PDF《水垢的电化学去除工艺与机理研究》

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jdxb. cn 第43 卷第5期2009 年5月西安交通大学学报JOURNAL OF XI′ AN J IAO TON G UNIV ERSIT Y Vol.

43 №

5 May

2009 水垢的电化学去除工艺与机理研究 徐浩 , 延卫 , 汤成莉 (西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室 ,

710049 , 西安) 摘要 : 详细研究了电子水处理过程中的阻垢及除垢过程. 研究表明 ,对于硬度大于

300 mg ・ L -

1 (以CaCO3 计 ,下同) 的高硬度水样 ,先用

7 V 的高电压进行阻垢处理 ,当其硬度降至

130 mg ・ L -

1 以下后 ,改为

5 V 的低电压进行除垢处理. 以此种方式运行 ,可用较低的能耗 ,在保证换热器表面无 水垢析出的前提下去除水中超过

90 %的成垢离子. 扫描电镜图片显示 ,电子水处理技术对所形成 水垢的晶型有一定的影响 ,未经过电子水处理形成的水垢呈现方解石晶型 ,而经过电子水处理形成 的水垢呈现文石晶型. 关键词 : 电子水处理 ;

阻垢 ;

除垢 ;

水垢晶型 中图分类号 : TQ085 文献标志码 : A 文章编号 : 02532987X(2009)

0520104205 Technology and Mechanism of Water Scale Removal by Electrochemical Method XU Hao , YAN Wei , TAN G Chengli (State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering , Xi′ an Jiaotong University , Xi′ an

710049 , China) Abstract : The scale inhibition and removal processes by electronic water treatment were investi2 gated in this study. The results show that the treatment of scale inhibition with 710V can be used first for the water with the hardness over

300 mg ・ L -

1 (CaCO3 ) , and then the treatment of scale removal with 510V can be applied when the water hardness decreases to less than

130 mg ・ L -

1 (CaCO3 ) . With the present energy2saving approach , more than

90 percent of the scale ions can be removed after treatment and no obvious scale will decompose on the surface of the heat exchang2 er. The SEM figures depict that the crystal morphology of scale is affected by the electronic water treatment. The crystal morphology of scale with and without the electronic water treatment is calcite and aragonite , respectively. Keywords : electronic water treatment ;

scale inhibition ;

scale removal ;

scale crystal morphology 收稿日期 : 2008207226. 作者简介 : 徐浩(1984 - ) ,男 ,博士生 ;

延卫(联系人) ,男 ,教授 ,博士生导师. 基金项目 : 教育 部新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET20720683) . 采用电化学方法去除水中成垢离子的技术被称 为电子水处理技术[1210 ] , 是20 世纪

70 年代以后发 展起来的新型水处理技术 ,广泛运用于工业和民用 冷、 热水循环系统的供水处理 ,对于硬度在

550 mg ・ L -

1 (以CaCO3 计 ,下同) 以下的循环水具有防垢 阻垢、 杀菌灭藻及缓蚀防腐的功效 ,能够起到较好的 节能节水作用. 目前 ,有关该技术的研究报道[329 ] 大多局限于 阻垢 这一概念上 ,即只要求水垢不在热交换器件 及系统管道构件上析出 ,而对循环水中成垢离子的 去向并未做更多考虑. 从文献[

629 ]报道的结果看 , 仍然有大量的成垢离子存在于处理之后的水体中 , 阻垢处理之后的水样硬度依然较高. 当外界条件改 变时 ,这些成垢离子仍有可能在热交换器件上析出 形成水垢 ,从而造成一系列严重后果. 同时 ,阻垢处 理所用的电压较高 ,长期对水进行阻垢处理不仅能 耗大 ,而且因为水在较高电压下腐蚀性增强 ,将对整 个水网系统产生腐蚀作用. 因此 ,在实际应用中必须 http : ∥ www. jdxb. cn 在阻垢的基础上进一步 除垢 ,即将循环水中的成 垢离子浓度降低至不会在加热器表面沉积的水平 , 从根本上解决水垢析出的问题 ,同时降低能耗和水 对管道系统的腐蚀. 本文对不同硬度条件下水的阻 垢与除垢进行了详细研究 ,结合电子水处理技术工 作原理对文献[629 ]所报导的最佳电参数 (电压或电 流密度) 进行了分析 ,探讨了阻垢与除垢两个概念在 实际水处理过程中的应用范围 ,并通过实验验证了 电子水处理方法对水垢晶型产生的影响.

1 实验材料、 设备和方法

111 处理用水 高硬度水样由化学纯的无水 Ca ( NO3 )

2 和Na HCO3 按照摩尔比

1 ∶2 比例在去离子水中配 制 ,硬度分别为

300、

400、

500 mg ・ L -

1 . 低硬度水样 为西安市市政工程自来水 ,总硬度为

130 mg ・ L -

1 .

112 测试与表征 总硬度测定以铬黑 T 作指示剂 ,用乙二胺四乙 酸( ED TA) 标准溶液滴定 ;

以DDSJ2308A 型电导率 仪连接计算机 ,自动采集实验过程中水样的电导率 ;

以BS110S 型精密天平差量称取铜加热棒析出的水 垢质量 ;

采用 FESEM. Jeol. J SM26700F 扫描电镜 (SEM) 对水垢样品进行表征.

113 实验系统及研究方法 实验系统如图

1 所示 ,电源为 W YK2303B 型直 流稳压电源 ;

水处理部分采用自制的钛基金属氧化 物电极为阳极 ,不锈钢反应器兼做阴极. 每次实验用 水均为

9 L ,水样由水箱经泵抽出开始循环 ,经过水 处理反应器及用水设备时均采用下进上出的方式 , 水样与电极的接触时间为

3 min. 在阻垢对比实验 中 ,水处理设备不加电 ,在阻垢及除垢实验中 ,水处 理设备加电进行处理. 用水设备为与反应器同样大 小的不锈钢桶 ,采用自制温度控制器控制桶中铜加 热棒的加热温度. 整个实验过程中 ,以电脑控制的电 导率仪采集水箱中水样的电导率并自动记录. 对于硬度为

300、

400、

500 mg ・ L -

1 的高硬度水 样 ,先在常温下加电循环处理

2 h ,而后由铜加热棒 加热到

45 ℃,恒温实验

6 h. 对于自来水水样 ,则直 接在

45 ℃ 条件下进行电子水处理 ,直到水样电导率 随时间变化曲线出现拐点为止. 对比实验中 ,除不给 电极加电压外 ,其余条件与高硬度水样处理过程相 同 ,实验共进行

8 h. 实验结束后 ,取冷却到室温的 水样进行硬度测试 ,铜加热棒完全干燥后 ,用差量法 称出其上的结垢量. 图1实验系统示意图

2 实验结果与讨论 实验中所用水样均是以化学纯药品在去离子水 中配制得到 ,在实验过程中除成垢离子的析出 ,不会 再有其他原因导致水样电导率改变 ,因此以水样电 导率变化来代替水样硬度变化 ,并以电导率随时间 变化曲线出现拐点作为判断实验完成的标准. 相关 文献[6 ,7 ] 报道中的电导率随时间变化曲线与硬度随 时间变化曲线趋势相同.

211 高硬度水样的处理结果 表1所示为

400 mg ・ L -

1 高硬度水样的阻垢实 验结果. 由表

1 知 ,对于

400 mg ・ L -

1 水样 ,在电压 为7V下处理阻垢效果最好. 对于

500 mg ・ L -

1 水 样的处理也得到了相同的实验结果 ,即采用

7 V 直 流电处理 ,可以完全阻垢且不会对管道及加热系统 产生腐蚀作用. 另外 ,从表

1 还可以看出 ,仅加热处 理就能使得高硬度水样的硬度降低至自来水的硬度 水平.

212 低硬度水样的处理结果 表2所示为

130 mg ・ L -

1 自来水水样的阻垢实 验结果. 在整个低硬度水样的阻垢实验中 ,铜加热棒 上均未出现水垢........