崔云峰

(阳煤集团太原化工新材料有限公司，山西 太原 03000)

引 言

循环水系统在冶金、石油化工以及空调系统的能源介质中发挥重要的作用。将循环水的利用率提高可以缓和水资源短缺的压力，但是减少排放以及提高循环水浓缩倍数的操作肯定会引起管道、设备的结垢以及滋生微生物等问题[1]。水质变硬结垢后将会使设备腐蚀，换热效率被动下降，甚至堵塞管道造成严重故障和安全问题。本文就水垢问题进行研究与探讨。硬度被称为重要水质指标，通常以水中Ca2+、Mg2+的含量作为衡量数据。总硬度由碳酸盐硬度(也被称为暂时硬度)、非碳酸盐硬度(也被称为永久硬度)二者构成。如果循环水硬度过高，不仅会产生水垢使得管道等设备堵塞从而降低设备运转性能、影响生产，严重时还会导致爆炸等。

投加化学药剂是解决水垢问题的常规方法。该方法虽然简单并有一定效果，但仍存在缺陷，例如投加药剂品种多、费用大、调整难度高，同时对强制排污系统易造成二次环境污染，具有较高的运行水平和复杂的管理维护的缺陷等。因此，为了替代化学药剂法，相关领域专家一直在研究其他可行的循环水除硬的方法，其中之一就是电化学法。电化学法于20世纪70年代被提出，在90年代后迅速发展，目前电化学水处理技术成为一项高新工程技术并且是一种清洁无污染对环境友好的技术，还拥有防垢除垢以及缓蚀防腐的功能[2]。与传统的阻垢方法相比，电化学处理循环水既工艺流程简单，又节能环保。具体来说具备以下多个特点：1) 不需添加任何药剂，绿色环保无有害物质产生。2) 可根据实际情况调整相关电化学参数，可适用的范围较广，适合多种情况下的循环水除硬。预计成为水质除硬技术中的重要应用之一。正是由于其具有以上诸多优点，越来越受到市场的青睐。目前，该技术在民用循环水系统中应用十分广泛，随着科学技术的发展和人们环保意识的增强，人们将不断发展与完善电化学水处理技术。

本文探讨了电化学循环水处理技术的反应机理及规律。

1 电化学循环水处理技术的工作原理

电化学循环水处理技术的主要工作原理为电化学的氧化还原反应理论，通过沉淀方法去除循环水中的Ca2+、Mg2+，使得硬度降低，反应产生的氧化性物质还有杀菌灭藻的效果。以下简单说明电化学反应及伴随反应的理论[3]。

其原理是通过带电电极的表面吸附水中带电粒子，使得水中溶解盐、带电粒子等富集在电极表面，待处理的循环水中溶解盐、胶体、带电物不断地减少，从而达到除硬的目的。受到电场影响，存在于水体中阴、阳电极之间流动的带电粒子将迁移到带相反电荷的电极，并大量吸附在电极表面，不断地富集[4]。在这一过程中OH-在阴极板表面浓度逐渐升高，水中溶解的CO2在极板界面区域发生如式(1)、式(2)。

(1)

(2)

Ca2+、Mg2+等正离子由于受到电场的作用而发生移动，CO32-与Ca2+、Mg2+等阳离子以离子键的形式键合，以沉淀CaCO3、MgCO3形式析出，从而达到阻垢的目的。同时在阳极会发生相应的氧化反应还有其他产物，已检测到的有H2O2、O3、ClO-等也会在电极表面产生[5]，经过证实这几类物质有很强的氧化和渗透能力，能有效去除有机物，减缓菌藻生长，防止设备遭受腐蚀等，此外这类强氧化物质能破坏垢分子的结合力，使得他们晶体结构发生变化，疏松软垢取代了坚硬垢，最后积垢脱落。这里应用到另一个化学理论即分子结晶动力学理论：通常情况下CaCO3和MgCO3很难排除，原因是这类物质有着整齐的排列、致密的结构、坚硬的质地的方解石晶型。而在上述的电场以及氧化物的作用下，阴极板表面的致密结晶状态变为疏松球状结晶并且体积膨胀很多，使其附着很方便剥除。

除了常见的电化学反应及其理论，分子极化理论也可能在电化学除垢过程中有所涉及[6]。水是极性分子，电负性更高的氧对电子有强的吸引力。在常态下氢氧键电子云会偏向氧原子。在电场力的作用下受极化作用影响，电子云将更加偏向氧。从而在水分子内部形成明显的正负电荷中心，循化水中的正负离子、基团被隔离包围起来。这一理论为电化学的机理研究起到了指引作用。

从现有文献报道及专业领域技术人员对该技术原理的认识，以上这些原理解说被人们普遍接受[7]。但笔者认为其都局限于在阴极区域成垢离子与碱性离子结合形成沉淀析出从而降低水的硬度。事实上，与阴极附近高pH区相互对应的是阳极附近的低pH区，例如HCO3-在电场作用下定向移动到阳极区域，HCO3-进入酸性较高pH小于5的阳极区会与氢离子发生反应转变为CO2，这就说明阳极表面的酸性环境会较多消耗水中的HCO3-，而在阴极区的Ca2+在碱性高的环境下以沉淀形式析出，降低水中Ca2+浓度，削弱水体结垢的动力，这称为除垢过程。阳极区域HCO3-在高酸度环境反应生成化合物CO2，水中HCO3-浓度降低，阻止水体结垢，这称之为阻垢过程，通过降低碱性离子浓度而阻止析出水垢。除垢和阻垢两者之间相互配合对控制循环水结垢现象有较好成效。

2 结语

作为一种对环境友好，无污染且成本低的水处理技术，在日益严格的环境标准要求下，电化学水处理技术将受到更多关注。科学技术人员应进一步深入研究电化学循环水处理技术的除硬以及灭菌等机理，为后续反应器装置的设计、技术优化等提供重要的参考与指引。开发、制备高效、稳定的阴阳极板，是降低电化学水处理装置能耗和成本的主要手段之一。