冷卻循環(huán)水電解水處理技術(shù)

3.1 電化學(xué)水處理方法

電化學(xué)水處理方法是以電化學(xué)的基本原理為基礎(chǔ)，利用電極反應(yīng)及其相關(guān)過程，通過直接和間接的氧化還原、凝聚絮凝、吸附降解和協(xié)同轉(zhuǎn)化等綜合作用，對水中的硬度、重金屬、懸浮物、膠體、細(xì)菌、藻類、色度、硝酸鹽等污染物有效去除。由于電化學(xué)無需向水中投加藥劑、水質(zhì)凈化效率高、無二次污染、使用方便、易于控制，在工業(yè)水處理、生活污水處理和回用、飲用水凈化等方面，表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>

水（H2O）是最基本的電解質(zhì)，液態(tài)的水可以發(fā)生電離反應(yīng)生成 H+ 和 OH- ：

在直流電流的作用于下，兩極會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種過程稱之為電解。電解是將電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能的過程。電解水處理過程中所發(fā)生的化學(xué)變化與水中的化學(xué)組成、物質(zhì)濃度、電極材料等因素密切相關(guān)，兩極上析出物質(zhì)的量和通過的電量成正比。

在水處理中，針對具有不同化學(xué)組成的水質(zhì)條件，通過改變不同的電極材料、電極布置方式、反應(yīng)室結(jié)構(gòu)、電極作用過程和催化氧化還原措施等，可以獲得不同的電解凈水效果。

電解水處理的特點(diǎn):

? 電解是在外部電流作用下一個電子導(dǎo)體（特種金屬制成的電極）和一個離子導(dǎo)體（水中的電解質(zhì)）之間發(fā)生的系列化學(xué)反應(yīng)。

? 電解制造了一個氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分別進(jìn)行的環(huán)境。

? 電解過程可以控制和測量，從而可以精確預(yù)知處理后水的水質(zhì)。

? 不用任何化學(xué)藥劑，因此沒有任何污染。

? 環(huán)境友好。

? 處理效果不隨被處理水的條件或組成而發(fā)生變化。

? 被批準(zhǔn)用于飲用水的處理。

3.2 EST 工作原理

EST 通過旁流處理的方式，取一定比例的冷卻循環(huán)水流過 EST 反應(yīng)室，以便拿掉適當(dāng)?shù)牡V物質(zhì)和殺死細(xì)菌，然后回到冷卻塔中。通過精確的分析測試，通過 EST 的結(jié)垢礦物質(zhì)含量得到了可以看得見的降低。在 EST 中發(fā)生的這種實(shí)際的化學(xué)反應(yīng)，區(qū)別于任何一種其他的機(jī)械式和電磁式的處理方式。

通過電解，水中的礦物質(zhì)在 EST 反應(yīng)室內(nèi)壁上沉淀出來并通過機(jī)械裝置去除，這就是 EST 的工作原理。反應(yīng)室中維持一定的工作電流。結(jié)果是，在陰極（反應(yīng)室內(nèi)壁）附近形成高濃度的氫氧根，這種升高的 pH 環(huán)境（pH 大約為 13），讓易結(jié)垢的礦物質(zhì)預(yù)先結(jié)垢，并從水中析出。實(shí)際上，陰極附近局部的高氫氧根濃度形成的化學(xué)環(huán)境，和用石灰處理形成的冷石灰軟化環(huán)境類似。冷石灰軟化處理主要用來給水去除鈣、鎂和硅。

與此同時，電流也將一小部分的氯離子轉(zhuǎn)化成游離氯，部分氫氧根氧化成微量臭氧。這兩個產(chǎn)物提供了殺生效應(yīng)，結(jié)合安培電流及局部高的和低的（陽極）pH 區(qū)域，維持了 EST 之外的一個事實(shí)的消毒環(huán)境。

根據(jù)水蒸發(fā)濃縮過程中帶來的水中碳酸鈣飽和指數(shù)（LSI）的變化，將碳酸鈣控制在過飽和狀態(tài)，在管道和設(shè)備內(nèi)壁形成很薄的一層保護(hù)層，從而保護(hù)管道和設(shè)備不和冷卻水中的溶解氧接觸，防止腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。同時，EST 可以除掉冷卻水中的鐵、銅離子以及其他重金屬離子，隨排垢時一起排出冷卻循環(huán)系統(tǒng)之外，而這些離子是加速腐蝕的罪魁禍?zhǔn)住?/span>

在反應(yīng)室內(nèi)壁（陰極）附近發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)有：

2H2O (l) + 2e- → H2 (氣) + 2OH- (aq)

堿性溶液中發(fā)生的反應(yīng)（陰極附近）

CO2(aq)+ OH- (aq) → HCO3 - (aq)

HCO3 - (aq) + OH- (aq) → CO3 2-(aq) + H20(液)

Ca2+(aq) 鈣離子可能形成

氫氧化鈣: Ca(OH)2(垢)

碳酸鈣: CaCO3(垢)

陽極附近發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)有：

生成氧氣

4HO- → O2(g) + 2H20 + 4e-

游離氯 Cl- – e- → Cl0

* 2Cl-(aq) → Cl2(g) + 2e-

臭氧 O2 + 2HO- – 2e- → O3(g) + H2O

自由基 OH- – e- → OH0

過氧化氫 2H2O – 2 e- → H2O2 + 2H+

氧自由基2H2O – 2e- → O0 + 2 H+

EST把部分水垢以固體形式在EST內(nèi)部預(yù)先析出排出冷卻系統(tǒng)之外，冷卻水的濃縮倍率可以做的更高，從而節(jié)約大量的新鮮補(bǔ)充水。而且在整個電解水處理過程中，無須添加任何化學(xué)藥劑，EST 刮垢和清洗的排放水除了水垢和固體雜質(zhì)之外，沒有任何危害成分，因此簡單沉淀后可以用于景觀綠化或者清洗用水。當(dāng)然也就不會向水體排放任何污染物了，節(jié)省大量的化學(xué)藥劑。因此，EST 技術(shù)成為以色列環(huán)保部推薦的冷卻水和高硬度水處理的綠色水處理技術(shù)。

3.3 EST 工作過程

EST 周期性自動刮垢和排污。清洗周期和清洗時間取決于每天要去除的礦物質(zhì)以及從冷卻塔中排掉的水量，以維持冷卻塔中水系統(tǒng)的化學(xué)和微生物平衡。礦物質(zhì)平衡通過分析監(jiān)測冷卻水的化學(xué)性質(zhì)來決定，從而在 PLC 上可以設(shè)置每天需要清洗的次數(shù)。

清洗的第一步，進(jìn)、出口閥門關(guān)閉，EST 底部的排污閥門打開。刮刀在活塞的推動下在反應(yīng)室內(nèi)自上而下運(yùn)動，刮掉內(nèi)壁軟的預(yù)先沉淀出來的水垢，并和沖洗水一起從底部排出。排污的時候，進(jìn)水閥門打開，以便沖洗排放區(qū)域。大約 90-120 秒鐘后，排污閥門關(guān)閉，刮刀回到反應(yīng)室的頂部，出水閥門打開，EST 重新工作。

4 美國科羅拉多紀(jì)念醫(yī)院中央空調(diào)冷卻循環(huán)水 EST 應(yīng)用案例

4.1 采用 EST 后醫(yī)院的冷卻水管理目標(biāo)

醫(yī)院冷卻水管理的最基本的目標(biāo)是自身空調(diào)系統(tǒng)的可靠性，在最小腐蝕的情況下維持熱交換器表面清潔，并且設(shè)備運(yùn)行效率高，使用壽命長。

操作工人的安全性也是一個重要的因素，EST 讓工人們避免了處理或暴露在危險化學(xué)品中的風(fēng)險。在控制軍團(tuán)菌方面，EST 的細(xì)菌控制能力被證明非常有效。

環(huán)境督察是另外一個重要的區(qū)域管理目標(biāo)。降低水消耗已經(jīng)成為工業(yè)和商業(yè)用戶的一個關(guān)鍵目標(biāo)。因?yàn)?/span> EST 除掉了一大部分水中的結(jié)垢礦物質(zhì)，真正浪費(fèi)的濃水排放水量大大減少。與此同時，醫(yī)院管理部門也實(shí)現(xiàn)了盡可能節(jié)約每一加侖自來水的目標(biāo)。節(jié)約用水和清潔控制之間的平衡是正在尋求的目標(biāo)，特別是在補(bǔ)給水水質(zhì)經(jīng)常變動的情況下。

4.2 冷凝器列管檢查

EST 安裝運(yùn)行 15 個月后，2005 年 4 月醫(yī)院組織了專家評估 EST 的使用效果。參與檢查的專家一致同意在近年來打開檢查的凝結(jié)器中，這個采用 EST 處理、不用化學(xué)藥劑處理的冷凝器列管，比以往用化學(xué)藥劑處理的冷凝器狀態(tài)差不多，甚至更好。到場的每個人都同意這個凝結(jié)器列管的表面沒有水垢，腐蝕和微生物得到了和化學(xué)藥劑一樣好的控

這兩張照片是冷凝器的管板和列管的照片攝于 05 年 4 月 4 日。這個使用了 8 年的熱交換器的銅管非常清潔，沒有軟的或者硬的垢。同時用光學(xué)顯微鏡檢查了管子的內(nèi)表面，發(fā)現(xiàn)熱交換器幾英尺深處也很清潔。銅管上沒有腐蝕的跡象。一些管板和列管末端發(fā)現(xiàn)了節(jié)結(jié)（腐蝕斑），但是和用化學(xué)藥劑的結(jié)果比較，滲透深度是最小的。

雖然在第一次通過的列管內(nèi)壁存在極少數(shù)的可見的粘滑的污染物，但是第二次通過的列管和端板上沒有任何生物膜污染。而且，沖洗管子排出的水是非常干凈的，而且其中沒有任何可能存在于管子內(nèi)壁的明顯的碎片、水垢或者粘土。

在與良好化學(xué)藥劑維護(hù)實(shí)現(xiàn)的防腐、阻垢和微生物控制相當(dāng)或者超出原有結(jié)果的同時，紀(jì)念醫(yī)院運(yùn)用 EST 技術(shù)之后獲得了下述收益：（1）冷卻塔濃水排放量每年減少 740,000 加侖（2,800m3/年）；（2）在此 15 個月期間，*沒有購買任何水處理化學(xué)藥劑，操作工沒有處置和暴露于化學(xué)品中，不用添加藥劑、控制添加量、濃水排放或者回收藥劑以免影響環(huán)境；（3）無需退還裝載化學(xué)的儲罐了；（4）無需保留冷卻水使用的化學(xué)品的“材料安全數(shù)據(jù)表”（MSDS）了；（5）測試化學(xué)殘留量的次數(shù)大大減少了。

電導(dǎo)率濃縮倍率降低原因在于總的離子濃度的降低。這也和冷石灰軟化工藝中的化學(xué)反應(yīng)情況類似。電解去除離子的另外一種方式是將氯離子轉(zhuǎn)變成*，然后當(dāng)冷卻水流經(jīng)冷卻塔時飄散掉。這種去除離子的形式比硬度預(yù)沉淀去除的效果要低很多，但是，這種降低依然是顯而易見的。然而，毋容置疑的，循環(huán)水中余氯的含量實(shí)際上一直為 0.05~0.1ppm。如上表所示，離子分析測試的結(jié)果，硫酸根濃縮倍率*。這里沒有考慮水的溫度和其它因素。因此，因?yàn)榱蛩岣鶞y試容易，所以用來實(shí)際檢測估計濃縮倍率。

5 結(jié)論

中央空調(diào)冷卻循環(huán)水處理是維護(hù)中央空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行的一項重要工作。合理的水處理技術(shù)不僅能夠充分保證中央空調(diào)系統(tǒng)效率，同時也能節(jié)省系統(tǒng)運(yùn)行成本，延長設(shè)備使用壽命。美國紀(jì)念醫(yī)院的經(jīng)驗(yàn)證明，EST 是一項綠色的中央空調(diào)冷卻循環(huán)水處理新技術(shù)，在維護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下，節(jié)約新鮮水，降低微生物風(fēng)險，減少維護(hù)費(fèi)用等方面，與傳統(tǒng)的化學(xué)藥劑處理比較來說，是冷卻水處理領(lǐng)域的一項進(jìn)步。

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