CaCO₃计），pH=7.19，水温15℃。

图7-8 电解水实验装置

当两极板间施加直流电压，在两极板间产生静电场，逐渐增高电压，此时相对于饱和甘汞电极（SCE）的阴极极化曲线如图7-9所示。

图7-9 阴极极化曲线

在阴极与水界面发生两个电极反应：

当极化电位正于-700mV（SCE）时，发生溶解氧还原反应，见式（7-19）。当电位负于-1200mV（SCE）时，氢气析出反应逐渐显著起来，如式（7-20）。由于两种反应都产生OH^-，使阴极板表面附近的pH上升，离子增多，导致Ca²⁺、Mg²⁺离子结晶析出，发生如下反应：

一个电解池内电化学氧化还原反应能够发生，必须有电子作为氧化还原剂，从而产生电子传递过程，这一过程可以是阴极反应。反过来，电子传递也可以是阳极过程，阳极电极表面失去电子被氧化。

1.pH与通过电量的关系

水质的pH随通过电量的变化，如图7-10所示。

图7-10 阴极板上pH随通过电量的变化

由图7-10可见，开始时pH迅速上升，当电量＞0.2C/cm²、pH＞9以后变化趋于平缓。即电解池阴极板表面的pH随着通过电量的增加趋于平缓。

上述原因主要是由于CaCO₃水垢不断结晶析出造成的。由式（7-21）可见，由于式右边的减少引起左边的OH^-的消耗。由此可知，当电解进行一段时间后，阴极界面处CaCO₃水垢的析出速度将趋于一个常数。根据资料表明，电解时阴极上的离子浓度可达水中的8倍。因此，在电解过程中应及时清除阴极界面处CaCO₃水垢，否则随着CaCO₃水垢的积累，CaCO₃水垢的析出速度将减缓，不利于电解水处理设备的连续运行。

2.阴极板上的平均垢量与电流密度间的关系

以不同的电流密度通电60min，单位阴极板上的平均垢量，如图7-11所示。

图7-11 不同电流密度下阴极板上的平均垢量

由图7-11可见，阴极板上的结垢量与电流密度之间并非线性关系，存在一个最佳电流密度。实验中的最佳电流密度0.5mA/cm²时，单位面积上的垢量约0.8mg/cm²。电流密度过低，生成的OH^-较少，阴极板面pH增高不多，CaCO₃结晶析出量较少；而电流密度过大，反应式（7-20）产生出大量氢气，气泡上升时将析出的晶粒带走，使板上的结垢量减少。显微镜下观察发现，电流密度低时，结出的垢层均匀致密。电流密度大时垢层疏松，晶粒分散，证实了上述分析。

3.电解时间与阴极板上平均垢量的关系

电解时间与阴极板上垢量的关系，如图7-12所示。其中，电流密度1.25mA/cm²。

图7-12 电解时间与阴极结垢量

图7-12显示，电解时间＜5min，极板上基本无垢，为结晶孕育期，电解时间≤60min，结垢量随电解时间增加呈线性增加，电解时间＞60min后结垢速度约0.01mg/（cm²·min）。阴极板上的结垢量与电解时间基本成正比关系。

4.阴极垢量与水质硬度的关系

在保持水的总硬度与总碱度之比不变情况下，阴极垢量与水质总硬度的关系，如图7-13所示。实验中电流密度0.25mA/cm²，通电时间60min。

图7-13 阴极垢量与水质硬度的关系

由图7-13可见，阴极板上的结垢量随着水质的总硬度增加呈线性增加。

5.水质流动状态对阴极垢量的影响

搅拌对阴极垢量影响较大，在水体静止和300r/min转数的搅拌下，发现有无搅拌可使阴极垢量相差4倍以上。搅拌速度太快，阴极板面的积垢会被水流冲刷掉；搅拌速度太慢，水中离子来不及向极板扩散。实验中还发现，不同材料的阴极板结垢量不同。另外，阴极板表面光洁度越高越不容易结垢。

上述实验用水与工业上实际运行的循环冷却水有两点不同：一是水质流动状态不同。实验中的水质处于静止状态，而实际运行的循环水处于流动状态；二是系统的开放与封闭状态不同。上述实验过程是一个封闭系统，水中离子随着结垢量而减少。而实际运行的循环水是处于开放状态的，由于开放状态下补充水的注入，水中各种离子浓度基本保持恒定，不会随着运行时间而减少。因此，上述实验结论不能简单地推广到实际工业循环冷却水系统中，但应用电解水装置进行除垢处理时，首先要进行实验这种方法值得借鉴。如应用电解水装置除垢时，需要加多大的电压，是电解中遇到的首要问题。其次，电解过程中，电解液中除了盐类离子外还有水解离出来的H⁺和OH^-，在所施加电压下，那种离子首先在阳极或阴极发生氧化或还原反应。电解水装置运行过程中，阴极板上结垢量与结垢速率的测定，以及水垢清除时间间隔等，均需要通过实验进行验证。在实验中试的基础上，取得实验数据，设置电解水设备的最佳运行参数。

电解水除垢处理及工作原理解析

相关推荐