大连理工大学于洪涛教授：电化学水软化技术的现存问题与对策

文章来源： 《工业水处理》2023年第7期

第一作者 ：毛伟

通讯作者 ：于洪涛

循环冷却水结垢易造成换热效率降低并可能引发安全问题，是实际生产必须重视的问题。

相对于投加阻垢剂、石灰软化、离子交换等方法，电化学软化法凭借无需投加药剂、固体产物易分离、易自动化控制的优势，展现出良好的应用前景。但单位面积电极去除硬度的效率低、能耗高及长期运行时硬度去除效率下降的问题限制了其在实际工程中的应用。

分析了上述 3个问题产生的原因，总结了文献报道的典型对策：依靠提高阴极比表面积、用隔膜分隔阴阳两极改善电极沉积效率低的状况；通过扩大碱性区域、减少电极间距来降低设备运行能耗；通过对阴极的清垢，以及通过强化溶液中的均相成核削弱钙镁沉淀对阴极的覆盖来保障长期运行稳定性。

最后对电化学水软化技术的发展进行了总结与展望，指出未来应通过开发新的反应器形式、新的电极来达到提高处理效率、降低能耗、维持设备长期运行稳定性的目标。

电化学水软化技术已经占有了一定的市场份额，但在目前的研究水平上，仍较难满足实际工程生产在水软化工段对处理效率和能耗的要求，通过开发新的反应器形式、新的电极以达到提高处理效率、降低能耗、维持设备长期运行稳定性成为了电化学水软化领域的研究目标。

在现有的一些研究案例中，非原位结晶技术以其设计理念的优势，有极大希望成为未来的研究热点。但非原位结晶技术发展至今仍需一些昂贵助材的使用，如何在避免使用离子交换膜等助材的情况下依然能够达成非原位结晶的目标成为了一个新的研究重点。

水中通常含有钙离子（Ca ²⁺ ）和镁离子（Mg ²⁺ ），在水温升高时易与碳酸氢根（HCO ₃ ^- ）解离出的碳酸根（CO ₃ ^2- ）结合成难溶盐，形成水垢，对生产和生活产生不利影响。高硬度饮用水与肾结石、关节炎等疾病具有关联性，因此我国和欧盟均对饮用水设置了硬度上限。

此外，海水淡化、苦咸水淡化、高盐水脱盐等工程，亦需将水中钙镁离子去除，避免水垢造成的膜污染，热电、冶金、石化、煤化工等行业的循环冷却系统也必须控制水硬度，以避免换热效率下降、管道堵塞等问题。

避免结垢的方法可分为阻垢法和软化法2类。阻垢法旨在阻止或削弱水中致垢离子的结垢过程，通过物理或化学方法阻止其形成大块、坚硬的水垢。酸化法、阻垢剂法、磁化法均属于阻垢法。这类方法并没有降低硬度，因此没有降低结垢风险。

软化法以从水中去除钙镁离子为目的，可从根本上降低结垢风险。软化法包括石灰软化法、离子交换法、膜过滤法、电容去离子法、电化学法等。

石灰软化法需要向系统排出的污水中投加石灰，将水中的钙镁沉积出来，离子交换法是利用钠离子将水中的钙镁置换出来，这2种方法都需要投加药剂。

膜过滤法利用纳滤膜或反渗透膜截留钙镁离子，电容去离子法用多孔阴极吸附带正电的钙镁离子，膜污染或吸附饱和后要对膜或电极进行清洗或再生，会产生浓缩液需要二次处理。

电化学法利用阴极电解水产生的OH ^- 在阴极表面形成强碱性区域，使水中HCO ₃ ^- 向CO ₃ ^2- 转化，加速钙镁离子在阴极表面沉积，从而实现水软化。

相对于其他软化法，电化学方法无需投加药剂、不产生浓缩液，还有易于自动化控制和能同时产氯消毒等众多优点。但市售电化学水软化设备大多采用阴阳极板平行间隔排布的方式，OH ^- 仅集中于阴极表面的薄层中，软化受阴极表面积限制，阴极产生的OH ^- 与阳极产生的H ⁺ 复合成水分子导致总体能耗较高，且由于绝缘的垢层沉积在阴极表面，必须建立清垢方法再生电极。笔者分析了产生上述问题的原因，总结了近年来文献报道的解决这些问题的主要对策，最后综合了各种对策的优势，展望了电化学水软化技术的发展趋势。