工业水处理, 2021, 41(9): 1-10 doi: 10.19965/j.cnki.iwt.2021-0620

创刊40周年特约专栏

我国工业冷却水处理技术发展回顾与展望

杨文忠,1,2,3, 尹晓爽1,2,3, 陈云1,2,3, 刘瑛1,2,3

1. 南京工业大学水处理技术研究所, 江苏南京 210009

2. 石油与化工行业水处理化学品工程研究中心, 江苏南京 210009

3. 江苏省水化学与工业水处理工程实验室, 江苏南京 210009

Review and prospect of the development of industrial cooling water treatment technology in China

Yang Wenzhong,1,2,3, Yin Xiaoshuang1,2,3, Chen Yun1,2,3, Liu Ying1,2,3

1. Institute of Water Treatment Techniques, Nanjing Tech University, Nanjing 210009, China

2. Engineering Research Center for Water Treatment Chemicals in Petroleum and Chemical Industry, Nanjing 210009, China

3. Engineering Laboratory for Hydrochemistry and Industrial Water Treatment in Jiangsu Province, Nanjing 210009, China

收稿日期: 2021-07-1  

Received: 2021-07-1  

作者简介 About authors

杨文忠(1970-),博士,教授电话:13705165367,E-mail:yangwz@njtech.edu.cn , E-mail:yangwz@njtech.edu.cn

Abstract

Over the past 40 years, China's industrial cooling water treatment technology has developed rapidly and played an important role in industrial water saving, reclaimed water reuse, safe production, energy saving and emission reduction. This paper reviewed the development of industrial cooling water treatment technology from the aspects of cooling water treatment process, water treatment agents and water system monitoring technology, and proposed to pay attention to the basic research results of water science and promoted the improvement of application technology. The prospect of cooling water treatment technology in new fields, new chemical agents, new technologies and smart water management system was presented, especially on mechanism of chemical agents at molecular level, physical scale removal/prevention technology and electrochemical technology. On this basis, it is pointed out that there is still a long way to go in the technological innovation of cooling water treatment.

Keywords: cooling water treatment ; industrial water-saving ; water treatment chemicals ; physical antifouling

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本文引用格式

杨文忠, 尹晓爽, 陈云, 刘瑛. 我国工业冷却水处理技术发展回顾与展望. 工业水处理[J], 2021, 41(9): 1-10 doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-0620

Yang Wenzhong. Review and prospect of the development of industrial cooling water treatment technology in China. Industrial Water Treatment[J], 2021, 41(9): 1-10 doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-0620

今年是《工业水处理》杂志创刊40周年。40年的历史,弹指一挥间,但其记下了我国工业冷却水处理技术从无到有、从小到大的发展历程,更记下了水处理科技工作者们的艰苦奋斗、辛勤耕耘、勇于实践、孜孜以求的发展足迹1。子曰“三十而立,四十而不惑”,当前我国正处于世界百年未有之大变局和中华民族伟大复兴的关键时期,回顾不惑岁月,我们更应运用战略思维、历史思维、辩证思维、创新思维等科学思维,展望未来发展,把握机遇、应对挑战,为工业水处理的发展未雨绸缪。

1 工业冷却水处理的作用

我国工业冷却水处理技术是20世纪70年代随着国外13套大化肥装置的引进而发展起来的2-3。中海油天津化工研究设计院有限公司(原天津化工研究院)、南京工业大学(原南京化工学院)、华东理工大学(原华东化工学院)等单位率先从事研制工作,填补了国内工业水处理行业的空白4-5。科技部(原国家科委)从“八五”科技攻关计划开始支持工业水处理项目,从最初的侧重水处理药剂的创新开发、药剂产业化技术的开发逐步转向到工业节水成套技术的开发和应用研究,有力地推动了我国工业水处理技术的发展,大幅提高了国内工业节水的技术水平,逐渐形成具有中国知识产权的水处理技术体系6。因此,可以说工业冷却水处理技术经历了“70年代打基础、80年代大发展、90年代上水平、21世纪齐并进”的发展历程7-8

工业水是工业生产过程中在制造、加工、冷却、空调、洗涤、锅炉等方面使用的水,是工业系统运行的“血液”,其中工业冷却水占工业用水的70%以上,是工业节水工作的重点9-10图 1显示了1997年— 2019年我国工业用水情况11。工业用水占总用水量的比例在2007年达到峰值(24%),在2013年以后,却随着总用水量的逐年减少而明显下降,工业冷却水的循环利用技术功不可没,成为推动我国工业节水不断进步的重点技术。

图1

图1   1997年—2019年我国工业用水情况

Fig.1   Industrial water use from 1997 to 2019 in China


工业冷却水系统具有补充水量要求相对稳定、水质要求不高、净化空气等特点,因而成为中水回用的主要对象,是解决城市污水回用的主要途径12,将有力促进工业经济与水资源和环境的协调发展。

作为水质处理和工艺控制的运行系统,工业冷却水处理系统受设备材质、水质条件、工艺参数、现场管理水平等影响,不可避免地会产生腐蚀、污垢和菌藻滋生等问题,导致设备功能失效、换热效率降低、动力消耗增加13。因此,工业冷却水处理是企业生产运行稳定的基础、节能降耗的主要手段、工业节水减排和环保技术实施的保障。

2 工业冷却水处理技术回顾

工业冷却水处理技术是一门交叉性很强的综合性技术学科,涉及化学、化工、材料、生物、安全、环境、电子信息等学科。以金属腐蚀控制、晶体结晶控制、菌藻控制、自动监控等工程技术为手段,保障工业用水系统的安全运行、循环利用、环境友好化,实现节水和安全目标,促进工业可持续发展14-15

2.1 冷却水处理工艺

工业冷却水系统是火力发电、冶金、石化和化工等行业不可或缺的工艺之一,通过带走生产过程中产生的多余热量,使工艺介质得到冷却,以满足生产工艺的要求,工业冷却水系统的分类见图 216-17

图2

图2   工业冷却水系统的分类

Fig.2   Classification of industrial cooling water systems


不同的冷却方式可以满足不同工艺对冷却的要求9。直接冷却水系统的冷却对象多为固体或气体,通过喷嘴对冷却对象进行直接喷淋冷却,如炼钢的连铸、轧钢等固体材料的冷却,或通过文氏除尘器洗涤净化工业废气,如高炉煤气和转炉除尘气等含尘气体的洗涤17

间接冷却水系统是通过换热设备(热交换器、水冷器和反应釜)等间接冷却各种工艺介质,主要是液体和气体的工艺介质。直流式间接冷却水系统因取用水量大和热污染问题而逐渐被淘汰。敞开式冷却水系统是通过冷却塔实现热水冷却的循环水系统,是应用最广泛的一种工艺冷却方式18-19

密闭式冷却水系统是完全密闭的循环水系统,主要用于以控制可靠的工艺过程温度为目的工艺,如原子反应堆的辅助冷却器、炼铁高炉的炉体和风口、连铸结晶器、燃汽轮机或变压器等的冷却等20

2.2 水处理药剂

针对工业冷却水系统的腐蚀、水垢、菌藻和黏泥等问题,常采用缓蚀剂、阻垢剂、分散剂、杀生剂等水处理化学品16。从应用角度可以分为单剂和复合配方产品。清洗剂、预膜剂、消泡剂、螯合剂、混凝剂、离子交换树脂、吸附剂等,由于其主要作为水系统处理的清洗预膜、补充水处理和旁路处理等配套的原因,笔者不再赘述。

2.2.1 有机膦酸盐和有机磷酸酯

有机膦酸盐以其优良的热稳定性、耐水解性和对水垢的“槛值”作用,取代传统的聚磷酸盐,成为冷却水处理系统的主流阻垢剂。20世纪70年代末,国内率先剖析和仿制了羟基亚乙基二膦酸(HEDP)、氨基三亚甲基膦酸(ATMP)和乙二胺四亚甲基膦酸(EDTMP)、多元醇磷酸酯(PAPE),其中HEDP和ATMP成为了水处理剂的主力药剂,PAPE对硫酸钙垢和含油水质有良好的抑制作用。20世纪90年代初,2-膦酸基丁烷-1,2,4-三羧酸(PBTCA)和二乙烯三胺五亚甲基膦酸(DETPMP)实现工业化,前者成为高硬度、高碱度等苛刻水质的药剂首选。随后,多氨基多醚基亚甲基膦酸(PAPEMP)、己二胺四亚甲基膦酸(HETPMP)的开发,提升了对不同垢的抑制效果21-23

值得注意的是,在工业冷却水系统的碱性运行方案中,有机膦酸盐多是作为阻垢剂而应用的。近年来,随着环保压力的增大,低(无)磷药剂的需求增加,有机膦酸盐在水处理药剂中的比例逐渐下降,这可能也是近年来有机膦酸盐药剂发展缓慢的原因之一。

2.2.2 水溶性高分子

水溶性高分子作为阻垢分散剂,多是以含有羧酸官能团或羧基衍生物为主体的聚合物,也称聚羧酸类聚合物。20世纪70年代末,国内跟踪开发了聚丙烯酸(PAA)、聚马来酸(PMA)、丙烯酸/丙烯酸羟丙酯共聚物。之后,20世纪80年代进入聚合物开发的活跃期,尤其是以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)为单体的聚合物和含磷聚合物,进一步提高了药剂的分散和阻垢性能。2000年左右,国内又开发了聚天冬氨酸(PASP)、聚烷基环氧羧酸盐(PESA)、γ-聚谷氨酸(γ-PGA)等易生物降解的聚合物10, 21

其中γ-PGA来自非石油资源,是由谷氨酸通过α-NH2γ-COOH连接而成的一种生物高分子,对人与环境无毒性,是一种具有良好推广价值的绿色水处理剂24

水溶性高分子一直是水处理药剂发展最为活跃的化学品,不仅抑制水垢的形成和分散微小垢物(氧化铁和黏泥等颗粒物),而且对缓蚀剂功效的发挥起着重要的作用,如抑制有机膦酸钙和Zn(OH)2的沉积,促进其形成稳定的保护膜25

2.2.3 杀生剂

杀生剂(biocides)一般分为氧化性杀生剂和非氧化性杀生剂,也可按其作用机理将其分为氧化剂、溶解膜的化合物以及亲电子剂等26,常见的杀生剂见表 121, 26-27

表1   冷却水常用的杀生剂

Table 1  Biocides commonly used in cooling water systems

类别品种
氧化性杀生剂氯基杀生剂氯气、次氯酸钠、次氯酸钙、二氯异氰尿酸、三氯异氰尿酸钠、二氯二甲基海因、1-氯-3-乙胺基-5-叔丁基胺基-均三嗪
溴基杀生剂溴化钠/(氯气、次氯酸钠、氯化异氰尿酸、臭氧)、溴/氯溴、稳定性溴溶液、固体释溴物
二氧化氯现场发生与稳定性二氧化氯
过氧化物过氧化氢与过氧乙酸
臭氧现场发生
非氧化性杀生剂亲电子剂醛类化合物(丙烯醛、水氧醛、戊二醛)、异噻唑啉酮类化合物(2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮、5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮)、有机溴(溴代羟基苯乙酮、二溴次氮基丙酰胺)、有机硫化合物(二硫氰基甲烷、硫代氨基甲酸盐、硫代氰酸类化合物)、2-癸硫基乙胺盐酸盐
溶解膜的化合物季铵盐类(季铵盐及聚季铵盐)、季膦盐类、胍类、β-胺、酚类化合物(氯酚)、表面活性剂
亲质子剂有机弱酸、吡啶类、对苯类化合物

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工业冷却水系统用的杀生剂主要是从其他行业引进来的,如农药杀虫剂、给水消毒剂和工业防霉剂等,因此通过理解杀生剂的作用机制是正确使用杀生剂的关键。

杀生剂主要通过阻止微生物新陈代谢的某些环节、钝化酶的活性等方式来起作用,具体表现为抑制细胞壁的合成、影响细胞膜的功能、干扰蛋白质的合成、阻碍核酸的合成以及影响呼吸链等。杀生剂的杀生方式可以是可逆的(抑菌),也可以是不可逆的(杀菌);当低浓度使用时是抑菌,高浓度时是杀菌28

由于作用机理不同的杀生剂之间存在着协同效应,因此用影响细胞结构或功能的不同杀生剂可提高杀生效率和克服抗药性,导致目标有机物的死亡和有效控制微生物,如MBT和1227(SQ8)、醛类杀生剂和季铵盐、异噻唑啉酮和季铵盐,溴化甲乙基海因和异噻唑啉酮等复配产品26, 28。另外,氧化性和非氧化性杀生剂的交替使用,不仅可降低杀生剂的使用成本,而且可提高杀生效率,另外杀生剂的浓度、投加频率、投加方式(冲击性或连续性投加)等对其使用效果均有较大的影响29

2.2.4 复合配方产品

根据工业冷却水系统的水质条件、工艺参数等,常常将控制冷却水系统的腐蚀、水垢和黏泥等问题的化学品形成复合药剂,利用其协同效应,同时控制水系统中金属的腐蚀、水垢的析出、污垢的沉积,提升水处理综合效果16, 25

20世纪80年代以前,敞开式冷却水系统多采用加酸调节pH至6~7的方法,采用的水处理复合药剂有聚磷酸盐-锌盐、聚磷酸盐-膦酸盐-锌盐、聚磷酸盐/膦酸盐/聚丙烯酸、多元醇磷酸酯/锌盐/磺化木质素等。80年代以后,随着磺酸盐聚合物的出现,形成自然平衡pH下运行的碱性处理药剂,如锌盐-膦酸盐-水溶性高分子、膦酸盐-聚磷酸盐-水溶性高分子-唑类、钼酸盐-正磷酸盐(膦酸盐)-水溶性高分子-唑类等。2000年以后,人们开始开发低磷、无磷复合药剂16。密闭式冷却水系统一直采用亚硝酸盐-硼砂-水溶性高分子-唑类、钼酸盐-正磷酸盐(膦酸盐)-水溶性高分子-唑类等复合药剂25

随着工业冷却水系统的浓缩倍数的提高,科技工作者将继续开发高性能的阻垢分散剂,研究不同药剂之间的协同作用和机理,不断完善和发展复合药剂,以满足国家节水工作和环境保护的需要30

2.3 水处理系统监控技术

在工业水系统中,人们最关心的是换热器和管线等金属设备的腐蚀、污垢沉积以及冷却塔菌藻问题。由于换热器是连续运行的,其管束通常安装在换热器的内部,日常运行时,无法对换热器进行有效的检查,难以直接了解换热器内管子的腐蚀情况。为此,需要在冷却水系统日常运行过程中进行监测。

2.3.1 水质分析

工业冷却水的水质指标与水系统中换热设备的结构形式、材质、工况条件、腐蚀和污垢热阻值,尤其是与水处理复合药剂的性能密切相关31。水质分析是间接判断冷却水系统运行效果的“眼睛”,而水质数据的稳定是冷却水安全运行的基础。

《工业循环冷却水处理设计规范》(GB 50050— 2017)对水质指标的规定是保证水质平衡的依据,其中对“钙硬度+全碱度”指标的规定更科学地体现了两者之间的关系,总铁、Cl-、Mg2+×SiO2、CODCr等指标的放宽体现了冷却水处理技术的进步。

随着相关技术的进步,水质分析也从传统的采样分析转向在线分析,不仅节省人工和时间,而且可实现水质数据的分析、比较、保存和打印各种曲线及报表等功能。

2.3.2 腐蚀沉积物和微生物的监控

工业冷却水系统中常用的腐蚀监控方法有试片法、试验管法、线性极化法和检测换热器法。其中应用最广泛的是试片法,也是最经典的一种腐蚀监测方法,通常将试片安装在试片架上,可直接目测金属的腐蚀形态,并测量腐蚀速率、蚀孔深度、蚀孔密度;线性极化法和电阻法是在金属的腐蚀发生迅速变化时最为有效的监测方法,通常用于冷却水系统的在线监控16

冷却水系统中沉积物的现场监测主要是测定由水垢、淤泥、腐蚀产物和微生物黏泥等沉积物引起的污垢热阻或压力降,以及由冷却水在热交换器中产生的沉积物量、沉积物层厚度及其组成等,常用的沉积物现场监测的方法有监测换热器法、电热式污垢监测仪法、压力降法和钙离子浓度法16

目前应用较多的是监测换热器法,对腐蚀和污垢均可监测,其中换热管的长度和流速对监测数据的影响较大16

微生物的监控主要还是平皿计数法、异养菌测定片、黏泥量测定法、ORP法。前二者是通过检测水中特定细菌的浓度来监控杀生剂效力,但是这种测试效果太滞后,无法指导实际加药过程,只能作为经验积累。后两者的数据不全面,作为监控手段仍显不足。一种新的方法——ATP检测法,可检测水样中总的生物活体水平,包括藻类、真菌类和细菌,克服了老方法只能检测特定生物的弱点,能在10 min内检测出结果32

2.3.3 药剂浓度的监控

工业冷却水中稳定的药剂浓度是复合配方应用实施效果的保障。由于早期和目前的水处理方案均为磷系方案,因而水中磷含量(总磷酸盐和有机膦酸盐)的分析成为监控水处理药剂的主要方法。

20世纪90年代,国内水处理自动加药装置和自动监控装置逐渐发展起来30,较早应用的第一代流量比例式自动加药装置,简单、经济适用。水量平衡式自动控制加药系统采用在线检测传感器、微机处理程控、转换和输出系统,将冷却水进出水温度、补充水量、固体含量以信号比例输至计量泵,实现自动加药,但该系统无药剂和水量等参数累计。示踪型自动监控加药系统可直接、连续地检测水系统运行情况,并实施化学处理过程的加药。聚合物活性的在线分析可通过显浊比色法确定其含量,推算无磷药剂在循环水中的浓度,具有分析精度高(误差为5%)、设备结构简单、试剂无污染、后期维护量小等特点33

示踪型监控加药主要是通过荧光物质的监测来实现的。Nalco公司的3D-TRASAR技术是通过标记荧光物附于含PSO产品的缓蚀剂、示踪型聚合物分散剂来监控缓蚀剂和聚合物的浓度,实现对腐蚀和沉积物的控制,以及通过生物荧光示踪剂检测微生物的活性,来控制杀生剂的加药量。目前国内研究较多的是将荧光物质加入到阻垢分散剂中,通常有荧光标记、荧光探针2种方式34-35。前者是将荧光发色团用化学键连接到大分子链上,如姜黄素、色氨酸、香豆素,或者其单体与丙烯酸、马来酸等共聚,后者则是将带荧光发色基团的小分子混入高分子体系,如芘和苝的衍生物。

3 工业冷却水处理技术展望

水在自然界中是最重要也是最为奇特的物质,水的性质具有反常的特点,其理论和实验研究自身都极具挑战性,且水参与了各种物理、化学、生命等过程36。由于水分子之间氢键相互作用的复杂性,以及其与水-固界面相互作用的竞争,从分子层次研究其微观结构和动力学过程37尚属空白。水的科学利用关系着人类的命运,水的基础科学研究具有重大意义。近年来,国内外学者开展了许多研究工作,取得了一批国际水平的研究成果38-41。无疑这些成果将有助于水处理科技工作者从源头汲取营养,创新思路,促进水处理技术的转型升级。

工业冷却水处理是一门实用型的交叉技术,不仅要注重基础研究成果,而且要加强应用基础研究,坚持水处理工艺和化学品绿色化,借助大数据推动工业冷却水系统的智慧水务。

3.1 新领域

工业冷却水系统的应用范围很广,大到石化、冶金、电力、化肥等行业,小到制药、纺织、宾馆民用空调等。随着国家战略性新兴产业的快速发展,工业冷却水系统的应用领域将不断扩大42

目前国内海水直流冷却技术成熟,主要应用于沿海电力、石化和钢铁等行业并逐步推广到一些新领域,尤其是核电行业海水冷却用水量持续上升,截至2019年底,我国已建成海水循环冷却工程22个,总循环量为192.48万t/h,预计“十四五”期间,海水循环冷却水系统将有更大的发展空间43

以煤制油、烯烃和乙二醇等为代表的现代煤化工的灰水处理系统,就是集冷却除尘节水于一体的工艺,将气化炉和洗涤塔送来的黑水经过多级闪蒸-沉淀后再循环回用。目前我国煤制油、烯烃和乙二醇产能达到3 047万t/a,预计到2025年,将形成完备的现代煤化工产业链条,产业规模进一步扩大44

微电子元件45、燃料电池46、磨具47-48、高压直流变流器49、机器人焊枪等50工艺冷却水系统,其关键核心装置的可靠性和寿命受工作温度及其分布均匀性的影响,由于材料性能的限制以及系统性能影响因素的复杂性,对其冷却水的控制技术和化学品提出了更高的要求。

3.2 新药剂

水处理药剂是工业冷却水处理技术的重要方面,近年来药剂的发展速度似乎有所减缓,但环境友好型药剂一直是水处理技术发展的主题。

近10年来,环境友好的聚合物仍是水处理剂的活跃点。含醚聚合物,如马来酸酐/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸/烯烷基醚(MA/AMPS/AGE)51、3-烯丙氧基-2-羟基-1-丙磺酸盐(AHPSE)52,聚衣康酸及其共聚物53、树枝状大分子54等聚合物,其中树枝状大分子具有三维立体辐射式的规整结构、精确的分子质量和功能可控的优点,对硅垢显示出优良的抑制效率。苹果酸、柠檬酸的均聚物及其共聚物,具有良好的生物相容性,也是值得关注的聚合物55-57

近年来,碳量子点(CDs)具有优异的荧光物理性能和化学性能,其易化学修饰、功能集成等优异性能而受到人们的广泛关注。CDs是一种零维半导体纳米晶体,近似为球形,其直径小于10 nm,相对分子质量只有几千到几万,通常由C、H、O、N等基本元素组成,表面含有大量的官能团(—COOH、—OH、—NH2),对CaSO4、BaSO4显示出优良的抑制性能58,CDs的阻垢作用见图 3

图3

图3   CDs的阻垢作用

(a)热解时间对阻垢效果的影响;(b)温度对CDs抑制CaSO4作用的影响;(c)温度对CDs抑制BaSO4作用的影响;(d)pH对阻垢效果的影响

Fig.3   Scale inhibition efficiency of CDs


在配方产品中,低(无)磷药剂成为近年来的研究热点,也将成为未来的发展趋势。值得注意的是,稀土金属、钼(钨)酸盐等尽管显示出优异的缓蚀性能,但因其属于资源型、战略性物质等因素,笔者不建议其用于工业水系统。

随着现代分析方法的进步,从分子模拟和量化计算角度对阻垢剂的作用机理研究,有助于更精准地指导药剂的开发和应用。传统的阻垢剂多从晶格畸变、络合增溶和分散作用等表观现象来解释其机理,但无法解释螯合剂(EDTA、NPA)与水处理阻垢剂对CaCO3的抑制作用表现出的巨大差异。笔者试图从空间匹配性、巡弋作用来解释59-60

一方面,传统的有机膦酸盐分子中成环原子的距离分别与方解石104、110、001晶面的距离相匹配(表 2表 3),可使得碳酸钙的生长呈现错层,使得这些活性点的生长被抑制或者发生扭曲,导致晶格畸变,而EDTA、NPA成环原子的距离却小于方解石各晶面的距离;另一方面,阻垢剂可与Ca2+形成多个五元环或六元环,但环中的C—P键的键长较大但键能小,使得环的对称性较差,即不稳定,易断开。与Ca2+分开后的阻垢剂分子会继续捕捉其他游离的钙离子,形成新的螯合物,因此阻垢剂可“巡弋”在水中的钙离子之间,对水中较多的钙离子起到“约束”作用,显示出阻垢剂的“槛值效应”。而EDTA与钙离子的络合很稳定,将其紧紧包裹在分子内部,显示出螯合剂的化学计量特征。

表2   不同螯合剂分子中成环的带负电荷原子的距离

Table 2  Distance between the negative charge atoms of rings in different chelating agent molecules

螯合剂ATMPHEDPPBTCANTAEDTA
N(=O)距离/nm0.404 50.364 10.328 0
N(-O)距离/nm0.284 30.305 3
1N-7N距离/nm0.322 3
P(=O)距离/nm0.491 00.495 0

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表3   方解石典型晶体表面最接近的钙离子之间的空间范围

Table 3  Spatial range between the nearest calcium ions on typical crystal surface of calcite

晶面(104)(110)(001)
距离1/nm0.404 80.404 80.490 0
距离2/nm0.490 00.404 80.490 0

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3.3 新技术

3.3.1 物理除/防垢技术

自20世纪80年代初以来,物理除/防垢技术(PWT)在工业冷却水处理领域一直在“徘徊”,如静电除垢仪61、直接脉冲火花放电62、磁场阻垢仪63、电磁阻垢仪64、量子环65等,以铜镍合金、热处理的钛球、锌/电气石为催化材料的装置等66-69。这些物理方法的除/防垢作用机制尚不清楚,一般认为,可能使水分子发生极化,进行定向重排,使阴阳离子不能聚合成垢70,或通过改变水分子与其他离子的结合状态,从而影响成垢物质在其中的溶解性、结晶过程和晶体结构等,如加速HCO3-的解离过程,产生OH-,从而形成悬浮碳酸钙,减少其在换热器表面的沉积71

物理方法对水分子的作用效力,受作用力强度和水工况等因素的影响较大,但在受热、流量大、流程长的工业冷却水系统中,水将恢复其本态,仍将产生结垢现象,这也是小型评价装置不足的一个方面。另一方面,物理作用力,如电磁处理必须有较小的过水间隙以保证足够强的电场或磁场强度,否则起不到应有的效果。

3.3.2 电化学技术

近年来,起源于以色列艾格锡公司的电化学除垢技术引起人们的很大兴趣72,其作用机制主要是在较低的阴极电位下发生氧还原反应,而在较高的阴极电位下发生水还原反应:

(1)

(2)

从而在阴极区附近产生大量的OH-,再与水中的HCO3-作用,在阴极形成CaCO3沉淀,达到去除钙离子的作用73-74。由此可见,该电化学除垢技术去除的是暂时硬度,因而更适合于高硬度高碱度的水质条件,也可用于常规水系统的补水处理或旁路处理,以减轻冷却水系统的结垢负担。

值得关注的是,电化学技术也可以用于脱除水中氯离子75-77、氧化降解有机物78、评价缓蚀剂和阻垢剂79等,其应用范围将会引起人们更多的关注。

3.3.3 其他

近年来随着膜技术的快速发展,反渗透80、电吸附技术(EST)81、电容去离子(CDI)82等脱盐技术在工业冷却水系统也逐渐有所应用,如用于补充水的处理,可降低水中的有害离子,减轻系统的结垢或腐蚀倾向,或者用于排污水的处理,以实现水的回用。

另外,石墨烯83、复合材料84和智能涂层85-86等新材料应用于管道,增强了水系统中金属的防腐蚀性,将对传统的水处理技术带来新的变化。

3.4 智慧水务

科技革命支撑战略性新兴产业的发展,人类已经进入以互联网络的创新与应用为标志的第二次信息技术革命时代。工业4.0是通过利用嵌入式控制系统,即物理信息融合系统,推动制造业向智能化转型87。传统的工业冷却水系统的监控技术包括水质分析、腐蚀污垢的监控和药剂浓度的监控技术等三个层次,而将三者有机地结合起来,借助大数据云平台和专家系统,则是智慧水务的目标。

因此,以数据分析为切入点,通过数据发现和分析去解决问题,打破传统的经验驱动决策的方式,实现科学决策88。通过数据化、信息化、数字化实现人工付诸的精力和时间最小化,达到智能改变工作效率的问题,最终结合专家经验的信息化、数字化,以及人工智能、机器人等,实现工业冷却水处理系统的智慧化。

4 结语

当前新一轮科技革命和产业变革正在重构,学科之间、科学和技术之间、技术之间日益呈现交叉融合趋势,材料、信息、能源、空间、海洋等原创突破将为水处理的前沿技术、颠覆性技术提供更多创新源泉89

《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》提出全面提高资源利用效率,实施国家节水行动,建立水资源刚性约束制度。《国家节水行动方案》也大力推广高效冷却、洗涤、循环用水、废污水再生利用、高耗水生产工艺替代等节水工艺和技术。我们相信,工业冷却水处理技术仍将大有作为,技术创新任重道远。

参考文献

杨文忠.

栉风沐雨四十载, 砥砺歌行水业情

[J]. 水处理信息报导, 2020, 9/10/11/12, 11- 16.

URL     [本文引用: 1]

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