新型捕垢器在處理工業(yè)循環(huán)水領域的應用研究
作者：鄭曉敏
近年來，國內外開展了大量對循環(huán)冷卻水水質處理的研究，Leonard等提出了利用射頻電場去除換熱器壁面上的CaC03結垢的新技術，研究表明，射頻電場在不同電壓和頻率下除垢效果顯著。Young等研究了基于感應電場的脈沖動力系統(tǒng)，將換熱器壁上的CaCO3沉淀轉變?yōu)槭杷傻谋倔w沉淀類型，從而很容易被去除。Tijing等研究利用浸入水中平行石墨電極板產(chǎn)生的振蕩電場減少換熱器壁面的礦物結垢。Quan等采用低壓電解防污技術，實驗測試了多種水質處理前后的硬度、堿度、電導率和pH，并發(fā)現(xiàn)大量結垢沉積物出現(xiàn)在靠近電陰極或在測試液體中的處理單元內表面，但沒有沉積在熱交換器表面，說明阻垢效果好。張安龍等結合具體監(jiān)測數(shù)據(jù)闡述了板式電化學水處理裝置的優(yōu)點及突破性的功能。黃嘉順等建立了利用直流脈沖或交變磁場進行水處理的新技術，具有優(yōu)異的水處理效能和靈活方便的應用特點。張帆等將超聲用于石油化工循環(huán)冷卻水中異養(yǎng)菌的滅菌處理，詳細系統(tǒng)地考察了各個影響因素對冷卻水凈化處理的影響規(guī)律。
以上研究分別對各類物理法水處理技術進行了廣泛詳細的探討，但都存在一定的技術問題，而且很多都未進行工業(yè)應用。本文中采用的一種新型捕垢器，可以不使用任何化學藥劑就能軟化水質，殺滅菌藻。以還原水代替除垢、除銹藥水，長期除垢、防腐。直接于清水中“撈垢”、“殺生”，具有明顯吸垢效果，吸垢可見。由于基本不需要排污，同比目前行業(yè)水處理法水量超過90%以上，有顯著的工業(yè)應用前景。
1 新型捕垢器工作原理
新型捕垢器通過設計獨特的吸收籃將水電解成活性離子水，增加了水的溶解度和溶垢能力，特定的電場改變了CaCO3、Mg( OH)2等鹽垢類的結晶過程，抑制了水垢產(chǎn)生。經(jīng)過電解的活性離子水使管道內壁、設備換熱器、冷卻塔等的水垢逐漸溶于水中，通過吸收籃把垢、銹吸在網(wǎng)上，讓除垢、除銹看得見。同時活性離子水使管道內壁、設備換熱器生成一層保護膜，防止了管道、設備的腐蝕。新型節(jié)能捕垢器工作時釋放出大量具有強烈殺菌作用的03、OH -、02 -、H202，同時配合銀銅離子殺菌籃，對水中的各種藻類、細菌，包括軍菌的殺菌滅藻效率高達99.8%。
1.1高頻電解
在天然水中，通常是許多水分子通過氫鍵結合起來，形成環(huán)狀或直線鏈狀的構造，成為締合的分子簇團。如圖1所示，左右電極板在高頻變化電流作用下，正負極周期性交替變換而使水分子不斷在左右電極間高速運動，氫鍵被破壞。使水中富含更為活潑的單個游離小分子還原水，部分結合以氫氣、氧氣排出。電解產(chǎn)生的活性氧可以氧化水中的有機物變成二氧化碳氣體排放到空氣中。在冷卻水系統(tǒng)中，來自于天然混合物基于礦床的碳酸鹽，溶解在幾乎所有原始的補充水中。
設備運行前水呈死水狀態(tài)，水的硬度大，且存在大量細菌、藻類，容易導致管道堵塞，結垢，冷卻系統(tǒng)傳熱效率差，耗電嚴重。運行中產(chǎn)生小分子還原水，將管道水垢、鐵銹等氧化物還原，并吸收到收集器負極，特殊電解過程中產(chǎn)生的活性氧( 03、02、H202等)對細菌（如軍團菌）、藻類有強的氧化作用。
運行一段時間后，形成低氧化還原電位的小分子還原水，水體硬度小，系統(tǒng)垢銹基本去除，冷卻系統(tǒng)傳熱良好，達到節(jié)能環(huán)保功效。
1.2溶垢、集垢
高頻發(fā)生器產(chǎn)生低壓高頻信號，通過電場力作用，使水分子在電極間有規(guī)則向正極高速運動，電極高頻變換，原系統(tǒng)中大分子團水分子劇烈碰撞后，氫鍵受到破壞，逐步裂解成“活性氧”、“負電位”小分子水體，又稱“還原水”。水體還原電位下降，系統(tǒng)飽和指數(shù)上升，對原始硬垢具有很強的溶解能力和滲透能力，使原始硬垢以Fe3+、Ca2+、Mg2+形式溶于循環(huán)水體，原始硬垢逐步溶解去除。
已經(jīng)溶在水中的Fe3+、Ca2+、Mg2+由于受到集垢器外網(wǎng)（鈦合金永久性負極）電場力的吸引作用，F(xiàn)e3+、Ca2+、Mg2+在集垢器重新集成新垢，而不會在設備內壁上結垢，使用者只需周期性清理集垢器外網(wǎng)即可。
1.3滅藻、殺菌
電解水過程產(chǎn)生的部分臭氧和過氧化氫對細菌微生物有較強的殺滅作用，電極安裝的銅銀合金片電解產(chǎn)生的微量銅銀離子可以使蛋白質變性，抑制細菌藻類合成酶代謝過程，對細菌和藻類有很強的殺滅和抑制作用，殺滅藻類成塊沉積于池子或者冷卻塔底部，呈現(xiàn)黑色，水質清澈，濁度降低。
1.4 防腐、降氯
(1)電解水過程中部分活性氧和活性氫結合水體中DO（溶解氧）和水分子生成臭氧和過氧化氫，水體中DO（溶解氧）下降，臭氧和過氧化氫對有機物雜質和細菌微生物去除能力很強，尤其是對于一些軍團菌、鐵細菌和硫酸鹽還原菌落的殺滅作用，從而防止了細菌腐蝕。
(2)熱交換器表面由于除垢效應，變得平整光滑，防止了垢下腐蝕。
(3)系統(tǒng)中氯離子由于蒸發(fā)濃縮，濃度逐步增大，目前常見的處理方式是換水處理，循環(huán)水除垢節(jié)能捕垢器通過電解銅銀合金片，產(chǎn)生部分微量的銀離子可以降解部分氯離子，小分子循環(huán)水體結合氯離子形成水合氯離子，減少對管道和設備的接觸腐蝕板結。系統(tǒng)中氯主要來源于化學藥劑（殺生劑）的投入和軟化水設備的工業(yè)鹽混入（樹脂再生過程，反沖洗不干凈或者膜穿孔）。
2實驗研究
為有效證明本文中提出的新型節(jié)能捕垢器的優(yōu)良性能，也為其大面積工業(yè)應用奠定基礎，進行了如下中試實驗。
2.1實驗過程
以某企業(yè)的中央空調為實驗對象。投放捕垢器之前，清洗了中央空調的冷凝器，在清洗之后，安全科學地投加了高效捕垢器，基本流程如圖2所示。在2014年7-9月的制冷季期間，每隔1周定期人工清理捕垢器的吸收籃，定點取水樣進行化驗，并對實驗數(shù)據(jù)進行處理與分析。
2.2實驗結果與分析
2.2.1 電導率
從圖3所示的電導率變化曲線中可以看出，使用新型捕垢器處理工業(yè)循環(huán)冷卻水后，水的電導率呈先升高后降低的趨勢。原因是最初在電場的作用下水分子的電偶極矩增大，水分子的排列趨向有序，水分子與鈣、鎂離子的結合力增強形成[ Ca(H2O)4]2+、[Mg(H2O)4]2+等，Ca2十、Mg2+在水分子的包圍下也將有序地分布其中，從而減少了形成鈣、鎂鹽的機會。在電場作用下，CaC03等鹽類離解成Ca2+、C02 -的電離活化能下降，使電離作用增強，生成更多的導電離子，水體還原電位下降，系統(tǒng)飽和指數(shù)上升，對原始硬垢具有很強的溶解能力和滲透能力，使原始硬垢以Fe3+、Ca2+、Mg2+形式溶于循環(huán)水體，原始硬垢逐步溶解去除，導致循環(huán)水中電導率升高。隨后，循環(huán)水中的電導率呈下降趨勢，這是因為已經(jīng)溶在水中的Fe3、Ca2+、Mg2+由于受到集垢器外網(wǎng)（鈦合金永久性負極）電場力的吸引作用，F(xiàn)e3+、Ca2+、Mg2+在集垢器重新集成新垢。
2.2.2硬度
由圖4中的硬度實驗數(shù)據(jù)曲線變化趨勢可知，水中總硬度呈下降趨勢。其中，總硬度（以CaC03表示）在前60 d急劇下降，從760 mg/L下降到500 mg/L，這是因為本裝置采用新的方法來控制碳酸鈣沉淀，較小地依賴排污去移除鈣。這個方法用電解和移除設備來快速捕捉碳酸鈣，有效限制微結晶形成。
在實際操作中，電解不僅考慮高的周期濃度和顯著節(jié)約補充水，還要考慮盡少地依賴排污來輸送鈣，還有微晶體的年齡及大小的控制，增加周期濃度的益處可以延伸到傳統(tǒng)上非常難處理的高停留時間的系統(tǒng)或者停留時間變化很大的系統(tǒng)。
圖5、圖6表明真實系統(tǒng)中鈣鎂離子濃度隨時間的變化規(guī)律，可以看出水質經(jīng)過電解處理后鈣鎂離子濃度明顯下降，鈣鎂離子的質量濃度最大為575 mg/L，最小為400 mg/L，最終穩(wěn)定在420 mg/L左右。說明經(jīng)電解處理后的水樣離子濃度能控制在一個較理想的范圍內，完全能夠符合凈化指標。
2.2.3堿度
為了保證循環(huán)冷卻水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，防止結垢問題發(fā)生，通常要靠監(jiān)測控制循環(huán)水水質中的一些參數(shù)來完成，其中堿度就是一項非常重要的指標。
從圖7、圖8中實驗分析測得的水樣曲線可知，水的堿度在前50 d-直呈下降趨勢，這主要是因為該捕垢器通過特殊的高頻電流徹底改變了水質，使循環(huán)水變成具有殺菌、除垢、除銹、防垢、防銹的小分子還原水，增強循環(huán)水的溶解、滲透能力，最終使水系的總堿度下降。而后來的50天，水系的總堿度又略有提升，說明該物理方法處理水質是一種動態(tài)平衡過程。從長遠角度來看，水質中的重碳酸鹽和碳酸鈣含量減少，即水中的總堿度和酚酞堿度含量下降。兩圖的曲線變化趨勢非常相似，說明不管是用酚酞堿度還是用總堿度作為指標來衡量水質中水垢的含量，結果都是相同的。
2.2.4 pH
對于循環(huán)水中不溶性配對的鈣離子和碳酸根離子，循環(huán)水迅速變成高度過飽和，pH增加，這個階段水垢和沉淀形成，但是沉淀不會非常明顯，因為碳酸鈣的結晶非常緩慢。如圖9所示，由于該捕垢器穩(wěn)定了溶液的pH，可以促成某些沉淀的生成和溶解，對于難溶的弱酸鹽CaC03，可以采用加酸改變溶液的pH（調至7—9），這時既不會形成其他金屬的氫氧化物沉淀，也不會放出C02而使平衡向生成CaCO，沉淀方向進行，可以有效控制沉淀的生成。
2.2.5 總溶固
如圖10所示，由總溶固隨時間的變化曲線看出，經(jīng)過循環(huán)水高效捕垢器處理過的工業(yè)循環(huán)冷卻水的總溶固大體呈下降趨勢，最后穩(wěn)定在1 350 mg/L左右，基本符合循環(huán)水的使用要求。這是因為水分子在電場作用下，在陽極發(fā)生電化學反應，通過Haber -Weiss反應可以生成[O]、H202、羥基自由基等，陽極氧化產(chǎn)生的O、．OH、HC10等具有極強的氧化能力，微生物細胞膜中的不飽和脂肪酸被氧化，產(chǎn)生大量的脂質過氧化物，使細胞膜柔韌性降低，脆性增加，溶酶體膜通透性增強，釋放溶酶體酶，導致細胞裂解死亡。電化學方法能夠完全殺滅水中的細菌，而且經(jīng)過電化學處理后的水具有一定的持續(xù)殺菌能力。
2.2.6 Cl -濃度
系統(tǒng)中氯離子到達金屬表面后與之形成可溶性鹽，促使金屬離子水合進入溶液，降低吸附層的超電壓，使金屬腐蝕加速。如果Cl-使局部區(qū)域的鈍化破壞，將在被破壞的小區(qū)域產(chǎn)生很高的腐蝕電流密度，形成穿透速度很快的點腐蝕。目前常見的處理方式是換水處理。
如圖11所示的實驗數(shù)據(jù)可知，新型捕垢器通過電解銅銀合金片產(chǎn)生部分微量的銀離子可以降解部分氯離子，有效降低了Cl-的濃度，小分子循環(huán)水體結合氯離子形成水合氯離子，減少對管道和設備的接觸腐蝕板結。
3結論
通過上述理論分析和實驗研究，充分證明了本文中提出的新型節(jié)能環(huán)保捕垢器能夠快速清潔地捕捉水中鈣、鎂等金屬離子，達到溶垢除垢的目的，有效降低了水的硬度。同時也降低了氯離子濃度，有效控制了碳鋼、不銹鋼等冷卻設備的腐蝕。該裝置簡單、節(jié)能且易于維護，不需要化學處理，可以廣泛應用于工業(yè)循環(huán)水處理中。
4摘要：
介紹了一種新型捕垢器在循環(huán)冷卻水處理領域的應用。在分析該捕垢器工作原理的基礎上，通過中試實驗，對利用捕垢器處理后水質的電導率、硬度及pH等參數(shù)變化進行詳細分析與總結，結果表明，該新型捕垢器具有明顯的去垢、滅藻、殺菌、防腐、降氯等功效，具有很好的工業(yè)應用前景。
