电解水处理技术在中央空调冷却循环水处理上的应用研究章明歅

电解水处理技术在中央空调冷却循环水处理上的应用研究章明歅（银海洁（北京）水处理技术有限公司，北京100101）摘要美国科罗拉多纪念医院采用一种源自以色列的新型电解水处理器（EST），替代化学药剂处理中央空调冷却循环水，完全解决了中央空调冷却循环水系统中的结垢、腐蚀和微生物问题，同时每年节约2,800m3新鲜水，减少化学品使用和减少环境污染，降低冷却塔中军团菌等安全威胁，大大减少了系统维护费用。结果表明，电解水处理器（EST）可以作为环境友好型的化学药剂替代技术，解决中央空调冷却循环水处理的问题的同时，大量节约冷却塔水耗，增加冷却循环水的环境安全保障。关键词冷却循环水节水电解水处理器腐蚀结垢微生物ZhangMingyin（Aquagena(Beijing)WaterTechnologyCo.,Ltd,Beijing100101）AbstractAnewelectrolysiswatertreatmentequipment(EST)fromIsraelassistsMemorialHospitalinColorado,USAsuccessfullysolvesallproblemsincoolingsystemofA/C,wherescale,corrosion,andmicroorganismarewellcontrolledviaEST.Atthesametime,2,800M3offreshwaterissavedayear,nochemicalsareused,thennopollutionsaredischargedintosewagesystem,andlessmaintenanceandrepaircosts.ThisresultsshowthatarevolutionarytechnologyofESTcanreplacechemicalstotreatcoolingwaterenvironment-friendly.Moreimportantislotsoffreshwaterissavedandenhancedpublicsanitationsafetyhappenedincoolingtower.KeywordscoolingwatersavingwaterEST,corrosionscalemicroorganism中央空调系统通过冷冻水循环、制冷剂循环和冷却水循环，不断将建筑物内的热量传递到自然界中，而获得舒适的空间环境（图1）。冷却水x系统多为开放式系统，冷却水通过在冷却塔中蒸发飘逸到大气中而将热量散发到周围环境中。中央空调水系统的用水通常分为两类，即未经过任何处理的自来水和软化水。由于冷却水用水量大，一般都补充自来水。水中对设备产生影响的主要因素为硬度、碱度、微生物、pH值、Cl-、氧含量等。自来水因地区不同而水质变化较大，在水的循环过程中，硬度和碱度不断被浓缩，是造成结垢的主要因素，而Cl-、低pH、溶解氧、生物粘泥是造成腐蚀的罪魁祸首。按照我国有关规范，冷冻水要求补充软化水。而对于软化水而言，失去了结垢性离子Ca2+、Mg2+等，没有结垢问题，同样设备也失去了保护性结垢层，其腐蚀性增强，从而加重了腐蚀穿孔现象。这个规范要求是否合理，有关部门正在论证。同时冷却塔又是微生物和藻类滋生的场所，合适的温度、充分的氧气和养分、充足的日照，过度滋生的微生物进入循环水系统，造成系统堵塞和腐蚀，不仅增加了额外的运行费用，同时也缩短了设备的使用寿命。1冷却循环水系统中存在的问题及危害1.1水垢问题悬浮物和生物膜及水垢混合在一起，在热交换器列管表面形成沉积物，从而降低了冷凝器的热交175换效率。研究表面，1mm水垢就能造成空调机组效率下降45%。风机盘管100TR=70m3/h冷凝器/热交换器????????蒸发量1-1.5%补加量2-2.5%排污量1%蒸发器制冷剂循环冷冻水循环12℃7℃32℃37℃膨胀阀热交换器上0.25mm厚的污垢或者结垢层，将降低热交换效率，增加能耗10%。下式可以用来计算一个冷却循环水系统一年的能耗成本：冷却系统吨位×吨水电耗×负载系数×每年工作时间×每度电成本=每年能耗成本例如，400冷吨×0.65kw/冷吨×0.7负载系数×2500小时/年×0.6元/kwh=27.3万元/年如果热交换器上的污垢厚度为0.25mm，运行一年的电费将增加2.73万元。而且，冷却系统本身产生颗粒物，例如腐蚀产物、无机物沉淀（铁的氧化物、硬度盐类等等）、微生物宿主、有机化合物的聚集体和其它的物质，会加速腐蚀和腐蚀物的形成。1.2生物粘泥今天每一个冷却塔系统都会考虑不断增长的生物粘泥问题。ASHRAE导则12-2000中说道，冷却塔系统昀基本的处理建议是控制和防治生物粘泥，而且指出控制生物粘泥的昀简单的成功方法是保持系统清洁。ASHRAE2000年9月号（44-49页）中这样写道，“生物粘泥增长加剧的适宜条件包括温度77-108华氏度，结垢问题存在，有沉淀物和生物膜…通常情况下，在多种复杂的微生物群落中滋生猖獗，因为他们需要从周围环境中获得养分和保护。”显而易见，维持低含量的悬浮颗粒浓度，就减少了生物粘泥生长的空间和养分。同时需要合适的杀生程序提高生物粘泥的控制效率。生物粘泥导致的热交换损失甚至大于无机水垢造成的热交换损失。美国CTI（冷却塔技术研究所）的报告显示，生物膜（粘泥）的热传导率只有碳酸钙垢的1/5。1.3腐蚀问题一种局部的腐蚀，通常发生在储罐和输水系统中，有高活性的局部阳极电位引起的。腐蚀是离子浓度不对等或者氧浓度差异所致。经常发现在高温区、晶格缺陷处、切削部位、表面划痕或裂纹处。点蚀是金属损坏的昀常见因素。一个穿孔能够毁掉一台关键的热交换器，从而能够导致整个工厂停产。厌氧菌会在生物膜深处氧稀缺的地方繁殖。一些细菌能够够代谢不锈钢中的碳、一些细菌能够生成硝酸、硫酸或者有机酸，从而加速腐蚀。细菌菌群下面潮湿的表面氧的消耗，会导致形成“微分通风电池”，从而引起电流腐蚀。水系统中超过70%的腐蚀是由微生物加速或者导致的。微生物，象细菌，在所有腐蚀方面比以前认为的作用更大。1.4军团菌问题军团菌普遍存在于有水的环境中，军团菌本身存活能力不强，冷冻与加热均能杀死该菌。它的存活、繁殖温度条件为20－58℃（昀佳35－46℃）。冷却塔冷却水循环176为了防治冷却塔传播军团菌，许多国际或以疾病防治中心名义，或以冷却水协会的名义发布了“冷却塔防治军团菌守则（或指南）”。他们的共同点就是要消除军团菌赖以生长的污垢、沉渣与粘泥，要求每年（每季节）清洗填料，系统用化学杀菌。对于疑有军团病发生的情况，则要求加强清洗杀菌工作。由于清洗冷却塔及循环系统十分繁琐，费时费工。检测军团菌的方法还不够灵敏、精确，所以至今没有一个国家对冷却塔作出强制性操作规范。美国和新加坡等则制定了冷却塔军团菌指导性文件。冷却塔与空调系统是否有利于预防军团菌与设备设计关系密切，一些不宜于机械清洗填料的冷却塔应予以改造或更换。适宜于冷却塔杀菌的季铵盐、唑啉酮类杀菌对于杀灭军团菌已被证实无效。清理军团菌滋生的场所是防治军团菌的关键。2冷却循环水常用的处理方法2.1结垢控制–添加阻垢剂冷却循环水系统中通常会沉积几种不同的水垢，从而迫使要采取几种不同的控制方法：沉积抑制剂控制目的是增溶剂预防水垢析出，也是晶体修饰剂改变沉积物的自然状态而不会粘附在系统内表面。分散剂和表面活性剂是荷电分子，它们吸附悬浮固体颗粒，使它们相互排斥，使固体颗粒保持在较小的颗粒状态。酸、磷酸盐和水溶性聚合物是典型的无机垢抑制剂，冷却水中的钙硬度较高时结垢控制尤其关键。另外的方法就是将过饱和的沉积物从水中取出一部分，这样就防止了沉积物的析出而实现阻垢的目的。比如部分软化的方法或者电解除垢的方法。2.2腐蚀控制–添加缓蚀剂腐蚀是一个电化学过程，腐蚀就是金属从阳极电位向阴极电位的电子转移过程中发生的氧化。阴离子缓蚀剂减少阴极金属表面的可接触面积，阳离子缓蚀剂则是减少可接触的阳极表面面积。有时候同时需要这两种类型的缓蚀剂来抑制腐蚀。磷酸盐、锌盐、钼酸盐和聚合硅酸盐是低碳钢的缓蚀剂，而有机氮基复合物（偶氮化合物）则是铜质材料的缓蚀剂。或者是通过水中矿物质的特性，控制碳酸钙处于过饱和的平衡状态，让少量的碳酸钙晶体析出在设备和管道内表面，从而中断这个腐蚀的电化学过程，达到控制腐蚀的目的。2.3微生物控制–添加杀菌灭藻剂氧根自由基(OH•)、双氧水(H2O2)和次氯酸盐（漂白剂，OCl-）、以及氯气(Cl2)都是氧化剂，它们能够杀死微生物。这几种化合物中，次氯酸钠处置昀容易，也昀安全。一般用13%次氯酸钠溶液来破坏微生物。双氧水是液体状态，皮肤接触后容易引起烧伤。臭氧、双氧水和氢氧根自由基也可以用来控制微生物滋生。所有这些物质都是强氧化剂。典型的微生物抑制化合物包括氯和溴化合物，或者臭氧，也包括几种有毒性的有机物，例如季铵盐、甲醛、有机硫化物、溴基有机物等等。注：四氨基化合物，与其说是杀菌剂，不如说是抑菌剂（比如，抑制微生物滋生，但是没有杀死微生物）。表面活性剂也帮助杀菌剂减少生物膜。也可以通过电解水本身产生上述氧化性杀菌物质，实现微生物控制。2.4添加化学药剂处理中央空调冷却水存在的问题传统的化学药剂处理，就是使用标准的阻垢剂和缓蚀剂，交互使用两种非氧化性杀生剂来控制微生物污染。美国冷却塔研究所（CTI）建议交替使用溴和氯来控制军团菌。这种处理技术对于中央空调系统来说，主要存在的问题有（1）中央空调循环水系统通常比较小，一般没有专业的水处理工程师来管理，添加药剂不能根据补加水水质波动及时调整，不能使得药剂发挥到昀佳水平；（2）持续的剩余卤素的存在，导致管板上形成许多腐蚀结节；（3）在北方高硬度水质地区，使用化学药剂处理技术，冷却水浓缩倍率一般较低，造成大量新鲜水浪费；（4）化学药剂排入市政污水管网系统，造成市政污水处理系统负荷增加。3冷却循环水电解水处理技术3.1电化学水处理方法电化学水处理方法是以电化学的基本原理为基础，利用电极反应及其相关过程，通过直接和间接的氧化还原、凝聚絮凝、吸附降解和协同转化等177综合作用，对水中的硬度、重金属、悬浮物、胶体、细菌、藻类、色度、硝酸盐等污染物有效去除。由于电化学无需向水中投加药剂、水质净化效率高、无二次污染、使用方便、易于控制，在工业水处理、生活污水处理和回用、饮用水净化等方面，表现出巨大的发展潜力。水（H2O）是昀基本的电解质，液态的水可以发生电离反应生成H+和OH-：H2OH++OH-外加电压以后，水电离产生的H+和OH-分别在电流的作用下向阴极和阳极迁移，H+在阴极被还原成H2，而OH-在阳极被氧化成O2。2H2O2H2+O2在直流电流的作用于下，两极会发生化学反应，这种过程称之为电解。电解是将电能转化成化学能的过程。电解水处理过程中所发生的化学变化与水中的化学组成、物质浓度、电极材料等因素密切相关，两极上析出物质的量和通过的电量成正比。在水处理中，针对具有不同化学组成的水质条件，通过改变不同的电极材料、电极布置方式、反应室结构、电极作用过程和催化氧化还原措施等，可以获得不同的电解净水效果。电解水处理的特点:•电解是在外部电流作用下一个电子导体（特种金属制成的电极）和一个离子导体（水中的电解质）之间发生的系列化学反应。•电解制造了一个氧化反应和还原反应分别进行的环境。•电解过程可以控制和测量，从而可以精确预知处理后水的水质。•不用任何化学药剂，因此没有任何污染。•环境友好。•处理效果不随被处理水的条件或组成而发生变化。•被批准用于饮用水的处理。3.2EST工作原理EST通过旁流处理的方式，取一定比例的冷却循环水流过EST反应室，以便拿掉适当的矿物质和杀死细菌，然后回到冷却塔中。通过精确的分析测试，通过EST的结垢矿物质含量得到了可以看得见的降低。在EST中发生的这种实际的化学反应，区别于任何一种其他的机械式和电磁式的处理方式。通过电解，水中的矿物质在EST反应室内壁上沉淀出来并通过机械装置去除，这就是EST的工作原理。反应室中维持一定的工