3.电化学水软化
研究课题：电化学水软化
一、成果简介
循环冷却水系统广泛应用于石油化工、钢铁制造和电力发电等领域，但循环冷却水系统中通常存在高浓度的硬质离子，离子易于在管道表面形成水垢，影响换热器的换热效率同时能耗也大幅上升，且容易阻塞管道，影响设备生产安全，因此循环冷却水软化具有重大意义。针对循环水系统中的结垢问题有许多的除垢方法，例如使用离子交换树脂、加入阻垢剂、磁化处理、膜分离(反渗透、纳滤、电渗析等)，但以上技术存在二次污染，增大了系统的维护难度与成本。电化学除垢技术是20世纪70年代后发展起来的新型水处理技术，可以将成垢离子从循环冷却水系统中去除，从根本上解决结构问题，是一种新型的环境友好型工艺。
研究所林纬教授团队围绕电化学软化系统中的多场交互作用下的CaCO3沉积行为、电解质输运、电解伴随反应的气泡生长动力学和气液多相流动等，基于分子动力学、吸附动力学、结晶动力学、计算流体动力学和双电层等理论，运用高速摄像技术和PIV等实验测试技术，结合CFD-PBM模型，对速度场、浓度场、重力场、电场、对流场等多场作用下电解质-阴极气泡-阳极气泡多相流动、离子输运与传质规律及结晶沉积行为进行研究，解析离子输运、电极附近析氢\析氧反应、电极表面CaCO3沉积反应等过程相互影响机制，得到电化学软化水速率调控方法。
二、技术创新
创新一：建立电化学水软化性能测试实验平台，研究分析不同阴极材料装置处理后水样的溶解性总固体和电导率变化，得出阴极材料对电化学法水处理性能的影响规律。
介绍：通过建立电化学水软化性能测试实验平台，研究分析不同阴极材料装置处理后水样的溶解性总固体和电导率变化(图1)，得出阴极材料对电化学法水处理性能的影响规律，表明电化学技术能显著降低硬度（工业水处理,2019,39(07):81-84；金沙威尼斯欢乐娱人城学报, 2019, 41(06):517-521），实验平台及相关研究成果申请发明专利4项（一种电化学水处理系统及其水处理方法，CN201810086744.8；一种防垢管板式换热器，CN201810337301.1；一种高效换热器系统及其换热方法，CN201711103833.0；一种基于电化学技术的旋流器，CN201910355093.2；）。利用扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）技术，对不同电压下的人工硬水进行电化学除垢实验，研究了电压对结垢量以及结垢晶型的影响，表明电场参数显著影响CaCO3的形貌及各晶型的质量分布（图6-7）。设计正交实验，确定了包括电解电压、电极板间距与溶液初始硬度在内的实验因素及水平数，分析了各个因素对系统的除垢量的影响（高校化学工程学报，2020）。
(a)溶解性总固体变化规律 (b)电导率变化规律
图1 钛板
(a)阴极表面污垢晶体 (b) 阴极脱落晶体
图2 20 V电压下实验25小时后阴极板表面结垢SEM图像
图3 25 V电压下阴极表面结垢的XRD衍射谱图（A—文石；C—方解石）
创新二：建立了电化学水处理装置PIV观测实验平台（图4），并运用PIV技术开展了电场作用下CaCl2溶液的流场研究，观察到电场引起的宏观有序流动.
简介：建立了电化学水处理装置PIV观测实验平台（图4），并运用PIV技术开展了电场作用下CaCl2溶液的流场研究，观察到电场引起的宏观有序流动（图5），表明电场作用下离子的微观离子迁移在宏观流动上有显现，以上研究基础将有助于揭示电场作用下离子的迁移规律。申请人运用PIV技术和PBM模型开展了上升管中的流体动力学特征和气泡尺寸分布的变化规律，并通过数字图像分析（DIA）得到气泡粒径分布（图6-图7），该研究方法有助于利用气泡统计分析进行电解反应速率进行评价。（The Canadian Journal of Chemical Engineering，2020）
图4 PIV实验装置
（a）示踪粒子图像 （b）速度场
图5 静电场作用下的CaCl2溶液流场PIV分析
图6 气泡流动的高速摄像图像
图7 气泡粒径分布图像处理
三、应用示范
研究团队研究旨在揭示电化学水处理系统中工艺参数（电场参数、离子浓度）和电极结构参数对溶液中离子输运规律、浓度场分布特性及CaCO3的结晶成核的影响机理，发现气泡运动、电解质-阴极气泡-阳极气泡多相流、CaCO3生长等过程的协同关系，得到工艺及结构与沉积-电解协同反应的耦合机理及调控规律，实现电化学水处理系统软化速率及能耗的最优调控，提高电化学水处理技术的能效。相关研究成果在相关领域发表论文10余篇，其中SCI、EI收录论文8篇，申请相关发明专利10余项，获得授权发明专利2项。
团队课题组成员长期从事过程装备内传热传质的相关研究与实验，完成本领域国家自然科学基金项目4项，在长期研究历程中，成功开发出复杂流场下水冷壁表面灰垢清洁技术，并荣获湖北省科技进步一等奖，且在国内二十多家相关化工企业得到广泛应用。
