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高效复合网状阴极电化学除垢机理研究

工业水处理 2020年第12期40卷 30-33页

作者：李鑫浩王立达孙文贺永鹏舒向泉崔宪峰刘贵昌大连理工大学化学工程系辽宁大连116024 山东京博石油化工有限公司山东滨州256500

针对电化学除垢技术效率低的问题,系统研究了高效复合网状阴极电化学除垢的机理。研究结果表明:屏蔽效应使得外层网上的析氢反应强于内层网上的析氢反应,沉积反应优先发生在外层网。快速析出的氢气泡作为软模板,不仅可使水垢以枝晶形态... 详细信息

针对电化学除垢技术效率低的问题,系统研究了高效复合网状阴极电化学除垢的机理。研究结果表明:屏蔽效应使得外层网上的析氢反应强于内层网上的析氢反应,沉积反应优先发生在外层网。快速析出的氢气泡作为软模板,不仅可使水垢以枝晶形态生长,还使得外层网具有自清洁作用,大大延长了阴极的失活时间。同时,内层网增加了阴极的反应面积,在提高除垢速率的同时降低了阴极面积需求。

关键词：电化学除垢循环冷却水阴极屏蔽效应碳酸钙垢

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循环冷却水电化学除垢动力学特性与工艺研究

循环冷却水电化学除垢动力学特性与工艺研究

作者：王蛟平济南大学

学位级别：硕士

使用传统的化学药剂法对循环冷却水系统阻垢防垢会对水体造成二次污染,并且不能去除水中的成垢离子,不能从根本上解决循环冷却水系的结垢问题。电化学除垢作为一种新兴工艺具有高效、无污染、低成本等特点。本文针对电化学除垢工艺对循... 详细信息

使用传统的化学药剂法对循环冷却水系统阻垢防垢会对水体造成二次污染,并且不能去除水中的成垢离子,不能从根本上解决循环冷却水系的结垢问题。电化学除垢作为一种新兴工艺具有高效、无污染、低成本等特点。本文针对电化学除垢工艺对循环冷却水进行处理,通过构建电化学除垢动力学模型,揭示了运行条件对工艺运行效果的影响规律,并对模型进行了实验室验证性试验研究及中试试验研究,得出主要研究结论如下:(1)基于法拉第第一定律和电化学反应动力学方程构建了间歇反应器(CMB)电化学除垢模型Cca2+=C0·exp(61kα2J2t2/34L2/kαJλC0’t/L)。设计单因素试验对模型进行验证,结果表明试验数据与模型显著相关。在间歇反应条件下,Ca2+浓度随电流密度增大呈指数关系减小;动力学模型表明,反应器存在最优间距L=2C/D使Ca2+浓度降至最低,并对各组试验的2C/D进行数值求解,确定了电化学除垢工艺的最佳极板间距范围为0.7～1.7cm,为便于设备加工和工艺调试,取最佳极板间距为1cm;Ca2+浓度与电解时间的延长呈指数关系减小;所建立的动力学模型能够大致地反映Ca2+浓度随HCO3-初始浓度的变化趋势,随着HCO3初始浓度的增加,Ca2+浓度不断减小。通过SEM和XRD表征探明了阴极板水垢主要为质地坚硬的方解石,需要借助外力清除。(2)在CMB反应器电化学除垢模型基础上,基于物料平衡方程构建了活塞流反应器(PFR)电化学除垢反应动力学模型η=[1-exp(61/34·61kα2Jx2/L2v2-kαJλC0’x/Lv)]×100%。设计单因素试验加以验证,结果表明试验数据与模型显著相关。活塞流条件下硬度去除率随着极板高度的增加而增大,当h=17LvλC0’/61αJ时,硬度去除率达到最大值;随着电流密度的增大硬度去除率不断升高,但硬度去除率的增大趋势渐趋平缓;硬度去除率随着流速的降低持续减小;随着HCO3初始浓度的增加,硬度去除率持续增大,并且硬度去除率增大的速率越来越低。(3)建立比能耗与运行条件相关关系模型3600·C0[1-exp(61/34·61kα2Jx2/L2v2-kαJλC0’x/Lv)]·A·v’对各组试验的比能耗进行计算和整理,结果表明:比能耗随着流速地减小而增大,拟合得出的电压与实际电压较为接近;比能耗随着电流密度的增大而增大,并且增长速率不断升高;随着HCO3初始浓度的升高,比能耗不断降低,并且比能耗降低的趋势渐渐趋于平缓。(4)以某机场中央空调系统循环冷却水为处理对象,进行了中试试验。中试试验条件下,由于镁离子、阻垢剂和悬浮物等的干扰作用,硬度去除率电流密度呈近似的线性递增关系;流速从4.17mm/s降至2.08mm/s的过程中,硬度增长速率较快,而流速低于2.08mm/s时,硬度除率的增长减缓。对电化学去除冷却水硬度的比能耗研究结果表明,比能耗与电流密度呈近似的线性关系;比能耗随流速的减小呈现先降低后增大的变化趋势,当流速为2.08mm/s时比能耗最低。在此基础上确定了最佳运行工况条件:停留时间为4min,电流密度为25.56A/m2。由XRD图谱和SEM图发现循环冷却水中阻垢剂的存在导致阴极板上的水垢晶体发生畸变。通过上述研究揭示了运行条件对电化学除垢效果的影响规律,丰富了电化学除垢动力学理论体系。在循环水量为1000m3/h的中小型循环冷却水系统中,与传统的化学药剂法相比,采用电化学除垢设备可节约运行成本23.5万元,具有可观的经济效益和良好的环境效益。

关键词：循环冷却水电化学除垢动力学特性电流密度极板间距

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三维阴极电化学除垢系统工艺优化和机理研究

三维阴极电化学除垢系统工艺优化和机理研究

作者：黄亚鹏大连理工大学

学位级别：硕士

工业循环冷却水系统作为工业生产的重要组成部分,对于水资源的合理利用具有重大意义。然而浓缩后的工业循环冷却水在换热器壁面的结垢问题不仅会降低换热效率,还会导致垢下腐蚀甚至非计划停车,为工业生产带来安全隐患。近年来,电化学除... 详细信息

工业循环冷却水系统作为工业生产的重要组成部分,对于水资源的合理利用具有重大意义。然而浓缩后的工业循环冷却水在换热器壁面的结垢问题不仅会降低换热效率,还会导致垢下腐蚀甚至非计划停车,为工业生产带来安全隐患。近年来,电化学除垢因其能够直接从循环水主体去除成垢离子,有效提高浓缩倍数,减少排放量,被誉为环境友好型技术,引发广泛关注。虽然电化学除垢技术具有无法替代的优势,但除垢速率低,能耗较高和阴极清洗再生困难限制了该技术的应用。本文围绕三维阴极增强电化学除垢装置性能进行了系统研究。首先,针对电化学除垢过程中由于垢层附着导致能耗提高和阴极失活的问题,发明了锯齿阴极并进行了优化,锯齿长度为20 mm,角度为60°,阴阳极间距为15 mm,电流大小为0.3 A时兼具较高的阴极除垢速率和较低的能耗。新型除垢装置阴极除垢速率15.2 g/m·h,能量消耗降至5.27 k W·h/kg Ca CO。在此基础上,通过改变阴极三维结构和外加离子交换膜等方式进一步提升了除垢速率。通过形貌表征和COMSOL Multiphysics软件模拟阐述了锯齿网状阴极的低除垢能耗机理,该结构由于具有尖端效应,大大增加了局部碱度和水垢的沉积速率,促进了阴极表面不断更新,平缓部位也能在尖端被垢层覆盖之后,为后续的阴极反应提供场所。同时锯齿形式有效增加了阴极面积,通过尖端区域和平坦区域的协同作用,促进阴极表面更新,使得电化学除垢系统能耗大幅降低。针对电化学除垢后的垢层脱除问题,提出了与锯齿网状阴极相适配的高速搅拌机旋转脱垢和预沉积Mg(OH)的方法。从工艺条件方面优化了高速搅拌机旋转脱垢的参数和预沉积Mg(OH)的参数。实验表明在一定范围内,预沉积Mg(OH)的浓度越高、时间越长、电流密度越大,其阴极除垢速率越高,脱垢率也越高,除垢速率能提升28.4%,达到27.02 g/m·h,脱垢率则能提升15%±5%。同时预沉积Mg(OH)之后对电化学除垢过程中的阴极电位进行监测,能明显观测到阴极自清洁现象,有利于阴极表面更新和降低除垢能耗。

关键词：循环冷却水阴极电化学除垢机理研究水垢脱除

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复合网状阴极电化学除垢机理及脱垢工艺优化

复合网状阴极电化学除垢机理及脱垢工艺优化

作者：李鑫浩大连理工大学

学位级别：硕士

循环冷却水系统广泛应用于工业生产的各领域,其稳定性是保证工业生产稳定运行的重要前提。然而,循环冷却水系统中的结垢与腐蚀问题带来了巨大的经济损失及严重的安全问题。电化学除垢技术作为一种绿色环保型技术,既能除垢又能防腐,同时... 详细信息

循环冷却水系统广泛应用于工业生产的各领域,其稳定性是保证工业生产稳定运行的重要前提。然而,循环冷却水系统中的结垢与腐蚀问题带来了巨大的经济损失及严重的安全问题。电化学除垢技术作为一种绿色环保型技术,既能除垢又能防腐,同时可以达到杀菌及降低COD的目的。在前期工作中设计出了一种高效复合网状阴极,以解决电化学除垢技术中过高阴极面积需求的瓶颈问题。本文在前期工作的基础上进一步系统地研究高效复合网状阴极电化学除垢的机理。研究结果表明复合网状阴极的外层网与内层网协同增强阴极的除垢性能。屏蔽效应的存在导致外层网具有更大的电流密度及更负的阴极电位,内外层的电位差高达300 mV,电位在网层间的分布具有一定的空间效应,碳酸钙的沉积反应优先发生在外层网上。同时,外层网上快速析出的氢气泡具有占位作用,不仅使得碳酸钙的成核位点由基体转移至已形成的晶体之上,而且使得外层网上的垢层具有较低的覆盖度及较弱的结合力。同时,氢气泡对垢层具有一定的机械剥离作用,可以将垢层带离基体表面。这不仅延长了阴极的失活时间而且使得阴极具有一定的自清洁能力。内层网通过稳定的析氢过程在复合网状阴极内部构建出碱性环境,进一步加速了硬度离子的沉积,降低了除垢所需的阴极面积。为强化阴极表面垢的脱除,降低垢层与基体间结合力以便于失活阴极的快速再生。从操作参数、基体表面性质及电沉积工艺三个方面探究了垢层与基体间结合力的影响因素以优化脱垢工艺。实验结果表明,在操作参数方面,基于实际的循环水水质,最佳电化学除垢操作参数是温度为40℃,电流密度为50 A/m,阴阳极间距为6 mm,除垢周期为10 h。在基体表面性质方面,基体析氢性能的增强对阴极表面垢的沉积与脱除均有利。采用Ni-Mo镀层对外部阴极进行表面改性,析氢过电位可降低450 mV,约为改性前的1/2,电荷转移电阻可降低81.44Ω?cm,约为改性前的1/6,大大降低了除垢所需的能耗。采用Ni-Mo-P镀层对内部阴极进行表面改性,不仅析氢性能得到提升而且可减少黏附在阴极表面的垢量,延长阴极的失活时间。此外,基体粗糙度在一定范围内的降低有利于提升阴极表面水垢的脱除率。在电沉积工艺优化方面,电沉积过程中可以通过调节电源输出模式,在阴极表面优先预沉积一薄层氢氧化镁,以强化阴极表面垢的沉积与脱除。

关键词：循环冷却水阴极电化学除垢机理研究水垢脱除

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复合网状阴极增强电化学除垢性能研究

复合网状阴极增强电化学除垢性能研究

作者：栾谨鑫大连理工大学

学位级别：硕士

工业循环冷却水系统的稳定是工业生产正常运行的重要前提。结垢是破坏循环水系统稳定的主要问题之一,结垢会引起管道阻塞、传热效率下降以及垢下腐蚀等问题,往往造成设备的非正常停机以及能源和材料的巨大浪费,甚至导致严重的安全环保... 详细信息

工业循环冷却水系统的稳定是工业生产正常运行的重要前提。结垢是破坏循环水系统稳定的主要问题之一,结垢会引起管道阻塞、传热效率下降以及垢下腐蚀等问题,往往造成设备的非正常停机以及能源和材料的巨大浪费,甚至导致严重的安全环保事故。电化学除垢技术被称之为“环境友好”型技术,运行简单、除垢有效并且不会对环境造成二次污染。虽然电化学除垢技术具有无法替代的优势,但低除垢速率和高的电极面积需求限制了该技术的应用。本文围绕复合网状阴极增强电化学除垢装置性能进行了系统研究。首先,对商用电化学除垢装置使用案例分析,由于该装置除垢速率过低,该循环水系统使用的除垢器台数(3台)远小于所需除垢器台数(23台),导致循环水系统内结垢严重。之后,为提高除垢速率,发明了多层复合网状阴极,该阴极具有较大的比表面积,且该阴极的实际工作面积不会因为水垢的沉积而降低,并对电极结构和阴阳极排列方式进行优化,复合网状阴极在层数为7层,阴阳极紧密平行排列时,阴极除垢速率最高。复合网状阴极除垢速率的提高归因于该阴极的特殊结构,该结构可将化学反应(碱度产生和水垢沉积)分离和定位到复合网状阴极的不同区域,使得内层产生的大量OH和外层上已经沉积的水垢加速了后续水垢的沉积,从而提高了除垢速率。随后,通过使用复合网状电极的电化学除垢装置进行除垢实验,新型除垢装置阴极除垢速率高达29.2 g/mh,能量消耗降至6.0 kWh/kg CaCO,相比于国内外已发表的文献除垢速率高出2-10倍,能耗降低3倍以上。在此基础上,通过电化学除垢技术的中试实验进行装置性能测试,中试除垢装置除垢速率高达27 g/mh,电化学除垢装置可以维持水体保持不结垢的稳定状态,可将浓缩倍数提高至15.5,延长排污周期,达到节水的目的。对于阴极表面碳酸钙、氢氧化镁等水垢的清洗,提出采用高压水射流的方法进行阴极再生。最后,据中试结果针对某橡胶公司循环水系统给出工业化应用方案,并对该技术进行经济评估。本项目的实施,可有效控制循环水系统内的结垢与腐蚀,同时可节约经济成本25.66万元/年,节约工业补水3.9万吨/年。

关键词：阴极电化学除垢除垢速率能量消耗循环冷却水

基于CFD的电化学除垢反应器水力特性及其构型优化研究

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基于CFD的电化学除垢反应器水力特性及其构型优化研究

作者：胡博林湘潭大学

学位级别：硕士

电化学技术因其清洁、无污染、能耗低的特点被越来越多的国家和地区在水处理领域所使用,因此,该技术近年来得到了高度重视和大量研究,但目前对于电化学处理技术的研究大多都聚焦于电参数的改进和新型设备的开发,缺乏对于电化学除垢反应... 详细信息

电化学技术因其清洁、无污染、能耗低的特点被越来越多的国家和地区在水处理领域所使用,因此,该技术近年来得到了高度重视和大量研究,但目前对于电化学处理技术的研究大多都聚焦于电参数的改进和新型设备的开发,缺乏对于电化学除垢反应器的流场分布和水力特性方面的研究。反应器构型是决定其水力特性的主要因素,因此,对电化学除垢反应器的构型进行优化有助于推动电化学除垢技术发展,实现反应器的合理设计,以达到提升反应器处理性能的目的。首先,阐述水垢的成因和电化学除垢原理,在此基础上确定可提高电化学反应器除垢效率和改善反应器水力特性的设计参数,通过自主设计的电化学除垢系统,探究相关影响因素对电化学反应除垢效率的影响规律,其结果表明:增长电解时间和增加水样初始硬度能够有效增加除垢速率;通过对比不同电解时间和水样初始硬度下的除垢效率,得到本实验范围内的最佳运行参数。其次,以折流板电化学除垢反应器为基础,采用数值模拟的方式对反应器流动进行稳态计算,研究不同极板间距和流速下的反应器流场分布。其结果表明:随着极板间距的减小和进口流速的增大,反应器内流场更合理,即流体的流动状态得到改善;同时,研究表明反应器内死区主要分布于极板两侧,少量分布于反应器角落;反应器内短路区主要分布于极板左侧。为进一步研究反应器水力特性,在稳态计算的基础上,待流场达到稳定状态后,利用脉冲示踪法对反应器内流体进行停留时间分布测定,得到停留时间曲线。将流场分布、反应器流态、返混程度、反应器不良流动作为评价反应器水力特性的指标,对反应器在不同构型下的水力特性进行分析。其结果表明:随着极板高度的增加和极板间距的减小,PE数和模型参数N均呈现出增大的趋势,其最大值分别为16.2、31.4,这表明反应器内返混减小,使反应器流态更趋近于平推流;同时,其最大出峰时间均有所增大,使之更趋近于平均停留时间,可有效增强反应器水力性能,但这两种变化都会增加反应器的压力降,从而增加能量损失,且相对于增加极板高度来说,减小极板间距对能耗的影响更加显著。最后,对反应器内死区占比进行定量分析,并结合能耗分析对反应器进行优化。其结果表明:在不考虑能耗的情况下,当极板高度为630 mm,极板间距为103.56 mm时,为最佳构型;在考虑能耗的情况下,当极板高度为630 mm,极板间距为172.6 mm时,为最佳构型。至此,研究得到最佳反应器构型和设计参数,实现反应器的合理设计和优化。本论文从水力特性角度提供了反应器构型与优化方法,可为类似反应器结构设计提供思路。

关键词：电化学除垢水力特性计算流体力学(CFD) 停留时间分布反应器优化

不同构型电化学除垢设备的流场分布规律及优化

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湘潭大学学报（自然科学版） 2021年第3期43卷 17-25页

作者：胡博林张孝强潘园园湘潭大学环境与资源学院湖南湘潭411105

针对电化学除垢器构型对内部流体的流动以及除垢效率存在显著影响的问题,利用Workbench平台对电化学除垢设备进行了等比例建模及仿真,进行反应器内流体空间分布及死区和短路区分区划分,以此探究不同构型电化学除垢设备内部流体流场分布... 详细信息

针对电化学除垢器构型对内部流体的流动以及除垢效率存在显著影响的问题,利用Workbench平台对电化学除垢设备进行了等比例建模及仿真,进行反应器内流体空间分布及死区和短路区分区划分,以此探究不同构型电化学除垢设备内部流体流场分布规律,并基于仿真结果进行数据分析.结果表明:减小反应器的极板间距可以将反应器内部的大型涡流破碎为小型涡流,随着极板间距的减小,反应器内部死区面积会减小,但短路区的面积则会增大,死区与短路区在反应器内的占比呈负相关;随着极板间距的减小,虽然短路区的增加会降低反应效率,但其增长速度显著低于死区的降低速度,减小极板间距仍然能够改善反应器内部流场,以达到优化反应器的目的.

关键词：电化学除垢构型流场数值模拟优化

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循环冷却水DSA电极电化学除垢中试试验

净水技术 2022年第1期41卷 90-95页

作者：周福伟周小燕王蛟平张刚济南大学土木建筑学院山东济南250022 同圆设计集团股份有限公司山东济南250101 济南城建集团有限公司山东济南250031

以华北地区某机场中央空调循环冷却水为处理对象,进行了DSA电极电化学除垢中试试验。试验结果表明:工艺最佳运行工况是电流密度为25.56 A/m^(2)、停留时间为4.0 min,硬度含量由进水的225.62 mg/L降至174.02 mg/L,比能耗为119.09 kW·h/... 详细信息

以华北地区某机场中央空调循环冷却水为处理对象,进行了DSA电极电化学除垢中试试验。试验结果表明:工艺最佳运行工况是电流密度为25.56 A/m^(2)、停留时间为4.0 min,硬度含量由进水的225.62 mg/L降至174.02 mg/L,比能耗为119.09 kW·h/kg;与实验室小试相比,阻垢剂的存在对除垢效果无显著影响,但不利于阴极水垢沉积物的去除。SEM结果表明阴极水垢的形状不规则,而XRD分析表明阴极沉积物主要以方解石的形式存在。研究成果表明电化学除垢工艺能够有效降低循环冷却水的硬度,是一种环保、低成本除垢工艺。

关键词：形稳型阳极(DSA) 电化学除垢循环冷却水停留时间电流密度比能耗

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浅析电化学除垢技术在循环水系统中的应用

河南化工 2019年第8期36卷 41-43页

作者：刘振河南省煤气(集团)有限责任公司

洁净的水源是人类社会生存和可持续发展的基本要素之一,由于人类活动和工业生产的发展,自然水资源遭受各类有机物污染的问题日益严重,我国统计数据显示全国的水资源大幅度减少。在水资源总量管理和节约方面,因产业结构和能源结构不合理... 详细信息

洁净的水源是人类社会生存和可持续发展的基本要素之一,由于人类活动和工业生产的发展,自然水资源遭受各类有机物污染的问题日益严重,我国统计数据显示全国的水资源大幅度减少。在水资源总量管理和节约方面,因产业结构和能源结构不合理,资源浪费严重、利用率不高,水生态环境保护面临巨大挑战,节水工作的开展直接影响化工企业的生产和持续发展。目前,加强水系统管理、开发应用节水技术,“环境友好”的新型水处理技术显得尤为必要。

关键词：电化学除垢节水工作环境友好