电化学技术在油田污水处理中应用Word格式.docx

1、但是碳机械强度不够、导电率低、耐腐蚀性能差;磁性氧化铁虽然耐腐蚀,但导电性差,质脆不易加工做电极;石墨电极电阻大,电能消耗大,易于损耗;铂电极的性能最理想,但价格太贵,不适合于大批量用于工业生产。钛基金属氧化物涂层电极被称为DSA （Dimensonally stable anode ,是20世纪60年代发展起来的一种新型不溶性阳极电极4-6。自DSA 问世后,显示出了强抗腐蚀性能、优良催化性能和导电性,很快在电解工业中获得了广泛的应用。就价格、机械加工性能等方面考虑,目前工业上大都采用金属钛作阳极的基体。1试验部分1.1原理分别以钛基钌铱钽与钛基钌铱材料极板为阳极电极,比较2者电化学性能和抗

2、腐蚀性能的差异,从而选择出性能较佳的一种电极材料作为油田污水处理电极。余氯对管道设施有强腐蚀性,选择合适的电流密度和极板间距可以减小余氯含量。1.2仪器及器材IM6ex 电化学工作站,参比电极饱和KCl 甘汞电极（SCE ,工作电极为钛基钌铱钽或钛基钌铱电极;双路直流稳压稳流电源（WYL 17022型,有机玻璃槽（10.5cm 10.5cm 28cm ,电热恒温水槽（DK-8B 型,数控超声波清洗器（KQ-300DE 型。1.3模拟水样根据江苏油田污水水质成分分析,试验室配制模拟水样,模拟水样物质成分如表1所示。1.4方法高学理,张志坤,徐佳,杜敏,高从堦（中国海洋大学化学化工学院,山东青岛2

3、660100摘要:采用电化学工作站测极化曲线法确定了电极析氧电位和析氯电位,比较了钛基钌铱钽与钛基钌铱材料电极析氧电位与析氯电位及强化寿命大小。结果表明,前者比后者有更强的抗腐蚀性能。余氯对管道有强腐蚀性,选择适合的电流密度及极板间距可以降低余氯含量。关键词:析氧电位;析氯电位;强化寿命;余氯;电流密度中图分类号:X703.1文献标识码:A文章编号:1000-3770（201007-0096-004收稿日期:2010-04-22基金项目:十一五国家科技支撑计划项目（2006BAB04B02作者简介:高学理（1975-,男,高级工程师,研究方向为膜法水处理;联系电话:0532-*;E-mail

4、:gxl_ouc第36卷第7期2010年7月水处理技术TECHNOLOGY OF WATER TREATMENT Vol.36No.7Jul.,2010961.4.1析氯电位测试电化学测试仪器采用IM6ex 电化学工作站,采用三电极体系测试系统,参比电极为饱和甘汞电极,待测电极分别为钛基钌铱钽和钛基钌材料铱电极,饱和NaCl 溶液为测试溶液,工作温度为室温（202。极化曲线测试范围为0.851.20V ,扫描速率5mV s -1。1.4.2析氧电位测试测试方法同析氯电位测试。5mol L -1的H 2SO 4为测试溶液,工作温度为室温（20极化曲线的测试范围为1.01.5V ,扫描速率5mV

5、1.4.3强化电解寿命电解液为1mol L -1的H 2SO 4溶液,工作温度为（401（电热恒温水槽控制温度,被试阳极有效反应面积（投影面积为（1.00.05cm 2,以石墨为阴极且有效导电面积远大于1.0cm 2,电流为2A （恒流装置双路直流稳压稳流电源控制电流。记录时间随槽压的变化,以槽压发生突升视为阳极失效,所需时间即为强化电解寿命。1.4.4余氯含量测试取650mL 模拟水样装于有机玻璃槽封闭体系中,通电电解在阳极Cl -被氧化为Cl 2,Cl 2在溶液中水解生成HClO 和ClO -（试验测定的为总余氯,包括HClO 与ClO -。余氯在酸性溶液内与碘化钾作用,释放出定量的碘,以

6、淀粉为指示剂硫代硫酸钠标准溶液滴定（碘量法测余氯7-8。分别采用不加超声电解20s 、电解20s 全过程超声和电解20s 后超声20s 这3种方法通过对极板间距分别为10、20、30、40、50mm ,电流密度分别为0.05、0.10A cm -2条件下进行优选参数试验,从而选择出较低余氯含量时电流密度和极板间距。2结果与讨论2.1析氯电位析氯电位是指电极在规定的电流密度下进行析氯反应时,相对于饱和甘汞电极的电位。它是衡量电极活性的重要指标之一9。析氯电位的高低直接影响到电解反应的进行和电能的消耗。根据傅献彩极化曲线做切线法求分解电压,由图1可知,钛基钌铱钽材料电极比钛基钌铱材料电极有更低的析

7、氯电位10。该材料电极实际应用过程电流效率更高,电能消耗更低,电化学性能更佳,用于生产中产生的经济效益相比更大。2.2析氧电位析氧电位是指电极在规定电流密度下进行析氧电解反应时,相对于饱和甘汞电极的电位。它也是衡量金属阳极质量的一个重要技术质量指标11-13。如图2,可以看出,钛基钌铱钽电极的析氧电位大于钛基钌铱电极的析氧电位。析氧电位与析氯电位差值越大的电极,电催化选择性高;反之,电催化选择性低14。由于钛基钌铱钽材料电极有更高的析氧电位和更低的析氯电位,氧氯差大于钛基钌铱材料电极氧氯差,所以钛基钌铱钽材料电极具有更强的抗腐蚀性能,电化学性能更佳。2.3强化寿命强化寿命试验又称快速寿命试验,

8、即在大电流密度、苛刻电解介质中强化运转的钝化时间,试验一般是以稀硫酸为介质进行电解。阳极表面由于析氧而使涂层迅速钝化失去活性,从开始电解到失去活性电位直线上升为止的这段时间即为强化寿命,它表1模拟水样成分组成Tab.1Component of mimetic water sample添加试剂MgCl 2Na 2SO 4CaCl 2NaHCO 3NaCl添加量/mg L -1注:浓盐酸调pH 为6.76.9,添加量约为1.7mL L -1。35.06177.6930.625401.508335.690.800.850.900.95 1.00 1.05 1.10 1.1550100150200 /

9、m A/V图1钛基电极阳极极化曲线（析氯电位Fig.1The anodic polarization curve of Ti-substrate（Chlorine evolution potential图2钛基电极阳极极化曲线（析氧电位Fig.2The anodic polarization curve of Ti-substrate（Oxygen evolution potential1.01.11.21.31.41.550100150200250 /m A高学理等,电化学技术在油田污水处理中应用97是衡量涂层钛阳极性能的一个重要参数15。试验测得钛基钌铱钽电极和钛基钌铱电极的强化寿命分别为

10、193.5h 和20h 。综合考虑钛基钌铱钽电极和钛基钌铱电极析氧析氯电位及强化寿命大小,钛基钌铱钽电极有更强的抗腐蚀性和更佳的电化学性能,所以建议处理油田污水应使用钛基钌铱钽电极做阳极。2.4余氯法确定电流密度和极板间距余氯法确定电流密度和极板间距试验中,在阴极H +被还原为H 2,阳极Cl -被氧化生生Cl 2。氯气是一种强氧化剂和杀菌剂,在污水处理中能有效消除油田污水中细菌和微生物,但是氯气同时又能与污水中的有机物形成有机氯化物,具有长期的毒性,不易消除16;对管道等一些金属设施有强烈的腐蚀性,因此选择适当的电流密度及极板间距在金属抗腐蚀方面有重要意义。表2是在不同电流密度和极板间距下,

11、电解模拟水后余氯的质量浓度。由表2可以看出,电流密度较小时产生余氯浓度较小。由此可以得出以下结论:当电流密度增加1倍,余氯的质量浓度近似于增加1倍。未超声电解与电解20s 全过程超声变化规律相同,与电解20s 后超声20s 变化规律相反。电解20s 全过程加超声时,余氯的质量浓度与未加超声时相比增大,且变化规律相同。原因可以归纳以下2个因素:（1电解时,使用超声波仪产生频率高、震动迅速和发射功率大的超声波,在传播介质中把物质的力学结构破坏,对产生的气泡有快速而强烈的震荡和击碎作用,加速气泡的破碎和脱落,氯气在溶液中溶解度增大;（2超声的空化作用有效防止和驱除电极表面的气泡,增大电极表面有效面积

12、,促使电极附近溶液的持续运动,减少浓度极化,提高了电流效率17。电解后超声20s 时,余氯的质量浓度增加幅度较大,且余氯的质量浓度变化规律与全过程加超声时相反,原因可能是超声一方面使氯气的溶解度增大,同时也加速了气泡溢出溶液的速度,所以全过程加超声比电解后加超声余氯的质量浓度低。本试验由于氯离子的含量高,电解过程中易产生大量氯气,所以在工作中应选用电流密度为0.5A cm -2,极板间距为30mm 作为优选参数,从而降低余氯含量,避免管道的腐蚀;相反,如果氯离子含量小,可以使用加超声的方法,提高余氯含量,有效杀菌和除去水体中细菌和微生物。3结论随着钛基阳极应用领域的不断扩大,使用环境愈加复杂,

13、要求钛基阳极有更强的抗腐蚀性,还要求阳极涂层有良好的电催化性和析气选择性（即较低的析氯电位和较高析氧电位,从而达到降低能耗、提高反应效率、延长使用寿命、最终达到降低电化学反应运行成本和提高产品质量的目的。钛基钌铱钽电极比钛基钌铱电极在抗腐蚀和有效使用寿命方面表现出更好的性能。余氯对管道等设施有强腐蚀性,延长电解时间与增加电流密度都会使电解产生的余氯含量增加。因此,针对水体中的余氯的需求量,控制电流密度和电解时间从而控制余氯含量是十分必要的。根据余氯含量的变化建立一套实时监测动态点解系统,从而在油田实际生产中实现全自动化控制,将大大减少人力工作量、降低设备费用,实现经济效益最大化。参考文献:1房殿军.油田采油污水回注系统腐蚀控制技术J.工业水处理,2004,24（8:77-78.2陈国华,王光信.电化学方法应用M.北京:化学工业出版社,2003:241-247.3郭庆锟,杜敏.钛/碳钢在海水中电偶腐蚀的研究J.海洋湖沼通报,2005（4:24-27.4黄运涛,彭乔.钛基金属氧化物阳极的研究进展J.全面腐蚀控制,2006,20（4:10-12.5王玲利,彭乔.钌系涂层钛阳极的优化研究进展J.辽宁化工,2006,35（4:485-487.6林良盛,潘振昌,戴子林,等.钛基复