高压静电在工业循环冷却水处理中的应用进展

2020-12-10闫美芳谭强强刘展李海花高玉华张利辉刘振法

应用化工 2020年11期

闫美芳，谭强强，刘展，李海花，高玉华，张利辉，刘振法

(1.中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室，北京 100049；2.中国科学院大学，北京 100049；3.河北省科学院能源研究所，河北石家庄 050081；4河北省工业节水工程技术研究中心，河北石家庄 050081)

工业循环冷却水处理方法主要有化学法和物理法两大类。化学法主要是通过向系统中加入化学药剂控制循环水结垢，而物理法主要是通过物理设备或装置的处理达到阻垢的目的。相比较而言，物理方法因为没有化学物质的添加，长期使用不会造成水体及土壤环境的污染，越来越受到人们的重视。

在工业循环冷却水处理中应用的物理水处理法主要有膜法水处理、静电水处理和电子水处理等。静电水处理方法不仅可以防垢、除垢，还可以杀灭细菌和藻类。此外，静电水处理器一般占地较小，功耗较低，运行维护简单方便，不产生二次污染，引起了极大关注并对其进行研究[1-3]。本文主要讨论了高压静电水处理法在循环冷却水处理中的应用进展。

1 高压静电水处理器的结构

静电水处理又称高压静电水处理法，水处理器的核心部分是静电高压发生装置，其结构示意图见图1。

图1 高压静电水处理器结构示意图Fig.1 Schematic of high voltage electrostatic watertreatment device

高压静电水处理器主要有两个部分组成：①用于提供高电压和强电场的高压直流电源；②产生高压静电场的装置。高压直流电源，通过功能电路模块将交流220 V电压输入转化高压直流电压输出。产生高压静电场的装置，是将一根铁芯置于聚四氟乙烯圆筒内作为正极，由无缝管(钢管或不锈钢管)制成的壳体作为负极，正负极之间形成一定体积的空腔。当在正负极上施加直流高压时，正负极之间形成高压静电场，水从正负极间腔内流过，即可得到静电处理。静电水处理器技术参数：输入电压，交流220 V；输出电压，直流4～7 kV；功耗15 W；处理水温一般<90 ℃[1]。

市场上有一种离子棒静电水处理器，也是一种利用高压静电作用的新型水处理器。离子棒静电水处理器由两个部分组成：离子棒探头和电源箱。离子棒探头是用聚四氟乙烯包裹的铝制电极，两端用绝缘材料密封。通过连接电缆，将高压输送到离子棒探头。插入水中后，离子棒探头周围的水中就产生了高强度的静电场。离子棒须安装在金属管路上，可多根串联用于较大的循环水系统。可广泛应用于中央空调循环水、冷媒水、热交换、锅炉给水等系统，作为化学法和钠离子交换软化法的替代品[1]。

2 高压静电水处理作用机理

将高压静电水处理技术应用于循环冷却水系统，不仅可以阻垢，还有杀菌灭藻作用。

2.1 阻垢机理

目前，关于高压静电阻垢作用机理，还没有统一定论。一种说法认为，水是偶极分子，在高压静电作用下，偶极矩增加，且按照一定的正负顺序进行整齐排列。数个水分子将包围溶解在水中的盐类正负离子，这些盐类离子亦以正负顺序进入偶极水分子群中。在静电作用下，这些盐离子的运动速度和成垢离子间的碰撞几率随着水分子偶极矩的增加而减小，使水垢不易生成。而且，在静电作用下，随着水分子偶极矩的增大，盐溶液的正负离子与水分子间的水合作用及水合力增强，从而使盐的溶解度和溶解速度增大[1]。另一种说法认为，在液态水中，水分子团簇处于一种不断地断开和结合的动态平衡中，这个动态平衡所需能量由水分子的热运动提供，而静电场提供的能量可促使水分子氢键断开，但并非提供水分子团簇氢键全部断开的能量，这个能量影响了水中沉积物的生成过程。所以，在静电场中，阻垢作用主要是因为碳酸钙的晶型由原来的方解石变成了文石，不易附着在换热器表面[2]。

2.2 杀菌机理

高压静电水处理具有显著杀菌灭藻作用，主要是因为经过静电水处理后，大量超氧阴离子自由基、·OH自由基、过氧化氢等在水中产生，细胞的生存条件被破坏，从而导致其死亡[4-8]，具体步骤如下所示。

(2)在足够能量下，水分子通过氢键断裂，分解为OH-和H+，OH-失去e，变为·OH，·OH之间发生碰撞，生成H2O2[4-6]：

H2O→OH-+H+； OH-→·OH+e；

·OH+·OH→H2O2

3 高压静电水处理器的性能和应用研究

3.1 高压静电水处理器的阻垢和杀菌性能研究

1975年，中国首台静电水处理器由南京大学、南京市浦口运输公司、华东化工学院联合研制成功，并进行了应用实验，效果比较显著[9]，不仅具有阻垢作用，还有杀菌灭藻作用。此后，一些学者对高压静电水处理器用于循环冷却水系统进行了系统研究。

徐洪斌等[3]研究表明经过高压静电处理后，杀菌灭藻效果显著，在20 kV/m电场强度下，作用时间>6 h，可以达到91.3%的杀菌率，若处理时间>14 d，灭藻率可达100%。因为水在高压静电作用下，电导率、pH值、溶解氧等参数发生明显变化，损伤了细菌结构，破坏了其生长环境，从而达到杀菌灭藻的效果。孙敏华等[16]对模拟的电厂循环冷却水系统在高压静电作用下的杀菌试验进行了研究。结果表明，高压静电具有良好的杀菌作用，在工作电压为12 kV，作用时间>50 min，杀菌率可达99.9%。

3.2 高压静电水处理器在企业循环水系统的应用效果

周昕[17]将静电水处理器用于中央空调冷却循环水系统。与化学法相比，提高10%以上的热效率，设备投资可节省50%～60%，年节电1 000 kV/t水，管理维护费仅为1/300。并且无污染，设备寿命长，可连续使用超过10年。吴真真[18]对高压静电处理技术应用于火电厂循环冷却水系统进行了应用研究，以一个循环水量为5 600 m3/h、冷却系统容积水量为1 200 m3的循环水系统为例，与化学法相比较：设备投资仅占化学法的2/3，占地面积为化学法的1/4，运行费用为其1/10。高压静电场不仅能阻垢和杀菌灭藻，而且设备安装简单，运行方便，维护费用低，环保无污染，应用前景广。李胜[19]对高压静电水处理设备在某氯碱企业制冷循环水系统中进行了应用研究，企业循环水流量为1 200 m3/h。在高压静电水处理器运行2年后，换热器的管板及管程均无结垢，说明阻垢效果良好；换热效率提高，每年节约电费8.9万元。吕中庆[20]将离子棒静电器安装在农药厂循环冷却水系统，结果表明，系统运行3年来，浓缩倍数保持在2.0以上，水质指标与加入化学药剂时相比没有明显区别，在每年气温最高的6、7、8三个月，未发生菌藻大量滋生的现象，这与之前系统每年6～8月份滋生大量菌藻形成鲜明对比。该农药厂系统循环水量为200 m3/h，经核算，运行3年，节约电费、人工及药剂成本共计12.7万元。王志毅等[21]论述了将TS系列静电水处理除垢棒应用于工业循环水处理系统中的可行性。结果显示，静电器是一次性投资，使用寿命长，可达8～10年，每年节约水处理药剂的费用3万余元，系统排污水减少2/3[21]。

3.3 高压静电水处理器与环保型药剂协同性能研究

高压静电虽然有一定的阻垢、溶垢作用，但是其适用水质的总硬度<700 mg/L，单独应用于工业水处理时，应用受到了限制[1]。鉴于此，一些研究学者将静电水处理技术与环保型水处理药剂结合起来，研究了二者的协同阻垢作用。

李海花和武秀丽等[22-23]对衣康酸均聚物与高压静电场协同阻垢性能进行了研究。结果表明，二者之间的协同增效作用显著增加。高压静电作用使碳酸钙晶型发生了显著变化。为了提高环保型药剂聚环氧琥珀酸的阻垢性能，引入了高压静电技术[24]。结果表明，在静态和动态阻垢试验中，高压静电场和药剂之间协同阻垢效果明显。与单使用药剂相比，静态协同阻垢率提高了19.3%，动态协同阻垢率提高了12.8%。刘展等[25]研究了静电场作用下ESA/AMPS共聚物的协同阻垢性能。结果表明，对阻碳酸钙和磷酸钙，静电场与ESA/AMPS共聚物均有协同增效作用。对CaCO3的协同阻垢率比单药剂作用时提高了19%；对Ca3(PO4)2的协同阻垢率比单药剂时提高了73.3%。李海花等[26]研究了在高压静电场中，环保型药剂聚环氧琥珀酸(PESA)的阻垢性能及对碳酸钙形晶体的影响。结果表明，高压静电场和药剂之间的协同增效作用显著，在静电电压 5 000 V，药剂使用量6 mg/L的条件下，协同比单使用药剂提高22.3%。经过静处理后的水垢中文石CaCO3含量增加，说明静电作用下有利于文石 CaCO3的生成。李海花等[27]研究了共聚物(IA/SHP/SAS)与静电场的协同阻垢性能。结果表明，协同阻垢率提高了12.6%；水垢中的碳酸钙晶型发生了明显变化，文石晶型含量增大；静电场与IA/SHP/SAS协同作用增强了CaCO3晶体的晶格畸变作用，从而使CaCO3的溶解度增加。李海花等研究了高压静电场对CaCO3结晶过程的影响，研究表明，静电场减缓了碳酸钙晶体生长过程中初期晶体生长的速度，晶体生长过程中有一个稳定期，稳定期的时长受温度影响较大。60 ℃时稳定期为3 h，当温度不断升高到80 ℃后，稳定期时间缩短到<0.5 h[28]。上述结果表明，高压静电水处理技术与环保型水处理药剂二者之间具有明显的协同增效作用。二者联合使用，可降低水处理药剂的使用量或在药剂用量一定的条件下提高其阻垢性能，降低了因使用药剂带来的环境负荷，为开发协同水处理技术提供了新思路。

由上述研究结果可知，大多是关于高压静电水处理技术应用于工业循环冷却水中的阻垢和杀菌效果的研究与应用，对于其在应用中的缓蚀效果鲜有详细的研究报道，这可以作为今后学者的研究重点。