复合网状阴极增强电化学水软化系统性能研究
栾谨鑫 1 , 李鑫浩 1 , 王立达 1 , 孙文 1 , 王耀伟 2 , 周英正 3 , 邓海涛 3 , 陈帅 3 , 何少辉 3 , 刘贵昌 , 1
Research on enhanced performance of electrochemical water softening system by multi-meshes coupled cathodes
Luan Jinxin 1 , Li Xinhao 1 , Wang Lida 1 , Sun Wen 1 , Wang Yaowei 2 , Zhou Yingzheng 3 , Deng Haitao 3 , Chen Shuai 3 , He Shaohui 3 , Liu Guichang , 1
摘要
针对工业循环冷却水系统中低除垢速率限制电化学水软化技术应用的问题，采用多层不同孔径金属丝网耦合的复合网状阴极增强电化学水软化系统性能。结果表明：采用复合阴极的水软化系统除垢速率高达29.16g/（m2 ·h），能量消耗低至6.0 kW·h/kgCaCO3 。系统性能的提升归因于阴极特殊的结构，该结构可将化学反应（碱度产生和水垢沉积）分离和定位到复合网状阴极的不同区域，从而提高了除垢速率。
关键词：
阴极 电化学水软化 循环冷却水
Abstract
The application of electrochemical water softening technology was limited in industrial circulating cooling water systems, due to its low descaling rate. The multi-meshes with different apertures coupled cathodes were used to enhance the performance of the electrochemical water softening system. Experimental results showed that the highest descaling rate of the electrochemical water softening system reached 29.16 g/(m2 ·h), and the energy consumption was down to 6.0 kW·h/kgCaCO3 . The improvement of the system performance is attributed to the special structure of the cathode. The chemical reaction(alkalinity generation and scale deposition) can be located in different regions of the cathode, thus increasing the scale removal rate.
Keywords：
cathode electrochemical water softening circulating cooling water
本文引用格式
栾谨鑫, 李鑫浩, 王立达, 孙文, 王耀伟, 周英正, 邓海涛, 陈帅, 何少辉, 刘贵昌. 复合网状阴极增强电化学水软化系统性能研究 . 工业水处理 [J], 2020, 40(2): 67-70 doi:10.11894/iwt.2019-0051
Luan Jinxin. Research on enhanced performance of electrochemical water softening system by multi-meshes coupled cathodes . Industrial Water Treatment
循环冷却水系统的结垢问题一直是工业生产中面临的巨大技术挑战〔1 〕 。目前，主要采用加入阻垢剂的方法对循环冷却水系统水体中的钙镁离子进行络合和分散，以防止系统结垢。此种方法尽管有效，但大量的成垢离子仍存在于水体中〔2 〕 。当外界条件改变时，这些成垢离子会以水垢的形式在换热壁面上析出，从而造成一系列严重后果。近年来，电化学水软化技术因其环境友好性和操作方便性引起人们的广泛关注，同时该技术可将循环水中的成垢离子浓度降低至不会在换热表面沉积的水平，可从根本上解决水垢沉积问题。然而，除垢速率低和能量消耗高严重阻碍了该技术的应用〔3 〕 。本研究设计了一种复合网状阴极，该阴极可以显著提高电化学水软化系统的除垢速率，且去除单位质量水垢所需的能耗更低，其可为电化学水软化技术的开发和应用提供一种简便易行的方法。
1 实验方法
1.1 复合网状阴极的结构
本研究电化学水软化系统采用复合网状阴极。该阴极由7层不同孔径304不锈钢编织网构成，7层网相互连接，紧密固定在一起，孔径尺寸分别为2.36、1.70、0.85、0.30 mm。如图1 所示，阴极以0.30 mm孔径网为中心，2.36、1.70、0.85 mm孔径网依次对称放置在0.30 mm孔径网的两侧。
图1
图1
阴极结构示意
a—0.85 mm孔径网；b—1.70 mm孔径网；c—2.36 mm孔径网；d—0.30 mm孔径网。
1.2 实验装置
实验装置采用电化学水软化反应器和水槽串联的方式。待处理的水从水槽泵出，由反应器下部入口进入反应器，平行流过阴极和阳极表面，并经反应器上部出口回流至水槽。在容积为3.2 L的反应器中平行排列7个13.6 cm×10 cm的形稳阳极（DSA）和6个相同尺寸的阴极，相邻阴极和阳极间距为0.8 cm。50 L模拟循环水溶液储存在水槽中，该溶液是将一定质量的CaCl2 （分析纯）和NaHCO3 （分析纯）溶解于去离子水中制备而成，水质硬度和碱度均为350 mg/L（以CaCO3 计，下同）。实验过程中溶液保持25 ℃恒温。
1.3 分析方法
通过水槽中水质硬度的变化来评估除垢速率。硬度采用EDTA滴定法测定，溶液总碱度采用盐酸滴定法测定，电导率和pH分别使用电导率仪（FiveEasy FE30，Mettler Toledo，分辨率0.01 μS/cm）和pH/ISE测量仪（PXSJ-216，Inesa，China）测量。同时通过Ryznar稳定指数（RSI）评估模拟循环水的结垢倾向〔4 〕 。
2 结果与讨论
2.1 流速对电化学水软化过程的影响
图2 显示了电流密度为18.4 A/m2 时，不同流速下溶液硬度和稳定指数随时间的变化。
图2
由图2 可以看出，不同流速下，实验进行480 min后，硬度从350 mg/L均降至100 mg/L以下，RSI从5.2上升到8.5以上，这说明水质由高结垢倾向变为高腐蚀倾向。此外，随着流速的增加，除垢速率呈现先增加后减小的变化趋势，并于300 L/h达到最佳的水软化效果。原因如下：当流速＜300 L/h时，提高流速可以提高传质速率，进而提高除垢速率；但当流速＞300 L/h后，阴极表面的碱性环境受到高速水流的干扰，水垢无法在阴极表面快速沉积。
2.2 电流密度对电化学水软化过程的影响
电流密度是影响电化学水软化系统处理效果的关键因素。图3 显示了流速为300 L/h时，不同电流密度下溶液硬度和稳定指数随时间的变化。
图3
图3
电流密度对溶液硬度（a）和稳定指数（b）的影响
由图3 可以看出，电流密度越高，硬度下降越快。但当电流密度由24.5 A/m2 增至30.6 A/m2 时，硬度的变化逐渐减小。这是由于由电流密度增加而产生的过量OH- 不能显著提高除垢速率，此时除垢速率受到钙离子和碳酸氢根离子的扩散速率控制；此外电流密度增加也增加了阴极区域其他副反应的发生，这也是造成电流效率下降的原因之一。因此，在处理具有低硬度和碱度的水时，提高电流密度不会显著提高系统的水软化性能。
2.3 电化学水软化系统的除垢速率和能耗
除垢速率和能耗（kW·h/kgCaCO3 ）是电化学水软化系统的主要性能参数。将50 L模拟循环水处理到水质稳定状态，该过程的除垢速率和能量消耗如图4 所示。
图4
图4
流速（a）和电流密度（b）对除垢速率和能耗的影响
由图4 可以看出，当流速为300 L/h时，除垢速率最高，可达25.9 g/（m2 ·h），能量消耗仅为3.25 kW·h/kgCaCO3 。此外，除垢速率和能量消耗的增加与电流密度的增加基本上呈线性关系，增加电流密度，在除垢速率提高的同时，也增加了能量消耗。
本研究结果与其他采用不锈钢板状阴极的研究结果对比见表1 。
由表1 可以看出，本研究系统具有更好的水软化性能，除垢速率高达29.16 g/（m2 ·h），能量消耗低至6.0 kW·h/kgCaCO3 。本系统在具有更高的除垢速率的同时，所消耗的能量又远低于其他研究结果。
2.4 复合阴极工作机理
电化学水软化技术的核心是通过电解水在阴极表面产生高碱性环境，同时在阴极表面发生水垢沉积反应。
(1)
(2)
(3)
(4)
电化学沉积之前和之后的复合网状阴极及沉积后组成阴极的金属丝网宏观形貌如图5 所示。
图5
图5
电化学沉积之前和之后的复合网状阴极及沉积后组成阴极的金属丝网宏观形貌
（a）—电化学沉积之前复合网状阴极；（b）—电化学沉积之后复合网状阴极；（c）、（d）、（e）、（f）—分别为电化学沉积之后的0.85、1.70、2.36、0.30 mm孔径网。
由图5 可以看出，经过电化学水软化后，大量的白色水垢沉积在阴极表面，且水垢主要沉积在复合网状阴极的外层（0.85、1.70 mm孔径网），而在阴极的内层（2.36、0.30 mm孔径网）几乎没有水垢沉积。这表明，在水软化过程中阴极每层金属丝网所起的作用存在明显差异。阴极各层网相互连接，由于阴极的多层网状结构，相邻网之间存在电场屏蔽现象，电场线在阴极各层网分布并不均匀，电流在阴极各层网上重新分配，因此流经阴极各层网的电流密度不同，导致阴极各层网之间存在电位差。为探究水软化过程中阴极工作机理，对阴极各层网的表面电位进行了监测。在水软化过程开始时，阴极外层电位低于内层电位，较低的电位意味着较高的电流密度以及较高的产生碱度速率。在电解过程中，0.85、1.70 mm孔径网的电位和电流密度几乎恒定，而外层（0.85、1.70 mm孔径网）的表面逐渐被水垢覆盖，用于产生碱度的面积逐渐减小，因此通过外层的电流逐渐减小，阴极外层上产生OH- 的速率降低。此外，2.36、0.30 mm孔径网的电位逐渐降低，流经内层的电流密度逐渐增加。从图5 可以看出，几乎没有水垢沉积在内层（2.36、0.30 mm孔径网）表面。因此，通过内层的电流增加，内层产生碱度的反应逐渐增强。
根据上述分析，复合网状阴极的工作原理可总结如下：在水软化过程的初始阶段，产生碱度的反应主要发生在阴极外层，外层表面OH- 浓度最高并向阴极外部溶液扩散。外部溶液中的钙镁离子在电场的作用下迁移到阴极外层并发生水垢沉积反应。然而随着水软化过程的进行，外层逐渐被水垢覆盖，产生碱度的反应逐渐从外层转移到阴极的内层。在水软化过程的后期，阴极内层产生的OH- 浓度最高。大量的OH- 从内层向阴极外部溶液扩散，且钙镁离子从外部溶液向阴极的内层迁移，这些离子在阴极的外层接触并反应。此外，在外层上预先沉积的水垢提供了成核表面可以加速随后的水垢沉积。总的来说，复合网状阴极削弱了阴极表面碱度产生和水垢沉积之间的竞争，通过阴极的外层和内层所起到的作用的不同建立了自协同效应。该协同效应是通过将化学反应（碱度产生和水垢沉积）分离和定位到复合网状阴极的不同区域来构建。一旦阴极的外层被水垢覆盖，就会在干净的内层上产生碱度。上述过程维持阴极区域的高碱性环境的同时也降低了阴极失活速率和能量的消耗。在整个水软化过程中，水垢的沉积主要发生在阴极的外层上，且在水软化的后期来自内层的大量OH- 和外层上预先沉积的水垢加速了水垢的沉积反应，从而提高了水软化过程的除垢速率并降低了能量消耗。
3 结论
（1）复合网状阴极极大地提高了电化学水软化系统的性能，系统除垢速率高达29.16 g/（m2 ·h），能量消耗低至6.0 kW·h/kgCaCO3 。
（2）水软化系统性能的改善归因于复合网状阴极的特殊结构，该结构可将化学反应（碱度产生和水垢沉积）分离和定位到复合网状阴极的不同区域，使得内层产生的大量OH- 和外层上已经沉积的水垢加速了水垢沉积，从而提高了除垢速率并降低了能量消耗。
参考文献
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津公网安备 12010602120337号
