郭麗娜
(山西焦化集團(tuán)有限公司,山西 洪洞 041600)
在焦化廢水處理環(huán)節(jié)中,循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的應(yīng)用極為頻繁,而在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的應(yīng)用過(guò)程中,受到各種環(huán)境因素的影響,其水分大量蒸發(fā),導(dǎo)致水中的部分無(wú)機(jī)鹽離子濃度上升,引起循環(huán)水結(jié)垢問(wèn)題。以往為解決循環(huán)水結(jié)垢問(wèn)題,多采用加藥法,但這種方法對(duì)于降低循環(huán)水硬度和堿度的效果有限,仍然難以避免循環(huán)冷卻水的結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。為此,應(yīng)用新興的電化學(xué)除垢技術(shù)解決結(jié)垢問(wèn)題是需要重點(diǎn)研究的一項(xiàng)內(nèi)容。
結(jié)合電化學(xué)除垢的基本原理,本次實(shí)驗(yàn)搭建電化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1 所示。
圖1 電化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置圖
由圖1 可知,在該裝置運(yùn)行過(guò)程中,模擬循環(huán)水從儲(chǔ)水池中通過(guò)一定轉(zhuǎn)速的蠕動(dòng)泵調(diào)節(jié),進(jìn)入到反應(yīng)器中。反應(yīng)器底部設(shè)置擋板,起到均勻分布循環(huán)水的作用。同時(shí)在該裝置中,陰極和陽(yáng)極分別采用大陰極網(wǎng)筒和小陽(yáng)極網(wǎng)筒,其材料則分別為鎳網(wǎng)陰極和網(wǎng)狀鈦基涂覆銥釕的形穩(wěn)陽(yáng)極。二者按照同心軸的方式進(jìn)行安裝,并與恒壓直流電源的正負(fù)極分別連接,由此該電化學(xué)試驗(yàn)裝置即組建完成[3]。循環(huán)水從上側(cè)方的出水口出水,通過(guò)軟管排入到出水排放池中。
由于電化學(xué)除垢技術(shù)及其配套裝置的復(fù)雜性,因此影響電化學(xué)除垢技術(shù)應(yīng)用效果的因素也相對(duì)較多。就此,本環(huán)節(jié)主要對(duì)以下幾方面的影響因素進(jìn)行探究,并以此總結(jié)電化學(xué)除垢技術(shù)的優(yōu)化路徑。
1)針對(duì)陰極尺寸的影響。根據(jù)理論分析可知,陰極直徑影響著陰陽(yáng)極板之間的間距,而陰陽(yáng)極板之間的間距變化則直接影響到反應(yīng)器內(nèi)各種成垢離子的傳質(zhì)效果,如該間距值合理,則有助于提高除垢性能并降低能耗。就此,結(jié)合本次實(shí)驗(yàn)裝置,調(diào)整陰極直徑分別為5、7、9、11、13 cm,其對(duì)應(yīng)的極板間距則分別為1、2、3、4、5 cm。而后控制其他參數(shù)不變:安裝高度均為300 mm,電壓控制為20 V,水流量20 L/h,進(jìn)水硬度400~420 mg/L,各組實(shí)驗(yàn)均電解60 min,最后對(duì)硬度和堿度的去除率進(jìn)行評(píng)估,得到的結(jié)果如圖2 所示。
圖2 不同陰極尺寸下的電解除垢性能
根據(jù)圖2 可知,隨著陰極直徑的擴(kuò)大,電化學(xué)除垢的最大去除率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),硬度和堿度兩項(xiàng)指標(biāo)均符合此趨勢(shì)。結(jié)合相關(guān)理論推斷,其主要原因是,在陰極直徑增大的初始階段,陰極面積增大,對(duì)溶液內(nèi)的陰陽(yáng)離子產(chǎn)生的電場(chǎng)作用更為突出;而繼續(xù)增大陰極直徑則會(huì)導(dǎo)致電阻升高,反而降低電流效率,因此制約了成垢離子的去除。綜合考慮以上內(nèi)容,確定直徑9 cm 為陰極直徑尺寸的最優(yōu)值。
2)對(duì)電解電壓的影響進(jìn)行分析。根據(jù)理論分析可知,電解電壓與電流密度正相關(guān),而電流密度是影響除垢效率的關(guān)鍵因素。對(duì)此,本環(huán)節(jié)通過(guò)設(shè)置五個(gè)電壓等級(jí),分別為10、15、20、25、30 V,并控制陰極直徑為90 mm,其他參數(shù)仍保持不變,分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。
圖3 不同電解電壓下的電解除垢性能
根據(jù)圖3 可知,隨著電解電壓的增大,硬度和堿度的去除率均呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì),當(dāng)電壓升高至30 V 時(shí),其對(duì)應(yīng)的硬度與堿度的去除率分別達(dá)到了40.3%和43.1%。但相對(duì)而言,當(dāng)電壓從20 V 提高至30 V 時(shí),去除率的提升速度明顯放緩,其主要原因是,當(dāng)電壓超過(guò)20 V 后,電解水產(chǎn)生氫氣的速率更快,大量的氣體運(yùn)動(dòng)對(duì)于成垢離子的吸附作用造成阻礙。就此,結(jié)合能耗分析可知,當(dāng)電壓為20 V 時(shí),能耗為62 W·h,而當(dāng)電壓為30 V 時(shí),能耗較20 V 時(shí)提升了2.5 倍,而去除率僅提升0.19 倍,效果不甚明顯。因此確定電解電壓為20 V。
3)對(duì)循環(huán)水流量的影響因素進(jìn)行分析。根據(jù)理論分析可知,反應(yīng)裝置中循環(huán)水流量的變化對(duì)離子的擴(kuò)散傳質(zhì)速率具有直接影響,進(jìn)而帶來(lái)對(duì)除垢效率的影響。因此在本環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)中,控制循環(huán)水流量分別為10、20、30、40 L/h;同時(shí)控制陰極直徑為90 mm,電解電壓20 V,其他參數(shù)保持不變,以此進(jìn)行電解除垢性能的分析,分析結(jié)果如圖4 所示。
圖4 不同循環(huán)水流量下的電解除垢性能
根據(jù)圖4 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,隨著循環(huán)水流量的增大,硬度和堿度的去除率逐漸降低。初步推斷,造成這種現(xiàn)象的主要原因是,循環(huán)水流量增大導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)的流速加快,使流速對(duì)離子的剪切應(yīng)力增大,雖然這有助于提升離子傳質(zhì)速率,但同時(shí)也阻礙了成垢離子在陰極附近的聚集與沉積,導(dǎo)致部分成垢離子晶體再次脫離陰極。在此基礎(chǔ)上,對(duì)成垢量進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),當(dāng)循環(huán)水流量從10 L/h 提升至20 L/h 時(shí),雖然去除率略有下降,但單位陰極沉垢量呈現(xiàn)上漲態(tài)勢(shì),增加了2.5 g,此后沉垢量則開(kāi)始下降。綜合以上分析結(jié)果,最終確定循環(huán)水流量為20 L/h。
通過(guò)上述分析測(cè)試后,最終確定本次電化學(xué)除垢實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)參數(shù)為:陰極直徑尺寸9 mm、電解電壓20 V、循環(huán)水流量20 L/h。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)參數(shù),搭建電化學(xué)除垢實(shí)驗(yàn)裝置,并以某地焦化廠廢水處理過(guò)程中循環(huán)水模塊中的循環(huán)水為主要實(shí)驗(yàn)材料,對(duì)電化學(xué)除垢技術(shù)所達(dá)到的效果進(jìn)行初步分析。同時(shí)在分析過(guò)程中,為確定本次電化學(xué)除垢技術(shù)所具有的優(yōu)勢(shì),同時(shí)引入傳統(tǒng)加藥處理方法作為對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,控制電解時(shí)間等參數(shù)保持不變,得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。
表1 除垢實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)表
表1 中,實(shí)驗(yàn)組指應(yīng)用電化學(xué)除垢實(shí)驗(yàn)的組別。根據(jù)表1 的數(shù)據(jù)不難看出,本次電化學(xué)除垢技術(shù)在各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)上均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)加藥處理模式,證明本次設(shè)計(jì)的電化學(xué)除垢技術(shù)具有一定的優(yōu)勢(shì),有望在實(shí)際的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中得到逐步應(yīng)用。
在本次研究中,結(jié)合當(dāng)前焦化廢水處理循環(huán)冷卻水易結(jié)垢的問(wèn)題,以新興的電化學(xué)除垢技術(shù)為基礎(chǔ),通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)對(duì)電化學(xué)除垢技術(shù)的主要參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化,最終得到電化學(xué)除垢技術(shù)的優(yōu)化參數(shù),并以此搭建電化學(xué)除垢實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,本次基于電化學(xué)除垢技術(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果全面優(yōu)于傳統(tǒng)加藥環(huán)節(jié)所獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,證明本次實(shí)驗(yàn)取得初步成功。當(dāng)然在今后的工作中,仍需要在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行中試放大等后續(xù)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),以提升電化學(xué)除垢技術(shù)的實(shí)用性。