Juicio de incrustaciones en el tratamiento de agua de refrigeración
1 Principio de prueba
Primero comprenda cómo la microelectrólisis causa incrustaciones de carbonato en el agua. Inserte dos placas de metal en el tanque de agua como cátodo y ánodo respectivamente (sin agitar) y aplique un campo eléctrico de CC entre las dos placas para aumentar gradualmente el voltaje. La curva de polarización catódica medida en relación con un electrodo de referencia de calomelanos saturados (SCE) se muestra en la Figura 1. El cambio en la curva en la Figura 1 refleja que hay dos reacciones de electrodo en la interfaz entre el cátodo y el agua:
1/2O2 H2O 2e→2OH- (1)?
2H2O 2e→2OH- H2 (2)?
Cuando el potencial de polarización es positivo a -700 mV (SCE), se produce principalmente la reacción de reducción del oxígeno disuelto (ver fórmula (1)), y cuando el potencial es negativo a -1200mV (SCE), el hidrógeno La evolución se produce. La reacción gradualmente se hizo obvia (ver fórmula (2)). Dado que ambas reacciones producen OH-, el valor del pH cerca de la superficie del cátodo aumenta y el CO32- aumenta, provocando que los iones Ca y Mg cristalicen y precipiten, es decir, ocurren reacciones de fórmulas (3) a (5):
Bicarbonato-hidroxilo-→H2O CO32- (3)
Mg2·2OH-→Mg(OH)2↓(4)
Ca2 CO32 - → CaCO3↓ (5)
Los resultados reales de la medición del aumento de pH en la placa catódica después de encender la alimentación se muestran en la Figura 2 (sin agitar).
Como se puede observar en la Figura 2, al principio, el valor del pH aumenta muy rápidamente, pero cuando la potencia es >:0,2C/cm2 y el pH > 0,2C/cm2, el valor del pH aumenta muy rápidamente. . Después de las 9, los cambios se estabilizan. Esta tendencia de equilibrio dinámico es causada por la cristalización y precipitación continua de carbonato de calcio. La reducción de CO32- en el lado derecho del factor (3) provocará el consumo de OH- en el lado izquierdo. Se puede inferir que después de un cierto período de microelectrólisis, la velocidad de cristalización del carbonato de calcio en la interfaz catódica tenderá a ser constante.
A continuación, comprenderemos el proceso de descomposición térmica del bicarbonato en el agua de refrigeración que conduce a la formación de incrustaciones. La reacción de equilibrio del carbonato de calcio en agua se puede resumir como [2]:?
La entalpía estándar de formación de cada componente de la fórmula se muestra en la Tabla 1.
Tabla 1 Entalpía estándar de formación tipo ΔHf para reactivos y productos. (kilojulios/mol)
Carbonato de calcio-1205,7
H 0
Carbonato de hidrógeno-690,5
Ión de calcio 542,4
p>Dado que el cambio de entalpía de una reacción es igual a la suma de las entalpías estándar de formación de productos menos la suma de las entalpías estándar de formación de reactivos, se encuentra que el cambio de entalpía δ h de la ecuación de reacción (6 ) es:?
δH =-542,4-690,5-(-1 205,7-0)=-27,2 kj/mol(7)?
δh es el valor bajo la condición estándar de 25 ℃. Para determinar el efecto de la temperatura sobre el equilibrio de la reacción, según la fórmula de Van't Hoff, se obtuvieron los siguientes resultados:
ln(K25/K)=(δH/R)(1/T -1/T25)
p>ln(K25/K)=-6,5/1,98×10-3(1/T-1/298)(8)?
¿En la receta? K25——¿Cuál es la constante de equilibrio de la ecuación de reacción (6) a 25 ℃?
? k? -Constante de equilibrio a temperatura absoluta t?
Suponiendo que la temperatura aumenta de 25 ℃ a 60 ℃, se puede obtener mediante el cálculo:
K25/K=3.183 (9)?
Es decir, la constante de equilibrio k se reduce 3.1.83 veces. Según los datos, la concentración de iones CO2-3 en el cátodo durante la microelectrólisis puede alcanzar 8 veces la del agua [3, 4]. Por lo tanto, la reacción electroquímica en la interfaz del cátodo durante el proceso de microelectrólisis se puede utilizar para simular el proceso de incrustación de carbonato de calcio causado por la descomposición del bicarbonato durante el proceso de calentamiento, fortalecer las condiciones de prueba y acortar el ciclo de prueba. ?
2 ¿Equipos y métodos de prueba?
El equipo de prueba se muestra en la Figura 3.
El ánodo es una placa de metal insoluble recubierta de rutenio a base de titanio (5cm×10cm×0,1cm, que también puede sustituirse por una placa de grafito) el cátodo es una placa de acero inoxidable (1Cr18Ni9Ti, 5); cm×10cm×0,1cm). El área de trabajo es de 5cm×8cm. La placa del electrodo se sujeta mediante clips de cobre con resorte, que son fáciles de desmontar y montar. Jwy-3020 ~ 3A, fuente de alimentación regulada 0 ~ 30V). Revuelva con un agitador magnético. La celda electrolítica es un vaso de precipitados de 3 litros y el tiempo de microelectrólisis es de 1 hora. Medición del cambio de temperatura del agua en la taza
El agua de prueba se prepara con agua del grifo. Después de disolver ácido sulfúrico en CaCO3, ajuste la alcalinidad con NaHCO3. La dureza total del agua cruda preparada es de 400 mg/L (calculada como CaCO3) y la alcalinidad total es de 200 mg/L (calculada como CaCO3). PH = 7,19. A 15 °C, el pH medido = 7,06, índice de Langelier; =-0,13. Utilice agua del grifo para diluir el agua cruda preparada en diferentes concentraciones según sea necesario. Operación de prueba: Primero, remoje la placa catódica en una solución de ácido cítrico al 3% (solución de amoníaco para ajustar el pH = 3) a aproximadamente 70°C durante 2 horas, sáquela y lávela con agua limpia, luego colóquela en un horno. a 80°C secar hasta peso constante y analizarlo con El peso inicial se mide en la balanza y se coloca en la tarjeta de resorte. Las pruebas han demostrado que la contaminación de la superficie es propensa a ensuciarse y se producirán errores al medir trazas de suciedad. Vierta el agua cruda que se va a medir en el vaso, revuelva uniformemente, preestablezca la densidad de corriente y comience a cronometrar el encendido. Una vez completada la electrólisis, retire la placa catódica, séquela de la misma manera, pese el peso final y calcule la cantidad de sarro en la placa. Generalmente, puedes ver la cantidad de sarro a simple vista. Si observa con un microscopio, puede ver claramente los cambios de densidad de la capa de incrustaciones. Como no hay aislamiento en la parte posterior de la placa del cátodo, las incrustaciones generalmente se acumularán, pero tendrán poco efecto en los resultados de la prueba, por lo que estas incrustaciones se agregarán al área de trabajo. ?
3 ¿Resultados de la prueba y discusión?
Cuando la densidad de corriente es diferente durante 60 minutos, la escala promedio en la placa del cátodo se muestra en la Figura 4. Se puede ver en la figura que la densidad de corriente es de aproximadamente 0,5 mA/cm2 y la cantidad máxima de escala por unidad de área es de aproximadamente 0,8 mg/cm2. Cuando la densidad de corriente es demasiado baja, se produce menos OH-, el valor del pH en la superficie de la placa catódica no aumenta mucho y precipitan menos cristales de carbonato de calcio. Sin embargo, si la densidad de corriente es demasiado alta, la ecuación de reacción (2) producirá una gran cantidad de hidrógeno y, cuando las burbujas aumenten, los granos precipitados desaparecerán, reduciendo la cantidad de suciedad en el tablero. Observada al microscopio, cuando la densidad de corriente es baja, la capa de incrustaciones es uniforme y densa. Cuando la densidad de corriente es alta, la capa de incrustaciones se suelta y los granos de cristal se dispersan. Para obtener resultados de prueba obvios, la densidad de corriente es de 0,5 mA/cm2, el potencial del cátodo es de aproximadamente -1,40 V (SCE) y no hay un flujo de burbujas obvio en la superficie de la placa del electrodo. A modo de comparación, se insertó en el agua una varilla de cobre con un calentador eléctrico de 500 W y se controló la temperatura de la superficie de la varilla de cobre a aproximadamente 90 °C. Después de calentar durante 4 horas, la incrustación de óxido promedio en la superficie de la varilla de cobre es de aproximadamente 0,4 mg/cm2. Con referencia a la Figura 4, siempre que la densidad de corriente sea de 0,1 mA/cm2, el método de microelectrólisis puede alcanzar la misma escala.
La comparación del rendimiento de incrustación entre el agua cruda preparada y el agua del grifo se muestra en la Figura 5. El experimento utiliza una densidad de corriente de 1,25 mA/cm2 y cambia el tiempo de encendido. Como se muestra en la figura, cuando el tiempo de encendido es <5 min, básicamente no hay escala en la placa del electrodo, lo que puede considerarse como el período de incubación de la cristalización cuando el tiempo de encendido es inferior a ≤ 60 min; , el contenido de incrustaciones aumenta linealmente con el aumento del tiempo de electrólisis. La tasa de incrustación del agua preparada es de aproximadamente 0,01 mg/(cm2·min), que es aproximadamente 5 veces mayor que la del agua del grifo.
El agua cruda preparada se diluyó en agua con diferente dureza total. Los resultados de la prueba se muestran en la Figura 6. La densidad de corriente es de 0,25 mA/cm2 y el tiempo de encendido es de 60 min. Dado que la relación entre la dureza total y la alcalinidad total del agua de dilución permanece constante, se puede ver en el gráfico que la cantidad de escala del cátodo aumenta linealmente con la dureza total del agua.
Para explorar la relación entre los resultados de la prueba y el índice de Langelier, se preparó agua a 65438 ± 05 ℃ en diferentes concentraciones y se energizó a una densidad de corriente de 0,25 mA/cm2 durante 60 minutos para obtener el cátodo. escala. Al mismo tiempo, el índice de Langelier de la muestra de agua se calcula en función del aumento de la temperatura a 20 ~ 70 °C [5]. Los resultados calculados se representan en la Figura 7 en función de la cantidad de suciedad del cátodo. Se puede ver en la figura que a la misma temperatura, la cantidad de suciedad del cátodo aumenta y el índice de Langelier aumenta linealmente. Porque i>0 tiene tendencia a escalar.
Según la Figura 7, el agua con una escala catódica de 0,3 mg/cm2 se incrustará cuando se calienta por encima de 50 °C, mientras que el agua con una escala catódica de 0,8 mg/cm2 se incrustará por encima de 20 °C.
Para verificar la efectividad del método de prueba para tratar agua, se agregaron 5 mg/L de hexametafosfato de sodio como inhibidor de incrustaciones al agua cruda preparada y se aplicó una densidad de corriente de 1,25 mA/cm2. durante 60 minutos. Como resultado, la cantidad de incrustaciones cayó de 0,415 mg/cm2 a 0,329 mg/cm2. Cuando se añaden 15 mg/l de hexametafosfato de sodio, solo queda una capa de trazas de sarro en la placa del electrodo, lo que difícilmente puede considerarse un cambio de peso. Se utilizó el método de microelectrólisis para probar el efecto de inhibición de incrustaciones del procesador de agua de la serie SC desarrollado por la Universidad de Tongji. Se ha confirmado que la tasa de inhibición de incrustaciones del carbonato de calcio en agua tratada mediante campos físicos puede alcanzar más del 90% y la estructura de la capa de incrustaciones se afloja después del tratamiento. ?
Las pruebas muestran que la agitación tiene un gran impacto en la escala del cátodo. Agitar o no puede marcar la diferencia en la escala del cátodo más de 4 veces. Si la velocidad de agitación es demasiado rápida, el flujo de agua eliminará las incrustaciones de la superficie de la placa; si la velocidad de agitación es demasiado lenta, los iones del agua no podrán difundirse a la placa del electrodo. En el experimento se seleccionó una velocidad de agitación de 300 rpm y se observó que el número de revoluciones fue constante en cada prueba. Cabe señalar que, en las mismas condiciones, las placas catódicas de diferentes materiales tienen diferentes cantidades de incrustaciones. Cuanto mayor sea el acabado superficial de la placa, es menos probable que se incrusten. Debido a que es necesario comparar la cantidad de incrustaciones obtenidas mediante dos electrólisis, solo los cátodos con el mismo material y el mismo estado superficial pueden garantizar que los resultados sean significativos. Además, generalmente se cree que L.I.
4 Conclusión
Basado en análisis teóricos e investigaciones experimentales, este artículo propone un método de microelectrólisis para detectar el rendimiento de incrustación del agua de refrigeración. Este método no requiere instrumentos ni equipos especiales, es fácil de operar, tiene alta sensibilidad y gran repetibilidad y es adecuado para juzgar el efecto del tratamiento antical del agua. ?
①El principio de la prueba es simular el proceso de descomposición del bicarbonato en agua mediante una reacción de reducción electroquímica catódica para formar incrustaciones de carbonato de calcio. ?
②La operación básica es comparar la cantidad de incrustaciones y el estado de cristalización en la placa catódica cuando la densidad de corriente es de 0,5 mA/cm2 y la muestra de agua se electroliza durante 60 minutos. ?
③El ánodo está hecho de una placa chapada en rutenio a base de titanio y el cátodo está hecho de una placa de acero inoxidable. ?
(4) Cuando el tiempo de electrólisis es inferior a ≤60 min, la escala del cátodo aumenta linealmente con el aumento del tiempo de electrólisis, lo que refleja la velocidad de cristalización. ?
⑤La escala del cátodo está relacionada linealmente con el índice de Langelier. ?
⑥Los principales factores que influyen son la velocidad de agitación, la densidad de corriente, el material de la placa catódica y el acabado de la superficie.
Referencias:?
Dou Zhaoying. Comprensión correcta de la tecnología antical del campo magnético y del campo eléctrico [J]. Protección ambiental de la energía eléctrica, 1993, 9 (3): 36-41
[2] Snoeyink V L, Jenkins D. Water Chemistry [M Trans]. Compilado por Jiang et al. Beijing: Prensa de la industria de la construcción de China, 1990.
〔3〕 ¿Feto Yan J? . Modelo matemático de formación de depósitos de calcio sobre acero con protección catódica en agua de mar [J]. Sociedad de electroquímica, 1993, 140(3):733-742. ?
Zheng Fuyang et al. Efecto de la polarización catódica sobre la formación de depósitos de calcio [J Corrosion and Protection, 1995, 16(6):253-256.
Qi Dongzi. Fórmula de cálculo del valor de pH saturado de carbonato de calcio [J]. Tratamiento de agua industrial, 1993, 13(1):8-11.