摘要：結(jié)合自組裝的網(wǎng)格型電極，試驗(yàn)研究次氯酸鈉發(fā)生器在不同鹽水溫度、不同運(yùn)行模式、有無(wú)冷卻措施等情況下的運(yùn)行效果。試驗(yàn)結(jié)果表明：降低電解過程中電解槽內(nèi)鹽水溫度可有效提高次氯酸鈉發(fā)生器的電解效率。增設(shè)循環(huán)冷卻水或間歇式運(yùn)行可提高有效氯產(chǎn)量 38%-42%、電流效率 37%-65%，運(yùn)行成本降低5.217-10.185 元/㎏。增設(shè)循環(huán)冷卻水情況下有效氯產(chǎn)量最高可達(dá) 263g，相應(yīng)的理論運(yùn)行成本為 8.876 元/㎏；電解 270-310min 時(shí)，有效氯產(chǎn)量為 235-250g，運(yùn)行成本最低，為 7.989-8.066 元/㎏。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際產(chǎn)氯量、運(yùn)行成本等綜合考慮電解時(shí)間。

關(guān)鍵詞：溫度；次氯酸鈉發(fā)生器；網(wǎng)格型電極；有效氯濃度；運(yùn)行成本

Effect of Temperature on Efficiency of Grid-type Sodium Hypochlorite Generator

LI Lian-xiang，Liu Wen-chao，Song Shi

(1. China Irrigation and Drainage development Center（Rural drinking water safety Center of Ministry of Water Resources）, Beijing 100054, China)

Abstract：A new grid-type electrode was assembled for rural water supply projects. Effects of salt water temperature, running modes, cooling measures on efficiency of sodium hypochlorite generator were investigated in this paper.
Results indicated that cooling measures could improve the electrolysis efficiency of sodium hypochlorite generator significantly. Circulating cooling water or intermittent operation could increase the yield of available chlorine from 38% to 42%, heighten current efficiency from 37% to 65% and also reduce operating cost from 5.217 RMB/kg to 10.185 RMB/kg. Sodium hypochlorite generator with circulating cooling water could produce maximum 263g available chlorine and the operating cost was 8.876RMB/㎏ in theory. The optimum operation condition could reach lowest operating cost of 7.989-8.066RMB/㎏ with electrolysis time 270-310min. In actual application, electrolysis time should be determined by available chlorine and operating cost.

Keywords: temperature; sodium hypochlorite generator; grid-type electrode; available chlorine concentration; running cost

0 引言

次氯酸鈉發(fā)生器是采用電解食鹽水制取次氯酸鈉溶液，具有取材簡(jiǎn)單、管理簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)[1]。很多研究者[2-3]將次氯酸鈉發(fā)生器進(jìn)行小型化、微型化，應(yīng)用在小型水廠、家庭、賓館、餐飲、醫(yī)療和農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖等方面的消毒。然而次氯酸鈉發(fā)生器小型化、微型化后，運(yùn)行效率下降，相應(yīng)的運(yùn)行成本升高。提高小型次氯酸鈉發(fā)生器運(yùn)行效率對(duì)于次氯酸鈉發(fā)生器的推廣應(yīng)用至關(guān)重要。次氯酸鈉發(fā)生器在運(yùn)行過程中受影響因素較多，其中主要有鹽水濃度、鹽水溫度、電解電流、電流密度、電解電壓、電極間距等因素[4-5]。其中，很多研究者提出電解過程中溫度會(huì)較大程度的影響電解效率[6-8]，并提出采用加接自來水冷卻電極可以降低電解槽內(nèi)溫度（鹽水溫度和電極溫度），提高氯產(chǎn)量[8]。為進(jìn)一步明確溫度對(duì)次氯酸鈉發(fā)生器電解效率的影響，本文結(jié)合組裝研制的網(wǎng)格型電極，試驗(yàn)研究次氯酸鈉發(fā)生器在不同鹽水溫度、不同運(yùn)行模式、有無(wú)冷卻措施等情況下的產(chǎn)氯量以及運(yùn)行成本，試驗(yàn)主要在水利部節(jié)水灌溉示范基地農(nóng)村飲水安全實(shí)驗(yàn)室開展。

1 材料與方法

1.1 次氯酸鈉發(fā)生器

本試驗(yàn)采用的次氯酸鈉發(fā)生器主要是自組裝形成，主要有兩種，一種是無(wú)冷卻措施（圖1（1））， 主要部件有整流器、電解槽、電極組成；另一種如圖1（2）所示，在圖1（1）的基礎(chǔ)上外接循環(huán)冷卻水用以降低電解槽內(nèi)溫度。試驗(yàn)裝置中的整流器為穩(wěn)流穩(wěn)壓開關(guān)電源（無(wú)錫安耐斯電子科技有限公司），電壓為0-15V，電流為0-50A；電解槽材質(zhì)為PVC，尺寸主要是35㎝×30 ㎝×40 ㎝，容積為42L；電極采用網(wǎng)格式電極，采用特殊涂層的純鈦材料制作而成，電極高度66㎜，電極板間距5㎜。

(1)無(wú)冷卻措施

(2)有冷卻措施

圖1次氯酸鈉發(fā)生器裝置示意圖

Fig.1 Schematic diagram of sodium hypochlorite generator

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用材料主要有無(wú)碘鹽（山東肥城精制鹽廠），其中氯化鈉含量大于 98.5%。試驗(yàn)用儀器主要有： Q-CL501C便攜式有效氯快速測(cè)定儀（深圳清時(shí)捷科技有限公司）、余氯檢測(cè)儀（英國(guó)百靈達(dá)公司）、電子天平（中國(guó)凱豐集團(tuán)）、波美比重計(jì)、普通室溫溫度計(jì)、HT-866 型紅外測(cè)溫儀（HCJYET）、DDS607型單相電子式電能表（德力西集團(tuán)儀器儀表有限公司）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 不同鹽水溫度試驗(yàn)

試驗(yàn)裝置采用圖1（1）。 稱取0.30㎏無(wú)碘鹽放置在電解槽內(nèi)，添加10L純水，充分?jǐn)嚢枞芙?，并采用比重?jì)測(cè)試鹽水比重，確保鹽水濃度為3%。通過水浴加熱調(diào)整鹽水溫度為20℃±1℃、25℃±1℃、30℃±2℃、35℃±2℃、40℃±2℃。電解過程中電流設(shè)置為35A，電解時(shí)間為60min，電解結(jié)束后檢測(cè)電解槽內(nèi)次氯酸鈉溶液的有效氯濃度、溫度。

1.3.2 不同運(yùn)行模式試驗(yàn)

連續(xù)運(yùn)行模式，無(wú)冷卻措施：稱取0.90㎏無(wú)碘鹽放置在電解槽內(nèi)，添加30L純水，充分?jǐn)嚢枞芙猓⒉捎帽戎赜?jì)測(cè)試鹽水比重，確保鹽水濃度為3%。電解過程中電流設(shè)置為35A，電解時(shí)間 300min，電解過程中不同時(shí)間間隔檢測(cè)電解槽內(nèi)次氯酸鈉溶液的有效氯濃度和溶液溫度，并記錄電壓、電表讀數(shù)。

間歇運(yùn)行模式，無(wú)冷卻措施：鹽水濃度為 3%（配制方法同上）。電解過程中電流設(shè)置為35A，電解過程中不同時(shí)間間隔檢測(cè)電解槽內(nèi)次氯酸鈉溶液的溫度，當(dāng)電解槽內(nèi)溫度達(dá)到25℃后停止電解，當(dāng)電解槽內(nèi)溫度低于18℃時(shí)，重新開始電解，間歇運(yùn)行的時(shí)間分別是：電解90min —停機(jī) 240min—電解 60min—停機(jī) 240min—電解 30min—停機(jī) 240min—電解 30min—停機(jī)480min—電解90min—結(jié)束，累計(jì)電解時(shí)間300min，檢測(cè)各個(gè)時(shí)段電解槽內(nèi)次氯酸鈉溶液的有效氯濃度和溶液溫度，記錄電壓、電表讀數(shù)。

連續(xù)運(yùn)行模式，外加冷卻措施：試驗(yàn)裝置采用圖 1（2）。 鹽水濃度采用 3%，電解過程中電流設(shè)置為 35A，電解時(shí)間 300min，電解槽外部添加循環(huán)冷卻水，電解過程連續(xù)無(wú)間斷，不同時(shí)間間隔檢測(cè)電解槽內(nèi)次氯酸鈉溶液的有效氯濃度和溶液溫度，并記錄電壓、電表讀數(shù)。

1.4 測(cè)試與計(jì)算方法

采用便攜式有效氯快速測(cè)定儀（溶液稀釋20倍測(cè)定）和余氯檢測(cè)儀（溶液稀釋1000-2000倍測(cè)定）同時(shí)測(cè)定有效氯濃度，如兩者數(shù)據(jù)相差10%以上，進(jìn)行重復(fù)測(cè)定，數(shù)據(jù)處理時(shí)取兩者平均值；采用溫度計(jì)和紅外測(cè)溫器同時(shí)測(cè)定溫度并取兩者平均值。為準(zhǔn)確確定電解過程中的用電量，采用電表來計(jì)量交流電耗。

電解過程中所使用的法拉第（Faraday）電解定律公式、用電量（交流電耗）（PAC）、 直 流電耗（PDC）、用鹽量（Us）、運(yùn)行成本（Rc）、電流效率（η）的計(jì)算公式如式（1）-（6）所示[7,9-10]。

G=K×I×t

PAC=（RPMi-RPM0）/（G/1000）

PDC=U×I/G

Us=S/（G/1000）

Rc=（0.55×PAC+1.1×Us）/（G/1000）

η= U/（K×PDC）×100

其中：G為電極上生成物質(zhì)的量，也即有效氯濃度與體積之積( g)；K為電化當(dāng)量( g / A·h )，其中K氯=1.323g/A·h；I為電流（A）；t為電解時(shí)間（h）；PAC 為交流電耗（kW·h/㎏）；RPMi、RPM0分別為電解時(shí)間為i時(shí)刻和初始時(shí)刻的電表讀數(shù)；PDC為直流電耗（KW·h/㎏）；U為電解電壓(V)；Us為用鹽量（㎏/㎏）；S為鹽重量（kg）；Rc為運(yùn)行成本（元/㎏）， 電單價(jià)按照0.55 元/kW·h 計(jì)，鹽單價(jià)按照1.1元/㎏計(jì)[4]；η為電流效率（%）。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同鹽水溫度試驗(yàn)

不同鹽水溫度情況下次氯酸鈉發(fā)生器的運(yùn)行效果如圖2所示。

圖2（1）假設(shè)電解速率均衡不變的情況下，產(chǎn)氯量為100g情況下所需電解時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果表明相同鹽水濃度和電解電流情況下，隨著鹽水溫度的升高，特別是鹽水溫度在 35℃以上時(shí)，如想達(dá)到相同的有效氯產(chǎn)量，則需增長(zhǎng)電解時(shí)間，與許友仁[8]的研究結(jié)果一致。此外，根據(jù)法拉第電解定律（式（1）），在電解過程中有效氯產(chǎn)量與電解電流和電解時(shí)間成正比，當(dāng)電解電流一定時(shí)，有效氯產(chǎn)量隨著電解時(shí)間的增長(zhǎng)而增大[7]。因此，試驗(yàn)結(jié)果也與法拉第電解定律相符。由圖 2（2）可知，電解后電解槽內(nèi)溶液的溫度均有不同程度的上升，氯氣溶解度隨著溶液溫度的上升而降低,從而產(chǎn)生的次氯酸鈉量減少，電流效率降低（圖2（3））。因此，通過不同鹽水溫度試驗(yàn)可知，溫度對(duì)于次氯酸鈉發(fā)生器的電解效果有較大的影響。

2.2 不同運(yùn)行模式試驗(yàn)

為進(jìn)一步明確溫度對(duì)次氯酸鈉發(fā)生器電解效果的影響，本文采用連續(xù)運(yùn)行、間歇運(yùn)行以及外接循環(huán)冷卻水的方式開展試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

連續(xù)運(yùn)行，無(wú)冷卻措施

間歇運(yùn)行，無(wú)冷卻措施

連續(xù)運(yùn)行，循環(huán)冷卻水

（a）有效氯濃度

連續(xù)運(yùn)行，無(wú)冷卻措施

間歇運(yùn)行，無(wú)冷卻措施

連續(xù)運(yùn)行，循環(huán)冷卻水

電解時(shí)間（min)

（c）用電量

連續(xù)運(yùn)行，無(wú)冷卻措施

間歇運(yùn)行，無(wú)冷卻措施

連續(xù)運(yùn)行，循環(huán)冷卻水

電解時(shí)間（min)

（e）電流效率

用鹽量（Kg/Kg）

運(yùn)行成本（元/kg）

溶液溫度（℃）

圖3 不同運(yùn)行模式試驗(yàn)結(jié)果

Fig.3 Results of different run mode

連續(xù)運(yùn)行，無(wú)冷卻措施

間歇運(yùn)行，無(wú)冷卻措施

連續(xù)運(yùn)行，循環(huán)冷卻水

電解時(shí)間（min)

（b）用鹽量

連續(xù)運(yùn)行，無(wú)冷卻措施

間歇運(yùn)行，無(wú)冷卻措施

連續(xù)運(yùn)行，循環(huán)冷卻水

電解時(shí)間（min)

（d）運(yùn)行成本

連續(xù)運(yùn)行，無(wú)冷卻措施

間歇運(yùn)行，無(wú)冷卻措施

連續(xù)運(yùn)行，循環(huán)冷卻水

電解時(shí)間（min)

（f）電解后溶液溫度

由圖3（a）可知，不同運(yùn)行模式情況下，次氯酸鈉發(fā)生器電解后有效氯濃度有較大差異，其中增設(shè)循環(huán)冷卻水情況下，有效氯濃度和氯產(chǎn)量最高，間歇運(yùn)行（無(wú)冷卻措施）次之，而沒有冷卻措施且連續(xù)運(yùn)行情況下最低。以電解時(shí)間為300min為例，連續(xù)運(yùn)行（無(wú)冷卻措施）情況下有效氯濃度為5795㎎/L，間歇運(yùn)行（無(wú)冷卻措施）情況下為8020㎎/L，與連續(xù)運(yùn)行（無(wú)冷卻措施）情況下相較提高 38.4%，而連續(xù)運(yùn)行且增設(shè)循環(huán)冷卻水情況下為 8240 ㎎/L，與連續(xù)運(yùn)行（無(wú)冷卻措施）情況下相較提高42.2%。比較發(fā)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行且增設(shè)循環(huán)冷卻水情況下較間歇運(yùn)行（無(wú)冷卻措施）情況下的有效氯濃度提高2%-11%。

圖3（b）和 3（c）描述了不同運(yùn)行模式情況下的用鹽量和用電量。由于連續(xù)運(yùn)行（無(wú)冷卻措施）情況下產(chǎn)氯量低，從而用鹽量和用電量最高。連續(xù)運(yùn)行且增設(shè)循環(huán)冷卻水情況下可以獲得最低的用鹽量和用電量，與間歇運(yùn)行（無(wú)冷卻措施）情況下相比用鹽量可節(jié)省2%-11%、用電量節(jié)省2%-8%。當(dāng)電解時(shí)間為270min時(shí)，連續(xù)運(yùn)行且增設(shè)循環(huán)冷卻水情況下的用鹽量為3.827 ㎏/㎏、用電量為 7.568kW·h/㎏，間歇運(yùn)行（無(wú)冷卻措施）情況下的用鹽量和用電量分別為4.110 ㎏/㎏、7.991kW·h/㎏。圖3（d）綜合描述3種不同運(yùn)行模式情況下的運(yùn)行成本，連續(xù)運(yùn)行且增設(shè)循環(huán)冷卻水情況下運(yùn)行成本最低（最低為7.989元/㎏），與間歇運(yùn)行（無(wú)冷卻措施）情況下（最低為8.198元/㎏）相比較可節(jié)省2%-8%，均遠(yuǎn)低于連續(xù)運(yùn)行（無(wú)冷卻措施）模式。

由于在電解過程中有副反應(yīng)發(fā)生，消耗了電極反應(yīng)產(chǎn)品，使得有效氯實(shí)際產(chǎn)量低于理論產(chǎn)量，通常采用電流效率來反映電解過程中有效氯實(shí)際產(chǎn)量與理論產(chǎn)量之間的差異。按照式（6）計(jì)算電流效率（圖 3（e））。 通 過 圖 3（e）可見，隨著電解時(shí)間的增長(zhǎng)，電流效率逐漸下降。增設(shè)循環(huán)冷卻水或間歇運(yùn)行可以較大程度的提高電流效率，減少電流消耗，同時(shí)減緩電流效率下降速率。當(dāng)電解時(shí)間為300min時(shí)，增設(shè)循環(huán)冷卻水和間歇運(yùn)行情況下電流效率降至45%和44%，而連續(xù)運(yùn)行（無(wú)冷卻措施）情況下電流效率僅為29%。此外，在試驗(yàn)過程中觀測(cè)了溶液的溫度（圖3（f）），可以清晰的看出電解過程中隨著電解時(shí)間的增長(zhǎng)，電解槽內(nèi)溶液溫度不斷上升，在連續(xù)運(yùn)行（無(wú)冷卻措施）情況下，電解300min，溶液溫度升高到40℃，正是由于溫度的大幅升高，從而導(dǎo)致電解效果下降。

綜上所述，降低電解過程中電解槽內(nèi)溫度是提高次氯酸鈉發(fā)生器電解效率的重要措施。 此外，值得注意的是，在電解過程中電解時(shí)間的確定尤為重要。通過上述分析可知，隨著電解時(shí)間的增長(zhǎng)，有效氯濃度（有效氯產(chǎn)量）、用鹽量、電流效率逐漸降低，但同時(shí)用電量、電解槽內(nèi)溫度逐漸升高。針對(duì)外接循環(huán)冷卻水情況下，采用多項(xiàng)式對(duì)有效氯濃度與電解時(shí)間的關(guān)系曲線、運(yùn)行成本與電解時(shí)間的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合（式（7）和式（8）），模擬計(jì)算次氯酸鈉發(fā)生器有效氯產(chǎn)量為50g、100g、150g、200g、250g、263g情況下的電解時(shí)間、運(yùn)行成本（表1）。

y1=-0.055х2+43.946х-21.117 （R2=0.9998）

y2=0.00000001х4-0.000008х3+0.0028х2-0.4139х+32.083（x<150min, R2=0.9999）

其中：y1為有效氯濃度（㎎/L），y2為運(yùn)行成本（元/㎏），х為電解時(shí)間（min）；

表1外接循環(huán)冷卻水情況下次氯酸鈉發(fā)生器的模擬計(jì)算結(jié)果

Fig.2 Simulation calculation results of sodium hypochlorite generator with cooling water

電解時(shí)間（min)

有效氯產(chǎn)量（g）

運(yùn)行成本①（元/㎏）

電流效率②（%）

注① ：當(dāng)電解時(shí)間超過150min后，按照相近電解時(shí)刻的電流效率計(jì)算用電量以及運(yùn)行成本；②根據(jù)相近電解時(shí)刻的電流效率給出電流效率的范圍值。

通過表1可知，理論情況下自組裝電極在電解400min時(shí)，有效氯濃度達(dá)到最高，為8757㎎/L，相應(yīng)的有效氯產(chǎn)量為263g，按照電解300min時(shí)的電流效率計(jì)算，運(yùn)行成本為8.876元/㎏。自組裝電極在電解270-310min時(shí)，有效氯產(chǎn)量為235-250g，運(yùn)行成本最低，為7.989-8.066元/㎏。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際產(chǎn)氯量、運(yùn)行成本等綜合考慮電解時(shí)間。

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合組裝研制的網(wǎng)格型電極開展試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明鹽水溫度對(duì)電解效果有較大的影響，當(dāng)鹽水溫度在 35℃以上時(shí)，需延長(zhǎng)電解時(shí)間才能達(dá)到相同的有效氯產(chǎn)量。增設(shè)循環(huán)冷卻水或者間歇式運(yùn)行可提高有效氯產(chǎn)量 38%-42%、電流效率 37%-65%，運(yùn)行成本降低 5.217-10.185元/㎏。自組裝電極連續(xù)運(yùn)行且增設(shè)循環(huán)冷卻水情況下電解270-310min時(shí)，有效氯產(chǎn)量為235-250g，運(yùn)行成本最低，為7.989-8.066元/㎏。有效氯產(chǎn)量最高可達(dá)263g，相應(yīng)的理論運(yùn)行成本為8.876元/㎏。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際產(chǎn)氯量、運(yùn)行成本等綜合考慮電解時(shí)間。

此外，由于本次試驗(yàn)過程是在室溫為10℃-16℃情況下進(jìn)行的，試驗(yàn)結(jié)果有一定的局限性，在實(shí)際應(yīng)用前還需進(jìn)一步開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，綜合考慮運(yùn)行溫度、冷卻效果、設(shè)備自動(dòng)化程度、運(yùn)行維護(hù)等多方面的因素。

感謝：感謝楊彭衛(wèi)在試驗(yàn)過程中的幫助。

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溫度對(duì)網(wǎng)格型次氯酸鈉發(fā)生器運(yùn)行效果的影響