對墊式柔性電解去污的電解參數進行了研究論文

時間：2021-04-16 18:31:57 論文我要投稿

　　20世紀80年代末以來，我國對電解去污技術也做過一些研究。柔性電解去污技術是電解去污技術向簡單化、小巧化、普適化發展的代表。在核設施去污方面應用范圍很廣，具有去污裝置小巧、結構簡單、適應性強的特點，可適應復雜形狀的去污對象，克服一般電解去污中一個去污裝置只能用于一種去污對象的局限性，實現一機多用。電極材料具有多樣性，易于與其它技術結合，二次廢液產生量少，技術經濟性好等特點。其中，墊式柔性電解去污是柔性電解去污技術的典型裝置。然而，目前墊式柔性電解去污技術吸液材料的開發和研究并沒有得到重視，人們對吸液材料的認識僅限于把吸液材料作為一種普通的介質或載體，很少有吸液材料的選型和性能研究的公開文獻報道。本工作擬利用自主設計的墊式柔性電解去污裝置，選取三大類13種吸液材料開展吸液材料的吸排液綜合性能、導電性能、耐熱性能及操作性能等材料性能試驗，并對篩選出的吸液材料的操作參數進行研究，為進一步研究電解液吸附材料性能對墊式柔性電解去污影響及核設施退役去污技術選擇提供參考。

對墊式柔性電解去污的電解參數進行了研究論文

　　材料與方法

　　試驗材料在本試驗中，從現有吸水材料中篩選出來的吸液材料列入表1.篩選原則如下：（1）吸附機理表1墊式柔性電解去污吸液材料選擇的差異性；（2）物理性能的差異性，如粒度、孔徑、纖維長度等；（3）化學組成的差異性；（4）生產工藝的差異性；（5）產品在市場的易得性。

　　試劑與儀器

　　主要試劑：硝酸、硝酸鈉均為分析純。硝酸體系電解液配方，50g/L硝酸+100g/L硝酸鈉。STP50A型電解電源，廣東順德金順怡電器制造有限公司；JZ5002型電子天平，感量為0.001g,上海天平儀器廠；DU-65A型電熱恒溫油浴箱，金壇市金城國勝實驗儀器廠。

　　試驗裝置

　　墊式柔性電解去污試驗裝置如圖1.該裝置主要由支架、有機玻璃柱、不銹鋼陽極板與陰極孔板組成。電解時，將吸飽電解液的吸液材料放置在陰陽兩極板之間，通過陰陽兩極的接線柱與電源相連。試驗方法將一定體積的吸液材料，吸附電解液飽和后放在電解試驗裝置里，過濾掉過量的電解液，置于陰陽兩極板之間并通以電流，進行恒電流電解試驗，直至無法維持恒定電流并且電流急速降至為零，電解中斷。記錄材料吸附的電解液質量、電解時間、陽極板質量損失、電壓及變化規律等，計算電解液利用率及金屬腐蝕速率。其中，電解液利用率為吸液材料吸附的單位質量電解液所能維持的電解時間，由下式表示：η=t/m.式中：η，電解液利用率，s/g;t,電解維持時間，s;m,吸液材料吸附電解液的質量，g.金屬腐蝕速率為單位時間的腐蝕程度平均值，單位是μm/min.用吸液倍率來表征吸液性能，由下式表示：A=（m1-m0）/m0.式中：A,吸液倍率，g/g;m0,吸液材料的質量，g;m1,吸液飽和后吸液材料的質量，g.在吸液材料選擇試驗中，采用的電解技術參數是：電解液配方為50g/L硝酸+100g/L硝酸鈉；電流密度為0.3A/cm2;極間距為5mm.在電解參數選擇試驗中，根據篩選出的吸液材料對電解參數選擇進行研究。

　　結果與討論。

　　吸液材料選擇試驗。

　　吸、排液綜合性能比較電解與吸液材料對電解液的吸附性能和解析性能有關，材料對電解液的吸附與解析之間的平衡對電解維持時間影響很大，因此需要考察不同材料的吸附能力與解析能力的平衡。各吸液材料電解液利用率的變化如圖2.由圖2可知，纖維類的電解液利用率最高，海綿類居中，樹脂類最低。說明纖維類對電解液的吸附與解析平衡關系最符合電解的需要，海綿次之，樹脂最差。這主要是由于樹脂類對電解液吸附能力過強，解析能力過差，導致可利用的電解液過少，即電解液利用率較低。開孔海綿則主要是由于解析能力過強，同樣破壞了吸附與解析之間的平衡，導致電解液利用率低下。

　　導電性能比較

　　吸液材料的導電性能是柔性電解去污考慮的重要指標之一，電阻是表征導電性能的重要參數，根據法拉第定律，電流一定時，電壓與電阻成正比，因此采用測量電解電壓來表征電阻。各吸液材料的電解起始電壓值如圖3.由圖3可知，各吸液材料的電解起始電壓各不相同，樹脂類最高，海綿類居中，纖維類最低。

　　電解起始電壓的高低可直接反映出材料吸液后電阻的高低，因此樹脂類的電阻最高，海綿類居中，纖維類最低。這說明樹脂類吸附電解液后，可自由遷移的電解液量少，即可利用的電解液少，而纖維類最多。吸液材料電解時間的變化對電壓的影響如圖4.由圖4可知，各類材料的電解電壓隨電解時間的變化趨勢相同，在電解初期的電解電壓均高，然后有不斷降低的過程。這是因為金屬開始發生電解反應的初期需要一個較高的電壓來活化金屬，電解開始后，電解溫度快速上升，電解液在材料中的遷移速度加快，電解電壓略有降低。當電解進行到一定程度，電解液不斷損失使材料內部的電解液量降低，材料的電阻值開始逐漸升高，電壓也隨之升高，當電解液的量和遷移不足以維持電解需要時，電壓達到最高，電解終止。可見三類吸液材料導電性能的優劣順序為纖維類>海綿類>樹脂類。而在纖維類中，脫脂紗布最優，聚酯纖維和無紡布居中，木纖維和活性纖維次之。

　　耐熱性能比較

　　在墊式柔性電解去污中，吸附材料雖然吸附了大量電解液，但與槽式電解去污相比，墊式柔性電解去污所用的電解液量遠遠低于槽式電解去污用的電解液。因此在電解過程中，去污金屬表面由于發生電解反應而溫度很高，而吸附材料散熱速度比流動液體散熱速度慢，因此可能會出現局部高溫，使吸液材料受熱，而導致材料性能發生變化影響吸液材料的重復使用。

　　為此，進行了從室溫到100℃之間各吸附材料的耐熱性能變化試驗，其結果列入表2.由表2可知，溫度達到80℃后，中孔海綿、小孔海綿、聚酯纖維和活性纖維4種材料開始發生變性（變色、萎縮、分解等）；溫度達到90℃后，SAP樹脂開始發生變性；溫度達到100℃后，博亞C樹脂和無紡布也開始變性，此時只有博亞A和博亞B樹脂及木纖維3種材料未變性。變性后相應的吸液性能也有所下降，而未變性的材料吸液性能略有上升。

　　由此可見，電解液溫度對吸附材料的吸液性能和重復使用性能有較大影響。單從耐熱性能來看，木纖維、博亞A和博亞B樹脂3種材料最優。

　　操作難易性能比較

　　從填充操作來看，纖維類和海綿類材料可以直接填充，而樹脂類材料則需要用包敷包裝后才能填充；從吸液膨脹程度來看，纖維類和海綿類材料低于樹脂類材料。

　　電解參數選擇

　　試驗上述吸液材料篩選試驗，是參照槽式電解去污試驗所確定的電解液配方（50g/L硝酸+100g/L硝酸鈉）、電流密度（0.3A/cm2）和極間距（5mm）操作參數條件下進行的。對于一種吸附材料而言，除了自身的吸液和排液性能之外，外在因素如電流密度、極間距等，也會影響其電解去污性能。因此，用上述實驗推薦的纖維類吸附材料作為實驗材料，進行了電流密度和極間距變化的影響實驗。

　　電流密度對電解性能的影響：對腐蝕速率的影響電流密度對金屬腐蝕速率的影響如圖5.

　　從圖5可知，隨著電流的不斷增大，金屬腐蝕速率及參數選擇不斷上升，大體上呈線性變化規律，這說明在實際去污操作中，可根據對腐蝕速率的需求，線性地進行電流密度的調節。

　　從圖6可知，隨著電流密度的增加，電解維持時間明顯縮短。這是由于電解反應速度隨電流密度呈線性變化，而在吸液材料確定（即排液速率確定）的情況下，在低電流密度區，即電解液的供應量能夠滿足需求情況下，電流密度是主要控制因素；而在高電流密度區，即電解液的供應量可能出現不能滿足需求的情況，此時電解液的供應量成為主要控制因素。因此，應選擇電解液的供應量能夠滿足需求情況下的電流密度才有利于電解去污進程，即選擇電流密度不大于0.3A/cm2.

　　對電解液利用率的影響

　　電流密度對電解液利用率的影響如圖7.從圖7可以看出，隨著電流密度的增加，電解液利用率不斷下降，在低電流密度區的影響幅度明顯大于高電流密度區，且隨著電流密度的增加，各種材料之間的變化差異隨之縮小。這是由于在低電流密度區，即電解液的供應量能夠滿足需求情況下，不同的吸液材料，可以顯示出不同的利用率；而在高電流密度區，即所有吸液材料的電解液供應量均出現不能滿足需求的情況，此時電解液的供應量成為主要控制因素，而無法準確顯示出利用率的差異。從這一角度出發，進一步說明選擇電流密度不大于0.3A/cm2為宜。

　　對電解起始電壓的影響

　　電流密度對電解起始電壓的影響如圖8.從圖8可知，隨著電流密度的增加，電解起始電壓不斷升高，基本呈線性變化規律，其中活性纖維變化幅度高于其他吸附材料。可見在金屬電解去污腐蝕速率可以接受的情況下，應盡可能選擇較小電流密度。

　　極間距對電解性能的影響

　　（1）對金屬腐蝕速率的影響

　　極間距對金屬腐蝕速率的影響如圖9.從圖9可以看出，極間距在1~8mm時對金屬腐蝕速率的影響很小，各種材料之間的差異也較小。這說明在本試驗所確定的柔性電解去污裝置所能變化的極間距范圍內，極間距的變化，對金屬腐蝕速率影響較小。

　　（2）對電解維持時間的影響

　　極間距對電解維持時間的影響如圖10.從圖10可以看出，隨著極間距的.增大，各種材料的電解時間也隨之增加，除脫脂紗布之外的其他材料基本上呈線性變化規律。這是因為極間距的增大是由吸附材料的填充厚度增加來實現的，而吸附材料的厚度增加意味著電解液的吸液量和排液量均隨之增加，從而導致電解維持時間的延長。

　　對于基本上呈線性變化規律的吸液材料而言，實際使用中，可以根據對電解時間的需求，相應的調整極間距，即調整吸液量和排液量來實現目的。而對于呈現較大波動變化規律的脫脂紗布來說，隨著材料厚度增加，吸液后材料的透氣性能比吸液前大大降低，導致電解過程中產生的大量氣體無法順利排出，以至于不能像其它透氣性能好的材料一樣維持較長的電解時間。因此，脫脂紗布不能通過調整極間距來實現電解時間的控制。

　　（3）對電解液利用率的影響

　　極間距對電解液利用率的影響如圖11.從圖11可知，隨著極間距的增加，電解液利用率呈非線性下降變化趨勢，電解液利用率在極間距2~4mm下降的很快，當極間距達到4mm以后，隨著極間距的增加，電解液利用率不再下降，變化趨于平緩。這是因為在極間距小的情況下，材料的厚度也很小，材料所吸收的電解液能夠充分利用，電解中產生的氣體能夠順利排出，不會對電解進程造成影響，所以電解液利用率很高。隨著極間距的增加，材料的厚度增加，材料內部不能利用的電解液量增加很快，電解中產生的氣體也由于材料厚度的增加排出阻力增大，對電解進行造成一定影響，導致電解液利用率快速下降。當極間距達到4mm后，材料內部不能利用的電解液量增加變緩，電解中產生的氣體排出阻力隨材料的厚度增加也變緩，因此電解液利用率不再下降。由此可見，極間距應控制在不大于4mm為宜。

　　從圖12可知，隨著極間距的增加，電解起始電壓呈非線性緩慢增長趨勢。在2~4mm,隨著極間距的增加，電解起始電壓變化不大，當極間距大于4mm后，電解起始電壓有所增加。這可能是因為極間距小時，材料厚度很小，材料吸附電解液后材料之間的吸、排液或電解液在材料之間的遷移性能對電阻影響不大，而當極間距大于4mm之后，材料之間的吸、排液或電解液在材料之間的遷移性能下降，對電阻影響較大，造成電解起始電壓有所上升。可見，從對電解起始電壓的影響來看，極間距選擇不大于4mm為宜。

　　結論

　　（1）從性能比較中可知，吸水纖維類吸液材料是最適于墊式柔性電解去污的吸液材料。

　　（2）電流密度的變化對金屬腐蝕速率、電解液利用率、連續電解維持時間、電解起始電壓等均有影響，會不同程度影響墊式柔性電解去污的最終效果以及去污過程的可控性。根據以往電解去污操作的經驗，綜合考慮后認為電流密度控制在不大于0.3A/cm2為宜。

　　（3）極間距的變化對金屬腐蝕速率影響很小，而對連續電解維持時間、電解液利用率和電解起始電壓造成不同程度的影響。綜合考慮去污的需求，即維持較低起始電壓和較高電解液利用率的角度來看，極間距選擇在不大于4mm為宜。

　　參考文獻：

　　[1]陸春海，孫穎。化學去污技術的發展及其在核設施退役中應用[J].環境技術，2002,20（1）：25-32.

　　[2]陸春海，郎定木，劉雪梅，等。電化學去污對基體材料不銹鋼抗腐蝕性能的影響[J].原子能科學技術，2003,37（6）：481-484.

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