电化学水处理技术在循环水
处理系统中的应用
作者 闫俊 王海刚
(山西芮海环保科技有限公司，山西太原 030006)
摘要：电化学水处理技术是一种环境友好的新型水处理技术，本文介绍了电化学水处理技术的工作原理、工作流程，对比了电化学水处理设备投用前后的水质变化。评估其取代传统的以投加化学药剂处理、提高浓缩倍数节水的可行性。从而在节水、节能、环保、系统化学性质及腐蚀和结垢等方面实现有效稳定控制，真正能达到节能减排的目的。
关键词：电化学; 水处理; 除垢; 杀菌
循环水系统是冶金工业、石油工业、化工工业以及建筑的空调系统必不可少的能源介质之一。提高循环水的利用率将极大减缓用水压力，然而减少循环水的排放，提高其浓缩倍数，必然会带来管道和设备的结垢、腐蚀以及微生物大量滋生等问题。目前，对于工业循环水处理系统，为减少因循环水中盐类等的浓缩而对管道及设备造成的不利影响，普遍使用投加化学药剂的方法来保持水质稳定[1]，以提高循环水系统的浓缩倍数。然而，这种方法所使用的药剂昂贵，运行成本高。电化学水处理技术利用水及水中矿物质的电化学特性，通过调节水中矿物质的平衡，解决了工业循环水的结垢、腐蚀、微生物滋生三大问题，从根本上解决投加化学药剂带来的环境污染。
1电化学水处理技术的工作原理
电化学水处理技术的主要工作原理是利用电化学的氧化还原反应，将水中的Ca2+、Mg2+以固体形式排除，降低水体的硬度，同时产生氧化性物质，抑制循环水系统中菌藻的滋生，达到杀菌灭藻功能。目前，国内外对于电化学循环水处理技术的机理研宄主要集中在以下两个方面：
1.1电化学除垢原理
在电流的作用下水在阴极发生电解反应生成OH-，见式（1）、式（2）。由阴极反应产生的OH-离子，打破阴极附近溶液中碱度与硬度的平衡，溶液中的HCO3-离子转化为CO32-离子，见式（3）。同时水中的Ca2+、Mg2+等成垢离子在静电引力的作用下向阴极区迁移，分别生成CaCO3、Mg(OH)2沉淀析出，见式（4）、式（5）。
（1） O2+2 H2O+4e→4OH-
（2） 2H2O+2e→H2+2OH-
（3） OH-+ HCO3-→CO32-+ H2O
（4） Ca2++CO32-→CaCO3↓
（5） Mg2++2OH-→Mg(OH)2↓
同时在电场的作用下，CaCO3在阴极板表面的结晶形式由坚硬的方解石结构转变为较为疏松的文石型结构，更易于剥离去除[2-3]。
1.2电化学杀菌原理
研究者[4]认为电化学消毒并不是一个简单的过程，其包括了物理、化学和生物等多种作用机制与反应历程，可以认为是多种因素共同作用完成的。其中主要涉及如电解氯化、活性基团作用等。
在电场的作用下，水中的氯离子会被氧化成氯气、次氯酸、次氯酸根等自由氯组分，见式（6）、式（7）、式（8）。一般认为，电解氯化作用，主要通过次氯酸起作用。次氯酸为很小的中性分子，只有它才能扩散到带负电的细菌表面，并通过细菌的细胞壁穿透到细菌内部。当次氯酸到达细菌内部时，能起氧化作用破坏细菌的酶系统而使细菌死亡。在电催化反应中，通过电解水以及溶解在水中的氧气在电极表面生成一些短寿命的中间产物，即臭氧（式9）、羟基自由基（式10）、过氧化氢（式11）和氧自由基（式12）等，这些强氧化性的物质能使微生物细胞中的多种成分发生氧化，从而使微生物产生不可逆的变化而死亡。
（6） 2Cl- -2e→Cl2
（7） Cl-+H2O-2 e→HClO +H+
（8） Cl-+2OH-- 2 e→ClO+ H2O
（9） O2 + 2OH--2e→O3+ H2O
（10） OH- - e→OH0
（11） 2H2O- 2 e→H2O2 + 2H+
（12） H2O -2 e→O0 + 2 H+
2 电化学水处理设备工作方式
2.1 电化学水处理设备的安装
EST电化学水处理设备采用旁路安装，在不改变现有工艺情况下，可以直接并联在几乎所有的现有循环水系统上（见图1）。处理单元相对紧凑，安装场地占用面积小，不需要土建施工。
图1 EST电化学水处理装置流程图
2.2电化学水处理设备工作流程
电化学水处理设备利用水垢预沉积和氯离子的氧化产物，用于工业循环冷却水、中央空调循环水等，从而取代软化树脂或者化学药剂解决结垢和微生物控制的问题。其主要构成部件有: 反应室、阳极、驱动电机、刮刀、进出口、排污阀及控制部分等（见图2）。
冷却水在反应室内，经过电化学作用发生下列反应：（1）在阴极（反应室内壁）附近形成一个强碱性环境，使碳酸钙从水中析出，与沉积的重金属离子一起附着在内壁上。（2）电流导致悬浮颗粒失稳，形成较大絮体沉淀下来。（3）在阳极附近，氯离子被电解氧化生成游离氯或者次氯酸。（4）在阳极附近同时生成氢氧根自由基、氧自由基、臭氧和双氧水，这些物质进一步强化了在反应室内和整个水系统的杀菌灭藻效果。（5）当设备工作时间达到设定值或者水中电导率过高时，控制系统就启动自动刮垢、排污和清洗程序。进水阀门自动关闭，同时排污阀门开启，电机启动刮刀刮掉反应室内壁的软质水垢，与沉淀物一起排出反应室。然后进水阀门开启，刮刀停止运动，将水垢和沉淀物彻底清洗干净。大约2-5分钟后，排污阀门自动关闭，设备恢复正常工作。
图2 电化学水处理设备内部结构
2.3 投用前后循环水水质比较
某企业实施循环水处理技术升级改造项目，使用山西芮海环保科技有限公司的电化学水处理设备一套，到目前为止该设备运行稳定，循环水各项指标均有明显改观，水质明显变清，透明度高，水垢去除看得见。设备自动化程度高，运行稳定，与投加药剂相比运行费用减少75%。设备投运前、后循环水各项指标平均数据对比见表1。装置投运后，循环水总铁离子质量浓度逐步降低并趋于稳定，循环水的总碱度、总硬度、Cl-浓度和电导率均有一定程度的降低。
表1 设备投运前、后循环水各项指标平均数据对比
项目
投运前
投运后
PH
8.53
8.36
总碱度（mg/L）
220
171
总硬度（mg/L）
445
390
总铁（mg/L）
1.60
0.33
Cl-浓度（mg/L）
82
60
电导率（μs/cm）
845
684
3电化学水处理设备使用优势
（1）电解系统由微电脑控制，全自动化操作，维护方便简单，占地面积小，重量轻，安装方便灵活。
（2）免加化学水处理药剂，绿色环保，无污染物排放，节水，节能，提高生产效率。与使用化学水处理药剂比较，节水≥40%、节能≥23%、提高生产效率≥4%；绿色环保，排水经过沉淀澄清即可循环利用。
（3）提高生产效率。电化学设备通过LSI、RSI软件系统控制运行，确保换热器水侧结垢物质厚度在0.1mm左右。在防腐蚀同时，确保热交换效率始终达到设计能力的98%以上，热交换器3年内不需要清洗。
（4）经济实用。单台设备处理量50m3/h-100m3/h，电极寿命≥3年，杀菌灭藻效果是药剂的10倍以上，设备投资回报周期在1年左右。
4结论与展望
电化学循环水技术的研究与应用，取代了用添加化学药剂方式处理循环水，从源头上解决了循环水污染的根本问题，一方面让循环水系统运行更加稳定，另一方面彻底解决循环水排污引起的环保问题，节约药剂费用，节约补充水费用的同时，节省巨额的污水处理与排放费用；优化循环水系统的同时，大幅度降低企业污水系统的巨额投资与运行费用，有着极其重要的环保与经济价值。
面对越来越严峻的水资源危机与水污染现状，电化学水处理设备将具有很高的优越性和应用前景。
参考文献
[1]王九思, 等. 水处理化学[M].化学工业出版社, 北京, 2003．
[2]徐浩, 延卫, 汤成莉. 水垢的电化学去除工艺与机理研究[J].西安交通大学学报，2009, 43(5):104-108.
[3]Gabrielli C, Maurin G, Francy C H, etal.Electrochemical Water Softening:Principle and Application [J].Water Research,2001,(13):3235-3241.
[4]谭丽, 李本高.电化学杀菌技术在水处理中的研究进展[J].工业水处理, 2006,26(02):1-5.
电化学水处理技术在循环水
处理系统中的应用
作者 闫俊 王海刚
(山西芮海环保科技有限公司，山西太原 030006)
摘要：电化学水处理技术是一种环境友好的新型水处理技术，本文介绍了电化学水处理技术的工作原理、工作流程，对比了电化学水处理设备投用前后的水质变化。评估其取代传统的以投加化学药剂处理、提高浓缩倍数节水的可行性。从而在节水、节能、环保、系统化学性质及腐蚀和结垢等方面实现有效稳定控制，真正能达到节能减排的目的。
关键词：电化学; 水处理; 除垢; 杀菌
循环水系统是冶金工业、石油工业、化工工业以及建筑的空调系统必不可少的能源介质之一。提高循环水的利用率将极大减缓用水压力，然而减少循环水的排放，提高其浓缩倍数，必然会带来管道和设备的结垢、腐蚀以及微生物大量滋生等问题。目前，对于工业循环水处理系统，为减少因循环水中盐类等的浓缩而对管道及设备造成的不利影响，普遍使用投加化学药剂的方法来保持水质稳定[1]，以提高循环水系统的浓缩倍数。然而，这种方法所使用的药剂昂贵，运行成本高。电化学水处理技术利用水及水中矿物质的电化学特性，通过调节水中矿物质的平衡，解决了工业循环水的结垢、腐蚀、微生物滋生三大问题，从根本上解决投加化学药剂带来的环境污染。
1电化学水处理技术的工作原理
电化学水处理技术的主要工作原理是利用电化学的氧化还原反应，将水中的Ca2+、Mg2+以固体形式排除，降低水体的硬度，同时产生氧化性物质，抑制循环水系统中菌藻的滋生，达到杀菌灭藻功能。目前，国内外对于电化学循环水处理技术的机理研宄主要集中在以下两个方面：
1.1电化学除垢原理
在电流的作用下水在阴极发生电解反应生成OH-，见式（1）、式（2）。由阴极反应产生的OH-离子，打破阴极附近溶液中碱度与硬度的平衡，溶液中的HCO3-离子转化为CO32-离子，见式（3）。同时水中的Ca2+、Mg2+等成垢离子在静电引力的作用下向阴极区迁移，分别生成CaCO3、Mg(OH)2沉淀析出，见式（4）、式（5）。
（1） O2+2 H2O+4e→4OH-
（2） 2H2O+2e→H2+2OH-
（3） OH-+ HCO3-→CO32-+ H2O
（4） Ca2++CO32-→CaCO3↓
（5） Mg2++2OH-→Mg(OH)2↓
同时在电场的作用下，CaCO3在阴极板表面的结晶形式由坚硬的方解石结构转变为较为疏松的文石型结构，更易于剥离去除[2-3]。
1.2电化学杀菌原理
研究者[4]认为电化学消毒并不是一个简单的过程，其包括了物理、化学和生物等多种作用机制与反应历程，可以认为是多种因素共同作用完成的。其中主要涉及如电解氯化、活性基团作用等。
在电场的作用下，水中的氯离子会被氧化成氯气、次氯酸、次氯酸根等自由氯组分，见式（6）、式（7）、式（8）。一般认为，电解氯化作用，主要通过次氯酸起作用。次氯酸为很小的中性分子，只有它才能扩散到带负电的细菌表面，并通过细菌的细胞壁穿透到细菌内部。当次氯酸到达细菌内部时，能起氧化作用破坏细菌的酶系统而使细菌死亡。在电催化反应中，通过电解水以及溶解在水中的氧气在电极表面生成一些短寿命的中间产物，即臭氧（式9）、羟基自由基（式10）、过氧化氢（式11）和氧自由基（式12）等，这些强氧化性的物质能使微生物细胞中的多种成分发生氧化，从而使微生物产生不可逆的变化而死亡。
（6） 2Cl- -2e→Cl2
（7） Cl-+H2O-2 e→HClO +H+
（8） Cl-+2OH-- 2 e→ClO+ H2O
（9） O2 + 2OH--2e→O3+ H2O
（10） OH- - e→OH0
（11） 2H2O- 2 e→H2O2 + 2H+
（12） H2O -2 e→O0 + 2 H+
2 电化学水处理设备工作方式
2.1 电化学水处理设备的安装
EST电化学水处理设备采用旁路安装，在不改变现有工艺情况下，可以直接并联在几乎所有的现有循环水系统上（见图1）。处理单元相对紧凑，安装场地占用面积小，不需要土建施工。
图1 EST电化学水处理装置流程图
2.2电化学水处理设备工作流程
电化学水处理设备利用水垢预沉积和氯离子的氧化产物，用于工业循环冷却水、中央空调循环水等，从而取代软化树脂或者化学药剂解决结垢和微生物控制的问题。其主要构成部件有: 反应室、阳极、驱动电机、刮刀、进出口、排污阀及控制部分等（见图2）。
冷却水在反应室内，经过电化学作用发生下列反应：（1）在阴极（反应室内壁）附近形成一个强碱性环境，使碳酸钙从水中析出，与沉积的重金属离子一起附着在内壁上。（2）电流导致悬浮颗粒失稳，形成较大絮体沉淀下来。（3）在阳极附近，氯离子被电解氧化生成游离氯或者次氯酸。（4）在阳极附近同时生成氢氧根自由基、氧自由基、臭氧和双氧水，这些物质进一步强化了在反应室内和整个水系统的杀菌灭藻效果。（5）当设备工作时间达到设定值或者水中电导率过高时，控制系统就启动自动刮垢、排污和清洗程序。进水阀门自动关闭，同时排污阀门开启，电机启动刮刀刮掉反应室内壁的软质水垢，与沉淀物一起排出反应室。然后进水阀门开启，刮刀停止运动，将水垢和沉淀物彻底清洗干净。大约2-5分钟后，排污阀门自动关闭，设备恢复正常工作。
图2 电化学水处理设备内部结构
2.3 投用前后循环水水质比较
某企业实施循环水处理技术升级改造项目，使用山西芮海环保科技有限公司的电化学水处理设备一套，到目前为止该设备运行稳定，循环水各项指标均有明显改观，水质明显变清，透明度高，水垢去除看得见。设备自动化程度高，运行稳定，与投加药剂相比运行费用减少75%。设备投运前、后循环水各项指标平均数据对比见表1。装置投运后，循环水总铁离子质量浓度逐步降低并趋于稳定，循环水的总碱度、总硬度、Cl-浓度和电导率均有一定程度的降低。
表1 设备投运前、后循环水各项指标平均数据对比
项目
投运前
投运后
PH
8.53
8.36
总碱度（mg/L）
220
171
总硬度（mg/L）
445
390
总铁（mg/L）
1.60
0.33
Cl-浓度（mg/L）
82
60
电导率（μs/cm）
845
684
3电化学水处理设备使用优势
（1）电解系统由微电脑控制，全自动化操作，维护方便简单，占地面积小，重量轻，安装方便灵活。
（2）免加化学水处理药剂，绿色环保，无污染物排放，节水，节能，提高生产效率。与使用化学水处理药剂比较，节水≥40%、节能≥23%、提高生产效率≥4%；绿色环保，排水经过沉淀澄清即可循环利用。
（3）提高生产效率。电化学设备通过LSI、RSI软件系统控制运行，确保换热器水侧结垢物质厚度在0.1mm左右。在防腐蚀同时，确保热交换效率始终达到设计能力的98%以上，热交换器3年内不需要清洗。
（4）经济实用。单台设备处理量50m3/h-100m3/h，电极寿命≥3年，杀菌灭藻效果是药剂的10倍以上，设备投资回报周期在1年左右。
4结论与展望
电化学循环水技术的研究与应用，取代了用添加化学药剂方式处理循环水，从源头上解决了循环水污染的根本问题，一方面让循环水系统运行更加稳定，另一方面彻底解决循环水排污引起的环保问题，节约药剂费用，节约补充水费用的同时，节省巨额的污水处理与排放费用；优化循环水系统的同时，大幅度降低企业污水系统的巨额投资与运行费用，有着极其重要的环保与经济价值。
面对越来越严峻的水资源危机与水污染现状，电化学水处理设备将具有很高的优越性和应用前景。
参考文献
[1]王九思, 等. 水处理化学[M].化学工业出版社, 北京, 2003．
[2]徐浩, 延卫, 汤成莉. 水垢的电化学去除工艺与机理研究[J].西安交通大学学报，2009, 43(5):104-108.
[3]Gabrielli C, Maurin G, Francy C H, etal.Electrochemical Water Softening:Principle and Application [J].Water Research,2001,(13):3235-3241.
[4]谭丽, 李本高.电化学杀菌技术在水处理中的研究进展[J].工业水处理, 2006,26(02):1-5.