一种以诱导结晶法处理工业水系统及方法与流程

本发明涉及工业水处理技术领域，尤其一种以诱导结晶法处理工业水系统及方法。

背景技术：

化学工业、石油工业、电力工业、冶金工业、建筑的空调系统等行业需要工业循环水将工作介质进行冷却，而自然界没有纯净的水，天然水在大自然的循环过程中无时不与外界接触，因而水中含有不同成分和不同数量的杂质，水中的Ca²⁺、Mg²⁺等金属离子和水中的CO₃^2-、HCO₃^-、SO₄^2-、Cl^-以及NO₃^-等阴离子结合在一起，在水被加热过程中，由于蒸发浓缩，容易形成CaCO₃、MgCO₃、CaSO₄、MgSO₄等水垢，同时循环冷却水系统不可避免面的落入灰尘或者其他原材料粉尘，来不及沉淀就又回到循环水中，这些泥垢在换热器传热管内壁附着，形成质地较为坚硬的水垢；另一方面，循环冷却水水温和 PH 值都适合大多数微生物的繁殖生长，并且随着循环冷却水的不断循环蒸发，水中的营养源也随之增加，更促使微生物大量繁殖。微生物与污泥掺混在一起，形成生物粘泥，并最终形成生物垢。这些污垢附着在传热面上，造成热效率低下、热交换器堵塞，严重影响设备的正常运行，同时伴随能耗增加、维护量增加、污染排放增加。

常用的循环水中添加药剂法，虽然可以在一定程度上防垢及杀菌灭藻，但是添加的药剂本身也是污染物，造成环境二次污染。

技术实现要素：

本发明提供一种以诱导结晶法处理工业水系统及方法。主要原理是通过提高原水的PH值，使水中的CaCO₃、MgCO₃呈饱和状态，饱和状态的CaCO₃、MgCO₃微粒和其他污垢与晶种结晶器内混合，晶种为铁粉或氧化铝、氧化镁、白云石、碳酸钙等能够引起CaCO₃、MgCO₃结晶的物质，CaCO₃、MgCO₃和其他污垢就会在晶种上结晶，并逐渐长大，吸附CaCO₃、MgCO₃其他污垢的晶种在斜管或斜板沉淀池内沉淀，斜管或斜板沉淀池底部沉淀的晶种携带的CaCO₃、MgCO₃和其他污垢通过晶种分离器分理出晶种再返回结晶器继续使用。处理后的水硬度去除率90%以上、碱度（以CaCO₃计）去除率90%以上，出水浊度≤10mg/L；清理出来的垢CaCO₃含量高，可以做成CaCO₃制品或作为水泥原料。

本发明包括电化学水处理器、调节池、结晶器Ⅰ、结晶器Ⅱ、斜管或斜板沉淀池、超声波打散器、晶种分离器装置，其特征在于：原水进水与调节池连接，调节池出口与结晶器Ⅰ、结晶器Ⅱ、斜管或斜板沉淀池、晶种分离装置依次相连接；电化学水处理器与调节池之间设有碱液隔膜泵及管道；电化学水处理器与出水之间设有酸液隔膜泵及管道；晶种分离器装置包括超声波打散器、晶种分离器、晶种储罐、晶种分离机；晶种储罐与结晶器Ⅰ连接。

本发明的另一种系统形式为：包括电化学水处理器、结晶器Ⅰ、结晶器Ⅱ、斜管或斜板沉淀池、超声波打散器、晶种分离器装置，其特征在于：原水进水与电化学水处理器连接，电化学水处理器出口与结晶器Ⅰ、结晶器Ⅱ、斜管或斜板沉淀池、晶种分离装置依次相连接；电化学水处理器与出水之间设有碱液隔膜泵及管道；晶种分离器装置包括超声波打散器、晶种分离器、晶种储罐、晶种分离机；晶种储罐与结晶器Ⅰ连接。

进一步，电化学水处理器产生酸、碱性水，用晶种诱导碱性水中的成垢离子结晶析出。

进一步，电化学水处理器是一种包括箱体、密封门、阴极板、阳极板、隔离膜、下侧进水口、上侧出水口等组成；阳极板、阴极板之间插入离子隔离膜，阴阳极板通入一定电流密度的直流电后，在阳极板与隔离膜之间产生酸性水形成酸液室，阴极板与离子膜之间产生碱液形成碱液室；壳体为长方形或者圆形，壳体作为阴极板一部分，钢板焊接而成；密封门采用铰链或者滑动轨道与箱体连接，密封门与箱体之间采用密封胶条密封，密封门固定阳极极板；人工或自动清垢；阳极是有钌铱镀层长方形、环形、角弧形的钛板或钛网。进水口、出水口采用多孔布水形式，极板间水流均匀。所述的隔离膜不局限于双极膜、陶瓷膜、阴离子膜、阳离子膜等能够用于隔离阴阳极板产生酸碱液的薄膜。

进一步，调节池、结晶器Ⅰ、结晶器Ⅱ、斜管或斜板沉淀池是一种一体或者单体组合结构，可以是钢筋混凝土构筑、也可以是玻璃钢、钢板、刚强度塑料板制作而成，调节池、结晶器Ⅰ、结晶器Ⅱ设有电动搅拌器；斜管或斜板沉淀池内设有斜管或斜板组，加强浊物沉淀。

本发明还包括一种以诱导结晶法处理工业水方法，其特征在于通过调节池内加入经过电化学水处理器产生的碱液提高原水PH值，CaCo₃、MgCO₃在碱性水中饱和；结晶器内加入晶种，诱导CaCo₃、MgCO₃结晶；斜管或斜板沉淀池内晶体分离；晶体经由超声波打散器打散、晶种分离机分离，晶种循环使用；电化学水处理器产生酸液调节出水PH值。

本发明还包括一种以诱导结晶法处理工业水方法，原水经电化学处理器处理后PH值升高，CaCo₃、MgCO₃在碱液水中饱和；结晶器内加入晶种，诱导CaCo₃、MgCO₃结晶；斜管或斜板沉淀池内晶体分离；晶体经由超声波打散器打散、晶种分离机分离，晶种循环使用；电化学水处理器产生酸液调节出水PH值。

进一步，晶种为磁粉、铁粉、氧化铝、氧化镁、白云石、碳酸钙之中的任一种能够引起饱和CaO_3、 MgCO₃结晶的物质。

其中，磁粉成分可为Fe₃o₄。

进一步，超声波打散器包括外壳、换能器、变幅杆、电源控制器、换能器冷却装置、进料口、出料口组成，利用超声波的物理特性，使晶种、CaCO₃和MgCO₃颗粒分散、粉碎、松散、松脱分离。

本发明处理工业水技术相比于传统的化学加药方法以及现在研究较多的高压静电阻垢技术、磁化技术、电磁技术、量子环技术、超声波技术、电化学水处理技术，其优点在于能够将水中的Ca²⁺、Mg²⁺等成垢离子以诱导结晶的方式从水体中大部分去除，属于一种典型的主动式除垢阻垢技术。Ca²⁺、Mg²⁺等成垢离子去除率90%以上、碱度（以CaCO₃计）降低90%以上，而循环水中的悬浮的粉尘颗粒在结晶器中和晶种结合可以加速在沉淀池中的沉降，电解处理器电解产生的次氯酸杀死水中的微生物和藻类，防止菌藻类在水中滋生。该发明特别适合各行业以工业水为冷却介质的换热设备的防垢阻垢，系统无需添加任何药剂，循环水排污量减少50~80%以上。

附图说明

图1：本发明一系统示意图；

图2：本发明另一实施例系统示意图；

图中：1、原水进水，2、原水至结晶器Ⅱ进水，3、调节池 ，4、结晶器Ⅰ，5、结晶器Ⅱ，6、斜管或斜板沉淀池，7、超声波打散器，8、晶种分离器，9、晶种储罐 ，10、晶种分离机，11、污泥泵，12、碱液隔膜泵，13、酸液隔膜泵，14、电化学水处理器，15、电化学水处理酸侧进水管，16、电化学水处理碱侧进水管，17、电化学水处理碱侧进水管（来自沉淀池出水），18、出水。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明具体实施。

如图一所示：

硬度、碱度较高的原水1进入调节池3，与电化学处理器14产生的碱液混合，在调节池3中发生以下反应：

HCO₃^- + OH^- → H₂O + CO₃^2-

Ca²⁺ +CO₃^2- → CaCO₃↓

Mg²⁺ +CO₃^2- → MgCO₃↓

反应后调节池3中的CaCO₃、MgCO₃呈饱和状态存在，PH值升高至9.5以上；CaCO₃和MgCO₃与结晶器Ⅰ4中的晶种为晶核结晶，并逐渐长大，PH值基本不变。

晶种、CaCO₃和MgCO₃晶体和未完全的反应碱液进入结晶器Ⅱ5，原水中的HCO₃^-、Ca²⁺、Mg²⁺在结晶器Ⅱ5中继续发生以下反应：

HCO₃^- + OH^- → H₂O + CO₃^2-

Ca²⁺ +CO₃^2- → CaCO₃↓

Mg²⁺ +CO₃^2- → MgCO₃↓

结晶器Ⅱ5反应产生的CaCO₃、MgCO₃继续与晶种结合，晶体长大，OH^-含量降低，PH值逐渐降低。

晶种结合的CaCO₃、MgCO₃晶体_、原水携带的其他污垢微粒从斜管（板）沉降池6底部排污口排除；沉淀池6出水与电化学水处理器14产生的酸液中和至合适的PH值，供工业生产循环使用。斜管或斜板沉淀池6排污排出的晶种及污垢混合物经打散器7打散，晶种、CaCO₃和MgCO₃晶体以及原水中的其他污垢微粒脱离，经分离机10分理出的晶种经污泥泵11送至结晶器Ⅰ4循环使用。

以上所述的电化学水处理器14是一种包括箱体、密封门、箱内阴极板、阳极板、分子膜、下侧进水口、上侧出水口等组成；阳极板、阴极板之间插入隔离膜，在低压电场直流电的作用下，水电离产生的H ⁺和 OH^-，阴阳极板间水溶液中的正、负离子向极性相反的极板迁移，发生反应如式所示：

H₂O + 4e^-→ 2H₂↑+ 4OH^-（阴极区反应）

2H₂O→ O₂↑+ 4H⁺ +4e^-（阳极区反应）

在阴阳极之间分子膜的隔离下，阴极 OH^-的增多，形成了碱性区域；阳极H⁺的增多，形成了酸性区域。壳体为长方形或者圆形，壳体作为阴极板一部分，钢板焊接而成；密封门采用铰链或者滑动轨道与箱体连接，密封门与箱体之间采用密封胶条密封，密封门固定阳极板；阴极采用插入式活动阴极板，便于人工拿出清垢；阳极是有钌铱镀层长方形、环形、角弧形的钛板或钛网。进水口、出水口采用多孔布水形式，极板间水流均匀。本实例电化学处理器进水采用来自处理后的水，水中Ca²⁺、Mg²⁺大部分已经去除，含量较低，运行过程中阴极板积垢量很少，可以通过人工定期或处理器内的自动刮板装置清除。

本发明晶种采用磁粉、铁粉或者氧化铝、氧化镁、白云石、碳酸钙等任一种为晶种。本实例采用晶种为磁粉。

上述的超声波打散器7，包括外壳、换能器、变幅杆、电源控制器、换能器冷却装置、进料口、出料口等组成，利用超声波在水中传播空化效应、剪切效应等物理特性，使强声场处理流体，让流体中包裹磁粉的CaCO₃和MgCO₃颗粒在超声场作用下，使之分散、粉碎、松散、松脱实现磁粉与CaCO₃和MgCO₃分离。

上述晶种分离机10采用磁粉分离机，包括进水口、出水口、旋转钢筒、减速机、永磁体、刮板等组成，分离出污垢中的磁粉。

上述晶种分离器8采用固定永磁体方式，实现进一步分离出沉淀池出水中含有的少量磁粉。

如图二所示：

电化学水处理器3在低压电场直流电的作用下，水电离产生的H ⁺和 OH^-，阴阳极板间水溶液中的正、负离子向极性相反的极板迁移，发生反应如式所示：

H₂O + 4e^-→ 2H₂↑+ 4OH^-（阴极区反应）

2H₂O→ O₂↑+ 4H⁺ +4e^-（阳极区反应）

在阴阳极之间分子膜的隔离下，阴极 OH^-的增多，形成了碱性区域，阳极H⁺的增多，形成了酸性区域。硬度、碱度较高的原水1进入电化学水处理器3碱性区，经过电化学处理后PH升高至9.5以上，水中CaCO₃、MgCO₃呈饱和状态存在；饱和的CaCO₃和MgCO₃与结晶器Ⅰ4中的晶种为晶核结晶，PH值基本不变。

晶种、晶体CaCO₃和MgCO₃和未完全参加反应碱液^-进入结晶器Ⅱ5，原水中的HCO₃^-、Ca²⁺、Mg²⁺继续发生以下反应：

HCO₃^- + OH^- → H₂O + CO₃^2-

Ca²⁺ +CO₃^2- → CaCO₃↓

Mg²⁺ +CO₃^2- → MgCO₃↓

反应后结晶器Ⅱ5中的CaCO₃、MgCO₃与晶种为晶核结晶，水中OH^-含量降低，PH值逐渐降低。

晶种、CaCO₃和MgCO₃晶体_、原水携带的其他污垢微粒一起进入斜管（板）沉降池6，在斜管（板）底部排污口排除；处理后的澄清水在沉淀池6上部出水与电化学水处理器14产生的酸液中和后供生产系统循环使用。斜管或斜板沉淀池6排污排出的晶种及污垢混合物经超声波打散器7打散，经晶种分离机10分离出的晶种经污泥泵11送至结晶器Ⅰ4循环使用。

以上所述的电化学水处理器3是一种包括箱体、密封门、箱内阴极板、阳极板、分子膜、下侧进水口、上侧出水口等组成；阳极板、阴极板之间插入离子膜，阴阳极板通入一定电流密度的直流电后，在阳极板与隔离膜之间产生酸性水形成酸液室，阴极板与离子膜之间产生碱液形成碱液室；壳体为长方形或者圆形，壳体作为阴极板一部分，钢板焊接而成；密封门采用铰链或者滑动轨道与箱体连接，密封门与箱体之间采用密封胶条密封，密封门固定阳极极板；阴极采用插入式活动阴极板，便于人工拿出清垢；阳极是有钌铱镀层长方形、环形、角弧形的钛板或钛网。进水口、出水口采用多孔布水形式，极板间水流均匀。本实例采用电化学处理器预处理原水水中Ca²⁺、Mg²⁺较高，运行过程中阴极板会有一定量的积垢，可以通过人工定期或处理器内的自动刮板装置清除。

本发明晶种采用铁粉或者氧化铝、氧化镁、白云石、碳酸钙等任一种为晶种。本实例采用磁粉为晶种。

上述的超声波打散器7包括外壳、换能器、变幅杆、电源控制器、换能器冷却装置、进料口、出料口等组成，利用超声波在水中传播空化效应、剪切效应等物理特性，使强声场处理流体，让流体中包裹磁粉的CaCO₃和MgCO₃颗粒在超声场作用下，使之分散、粉碎、松散、松脱实现磁粉与CaCO₃和MgCO₃分离。

上述晶种分离机10采用磁粉分离机，包括进水口、出水口、旋转钢筒、减速机、永磁体、刮板等组成，实现分离出污垢中的磁粉。

上述晶种分离器8采用固定永磁体方式，实现进一步分离出沉淀池出水中含有的少量磁粉。