去除工业循环水中氯离子的装置的制作方法

文档序号:11173648来源:国知局
去除工业循环水中氯离子的装置的制造方法
本技术方案涉及水处理技术,尤其是涉及工业循环水领域的循环水中氯离子的去除技术。
背景技术
:十三五期间,我国将以提高环境质量为核心,以解决生态环境领域突出问题为重点,加大生态环境保护力度。国家政策对企业工业生产提出了很高的要求,工业用水的循环利用与治理迫在眉睫。工业用水量约占城市总用水量的70%以上,而加强工业循环冷却水系统的运行于管理,是工业节水的重要措施之一。提高循环水浓缩倍数是目前比较可行和有效地一种节水途径,但在浓缩倍数提高的同时,循环水中各种离子浓度不断上升,特别是氯离子的增加。氯离子是一种强腐蚀性离子,离子半径小,穿透性强,容易穿过膜层,置换氧原子形成氯化物加速阳极过程的进行,使腐蚀加速,是引起点蚀的主要原因。此外它还能破坏不锈钢和铝等金属或合金表面的钝化膜,引起金属的缝隙腐蚀和应力腐蚀破坏。当前,对氯离子的去除并没有特别有效地方法,如:化学沉淀技术、离子交换技术、传统电解技术等。化学沉淀技术一般采用硝酸银、氯化亚铜法不仅成本高,而且存在二次污染。离子交换技术需要定期更换树脂,增加了成本。传统电解技术因副反应太多而效果不好。技术实现要素:为了解决现有技术中存在的上述问题,本发明创造提出了一种新型氯离子电化学去除方法和装置。一种去除工业循环水中氯离子的装置,包括反应室、控制装置和电源模块;所述反应室上开有进水口、出水口和排污口;在反应室的顶部装有排气管道,排气管道的排气口连接到氯气收集处理装置,排气管道上装有抽风机;反应室内装有电极组和水位传感器;电极组包括至少1对电极板;进水口、出水口和排污口上都装有电控阀门(例如电磁阀、电动球阀等);进水口位于反应室的左边,出水口位于反应室右边的上部,排污口位于反应室右边的下部;所述电极组有至少2组;各组电极组沿水流方向依次放置;任一电极组有多对相互平行的电极板构成;所述电极板是平板电极;电极板的材质为钛化合物(例如钛的氧化物,可以是二氧化钛等),在电极板表面覆有活性炭纤维;电极采用碳纤维表面增强的钛电极,钛具有良好的导电性能,碳纤维相对面积大,两者结合后增加了电极与原水间的相对接触面积,提升电解效率。平板电极与水流方向平行;电极板的厚度L1为3mm≤L1≤3.6mm;活性炭纤维层的厚度L2为0.053mm≤L2≤0.058mm;电极板的面积S为0.6平方米≤S≤1.4平方米;任一对电极板的间距d的范围为:6mm<d≤10mm;任一个电极组的电极板数量n为:12对≤n<50对,或者是50对<n≤72对;任一对电极板之间设有绝缘材料填充层;绝缘材料填充层的厚度D的范围为:1.8mm≤D<2mm;所述电源模块为控制装置、水位传感器、电极组、抽风机和各个电控阀门供电;所述控制装置包括微控制器、接口信号转换电路、电极极性转换电路、模数转换器、数模转换器;所述微控制器的数据信号和控制信号输入/输出端经过接口信号转换电路连接外部控制设备(如上位工控机)的接线端子;所述微控制器的各个电控阀门控制信号输出端经数模转换器后分别连接对应的电控阀门的控制信号输入端;所述微控制器的抽风机控制信号输出端经过数模转换器后连接对应的抽风机的控制信号输入端;所述微控制器的电极极性转换控制信号输出端连接电极极性转换电路的使能端;电极极性转换电路的输入端连接电源模块的电极组供电端,电极极性转换电路的输出端连接电极组;所述水位传感器的输出端通过模数转换器连接微控制器的外部信号输入端。电源模块根据用电装置,把工频交流电变压成所需电压,采用适配器或逆变器等可以实现。控制装置用来对整机的信号采集以及外部电气器件进行控制,在现有技术中,采用单片机(微控制器)或PLC等可编程控制器件即可实现。任一对电极板的间距d的范围为:6mm<d≤7mm:距离较小,离子的迁移速率以及结垢能力都会有所增强,去除氯离子效果可以达到7mm<d≤9mm时的90%左右,此时由于距离较小可能会存在较大带电体的进入造成短路;7mm<d≤9mm:这个区间内电解效率最好。具体去除效果还要视水体中氯离子含量以及配备的电极对数、组数等;9mm<d≤10mm:由于电解电压较少,只有3.0V,极板间距进一步加大时其电解效率会越低,在加上水中浊度等的影响,效果最高只能到达7mm<d≤9mm时的65%;任一个电极组的电极板数量n范围为:12对≤n<35对,或者35对≤n<50对,或者50对<n≤60对,或者60对<n≤72对;对于同一水质,相同处理量,原则上电极对越多越好;但是还需考虑到处理有效性,避免造成不必要的浪费。不同水质情况,采用的电极对数量不同,例如:对氯离子含量为500mg/L的水质来说,35≤n<50电极对数量可以基本满足需求,去除率可达70%左右;对1000mg/L的水质来说,电极对数量为60<n≤72才能同等达到效果。电极对数量不能无限增加,考虑到电源、装置大小以及工作时的波动性,最大选取72组电极。电极组有至少2组。电极组数量的增加是为了进一步处理水中的氯离子,而且水中电解出来的氯会有一部分重新溶解于水中,为加强效率需采用多组电极。原则上选取2组,对于氯离子含量500mg/L的水质,采用35对的电极板,如果只有一组时,除氯效果为52%左右,而有2组时效果立刻变为81%左右,效果十分明显。若增加至5组,此时的效果仅增加至86%左右,这是因为水中氯离子含量不高,经过2组处理去除效果已经非常高了,继续增加组数不仅效果不明显,而且增加成本。如果水质中氯离子含量达5000mg/L以上时,在增加电极对数的同时还需增加组数。绝缘材料填充层的厚度D范围为:1.8mm≤D<1.9mm,或者1.9mm≤D<2mm。填充绝缘材料用于隔开电极对避免造成短路,其厚度的大小与实际生产难度有关。电极板的面积S为:0.6平方米≤S<1.0平方米,或者1.0平方米≤S≤1.4平方米。理论上,面积S越大效果越好,因为面积越大,单位时间内处理的水质会更多。实测中,一般在同等条件下1.0平方米左右效果最好,0.6平方米时效果仅为其75%;1.4平方米时效果为其80%,这是因为面积越大越大难以保证所有部分的稳定性,存在波动的可能性越大,电解去除其它离子的可能性越高,比如:OH-。电极板的厚度L1为:3mm≤L1≤3.6mm。电极板厚度与固定连接的方便性,以及运行时的稳定性有关,电极面积做的越大,电极板厚度相应厚一些。这里要注意,厚度并不是一直增加的,厚度越厚造成的电能损失越严重,比如:5.0mm是的电极效率只有3.6mm时的70%。活性炭纤维层的厚度L2为0.053mm≤L2≤0.058mm。电极板是钛基材,表面镀上的是活性炭纤维,厚度越厚越好,不过考虑到附着难度以及制作成本,选取了上述值。所述反应室的壁为15mm厚的PP塑料,反应室内腔是立方体形状。还包括数控直流电压调节器;数控直流电压调节器的输入端连接电源模块的输出端,数控直流电压调节器的输出端作为电极组供电端;数控直流电压调节器的控制信号输入端连接所述微控制器的极板电压值控制信号输出端。所述电极极性转换电路包括两组开关电路;微控制器的电极极性转换控制信号输出端分别连接两组开关电路的使能端;一组开关电路包括两个开关电路,其中:一个开关电路的输入端和输出端分别连接电极组供电端的直流“+”极端和成对电极板中的第一个极板;另一个开关电路的输入端和输出端分别连接电极组供电端的直流“-”极端和成对电极板中的第二个极板;另一组开关电路包括两个开关电路,其中:一个开关电路的输入端和输出端分别连接电极组供电端的直流“+”极端和成对电极板中的第二个极板;另一个开关电路的输入端和输出端分别连接电极组供电端的直流“-”极端和成对电极板中的第一个极板。开关电路根据输出功率要求,可以选用功率管,或者是继电器等开关器件为核心的电路。采用微控制器对两个开关电路的使能进行控制,即可实现极性转换。还包括过滤器和除垢器;过滤器的出水口连接除垢器的进水口,除垢器的出水口连接所述密闭容器的进水口;所述过滤器是石英砂过滤器、纤维素过滤器或者自清洗过滤器;所述除垢器是电化学除垢设备或离子交换设备。上述去除工业循环水中氯离子的装置的去除工业循环水中氯离子的方法,步骤包括:步骤1:打开电极组电源开关及进出口阀门,对流经电极组的水进行处理;同时对反应室内产生的反应气体进行排气和气体处理;由于氯离子的标准电解电位为Φ0=+1.3595V,水的实际电解电位为1.6V,基于实用性,控制电极板间的电位为3.0V;由于水体溶解了二氧化碳,生成碳酸氢根离子,水显弱酸性,电极板上的反应如下:1)阳极板上的反应循环水体中阴离子包括氯离子和硫酸根离子;通直流电时,阴离子向阳极运动,电解氯离子和水:发生副反应生成少量臭氧、过氧化氢、氢离子、次氯酸根离子和亚氯酸根离子;因为停留时间短,它们会快速发生反应而消失:2)阴极板上的反应因为循环水显弱酸性,通直流电时,水中含有的氢离子向阴极移动,在阴极表面发生电解反应生成氢气逸出:水中的氢氧根离子经过与碳酸氢根离子的反应生成具有促进结垢能力的碳酸根离子,生成氢氧化镁和碳酸钙沉淀:3)运行过程中,每隔1~3小时颠倒电极板的极性;原阴极板颠倒极性后,电极板表面的垢层溶解到水中,反应如下:步骤2:运行10~30天后进行冲洗排污,排污时打开进口、排污口阀门,关闭出水口阀门,冲洗时间为10~30min;冲洗完成后,返回步骤1。上面化学式中,ClO2-是一个带负电的ClO2分子。每运行1~2年,更换电极板。步骤1和步骤2还包括步骤:对反应室的进水进行预处理;预处理方法是对反应室的进水先采用过滤方法降低浊度,达到水的浊度≤5NTU,再采用除垢器降低水中钙、镁离子的浓度,达到水的总硬度≤300mg/L;预处理完成后的水送入反应室去除氯离子。本技术方案采用一套设备可实现去除工业循环水中氯离子,简便易行,除氯效果好。附图说明图1是本装置的结构原理示意图;图中:1—外壳;2—第一组电极;3—出气管道;4—抽风机;5—第二组电极;6—出水口;7—进水口;8—表示水流方向的箭头;9—反应室;10—排污口。具体实施方式下面结合附图与具体实施方式对比技术方案进一步说明如下:如图1,一种去除工业循环水中氯离子的装置,包括反应室、控制装置和电源模块;所述反应室上开有进水口、出水口和排污口;在反应室的顶部装有排气管道,排气管道的排气口连接到氯气收集处理装置,排气管道上装有抽风机;反应室内装有电极组和水位传感器;电极组包括至少1对电极板;进水口、出水口和排污口上都装有电控阀门;进水口位于反应室的左边,出水口位于反应室右边的上部,排污口位于反应室右边的下部;所述电极组有至少2组;各组电极组沿水流方向依次放置;任一电极组有多对相互平行的电极板构成;所述电极板是平板电极;电极板的材质为钛化合物,在电极板表面覆有活性炭纤维;平板电极与水流方向平行;电极板的厚度L1为3mm≤L1≤3.6mm;活性炭纤维层的厚度L2为0.053mm≤L2≤0.058mm;电极板的面积S为0.6平方米≤S≤1.4平方米;任一对电极板的间距d的范围为:6mm<d≤10mm;任一个电极组的电极板数量n为:12对≤n<50对,或者是50对<n≤72对;任一对电极板之间设有绝缘材料填充层;绝缘材料填充层的厚度D的范围为:1.8mm≤D<2mm;所述电源模块为控制装置、水位传感器、电极组、抽风机和各个电控阀门供电;所述控制装置包括微控制器、接口信号转换电路、电极极性转换电路、模数转换器、数模转换器;所述微控制器的数据信号和控制信号输入/输出端经过接口信号转换电路连接外部控制设备的接线端子;所述微控制器的各个电控阀门控制信号输出端经数模转换器后分别连接对应的电控阀门的控制信号输入端;所述微控制器的抽风机控制信号输出端经过数模转换器后连接对应的抽风机的控制信号输入端;所述微控制器的电极极性转换控制信号输出端连接电极极性转换电路的使能端;电极极性转换电路的输入端连接电源模块的电极组供电端,电极极性转换电路的输出端连接电极组;所述水位传感器的输出端通过模数转换器连接微控制器的外部信号输入端。任一对电极板的间距d的范围为:6mm<d≤7mm,或者7mm<d≤9mm,或者9mm<d≤10mm;任一个电极组的电极板数量n范围为:12对≤n<35对,或者35对≤n<50对,或者50对<n≤60对,或者60对<n≤72对;电极组有至少2组;绝缘材料填充层的厚度D范围为:1.8mm≤D<1.9mm,或者1.9mm≤D<2mm;电极板的面积S为:0.6平方米≤S<1.0平方米,或者1.0平方米≤S≤1.4平方米;电极板的厚度L1为:3mm≤L1≤3.6mm;活性炭纤维层的厚度L2为0.053mm≤L2≤0.058mm。所述反应室的壁为15mm厚的PP塑料,反应室内腔是立方体形状。还包括数控直流电压调节器;数控直流电压调节器的输入端连接电源模块的输出端,数控直流电压调节器的输出端作为电极组供电端;数控直流电压调节器的控制信号输入端连接所述微控制器的极板电压值控制信号输出端。所述电极极性转换电路包括两组开关电路;微控制器的电极极性转换控制信号输出端分别连接两组开关电路的使能端;一组开关电路包括两个开关电路,其中:一个开关电路的输入端和输出端分别连接电极组供电端的直流“+”极端和成对电极板中的第一个极板;另一个开关电路的输入端和输出端分别连接电极组供电端的直流“-”极端和成对电极板中的第二个极板;另一组开关电路包括两个开关电路,其中:一个开关电路的输入端和输出端分别连接电极组供电端的直流“+”极端和成对电极板中的第二个极板;另一个开关电路的输入端和输出端分别连接电极组供电端的直流“-”极端和成对电极板中的第一个极板。还包括过滤器和除垢器;过滤器的出水口连接除垢器的进水口,除垢器的出水口连接所述密闭容器的进水口;所述过滤器是石英砂过滤器、纤维素过滤器或者自清洗过滤器;所述除垢器是电化学除垢设备或离子交换设备。一种所述去除工业循环水中氯离子的装置的去除工业循环水中氯离子的方法,步骤包括:步骤1:打开电极组电源开关及进出口阀门,对流经电极组的水进行处理;同时对反应室内产生的反应气体进行排气和气体处理;由于氯离子的标准电解电位为Φ0=+1.3595V,水的实际电解电位为1.6V,基于实用性,控制电极板间的电位为3.0V;由于水体溶解了二氧化碳,生成碳酸氢根离子,水显弱酸性,电极板上的反应如下:1)阳极板上的反应循环水体中阴离子包括氯离子和硫酸根离子;通直流电时,阴离子向阳极运动,电解氯离子和水:发生副反应生成少量臭氧、过氧化氢、氢离子、次氯酸根离子和亚氯酸根离子;因为停留时间短,它们会快速发生反应而消失:2)阴极板上的反应因为循环水显弱酸性,通直流电时,水中含有的氢离子向阴极移动,在阴极表面发生电解反应生成氢气逸出:水中的氢氧根离子经过与碳酸氢根离子的反应生成具有促进结垢能力的碳酸根离子,生成氢氧化镁和碳酸钙沉淀:3)运行过程中,每隔1~3小时颠倒电极板的极性;原阴极板颠倒极性后,电极板表面的垢层溶解到水中,反应如下:步骤2:运行10~30天后进行冲洗排污,排污时打开进口、排污口阀门,关闭出水口阀门,冲洗时间为10~30min;冲洗完成后,返回步骤1。每运行1~2年,更换电极板。步骤1和步骤2之间还包括步骤:对反应室的进水进行预处理;预处理方法是对反应室的进水先采用过滤方法降低浊度,达到水的浊度≤5NTU,再采用除垢器降低水中钙、镁离子的浓度,达到水的总硬度≤300mg/L;预处理完成后的水送入反应室去除氯离子。本技术方案能够自动转换阴阳极以去除氯离子,具体如下:本技术方案采用的是钛基碳纤维表面增强型电极,电极间距控制在6~10mm。为保证工作效率应保证将12~72对电极板并排成一组,沿水流的方向设置两组,每组用绝缘抗氧化材料聚丙烯塑料PP固定在一起避免短路的发生,电极板连接同一个电源,运行一段时间以后,自动转变阴阳极,增强效率。由于氯离子的标准电解电位为Φ0=+1.3595V,水的实际电解电位一般为1.6V,考虑到实际工作时外界因素,控制电极板间的电位为3.0V。由于循环水中含有CO32—、HCO3—,在加上不断循环会呈弱碱性,电极上的反应如下:1)阳极上的反应通直流电时,阴离子向阳极运动,循环水体中阴离子主要为氯离子、硫酸根离子,其中硫酸根离子不会发生电解,主要电解氯离子,同时也会电解少量的水。由于工作电压很小,会发生极少量的副反应,生产少量的臭氧、过氧化氢、次氯酸根等离子,这些离子因为停留时间很短,且具有一定的杀菌灭藻能力很快就会发生反应而消失。2)阴极上的反应循环水大多显弱碱性,在外加电源的作用下,阴极直接电解水产生氢气在电解的过程中阳极会电解水生产少量的氢氧根离子OH-,经过与碳酸氢根离子的反应生成具有促进结垢能力的碳酸根离子,生成了少量的氢氧化镁、碳酸钙沉淀,有以下副反应:生成的水垢会附着在电极表面,经过长时间的运行过后会在阴极表面形成一层垢,降低甚至消除电解效率。为此,采用1-3小时颠倒电极的方式,来保护电极,更好的保护电极延长其使用寿命。原来的阴极颠倒成阳极后表面少量的垢层会被溶解到水中,电极反应如下:本装置如图1,进水口、出水口、排污口以法兰连接,阀门均可以采用电动球阀,设备工作时采用控制柜控制运行,具体如下:1)准备,进水口阀门打开进水对设备内部进行一次清洗,待充满水后打开排污口阀门,将水全部放干净;2)开始运行,关闭排污口阀门,打开进水口阀门和出水口阀门,等水流能够正常稳定从出水口出来时打开电极组电源开关,同时启动抽风机;3)运行过程中,待工作1-3小时后自动转换正负极(具体时间设定视原水硬度确定,硬度越高转换正负极时间越短);4)排污过程,运行10—30天后(设定值,为防止污垢积累)关闭出水口阀门,打开排污口阀门,进水不变冲洗10—30min;5)冲洗完成后,关闭排污口阀门,打开出水口阀门,又开始正常工作。电极板会因工作时间的延长,电极表面碳纤维层、电极间固定绝缘材料PP都会存在破坏,因此,工作1—2年,需要将电极取出重新涂覆碳纤维和更换PP塑料保证设备以最大的工作效率运行。本技术方案对于进水水质有一定的要求,尤其是浊度和钙、镁离子的浓度,建议浊度≤5NTU,碳酸盐硬度(以CaCO3计)≤300mg/L,以免因钙镁离子过高结垢严重而损坏电极、降低使用效率,水质若不达标,建议使用预处理设备,可使用石英砂过滤器、纤维素过滤器、自清洗过滤器来降低浊度,可使用电化学除垢设备、离子交换设备降低钙、镁离子浓度。工作时每组电极板间的电压仅为3.0V,能够极大的保护电极材料。电极采用碳纤维表面增强的钛电极,钛具有良好的导电性能,碳纤维相对面积大,两者结合后增加了电极与原水间的相对接触面积,提升电解效率。为保证足够的效率,停留时间应尽可能长,流速最高为0.3m/s,一般为0.1m/s。本技术由于经常颠倒电极,从理论上来看并不会造成二次污染,但是运行过程中仍然会产生少量的污染物,因此,每隔10~30天自动排污一次,每次排污10—30min。电解反应室采用15mm厚的PP塑料,反应室呈现为立方体状。电解氯离子生成氯气,电解水生成氢气、氧气,为提高电解效率在电极反应室上方安装一个抽风机(转速2400r/min,功率18w),将生成的氯气、氢气和少量氧气及时排出,加速电解过程;同时,抽风机的机械作用可以将生成的氯气、氢气、氧气迅速与空气混合,降低了出现危险的可能。本装置处理循环水量为20~200t/h,一般取旁通安装在循环水系统上。采用本电化学除氯技术的试验数据:采用本电化学除氯设备分别于不同氯离子含量的循环水做实验,氯离子含量每间隔10天检测一次,数据如下表:设备运行检测数据单位:mg/L序号0d10d20d30d40d1280.5196.9141.786.281.72415.3298.0205.2132148.431350692.5447.6319320.5429101811.89206166035501228761753890.6698.2上表中,0d的数据为氯离子的原始含量。由上表可知设备除氯效果明显。以30d为标准,每组循环水氯离子的去除率分别为:69.27%、68.19%、76.37%、78.83%、82.23%,数据显示,原水氯离子含量越高去除效果会越好。当前第1页1 2 3 
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