一种电化学除垢方法与流程

1.本发明属于水处理技术领域，具体地，本发明涉及一种电化学除垢方法。


背景技术：

2.以工业循环冷却水为代表，若水体中硬度或碱度较高，在使用过程中容易结垢，影响设备换热效率或堵塞管道，通常可以采用软化水或投加阻垢剂的方式以控制钙、镁硬度离子的结垢倾向。但是，使用软化水的成本较高，工业上很少采用；而投加阻垢剂则容易带来二次污染。电化学方法能够通过阴极的原位反应产生强碱性环境，实现循环水中钙、镁等硬度离子的沉淀，是一种很有潜力的循环水除垢技术。然而，现有的电化学除垢方法除垢效率较低，有待进一步提升。


技术实现要素：

3.本发明针对现有技术的不足，提供了一种电化学除垢方法，该方法通过对工业循环水进行预热处理，提高了电化学反应效率，从而提高除垢效率；此外，该方法还可通过辅以二氧化碳曝气，以达到进一步提高电化学除垢效率的目的。
4.本发明采用的技术方案如下：
5.本发明提供了一种电化学除垢方法，该方法包括以下步骤：
6.1)将工业循环水预热；
7.2)将预热后的工业循环水通入阴极板和阳极板之间；
8.3)将阴极板和阳极板分别连接直流电源的负极和正极；
9.4)打开直流电源，调节电流密度，进行电化学除垢；
10.5)当阴极和阳极间的电压增加到初始电压的1.5倍时，更换阴极板。
11.本发明公开的电化学除垢方法，通过对工业循环水进行预热处理，不仅提高了电化学反应效率，还降低了碳酸钙的溶解度，使其更容易形成碳酸钙沉淀而析出，提高除垢效率；且该除垢方法工艺流程简便、操作简单、成本低、除垢效率高。
12.在一些实施例中，该方法还包括在阴极和阳极之间的反应区域下部通入含有二氧化碳的气体。
13.在一些实施例中，工业循环水预热的温度为50-70℃，优选为60-70℃。
14.在一些实施例中，阴极板采用不锈钢板，不锈钢板易于制备且性质比较稳定；阳极板采用dsa电极，其具有良好的催化活性和稳定性。
15.在一些实施例中，采用砂纸对不锈钢板的表面进行打毛处理，提高了不锈钢板表面粗糙度，进而增加了反应的比表面积。
16.在一些实施例中，阴极板和阳极板平行交替布置，且间距为1-3cm。
17.在一些实施例中，气体中二氧化碳的含量为50％-100％，氮气的含量为0-50％；该气体是通过二氧化碳和氮气按比例配制得到。
18.在一些实施例中，气体的曝气强度为0-2m3/m2·
h。
19.在一些实施例中，电流密度为5-10ma/cm2。
20.在一些实施例中，当预热后的工业循环水通入阴极板和阳极板之间后，通过调节阴极板和阳极板之间的电流密度至5-10ma/cm2，阴极板附近发生包含如下的反应：
21.2h
+
+2e-→
h2↑
22.co2+h2o
→
h2co3[0023][0024]
h2co3+2oh-→
co
32-+h2o
[0025]
hco
3-+oh-→
co
32-[0026]
ca
2+
+co
32-→
caco3↓
[0027]
mg
2+
+oh-→
mg(oh)2↓
[0028]
生成的caco3和mg(oh)2沉淀，部分附着于阴极板表面，还有部分沉淀在水中；随着反应的进行，水体中的碳酸根离子浓度会逐渐降低，为了补充碳酸根离子，促进钙离子的沉淀反应，可以在阴极和阳极之间的反应区域下部通入含有二氧化碳的气体，二氧化碳溶于水后在阴极板附近生成碳酸根离子，使得碳酸根离子与钙离子继续反应生成caco3沉淀，促进钙离子的进一步去除。
[0029]
本发明所具有的优点和有益效果为：
[0030]
1)本发明中，通过对工业循环水进行预热处理，一方面提高了溶液的导电性能，从而提高了电化学反应效率；另一方面，降低了碳酸钙的溶解度，使得在阴极反应过程中，更容易析出碳酸钙沉淀，促进钙离子的进一步去除，从而提高了除垢效率；且本发明除垢方法操作简单、成本低、除垢效率高，适合大规模推广应用。
[0031]
2)本发明中通过对阴极板的表面进行打毛处理，提高了不锈钢板表面粗糙度，进而增加了反应的比表面积，提高了电化学反应速率，使得除垢效率进一步提高。
[0032]
3)本发明方法还可以通过辅以二氧化碳曝气，补充工业循环水中原始碳酸根不足以及加热过程中二氧化碳的溢出损失，促进钙离子形成碳酸钙沉淀以进一步去除，提高除垢效率。
具体实施方式
[0033]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0034]
本发明实施例提供了一种电化学除垢方法，该方法包括以下步骤：
[0035]
1)将工业循环水预热；
[0036]
2)将预热后的工业循环水通入阴极板和阳极板之间；
[0037]
3)将阴极板和阳极板分别连接直流电源的负极和正极；
[0038]
4)打开直流电源，调节电流密度，进行电化学除垢；
[0039]
5)当阴极和阳极间的电压增加到初始电压的1.5倍时，更换阴极板。
[0040]
在一些实施例中，该方法还包括在阴极和阳极之间的反应区域下部通入含有二氧化碳的气体。
[0041]
在一些实施例中，工业循环水预热的温度为50-70℃，优选为60-70℃，通过对工业循环水进行预热处理，不仅提高了溶液的导电性能，从而提高了电化学反应效率；同时也降
低了碳酸钙的溶解度，使得在阴极反应过程中更容易析出碳酸钙沉淀，从而提高了电化学除垢效率。
[0042]
在一些实施例中，阴极板采用不锈钢板，不锈钢板易于制备且性质比较稳定；阳极板采用dsa电极，其具有良好的催化活性和稳定性。
[0043]
在一些实施例中，采用砂纸对不锈钢板的表面进行打毛处理，提高了不锈钢板表面粗糙度，进而增加了反应的比表面积。
[0044]
在一些实施例中，阴极板和阳极板平行交替布置，且间距为1-3cm。
[0045]
在一些实施例中，气体中二氧化碳的含量为50％-100％，氮气的含量为0-50％；该气体是通过二氧化碳和氮气按比例配制得到。
[0046]
在一些实施例中，气体的曝气强度为0-2m3/m2·
h。
[0047]
在一些实施例中，电流密度为5-10ma/cm2。
[0048]
在一些实施例中，当预热后的工业循环水通入阴极板和阳极板之间后，通过调节阴极板和阳极板之间的电流密度至5-10ma/cm2，阴极板附近发生包含如下的反应：
[0049]
2h
+
+2e-→
h2↑
[0050]
co2+h2o
→
h2co3[0051][0052]
h2co3+2oh-→
co
32-+h2o
[0053]
hco
3-+oh-→
co
32-[0054]
ca
2+
+co
32-→
caco3↓
[0055]
mg
2+
+oh-→
mg(oh)2↓
[0056]
生成的caco3和mg(oh)2沉淀，部分附着于阴极板表面，还有部分沉淀在水中；随着反应的进行，水体中的碳酸根离子浓度会逐渐降低，为了补充碳酸根离子，促进钙离子的沉淀反应，可以在阴极和阳极之间的反应区域下部通入含有二氧化碳的气体，二氧化碳溶于水后在阴极板附近生成碳酸根离子，使得碳酸根离子与钙离子继续反应生成caco3沉淀，促进钙离子的进一步去除。
[0057]
下面通过具体实施例进一步详细描述本发明。
[0058]
实施例1
[0059]
一种电化学除垢方法，该方法包括以下步骤：
[0060]
1)将工业循环水预热至50℃；
[0061]
2)将预热后的工业循环水通入阴极板和阳极板之间，阴极板采用表面打毛的不锈钢板，阳极板采用dsa电极；
[0062]
3)将阴极板和阳极板分别接到直流电源的负极和正极；
[0063]
4)在阴极和阳极间反应区域的下部通入气体，且该气体中二氧化碳的含量为50％；气体的曝气强度为1m3/m2·
h；
[0064]
5)打开直流电源，调节电流密度至5ma/cm2，进行电化学除垢；由于阴极板表面的强碱性环境，钙离子和镁离子分别生成碳酸钙沉淀和氢氧化镁沉淀；同时，气体中的二氧化碳溶解在水中，进一步形成碳酸根离子，碳酸根与钙离子继续反应生成caco3沉淀，促进钙离子的进一步去除；经过电化学除垢后，结垢物质一部分沉淀在水中，将其排出即可；另一部分结垢物质附着在阴极板表面；
[0065]
6)当阴极和阳极间的电压增加到初始电压的1.5倍时，更换阴极板；更换下来的阴极板可利用机械方法(如刷子刷洗等)或者化学方法(如酸洗等)使得阴极板表面的结垢物质脱落；去除掉结垢物质，从而使得阴极板可重复利用。
[0066]
实施例2-5
[0067]
实施例2-5均提供了一种电化学除垢方法，与实施例1工艺参数的不同点见表1，其他步骤均与实施例1相同。
[0068]
表1
[0069][0070]
对比例1
[0071]
一种电化学除垢方法，包括以下步骤：
[0072]
1)工业循环水不进行预热，温度25℃；
[0073]
2)将工业循环水通入阴极板和阳极板之间，阴极板采用表面打毛的不锈钢板，阳极板采用dsa电极；
[0074]
3)将阴极板和阳极板分别接到直流电源的负极和正极；
[0075]
4)在阴极和阳极间反应区域的下部通入气体，且该气体中二氧化碳的含量为100％；气体的曝气强度为1m3/m2·
h；
[0076]
5)打开直流电源，调节电流密度至10ma/cm2，进行电化学除垢；由于阴极板表面的强碱性环境，钙离子和镁离子分别生成碳酸钙沉淀和氢氧化镁沉淀；同时，气体中的二氧化碳溶解在水中，进一步形成碳酸根离子，碳酸根与钙离子继续反应生成caco3沉淀，促进钙离子的进一步去除；经过电化学除垢后，结垢物质一部分沉淀在水中，将其排出即可；另一部分结垢物质附着在阴极板表面；
[0077]
6)当阴极和阳极间的电压增加到初始电压的1.5倍时，更换阴极板；更换下来的阴极板可利用机械方法(如刷子刷洗等)或者化学方法(如酸洗等)使得阴极板表面的结垢物质脱落；去除掉结垢物质，从而使得阴极板可重复利用。
[0078]
实验例1
[0079]
本实验例用以验证实施例1-5的电化学除垢方法的优越性。
[0080]
实验过程中，以实际工业循环水为处理对象，水的总硬度为215mg/l(以碳酸钙计)，分别按照上述实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5和对比例1所述的电化学除垢方法对工业循环水进行除垢处理，记录2h后水中钙离子的去除率，结果如下：
[0081]
表2钙离子去除率
[0082][0083]
通过表2中可以看出，相较于对比例1中未对工业循环水进行预热处理的电化学除垢方法，本发明提供的电化学除垢方法除垢效率更高。此外，通过表2中实施例1和实施例2钙离子的去除率我们可以看出，本发明方法通过对工业循环水进行预热处理，当预热温度从50℃提高至70℃时，钙离子去除率从35.6％提高至45.3％，电化学除垢效率提高了9.7％；此外，本发明方法还可通过二氧化碳曝气，补充了水体中的碳酸根离子，促进钙离子的进一步去除，从表2实施例3和实施例4数据可以看出，当在阴极和阳极间反应区域的下部通入二氧化碳含量为100％的气体，相比于不通气体，钙离子去除率从50.6％提高至56.5％，电化学除垢效率提高了5.9％；同时，通过对比实施例4和实施例5可以看出，当电流密度从5ma/cm2提高至10ma/cm2，钙离子去除率从49.7％提高至56.5％，电化学除垢效率提高了6.8％。
[0084]
以上可以看出，利用电化学方法对工业循环水进行除垢处理，可以通过对工业循环水进行预热处理，还可辅以二氧化碳曝气，以及提高电流密度，促进钙离子的进一步去除，从而提高电化学除垢效率。
[0085]
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0086]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。