来源：环境保护365

循环冷却水系统的稳定运行对于保证企业安全稳定生产具有重要的现实意义。当前循环冷却水系统的主要问题是水垢沉积、菌藻滋生和金属腐蚀。结垢和菌藻导致的微生物粘泥会造成循环冷却水系统换热效能下降与能耗增加，管道金属构件的腐蚀会造成物料泄露、生产停滞。为此，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。

为了解决上述问题，研究人员提出了一系列的循环水水质控制技术，按照技术原理可分为被动式技术和主动式技术。被动式技术的核心是防止水垢在系统中生成，但成垢离子依然存在于循环水中，一旦外部条件发生改变，仍然存在系统结垢的风险。该类技术主要包括：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/电磁法和超声波法。主动式技术的核心是从循环水中移除成垢离子。相比被动式技术，主动式技术可以彻底消除结垢风险；该类技术主要包括：机械清洗法/胶球清洗、离子交换树脂法、膜过滤法和电化学水垢去除技术。

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，极大减少循化水结垢趋势，保证换热器表面清洁，保证换热效率，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。然而，电化学技术对循环水水质控制方面尚属于新兴工艺，尽管已经有一定程度的实际应用，但在实践过程中依然存在水质失稳、效力不足、成本偏高等问题，限制了该技术在工业循环水处理方面的推广应用。

一、循环水电化学除垢技术:

1. 电解过程：将特定的电解除垢装置（通常包含阳极和阴极）置于循环水系统中，当加载直流电后，水中的钙、镁等易形成水垢的金属离子会在电场作用下发生电迁移。阳极（正极）附近可能产生氧化反应，如氯离子会被氧化生成次氯酸根，起到杀菌消毒的作用。阴极（负极）附近则会产生还原反应，水分子在此处分解，释放出氢气和氢氧根离子。氢氧根离子与水中的钙离子、镁离子结合形成可溶性的氢氧化物，从而阻止它们进一步沉积形成硬垢。

2. 垢体去除：部分金属离子会直接在阴极表面沉积形成软垢，定期倒极或者通过机械刮除等方式将这些软垢从电极上清除。电解产生的气体（如氢气）有助于使阴极附近的垢体保持疏松状态，易于清洗。

. 优点：不需添加大量化学药剂，减少了环境污染和污水处理成本。可以同时进行杀菌、灭藻、缓蚀等多种功能，对水质影响较小，处理效果稳定。运行成本相对较低，维护简便，且能有效延长循环水系统的使用寿命。

4. 实际应用：根据不同厂家的产品，例如南京卓越环保科技有限公司的循环水除垢系统，采用了特有的脉冲频率电吸附技术和分布式模块化电源控制(低电压、低电流、低功耗)安全稳定，能够解决传统电解处理器可能出现的极板结垢、电流效率低等问题。      

5. 预处理要求:在实施电化学除垢前，需要对原水进行预处理，确保水质符合设备运行的要求，比如控制二氧化硅（SiO2）含量低于特定值，添加杀菌剂抑制微生物生长等。

循环水电化学除垢技术是一种可持续且高效的水处理解决方案，尤其适用于工业循环冷却水系统中防止和清除水垢的场合。

二、循环水电化学除垢技术的发展历史:

循环水电化学除垢技术的发展历史可以追溯到20世纪中后期，随着对环境保护和资源节约需求的增长，以及电化学理论和技术的进步，这项技术逐渐从实验室研究走向工业化应用。

早期探索阶段:

早在上世纪70年代，电化学技术开始应用于水处理领域，研究人员尝试通过电解过程改变水体中的离子活性，从而预防水垢生成。初期的研究和实验更多是基础理论层面的探讨，包括电解过程对水中离子的行为影响、电极材料的选择和设计等。

技术成型阶段:

到了80年代至90年代，随着对电化学反应机制理解的加深，科学家们研发出了第一代电化学除垢设备。以色列艾格锡（AIGATEC）公司在这一时期开发出的EST电化学水处理技术是其中的代表之一，该技术在全球范围内得到了应用验证，并在2008年后逐渐引入中国市场。

技术成熟与广泛应用阶段:

进入21世纪，循环水电化学除垢技术愈发成熟和完善。这些产品不仅能够有效防止和去除水垢，还具备杀藻、缓蚀、节水等功能，成为替代传统化学药剂处理的重要方式。

新技术和创新方向:

近年来，电化学除垢技术不断创新发展，新的电极材料、智能化控制技术和更加环保的处理模式层出不穷。例如，出现了独家倒极剥垢技术、高频自适应电源技术等，使得除垢设备运行更加高效、稳定和环保。此外，电化学技术与其他水处理技术的耦合也成为新的研究热点，以期实现更全面、更绿色的循环水处理目标。

综上所述，循环水电化学除垢技术历经数十年发展，从理论研究到实践应用，再到技术创新，逐步成长为工业循环水处理领域不可或缺的部分，并在节能减排、清洁生产方面发挥重要作用。

三、循环水设备为什么需要除垢：

1. 影响换热效率：水垢是由水中的钙、镁离子和其他矿物质在加热或冷却过程中析出形成的固态沉积物。水垢具有较差的导热性能，一旦在换热器、冷却器、锅炉等设备的热交换表面上形成一层厚厚的垢层，会极大地削弱设备的换热效能，导致能源消耗增加，生产效率下降。

2. 降低设备容量：水垢的累积会使得管道内径变小，从而限制了循环水的流动面积，降低了循环水量和流速，进而影响整个系统的冷却或加热能力。

3. 引发机械故障：严重的水垢沉积可能造成管道局部堵塞，甚至是完全堵塞，这不仅会导致设备无法正常运行，还可能迫使生产系统中断，需要进行紧急停机清理维护。

4. 加剧腐蚀问题：水垢下的局部腐蚀风险显著增加，垢下往往是氧扩散到达不了的区域，而垢层本身可以成为细菌、微生物繁殖的温床，加速金属设备的腐蚀过程，缩短设备使用寿命。

5. 安全性隐患：对于压力容器如锅炉等设备，不均匀的水垢分布可能导致受热面受热不均，增加爆管的风险，危及人员安全和设备完整性。

因此，保持循环水系统的清洁无垢状态，不仅是为了提升工作效率和节省能源，也是为了确保设备长期稳定运行和延长设备使用寿命，同时避免因结垢引起的安全事故和经济损失。

四、循环水电化学除垢技术几种方法：

1. 电化学氧化还原法：

在循环水系统中设置电化学反应器，通过加载直流电，使水中的钙、镁离子在电场作用下发生迁移，钙离子和镁离子在阴极区域与氢氧根离子结合形成可溶性的氢氧化物，防止了水垢的形成。同时，阳极反应可能产生氧化性物质，有助于杀菌、灭藻和缓蚀。

2. 电泳法：利用电泳原理，使水中带电荷的离子在电场作用下向相反电极移动，结垢离子聚集在电极表面，随后通过定期倒极或机械方式去除。

3. 电凝聚法（电浮法）： 利用可溶性阳极（如铁或铝）在电解过程中产生的阳离子与水中的胶体粒子结合，形成较大的絮状物，同时阴极产生的氢气微泡使絮状物上浮，通过浮选方式将垢体从水中分离出来。

4. 脉冲电化学法： 通过脉冲电源向电极提供非连续的脉冲电流，既可以抑制水垢生成，又能防止电极表面的结垢，同时提高电化学反应的效率和稳定性。

5. 高频电磁场处理： 利用高频电磁场改变水分子的结构和运动状态，降低水垢离子的聚集和沉积速度，从而防止结垢。

6.多级复合电化学处理：结合以上多种电化学方法，通过多级反应器设计和优化，实现更加高效、全面的除垢、防腐、杀菌和水质稳定。

每个方法都有其适用范围和优缺点，实际应用时需根据循环水系统的具体工况、水质参数以及对环保、经济性等方面的需求综合选择。南京卓越环保科技有限公司开发的正是在对实际运行过程中表现的问题，经多次迭代最终采用的多级复合电化学处理技术，并叠加了高效太赫兹电磁阻垢模块。

五、循环水电化学除垢技术工作原理：

1.电解反应：当循环冷却水流经电化学除垢装置时，装置内部的电解槽被加载直流电，水分子在这种电场作用下会发生电解分解。在阴极（负极）处，水分子（H₂O）得到电子被还原，生成氢气（H₂）和氢氧根离子（OH⁻）；而在阳极（正极）处，水中的部分离子（如氯离子Cl⁻）可能会被氧化，产生具有杀菌能力的次氯酸根或其他氧化物质。

电化学除垢技术在循环冷却水的水垢去除和杀菌灭藻等方面均能起到作用。相关反应分别发生在阴极和阳极界面区域中。

阴极区域有两个反应会产生OH-。实际过程中，由于阴极极化的原因，式(2)所示的析氢过程是OH-产生的主反应。溶液主体中HCO3-在克服电场迁移作用的前提下，依靠传质作用向阴极表面区域迁移，通过式(3)形成CO32-，而Ca2+/Mg2+在传质过程及电场迁移的综合作用下向阴极表面迁移，分别与CO32-和OH-反应生成沉淀（式(4)、式(5)），使硬度和碱度被去除。

阳极界面区域主要是水参与电化学反应，形成高酸度区域（式(6)）；若形成的强氧化性物质•OH不被及时利用，则会自我复合形成大量氧气（式(7)）。HCO3-在传质过程及电场迁移的综合作用下向阳极表面迁移，在高酸度区域反应形成CO2（式(8)），使得碱度被去除。由上述分析可知，在电化学除垢技术中，硬度只能通过阴极区反应去除（典型除垢过程），而碱度可以同时通过阴极和阳极区反应去除（分别属于除垢过程和阻垢过程），这使得碱度的去除率高于硬度。这一现象表明，电化学除垢技术比较适用于富碱度（即碱度高于硬度）的水质条件。当循环水中存在氯离子时，会形成强氧化性的OCl-，降低溶液pH值（式(9)、式(10)）。循环水中的有机物和菌藻会与强氧化性物质（如•OH或OCl-等）反应，有机物被氧化直至CO2和水（式(11)），菌藻则会死亡或失活（式(12)）。由于•OH稳定性非常差，其与有机物或菌藻的反应只能发生在阳极表面的极水界面区域；而OCl-稳定性较强，能扩散至溶液本体中，使得被处理过的循环水在离开电化学处理区域后仍具有一定的杀菌抑藻性能。

2. 防垢机制：氢氧根离子（OH⁻）的增加导致冷却水中的pH升高，促进了水中的钙离子（Ca2+）、镁离子（Mg2+）与氢氧根离子结合，生成更易溶解的氢氧化钙（Ca(OH)2）和氢氧化镁（Mg(OH)₂），而不是形成难以溶解的碳酸盐或硫酸盐水垢（如CaCO3和MgSO4）， 同时，这些氢氧根离子还可以与水中的碳酸氢根离子（HCO3-）反应，生成碳酸根离子（CO32-），进而促进形成可溶性化合物，防止它们沉积成硬垢。

3. 除垢过程：部分金属离子（如钙、镁离子）在负极表面受到电引力作用，会直接附着在阴极上形成一层较为疏松的软垢。这种软垢可以通过定期倒极或机械清理的方式从电极上剥离下来，并随着排污排出循环水系统。另外，某些电化学除垢设备还可能利用特殊设计的电极结构和反应器，优化电场分布，强化上述化学反应过程，提高除垢效率。

4. 协同效应: 除了除垢作用，电化学反应还能产生一些有益的效果，如抑制细菌、藻类生长（因为有氧化剂生成），并能在一定程度上减缓金属管道的腐蚀。

循环水电化学除垢技术通过改变水的化学性质和电荷分布，既实现了无化学药剂添加的环保除垢，又提高循环冷却水系统的运行效率和寿命。

六、循环水电化学除垢技术设备组成：

1. 电解槽：这是电化学反应发生的核心部分，包含阳极和阴极。阳极通常采用特殊涂层材料，例如贵金属氧化物涂层阳极棒，能够有效地进行氧化反应；阴极则可能是导电良好的材料制成。

2. 阳极和阴极：阳极用于产生氧化性物质，如次氯酸根离子等，达到杀菌灭藻的效果。阴极则通过电解作用促使水中的钙、镁离子和其他结垢物质转化为可溶性形态或吸附在阴极表面便于清理。

常用电化学水处理阳极主要为石墨电极、贵金属电极（如Pt电极等）、掺硼金刚石电极（BDD电极）和钛基体金属氧化物电极（DSA电极）。Pt电极对析氧和析氯反应具有良好的选择性和稳定性，但过高的成本限制了工业化应用。BDD电极析氧电位高、导电性好、电化学稳定性强等。但其制备过程复杂、使用成本较高、易钝化失活。DSA电极是在预处理后的钛基体上通过刷涂-高温热分解法制备具备高催化活性和高稳定性的金属氧化物涂层（例如：RuO2、IrO2、PbO2、Sb-SnO2等）所制得的电极，因其具有制备方法简单、价格相对低廉、易于功能化改性等一系列优点而受到广泛研究和应用。

阳极成本占电化学除垢设备全部成本的比重较大，综合考虑技术成本和电极稳定性（高氯环境），目前市场主流的水垢去除阳极仍为钛基体钌铱复合氧化物电极。此种电极的稳定性和催化性受制备工艺条件和表面氧化物层（尤其是电极表面金属元素含量、涂层厚度及其分布均匀性）的影响，在采购过程中应对产品品质予以严格把关控制。此外，由于氟元素对阳极稳定性有至关重要的影响，因此在前期水质调研中，要重点关注循环水补水的水质参数情况。如果水中氟元素含量过高，则不适用于电化学除垢技术。

3. 电源控制系统:包括电源、控制器以及相应的电缆等配件，用于向电解槽提供稳定的直流电，并监控和调整电解过程，确保安全高效地运行。

常用的电源供电方式包括直流恒压、直流恒流、脉冲恒压和脉冲恒流。目前市场主流的电源系统都采用直流恒流供电，也有少数特殊案例。

4. 辅助组件：设备可能还包括传感器、监测仪表等，用来检测水质参数（如pH值、电导率、硬度等）和设备运行状态。 可能配备有倒极功能，以利于清除在阴极上形成的软垢。

5. 结构部件：整个装置设计结构紧凑，可以直接安装在冷却塔、蓄水池或其他循环水系统的合适位置。

6. 吸垢器或反应器：在一些设计中，特别提到吸垢器作为除去水中结垢离子的一个关键部件，它能集中吸附并处理循环水中的垢质离子。

一个完整循环水电化学除垢系统涵盖电解单元、电极组件、电源及控制系统、及相关配套设备，共同协作完成循环水除垢、杀菌、防腐等功能。

七、循环水电化学除垢技术的特点：

1. 无化学添加：相比于传统的化学药剂处理方式，电化学除垢技术不需要向循环水中添加任何化学药剂，减少了对环境的影响和对系统的化学腐蚀风险。

2. 生态环保：由于不使用化学药剂，所以没有二次污染问题，同时也降低了污水处理的成本，实现了“零”排污。

3. 高效除垢：通过电化学作用改变水体中钙、镁离子和其他成垢离子的形态和溶解度，从而有效阻止水垢的形成并能逐步溶解已经形成的水垢。

4. 多功能一体：不仅可以除垢，还兼具防腐、杀菌、灭藻、超净过滤等多种功能，对循环水进行全面优化处理。

5. 节能降耗：相比长期依赖化学药剂处理，电化学除垢设备运行成本较低，同时还能提升循环水系统的换热效率，减少能源消耗。

6. 自动化与集成化：现代电化学除垢设备通常采用全自动控制和高度集成设计，易于安装和维护，占用空间小，操作简便。

7. 稳定性强：处理效果不受水源条件和水质变化的影响，能持续稳定地工作，有助于延长设备使用寿命，减少非计划停机时间和维护成本。

8. 安全可靠：避免了化学药品储存、运输和处理过程中可能带来的安全隐患，保障了现场工作人员的安全。

总结来说，循环水电化学除垢技术是一种绿色、高效、经济且安全的水处理解决方案，特别适用于工业循环冷却水系统以及其他需要控制结垢现象的场合。

八、循环水电化学除垢适用范围包括：

1. 工业循环冷却水系统：发电厂、化工厂、炼油厂、钢铁厂、水泥厂、石油化工企业等大型工业生产设施中的冷却塔、冷凝器等设备的循环冷却水系统， 制药、食品、饮料、造纸、印染等行业的生产设备循环冷却水系统。

2. 商业和公共建筑： 中央空调系统，尤其是大型商业楼宇、酒店、商场、写字楼、政府办公大楼等场所的冷水机组及其冷却水循环系统。

3. 其他工业循环水系统： 空压站、制冷设备、余热回收系统、蒸汽轮机、发电机冷却系统等。

4. 矿产资源开采与加工: 煤炭开采、机械加工、制造业中的各种循环冷却水系统。

5. 环境保护与节能改造项目：为了节约水资源、减少化学药剂排放、提高循环水系统的能效比，许多现有设施在进行升级改造时会考虑采用电化学除垢技术。

总的来说，只要涉及到水循环过程中容易产生水垢、腐蚀和生物污垢的地方，都可应用到循环水电化学除垢技术。不仅可以提升设备运行效率，延长设备寿命，而且利于节能减排和环境保护。

九、循环水电化学除垢技术的除垢效果评估办法:

1. 水质检测分析：硬度变化：比较处理前后循环水系统的硬度值变化，硬度下降表明电化学反应起到了抑制或减少水中钙、镁离子结垢的作用。碱度、pH值：观察电化学处理是否影响到水的碱度和pH值，确保系统在适宜的工况范围内，且不产生新的腐蚀问题。其他离子浓度：检测与结垢相关的其他金属离子（如铁、锰等）含量是否有显著减少。

2. 物理指标：垢层厚度测量：定期对管道、换热器等设备的垢层厚度进行测量，减薄或无新增垢层说明除垢效果良好。换热效率提升：通过比较处理前后换热设备的传热效率，效率提升则间接反映了除垢效果。

3. 设备运行状况监控: 能源消耗：跟踪记录循环水泵、换热器等设备的能耗变化，若能耗降低，可能意味着流动阻力因垢层减少而下降。维护周期：观察设备维修保养周期是否得到延长，没有因结垢导致的提前检修需求则证明除垢效果显著。

4. 连续在线监测：实时监测数据：在一些高端电化学除垢设备中，可以安装在线监测系统，持续监测水质参数变化，精确评估除垢过程的动态效果。

5. 经济效益分析：总体成本节省：核算采用电化学除垢技术后，在减少化学药剂消耗、降低设备维护成本、提高系统运行效率等方面的经济效益。

电化学除垢技术更侧重于通过改变水体的化学性质和电荷分布，降低水垢生成速度和沉积倾向，而不一定表现为完全去除水中的硬度离子。因此，电化学除垢效果常常体现在防止新垢形成和软化已有垢层，使其易于清除，而非像化学清洗那样直接去除垢层，故不能简单地以硬度去除率来衡量其全部效能。在实际应用中，评估电化学除垢技术的效果还需结合设备的运行状态、水质监测数据、能耗变化等多种因素进行综合评价。

以具体某火电企业案例为例。

使用前

1. 采用化学药剂法，浓缩倍数3.5，排放量大；

2. COD经常超标，菌藻现象难以根除；

3、人工管理为主，智能化水平不足，缺乏预警机制。

使用后

1. 浓缩倍数提升至6倍以上，总硬度、钙硬度等离子浓度均处于3倍左右水平；

2. 减排量 115200m³/月，节水比例 50%；

3. 药剂减少 50%，不再滋生菌藻。

凝汽器内部照片，可以看到传热面无明显结垢产生，仅有少量藻类附着，电化学除垢装置起到了较好的除垢及提升浓缩倍数的作用。端差温度下降1.3℃左右，发电效率得到显著提升。

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