直流电解技术在循环水处理中的应用研究
一、概述
在铝工业生产中，为节约水资源，许多设备的冷却水均采用循环水进行冷却。循环水系统分为密闭式和敞开式两大类，无论是密闭式还是敞开式循环系统，水在长期循环使用过程中都会引起结垢、菌藻滋生和腐蚀等问题[1]，这些问题的存在严重影响了系统的效率，同时也缩短了设备的使用寿命，严重时会造成生产和安全事故[2，3]。因此针对循环水水质的处理也成为一个十分重要的课题。
二、 循环水水质处理方法对比
为了防止结垢、菌藻滋生和腐蚀所产生的危害，需要对水质进行处理。目前较为常见的水质处理方法包括：软化法、药剂法和直流电解法，这些方法的原理、效果和特点见表1：由表1可以看出，软化法效果单一，并且存在加速腐蚀风险；化学法效果明显，但清洁性差，维护管理繁琐，经济性能不高；直流电解法具有高效、清洁、管理简便、经济性能好的特点[4]。
三、直流电解法工作原理
直流电解处理工艺是通过直流电解过程中发生的电化学反应来实现除垢、杀菌灭藻和防腐蚀效果，其工作原理如下：
（一）除垢
直流电解过程中阴极会发生析氢反应生成氢氧根离子，使阴极区域产生强碱性环境，促使水中钙镁离子发生沉淀，其具体反应过程如下：
阴极反应：
沉淀反应：
上述反应会使水中钙镁硬度沉积在电解反应器阴极表面，然后通过倒极电解或机械刮除的方式使其从阴极脱落并从设备中排出，使水中钙镁离子浓度不断降低。当钙镁离子浓度低于沉淀溶解平衡浓度时，管道和换热器表面所结碳酸钙垢就会不断溶解，从而实现系统除垢，其反应过程如下：
水垢溶解：
水垢溶解形成的钙镁离子又被电解去除，从而实现系统彻底除垢。
（二）杀菌灭藻：
直流电解工艺采用具有电催化性能的特殊阳极，在直流电解过程中由于阳极催化作用会产生活性氯、活性氧、自由基等物质，具体反应过程如下：
析氯反应：
自由基生成反应：
电解过程中阳极产生的活性氯、活性氧和自由基具有极强的氧化性，对水中的菌藻类微生物具有强烈的杀灭作用，从而防止菌藻滋生和生物粘泥附着。由于自由基类物质氧化还原电位很高，能够避免各种微生物产生抗药性。
（三）缓蚀
防止生物腐蚀：由于电解过程能实现除垢和避免菌藻滋生，因此能有效防止垢下腐蚀和硫细菌、铁细菌等引起的点蚀、孔蚀。
四、实验结果分析
本次实验选用沈阳艾柏瑞环境科技有限公司的ZD系列设备对循环水水质进行处理，该设备通过直流电解使阴极结垢，当阴极结构达到一定厚度时停止电解，启动刮渣装置，通过机械动作刮除阴极上所结的碳酸钙垢，使其从阴极上脱落，落入电解反应器底部，然后通过开启排垢阀排入储垢槽。排垢结束后，重新进行电解除垢过程。除垢及杀菌灭藻实验结果分别见图1及图2。
由图1可以看出：在设备安装初期，系统中硬度迅速降低，半个月后系统硬度维持在20～30mmol/L；运行一个月后，系统水垢浓度进一步降低，并保持在一个较低的浓度，表明系统原有硬垢排放基本完成，而系统达到了硬度补给和排垢平衡。
由图2可以看出：在设备安装前几天中系统中细菌总数迅速降低，此后系统细菌总数一直保持在102～103CFU/L水平，表明直流电解处理设备具有良好的杀菌灭藻效果，抑制系统粘泥滋生和腐蚀。
五、结论
通过以上的分析表明，直流电解法作为一种新型技术应用在水循环系统的除垢及杀菌灭藻领域具有重要作用，可明显改善系统传热效率，降低系统运行能耗和水耗；不需投加任何化学药剂，环境清洁性极高。随着该技术的研究进一步深入，直流电解技术在循环水处理领域必将具有更广阔的应用前景。
