電解數(shù)據(jù)對循環(huán)冷卻水除垢效果影響有多大？可以通過一組循環(huán)水?dāng)?shù)據(jù)來體現(xiàn)。循環(huán)水硬度大于800mg/L，電流密度、水力停留時間會停留在10分鐘左右。一般水質(zhì)腐蝕越嚴(yán)重，電流密度會相應(yīng)的升高。對于開式循環(huán)水系統(tǒng)在工業(yè)運(yùn)行后，會發(fā)生腐蝕、結(jié)垢等情況，觀察電解數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)可以了解系統(tǒng)腐蝕狀況。

　　文中將通過一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，還認(rèn)證電解數(shù)據(jù)如何體現(xiàn)循環(huán)水腐蝕效果：

　　本研究以人工配制的模擬硬水為研究對象，探究了不同電解參數(shù)對模擬硬水的處理效果，針對在電解過程中陰極結(jié)垢較嚴(yán)重的現(xiàn)象，采用倒極方法剝離陰極垢層，并探究了不同倒極電流密度和除垢時間下，陰極結(jié)垢的剝離效果和剝離方式。

　　1實(shí)驗(yàn)部分

　　01實(shí)驗(yàn)裝置及材料

　　本研究采用的實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。

　　電解槽有效容積為500mL，陽極采用鈦基釕銥電極，陰極采用不銹鋼電極，電極間距為1.5cm，有效電解面積為24cm2。用NaHCO3和CaCl2按物質(zhì)的量比為2:1的比例配制模擬硬水。實(shí)驗(yàn)過程中利用蠕動泵將儲水槽中的模擬硬水通過下進(jìn)上出的方式抽入電解槽中，電解完成后通過出水池進(jìn)行收集。

　　02分析方法

　　水質(zhì)總硬度的測定采用GB/T6909—2008《鍋爐用水和冷卻水分析方法硬度的測定》；Cl-的測定采用GB/T15453—2008《工業(yè)循環(huán)冷卻水和鍋爐用水中氯離子的測定》；活性氯的測定采用HJ586—2010《水質(zhì)活性氯和總氯的測定N，N-二乙基-1，4苯二胺分光光度法》。電流效率、陰極結(jié)垢剝離率計算式分別見式（1）、式（2）。

　　2結(jié)果與分析

　　01電流密度對電解效果的影響

　　配制硬度為400mg/L、Cl-質(zhì)量濃度為283.6mg/L的模擬硬水，水力停留時間（HRT）為10min，在不同電流密度下進(jìn)行電解，結(jié)果見圖2。

　　由圖2（a）可知，電流效率隨著電流密度的增大逐漸降低。硬度去除質(zhì)量濃度隨著電流密度的增大先增加后降低，這是因?yàn)殡娏髅芏容^低時，Ca2+在溶液中的遷移速率較慢，陰極附近產(chǎn)生的OH-濃度較低，導(dǎo)致在低電流密度下CaCO3的沉積量較少。電流密度增大會加快Ca2+向陰極的遷移速率，溶液中的氧化還原反應(yīng)加劇使陰極附近堿性增強(qiáng)，產(chǎn)生了較多的CO32-，促進(jìn)了Ca2+在陰極表面沉積，所以當(dāng)電流密度由5mA/cm2增加到10mA/cm2，硬度去除質(zhì)量濃度由110mg/L增加到180mg/L。當(dāng)電流密度超過10mA/cm2，陰極的析氫反應(yīng)加劇，較多的H2會在電極表面形成一層H2薄膜，阻礙了Ca2+、CO32-在陰極表面的傳質(zhì)過程，生成的大量H2也會導(dǎo)致陰極附近水體劇烈擾動，影響了Ca2+的遷移速率，導(dǎo)致了硬度去除質(zhì)量濃度的下降。

　　由圖2（b）可知，隨著電流密度的增大，陽極的氧化反應(yīng)加劇，Cl-去除質(zhì)量濃度和活性氯濃度也逐漸增大。當(dāng)電流密度由20mA/cm2增加到25mA/cm2，Cl-的去除速率顯著加快，但活性氯的生成速率有所降低。這主要是由于在高電流密度下，電解產(chǎn)生的Cl2大部分以氣體形式逸出，溶解于溶液中的Cl2的量減少，活性氯的生成速率降低。電流密度過高也會使陽極附近酸性增強(qiáng)，容易造成電極腐蝕。因此本研究采用的最適電流密度為10mA/cm2。

　　02水質(zhì)硬度對電解效果的影響

　　在電流密度為10mA/cm2、HRT為10min的條件下，考察不同硬度的模擬硬水（Cl-質(zhì)量濃度分別為141.8、283.6、425.4、567.2、709mg/L）對Cl-、硬度去除質(zhì)量濃度和活性氯質(zhì)量濃度的影響，結(jié)果見表1。

　　由表1可知，Cl-、硬度去除質(zhì)量濃度和活性氯質(zhì)量濃度均隨著水質(zhì)硬度的增加而增大。由于本研究是NaHCO3和CaCl2按物質(zhì)的量比為2:1配制的模擬硬水，硬度的增加會導(dǎo)致溶液中Cl-的初始濃度增加，抑制了陽極析氧副反應(yīng)的發(fā)生，提高了析氯效率，因此活性氯濃度、Cl-去除質(zhì)量濃度隨著硬度的增加而增大。

　　不同硬度的模擬硬水對硬度去除率、電流效率、單位硬度去除能耗的影響見圖3。

　　由圖3可知，電流效率隨著水質(zhì)硬度的增加而增大，硬度去除率則呈先增大后降低的趨勢。水質(zhì)硬度的提高使溶液中的Ca2+和HCO3-濃度升高，離子的遷移速率加快，硬度去除質(zhì)量濃度不斷增加。本研究是在相同電流密度和電解時間下進(jìn)行的，理論CaCO3的沉積量相同，因此電流效率隨著硬度去除質(zhì)量濃度的增加而上升。當(dāng)水質(zhì)硬度超過400mg/L時，由于硬度去除質(zhì)量濃度的增加幅度遠(yuǎn)低于初始硬度的增加量，因此硬度去除率不斷降低。離子濃度的升高也使得電解槽的槽壓下降，因此去除單位硬度的能耗隨著水質(zhì)硬度的增加顯著降低。盡管水質(zhì)硬度為400mg/L時硬度去除率最高，達(dá)到了45%，優(yōu)于水質(zhì)硬度為800mg/L時的硬度去除率41.25%，但電流效率較低，且去除單位硬度的能耗較高，達(dá)到了10.73kW·h/kg，在工業(yè)應(yīng)用中會造成資源浪費(fèi)，因此實(shí)驗(yàn)選取最優(yōu)水質(zhì)硬度為800mg/L。

　　03HRT對電解效果的影響

　　配制硬度為800mg/L、Cl-質(zhì)量濃度為567.2mg/L的模擬硬水，電流密度為10mA/cm2，考察HRT對電解效果的影響，結(jié)果見圖4。

　　由圖4（a）可知，硬度去除質(zhì)量濃度隨著HRT的延長逐漸增大且反應(yīng)速率呈先增加后降低的趨勢。電流效率則隨著HRT的延長不斷降低。HRT過短導(dǎo)致到達(dá)陰極反應(yīng)活性區(qū)域的Ca2+濃度較低，電解產(chǎn)生的CO32-較少，因此硬度去除質(zhì)量濃度較小。隨著HRT的延長，陰極附近的CO32-濃度顯著增加，能與富集的Ca2+反應(yīng)生成CaCO3沉淀附著在陰極表面。

　　YuYang等指出，陰極表面覆蓋的CaCO3層帶有負(fù)電位，能通過靜電力吸引更多的Ca2+在陰極富集，因而大大地減小了冷卻水的硬度。所以當(dāng)HRT由5min增加到10min，硬度去除質(zhì)量濃度由180mg/L增加到了300mg/L。當(dāng)HRT超過10min時，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，溶液中的離子濃度不斷降低，電導(dǎo)率下降，離子遷移速率變緩，陰極表面被CaCO3沉積物大量覆蓋，沉積物之間的離子通道收縮，OH-、Ca2+和HCO3-的對流擴(kuò)散速率下降，傳質(zhì)速率受阻，因此反應(yīng)速率下降。

　　由圖4（b）可知，HRT的延長可以促進(jìn)更多的Cl-遷移到陽極附近，通過氧化反應(yīng)產(chǎn)生了較多的Cl2，從而增加了溶液的活性氯濃度和Cl-去除質(zhì)量濃度。在本研究中將選取10min作為最佳電解時間。

　　04電流密度對倒極除垢的影響

　　在電解反應(yīng)進(jìn)行一段時間后，陰極表面會沉積大量的CaCO3，若不及時清理會影響后續(xù)的電解效果。本研究采用倒極法來去除陰極結(jié)垢，通過改變兩極的極性，將原來的不銹鋼陰極作為陽極，使電極表面的酸堿性發(fā)生改變，OH-在不銹鋼電極附近發(fā)生氧化反應(yīng)生成氧氣，電極附近酸性增強(qiáng)，電極表面結(jié)垢條件被破壞，析出的氧氣使附著的垢層不斷剝落而被去除。將硬度為800mg/L的模擬硬水在電流密度為10mA/cm2的條件下電解1h，獲得具有一定質(zhì)量垢層的陰極，經(jīng)干燥冷卻稱重后重新放入新配制的模擬硬水中，在不同電流密度下進(jìn)行倒極剝離，除垢時間為5min，結(jié)果見圖5。

　　由圖5可知，當(dāng)電流密度由3mA/cm2增加到5mA/cm2，除垢率也由57.49%增加到84.56%，且不會造成水質(zhì)硬度的增加。說明此時主要以物理脫落為主，電流密度的增大使不銹鋼電極表面產(chǎn)生的微氣泡快速增加，并在電極和垢層間快速長大，直至將結(jié)垢物墊起隔離。而電解產(chǎn)生的H+不足以將附著在電極表面的CaCO3層溶解。在實(shí)驗(yàn)過程中也發(fā)現(xiàn)不銹鋼電極表面的結(jié)垢呈塊狀剝落。當(dāng)電流密度增加到8mA/cm2，水樣的硬度下降到700mg/L，說明在鈦釕銥電極附近生成了一定的CaCO3沉淀。當(dāng)電流密度繼續(xù)增大時，盡管鈦釕銥陰極附近會生成一定量的CaCO3沉淀，但由于不銹鋼電極附近的酸性較強(qiáng)，不銹鋼電極表面的垢層會有一部分被H+溶解，以Ca2+的形式重新釋放到溶液中，造成總硬度會隨著電流密度的增加而上升，這在工業(yè)應(yīng)用中會造成水質(zhì)條件的二次惡化，因此最佳的電流密度為5mA/cm2。

　　05除垢時間對倒極除垢的影響

　　在倒極電流密度為5mA/cm2的條件下，考察除垢時間對結(jié)垢剝離的效果，結(jié)果見圖6。

　　由圖6可知，當(dāng)除垢時間由3min逐漸增加到8min，除垢率也由75.28%增加到了94.3%，且不會引起水質(zhì)硬度的上升，在實(shí)驗(yàn)過程中均未發(fā)現(xiàn)不銹鋼電極的腐蝕。當(dāng)除垢時間繼續(xù)增加，除垢率有所下降，同時水質(zhì)硬度由800mg/L下降到了760mg/L，這可能是由于除垢時間的增加導(dǎo)致了鈦釕銥電極附近的OH-濃度增加，生成了部分CaCO3沉淀。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)除垢時間達(dá)到了10~15min時，不銹鋼電極會發(fā)生一定程度的腐蝕，造成電解電壓的急劇升高，能耗增加，因此最佳除垢時間為8min。

　　3結(jié)論

　?。?）電化學(xué)法處理循環(huán)冷卻水的最佳電解條件：水質(zhì)硬度為800mg/L，Cl-質(zhì)量濃度為567.2mg/L，電流密度為10mA/cm2，HRT為10min。在最佳電解條件下硬度去除質(zhì)量濃度為300mg/L，Cl-去除質(zhì)量濃度為140mg/L，活性氯質(zhì)量濃度為8.74mg/L，電流效率為88.44%。

　?。?）倒極除垢的最佳條件：倒極電流密度為5mA/cm2，倒極除垢時間為8min。在最佳倒極條件下陰極結(jié)垢剝離率為94.3%，且以物理脫落為主，不會造成水質(zhì)的二次惡化或電極腐蝕。

　　電化學(xué)法處理循環(huán)水電解條件得到認(rèn)證，不同電流密度對倒極除垢效果也是不同的。安峰環(huán)保針對循環(huán)冷卻水系統(tǒng)腐蝕處理，有專業(yè)的水處理團(tuán)隊(duì)，在循環(huán)水處理方面有關(guān)10多年的經(jīng)驗(yàn)，歡迎廣大客戶前來咨詢：