用于除垢的倒极电化学-脱气-过滤耦合系统的制作方法

本发明涉及循环冷却水的水质稳定领域，尤其涉及一种新型的用于除垢的倒极电化学-脱气-过滤耦合系统，为一种循环水新型处理系统。

背景技术：

1、循环冷却水系统的稳定运行对企业的安全稳定生产具有重要意义。结垢是一个在循环冷却水系统中广泛存在的现象。因此，稳定水质是保障循环冷却水系统安全稳定运行、降低能耗和节约水资源的关键。

2、为解决上述问题，研究人员提出了一系列的循环水质控制技术。按照技术原理，它们可以分为被动式技术和主动式技术。被动式技术主要包括化学药剂法、加硫酸法、co2曝气法、石灰石软化法、酸碱平衡曝气法、高压静电法、磁化法/电磁法以及超声波法。该方法旨在防止水垢在系统中生成，但成垢离子仍在循环水中存在。主动式技术的核心是通过从循环水中移除成垢离子来抑制结垢现象的发生。该类技术主要包括机械清洗法/胶球清洗法、离子交换树脂法、膜过滤法和电化学水垢去除技术等。与被动式技术相比，主动式技术可以有效持续地减少水体中结垢的产生，并不会像化学药剂法引入新的潜在污染物（如药剂残留、化学副反应产物等）。

3、电化学水垢去除技术作为典型的主动式技术，无需添加化学药剂，即可将水垢以固体形式从循环冷却水中析出，极大减少循环水结垢趋势，确保换热器表面清洁并保持高换热效率，提高循环水浓缩倍数，减少排污量，有效节约水资源，符合当前国家生态环保产业政策及双碳政策，具有良好的市场前景。利用电化学技术来进行循环冷却水的除垢处理早有大量文献报道，并在工程实践中得到了广泛应用。尽管如此，传统的电化学水垢去除技术依然存在不少缺陷，主要包括：处理效率有待提高、阴极区域所产水垢微粒无法彻底沉积、阳极区域阻垢效能未被充分利用、电极上所沉积的水垢难以脱除等。

4、文献（ ind. eng. chem. res. 2018, 57, 6585； sep. & purif. tech.，2019，210：943； sep. & purif. tech., 2022,284: 120268）对电化学水垢去除技术在长期运行工况下的单次硬度去除率进行连续观测，观测结果显示，该技术的单次硬度去除率稳定在15%～25%之间，这表明电化学水垢去除技术的实际处理能力与效率还有待进一步提高，需要从技术本身挖掘更多潜能。在使用传统无隔膜电解槽时，水流的紊乱可能导致两极区域的物质混合，进而造成阴极区域所产碱度被阳极区域所产酸度中和，导致整体处理效率低下。解决此问题的潜在技术方案为摒弃使用传统的无隔膜电解槽，利用隔膜将电解槽分隔为阴极室和阳极室，阻止两极液体混合，提高阴极室碱度的有效产量，进而提升整体处理能力与效率。

5、文献（工业水处理，2019，39(7): 37）报道，在中试过程中，基于水质参数计算得出的除垢量明显高于对应条件下在阴极上的实际沉垢量。这一现象说明，不是所有从水中减少的水垢都沉积在反应器的阴极上，还有一定数量的水垢微粒由于某些原因而无法沉积反应器阴极上，随水流被带出反应器，进而成为结垢的潜在危险源。解决此问题的潜在技术方案为在电化学反应器后部加装沉淀或过滤模块，让反应器出水中的水垢颗粒在沉淀或过滤模块中被截留（甚至触发水垢结晶过程），从而提高系统的整体除垢效率。

6、专利（zl 201610802332.0）描述了一种采用隔膜阳极室产酸去除水体碱度的方式，充分利用阳极的阻垢效能，以此达成电化学阻垢的目的。但是，阳极室出水酸性较强，如果直接将其引入循环冷却水系统，容易造成系统腐蚀。此外，由于电解水离开电解环境后存在显著的二氧化碳返溶，这将导致出水碱度在一段时间后上升，从而使得处理效果下降。解决此问题的潜在技术方案为在阳极室出水后端增加脱气模块，将水中的二氧化碳气体予以脱除，提升整体的碱度去除效果。

7、电化学处理中常见的一个问题是电极上的水垢难以有效清除。为解决此问题，科研和工程技术人员提出了多种解决方案，最典型的方式是自动刮垢模式。但是，为了完成自动刮垢过程，这种方法需要在设备体内布设大量自动机构，可能会对设备的长期稳定运行和除垢效能产生负面影响。解决此问题的潜在技术方案为使用电极倒换的方式，充分利用电极倒换之后的析气及产酸功能，剥离原阴极、现阳极上的水垢层，达到清洁电极表面的目的。

8、为此，本发明专利将上述潜在技术方案予以结合，提出一种新型的用于除垢的倒极电化学-脱气-过滤耦合系统，以有效解决上述电化学水垢去除技术的缺陷。

技术实现思路

1、根据以上现有技术中的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种用于除垢的倒极电化学-脱气-过滤耦合系统，以解决技术目前存在的处理效率有待提高、阴极区域所产水垢微粒无法彻底沉积、阳极区域阻垢效能未被充分利用、电极上所沉积的水垢难以脱除等问题。

2、本发明所述的一种用于除垢的倒极电化学-脱气-过滤耦合系统，包括具有第一可交换电极、隔膜和第二可交换电极的隔膜电解槽，其特征在于：还包括外电路电源模块，所述外电路电源模块具有正向通电、反向通电的供电模式，所述外电路电源模块的正极与负极分别与对应可交换电极相连接，所述隔膜电解槽的底部设置有第一进水流道口和第一进水流道口，所述隔膜电解槽的顶部设置有第一出水流道口和第二出水流道口，所述第一进水流道口和第一进水流道口分别通过第一进水流道管、第二进水流道管与循环水池连通，所述第一进水流道管设置有水泵a，所述第二进水流道管上设置有水泵b，所述脱气模块的进水口通过第一出水流道管连接隔膜电解槽的第一出水流道口或第二出水流道口，所述过滤结晶模块的进水口通过第二出水流道管连接隔膜电解槽的第二出水流道口或第一出水流道口，所述过滤结晶模块和脱气模块均通过对应的连接管路与酸碱中和模块的进水口相连通。

3、优选地，所述隔膜电解槽内的隔膜将隔膜电解槽分割为第一电解舱和第二电解舱，所述第一电解舱和第二电解舱内分别设置有第一可交换电极和第二可交换电极，所述第一可交换电极所处第一电解舱的上下两端分别设置为第一进水流道口和第一出水流道口，所述第二可交换电极所处第二电解舱的上下两端分别设置为第二进水流道口和第二出水流道口。

4、优选地，所述电源模块正极连接所述第一可交换电极，所述第一可交换电极作为阳极，所述外电路负极连接所述第二可交换电极，所述第二可交换电极作为阴极，第一出水流道管连接第一出水流道口，第二出水流道管连接第二出水流道口；第一电解舱和第二电解舱分别为阳极舱室和阴极舱室。

5、优选地，所述外电路负极连接所述第一可交换电极，所述第一可交换电极作为阴极，所述外电路正极连接所述第二可交换电极，所述第二可交换电极作为阳极，第一出水流道管连接第二出水流道口，第二出水流道管连接第一出水流道口；第一电解舱和第二电解舱分别为阴极舱室和阳极舱室。

6、处理步骤如下：

7、1）循环水池内待处理的循环水经第一进水流道管、第二进水流道管分为2路，分别进入隔膜电解槽的第一电解舱、第二电解舱。

8、2）外电路电源模块为具有正向通电、反向通电的供电模式的电源单体或具有此种功能的电源组合。处于第一电解舱、第二电解舱中的第一可交换电极和第二可交换电极分别与外电路电源模块的两极连接。在电化学反应过程中，根据电源实际供电情况，确定相对应的电极为阳极或者阴极。

9、3）待处理循环水在隔膜电解槽的阳极室中被处理后，形成高酸度水体，外排至脱气模块内，经过脱气处理后排至酸碱中和模块。

10、4）待处理循环水在隔膜电解槽的阴极室中被处理后，形成高碱度水体，外排至过滤结晶模块内进行进一步处理。

11、5）经过过滤结晶模块处理的水体排至酸碱中和模块，待达到预定停留时间后，外排至循环水池或做其它用途。

12、6）在运行设定时间之后，通过倒换电极极性，使得原先为阴极的电解舱室变为阳极舱室，原先为阳极的电解舱室变为阴极舱室，并同步更换对应舱室外接的后处理模块。

13、进一步的，当过滤结晶模块内的过滤结晶颗粒由于水垢沉积而变得尺寸过大、影响出水效果时，可以采用阳极舱室流出的酸性水进行适当时间的浸泡活化，以去除颗粒表面沉积的水垢层。

14、优选地，所述外电路电源模块可以提供的电压范围为-36v~36v，电流大小范围为0~2000a，电极极性调换时间间隔为0-100h。

15、优选地，所述隔膜电解槽中的隔膜为阴离子交换膜、阳离子交换膜或双极膜。

16、优选地，所述隔膜电解槽设置有多个，多个隔膜电解槽首尾相连，串联在进水流道管与出水流道管之间。

17、优选地，所述隔膜电解槽设置有多个，多个隔膜电解槽并列设置，并联在进水流道管与出水流道管之间。

18、优选地，两个隔膜电解槽串联形成一个处理集团，多个处理集团并列设置，并联在进水流道管与出水流道管之间。

19、优选地，所述外电路电源模块为直流稳压电源，该直流稳压电源具有正负电极转换开关，用于正极与负极的切换，所述直流稳压电源的正极与负极分别与对应可交换电极相连接。

20、优选地，所述隔膜电解槽中所用电极为适合于电化学水处理的阳极，包括但不限于：碳电极（石墨电极、掺硼金刚石电极等）、贵金属电极、金属氧化物电极（尤其是钛基体系列的金属氧化物电极和缺陷态钛氧化物电极）等。

21、优选地，所述脱气模块可以使用超声波震荡系统或加热脱气系统。

22、优选地，所述过滤结晶模块为内部装填有结晶颗粒的腔体，水流可采用顺流式或逆流式方式流经腔体。腔体内所用结晶颗粒包括但不限于：人造沸石、刚玉、石英砂等。颗粒目数可根据所针对的处理对象进行优选。

23、优选地，本发明中涉及到的电解槽、脱气模块、过滤结晶模块和酸碱中和模块的尺寸设计及配套的电极尺寸与隔膜尺寸等具体问题，可以根据所针对的处理对象进行优化。

24、优选地，本发明在运行过程中涉及到的电化学参数（如电流密度）、水流速度、水力停留时间等，可以根据不同水质条件进行优化。

25、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

26、本发明所述用于除垢的倒极电化学-脱气-过滤耦合系统是以单个隔膜电解槽为核心、耦合倒极电源、脱气模块、过滤结晶模块和酸碱中和模块的综合系统。引入倒极电源可以改善原先阴极表面水垢无法有效脱除的情况，可以通过电极极性互换的方式得到有效的缓解和抑制，保证电化学水处理系统的长时间安全稳定运行。引入脱气模块可以有效除去阳极室出水中的游离二氧化碳，保证碱度去除效果；利用阴极室同步处理循环水，可以有效提高阴极产碱能力，保证总硬度去除效率；引入过滤结晶模块，可以有效过滤截留阴极室出水中的水垢微晶，同时利用成核原理进一步使得水中水垢在颗粒表面结晶沉积，提高出水的总体硬度去除量；引入酸碱中和模块，可以充分利用隔膜电解槽自产酸、碱进行中和反应，保证最后出水ph值处于中性水平，避免对后续系统产生腐蚀作用。