基于膜电解法的循环冷却水处理探讨

基于膜电解法的循环冷却水处理探讨

马子超

中国石油天然气股份有限公司大庆石化分公司

邮编：163700

摘要：伴随我国社会进步与经济水平的高速发展，各种先进技术、新型装置等都开始投入到生产与人们生活之中。对于工业领域来说，循环冷却水工作的开展非常重要。通常情况下，由于冷却水质具有复杂性、多变性等问题，很容易产生水垢、腐蚀产物等污垢，并沉积在设备表面，影响设备运行过程安全性、稳定性。因此，循环冷却水质处理工作的开展，应当成为相关领域研究人员必须思考的重要问题。基于此，本文将针对膜电解法下循环冷却水处理策略加以探索研究。

关键词：膜电解法；循环冷却水；沉淀

前言：循环冷却水系统在工业生产中广泛使用，但在实际运行过程中，换热器表面积垢已经成为相关企业的一个主要问题。基于新时代下技术水平的不断发展，采用膜电解技术能够成为循环冷却水系统开展水处理工作的有效措施，可以有效地解决污垢、腐蚀等方面问题。但具有操作步骤复杂性，实际应用过程中影响因素较多，因此需要综合分析和理解影响膜电解效率各种因素，才能够提高其处理循环水效果，推动我国相关领域工作更优良化发展。

一、循环冷却水系统概述

工业用水由多个方面组成部分，如生产用水、消毒用水、冷却用水等。其中，冷水占总用水量60%以上，尤其在钢铁、冶金等工作开展方面。循环冷却水系统工作过程中，其本身温度将逐渐升高，如不加以处理很可能造成非常严重的后果。因此，需要积极开展循环冷却水工作[1]。

循环冷却水由水泵、冷却器、流量计、温控装置、水表等设备组成，可以有效应用于多种工作设备开展冷却工作。同时，还具有节约能源、保护环境、降低生产成本等方面的重要作用。循环水在循环使用之后，由于水蒸气持续挥发，其盐分含量也在逐渐增大，从而出现结垢，严重降低循环冷却水系统的运行效率。针对此种情况，必须定期开展清理工作才可以保证循环冷却水持续投入使用。

二、循环冷却水系统结垢原因

水质污染、结垢、设备腐蚀等是循环冷却水系统工作中需要重点关注的问题。其中，水质杂质、微生物、腐蚀产物等都有可能对设备产生损伤，从而影响设备正常运转和使用寿命，甚至导致出现更为严重的后果。通常情况下，循环冷却水系统结垢的原因分为三个方面。

首先，水体杂质原因。可能来源于水源本身，也可以是系统运转时所产生。例如，水中泥沙、铁锈等物质，非常容易造成管路及设备堵塞，影响输水通畅，长时间造成堵塞、污垢残留等问题。再如，盐类、重金属等化学物质都将对管道起到侵蚀作用，造成渗漏或设备损坏问题[2]。

其次，水体微生物繁殖原因。循环冷却水中含有多种微生物，如细菌、藻类等。在温度、湿度等环境条件变化之后将迅速生长，在管路、设备上形成生物膜或污物，不但降低换热效果，同时也将加速管线腐蚀，造成循环冷却水系统结垢。

最后，腐蚀产生的原因。管线及设备的腐蚀过程中将生成大量铁锈、绿锈等物质。不仅降低水体质量，还将造成管道堵塞、结垢、腐蚀问题，严重影响系统设备的正常投入使用[3]。

三、膜电解工艺在循环冷却水中的应用

（一）实验部分

1.装置与材料

如图1所示，电解槽由有机玻璃制作，其正、负极腔最大有效容量为640毫升；阴阳极片安装间隔可以调节，极片采用10*10毫米镀钌钛网板；离子膜交换面积是0.0168平方米；蠕动泵为BT100-2J型号，配有DG15-24泵头部及17号软管。

实验过程中，主要以无水CaCl2和NaHCO3（质量比为1∶2）与去离子水混合制备循环冷却水。同时，采用下进上出的进出水模式；随后，将盐水注入阳极室内，通过蠕动泵实现阳极室内的封闭循环。最后，通过调整蠕动泵的速度来模拟处理能力和停留时间。

图 1膜电解循环冷却水处理系统

2.分析方法

用0.45微米的水滤膜对阴极出水口的水加以处理，并进行水质指标的测定。针对水质硬度和氯离子的测定工作，需要分别参照GB/T6909-2008《锅炉用水和冷却水分析方法硬度的测定》、GB/T15453-2008《工业循环冷却水和锅炉用水中氯离子的测定》。单位时间内，用来除去单位质量硬度所需要的电力，称之为单位能量消耗，其计算公式如下：

（二）讨论

1.电流密度对水处理效果的影响

制备硬度为500mg/L的模拟循环冷却水，以10—40A/m2的电流密度为10—40A/m2，以12mm板间距，水力停留时间16分钟的阳离子膜反应器加以试验。在循环冷却水中，当电流密度增加时，其去除率首先迅速升高，20A/m2之后，其增长速度开始变慢；当电流密度增加到25A/2时，合金硬度去除率为80.75%；再增加电流密度，硬度去除率降低幅度不大。电流密度的提高在两个方面起到积极作用。一方面为加速电极反应提供阴极氢氧根生成速度；另一方面为增加阴极对钙离子的静电吸引作用，可以增加钙离子向阴极移动的速度。然而，在较高电流强度下，阴极的析氢反应速度会加快，并且会对水体产生强烈扰动，从而影响传质。

2.离子膜类型对水处理效果的影响

通过调整蠕动泵转数，以水力停留时间为16分钟，平板间隔12毫米，在阳极室内注入0.2%的氯化钠溶液。分别采用阴、阳离子膜反应器，对不同水质硬度加以处理。30分钟后，取排水口采样与测量钙硬度，从而显示出各种离子薄膜在去除循环冷却水硬度方面的作用。当水质硬度为300—500mg/L时，该方法对水中钙离子有较好去除效果，但效果并不明显；阴离子膜反应器对改善硬度的去除效率有明显改善效果。在硬度大于500mg/L时，两种不同结构的离子膜对硬度去除效果都有所下降。这主要是由于在同样电流密度条件下，阴极内析氢生成氢氧根的速度基本相等，而在硬度不高的水中，钙离子浓度很小，阴极的氢氧根过量；硬度越高，水中钙离子越多，硬度去除率越高；在硬度大于500mg/L的条件下，冷却水中钙离子和阴极生成氢氧根的速度趋于平衡，这时硬度去除效果最好；伴随硬度增大，钙离子增加量大于脱除率，硬度去除速率下降。

3.氯化钠浓度对水处理效果的影响

通过改变电流密度25A/m2，水力停留时间14分钟，极板间距12mm，来水硬度控制在500mg/L，采用阳离子膜反应器探索在阳极室内不同浓度氯化钠溶液对电解过程的影响，氯化钠浓度增加可以提高溶液电导率，在某种程度上可以降低电解槽电压、减少电能损耗。同时，伴随槽道电压下降，阳极室内氢离子向阴极室的迁移速度也将下降，有利于氢氧根在阴极室中的集成，从而提高膜的硬度去除率。当氯化钠质量含量由0.2%增加到1%时，反滤层脱除率提高9%，单位能量也逐渐减少；伴随氯化钠添加，硬度去除率基本保持在92%左右，其单位体积比能量的降低幅度逐渐减小。由于电解液中离子之间存在着相互作用，浓度增加的同时离子间距越来越小，异质离子之间的束缚效应也越来越强，阻碍离子迁移，最终达到较好的效果。

结论：综上所述，在膜电解工艺在循环冷却水工作中能够起到显著影响效果。要求开展循环冷却水相关工作时，必须科学、合理地控制污水处理工艺影响因素，注重提高循环水安全性能，从而切实设备运行具有可靠性、安全性、稳定性。

参考文献：

[1]路孝梅,薛春丽,张帅.电化学法处理循环冷却水的研究进展[J].中国资源综合利用,2024,42(02):102-104+152.

[2]师恩耀.基于膜电解法的循环冷却水处理研究[J].造纸装备及材料,2022,51(12):138-141.

[3]刘松涛,徐海龙,党小梅,等.膜电解法用于循环冷却水处理[J].工业水处理,2022,42(10):154-159.