對(duì)墊式柔性電解去污的電解參數(shù)進(jìn)行了研究論文
20世紀(jì)80年代末以來，我國對(duì)電解去污技術(shù)也做過一些研究。柔性電解去污技術(shù)是電解去污技術(shù)向簡單化、小巧化、普適化發(fā)展的代表。在核設(shè)施去污方面應(yīng)用范圍很廣，具有去污裝置小巧、結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，可適應(yīng)復(fù)雜形狀的去污對(duì)象，克服一般電解去污中一個(gè)去污裝置只能用于一種去污對(duì)象的局限性，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。電極材料具有多樣性，易于與其它技術(shù)結(jié)合，二次廢液產(chǎn)生量少，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)。其中，墊式柔性電解去污是柔性電解去污技術(shù)的典型裝置。然而，目前墊式柔性電解去污技術(shù)吸液材料的開發(fā)和研究并沒有得到重視，人們對(duì)吸液材料的認(rèn)識(shí)僅限于把吸液材料作為一種普通的介質(zhì)或載體，很少有吸液材料的選型和性能研究的公開文獻(xiàn)報(bào)道。本工作擬利用自主設(shè)計(jì)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(dǎo)電性能、耐熱性能及操作性能等材料性能試驗(yàn)，并對(duì)篩選出的吸液材料的操作參數(shù)進(jìn)行研究，為進(jìn)一步研究電解液吸附材料性能對(duì)墊式柔性電解去污影響及核設(shè)施退役去污技術(shù)選擇提供參考。
材料與方法
試驗(yàn)材料在本試驗(yàn)中，從現(xiàn)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(jī)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(xué)組成的差異性；（4）生產(chǎn)工藝的差異性；（5）產(chǎn)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(shí)驗(yàn)儀器廠。
試驗(yàn)裝置
墊式柔性電解去污試驗(yàn)裝置如圖1.該裝置主要由支架、有機(jī)玻璃柱、不銹鋼陽極板與陰極孔板組成。電解時(shí)，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(yàn)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(yàn)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(jìn)行恒電流電解試驗(yàn)，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(zhì)量、電解時(shí)間、陽極板質(zhì)量損失、電壓及變化規(guī)律等，計(jì)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(zhì)量電解液所能維持的電解時(shí)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(shí)間，s;m,吸液材料吸附電解液的質(zhì)量，g.金屬腐蝕速率為單位時(shí)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(zhì)量，g;m1,吸液飽和后吸液材料的質(zhì)量，g.在吸液材料選擇試驗(yàn)中，采用的電解技術(shù)參數(shù)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(shù)選擇試驗(yàn)中，根據(jù)篩選出的吸液材料對(duì)電解參數(shù)選擇進(jìn)行研究。
結(jié)果與討論。
吸液材料選擇試驗(yàn)。
吸、排液綜合性能比較電解與吸液材料對(duì)電解液的吸附性能和解析性能有關(guān)，材料對(duì)電解液的吸附與解析之間的平衡對(duì)電解維持時(shí)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(duì)電解液的吸附與解析平衡關(guān)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(duì)電解液吸附能力過強(qiáng)，解析能力過差，導(dǎo)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(qiáng)，同樣破壞了吸附與解析之間的平衡，導(dǎo)致電解液利用率低下。
導(dǎo)電性能比較
吸液材料的導(dǎo)電性能是柔性電解去污考慮的重要指標(biāo)之一，電阻是表征導(dǎo)電性能的重要參數(shù)，根據(jù)法拉第定律，電流一定時(shí)，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(shí)間的變化對(duì)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(shí)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?yàn)榻饘匍_始發(fā)生電解反應(yīng)的初期需要一個(gè)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(dāng)電解進(jìn)行到一定程度，電解液不斷損失使材料內(nèi)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(dāng)電解液的量和遷移不足以維持電解需要時(shí)，電壓達(dá)到最高，電解終止�？梢娙愇翰牧蠈�(dǎo)電性能的優(yōu)劣順序?yàn)槔w維類>海綿類>樹脂類。而在纖維類中，脫脂紗布最優(yōu)，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(yuǎn)遠(yuǎn)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(fā)生電解反應(yīng)而溫度很高，而吸附材料散熱速度比流動(dòng)液體散熱速度慢，因此可能會(huì)出現(xiàn)局部高溫，使吸液材料受熱，而導(dǎo)致材料性能發(fā)生變化影響吸液材料的重復(fù)使用。
為此，進(jìn)行了從室溫到100℃之間各吸附材料的耐熱性能變化試驗(yàn)，其結(jié)果列入表2.由表2可知，溫度達(dá)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(fā)生變性（變色、萎縮、分解等）；溫度達(dá)到90℃后，SAP樹脂開始發(fā)生變性；溫度達(dá)到100℃后，博亞C樹脂和無紡布也開始變性，此時(shí)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(yīng)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(duì)吸附材料的吸液性能和重復(fù)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(yōu)。
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(shù)選擇
試驗(yàn)上述吸液材料篩選試驗(yàn)，是參照槽式電解去污試驗(yàn)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(shù)條件下進(jìn)行的。對(duì)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(huì)影響其電解去污性能。因此，用上述實(shí)驗(yàn)推薦的纖維類吸附材料作為實(shí)驗(yàn)材料，進(jìn)行了電流密度和極間距變化的影響實(shí)驗(yàn)。
電流密度對(duì)電解性能的影響：對(duì)腐蝕速率的影響電流密度對(duì)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(shù)選擇不斷上升，大體上呈線性變化規(guī)律，這說明在實(shí)際去污操作中，可根據(jù)對(duì)腐蝕速率的需求，線性地進(jìn)行電流密度的調(diào)節(jié)。
從圖6可知，隨著電流密度的增加，電解維持時(shí)間明顯縮短。這是由于電解反應(yīng)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(qū)，即電解液的供應(yīng)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(qū)，即電解液的供應(yīng)量可能出現(xiàn)不能滿足需求的情況，此時(shí)電解液的供應(yīng)量成為主要控制因素。因此，應(yīng)選擇電解液的供應(yīng)量能夠滿足需求情況下的電流密度才有利于電解去污進(jìn)程，即選擇電流密度不大于0.3A/cm2.
對(duì)電解液利用率的影響
電流密度對(duì)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(qū)的影響幅度明顯大于高電流密度區(qū)，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(qū)，即電解液的供應(yīng)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(qū)，即所有吸液材料的電解液供應(yīng)量均出現(xiàn)不能滿足需求的情況，此時(shí)電解液的供應(yīng)量成為主要控制因素，而無法準(zhǔn)確顯示出利用率的差異。從這一角度出發(fā)，進(jìn)一步說明選擇電流密度不大于0.3A/cm2為宜。
對(duì)電解起始電壓的影響
電流密度對(duì)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(guī)律，其中活性纖維變化幅度高于其他吸附材料�？梢娫诮饘匐娊馊ノ鄹g速率可以接受的情況下，應(yīng)盡可能選擇較小電流密度。
極間距對(duì)電解性能的影響
�。�1）對(duì)金屬腐蝕速率的影響
極間距對(duì)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(shí)對(duì)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(yàn)所確定的柔性電解去污裝置所能變化的極間距范圍內(nèi)，極間距的變化，對(duì)金屬腐蝕速率影響較小。
�。�2）對(duì)電解維持時(shí)間的影響
極間距對(duì)電解維持時(shí)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(shí)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(guī)律。這是因?yàn)闃O間距的增大是由吸附材料的填充厚度增加來實(shí)現(xiàn)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(dǎo)致電解維持時(shí)間的延長。
對(duì)于基本上呈線性變化規(guī)律的吸液材料而言，實(shí)際使用中，可以根據(jù)對(duì)電解時(shí)間的需求，相應(yīng)的調(diào)整極間距，即調(diào)整吸液量和排液量來實(shí)現(xiàn)目的。而對(duì)于呈現(xiàn)較大波動(dòng)變化規(guī)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(dǎo)致電解過程中產(chǎn)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(shí)間。因此，脫脂紗布不能通過調(diào)整極間距來實(shí)現(xiàn)電解時(shí)間的控制。
�。�3）對(duì)電解液利用率的影響
極間距對(duì)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(dāng)極間距達(dá)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?yàn)樵跇O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(chǎn)生的氣體能夠順利排出，不會(huì)對(duì)電解進(jìn)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(nèi)部不能利用的電解液量增加很快，電解中產(chǎn)生的氣體也由于材料厚度的增加排出阻力增大，對(duì)電解進(jìn)行造成一定影響，導(dǎo)致電解液利用率快速下降。當(dāng)極間距達(dá)到4mm后，材料內(nèi)部不能利用的電解液量增加變緩，電解中產(chǎn)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(yīng)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(dāng)極間距大于4mm后，電解起始電壓有所增加。這可能是因?yàn)闃O間距小時(shí)，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(duì)電阻影響不大，而當(dāng)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(duì)電阻影響較大，造成電解起始電壓有所上升�？梢�，從對(duì)電解起始電壓的影響來看，極間距選擇不大于4mm為宜。
結(jié)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(duì)金屬腐蝕速率、電解液利用率、連續(xù)電解維持時(shí)間、電解起始電壓等均有影響，會(huì)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(jù)以往電解去污操作的經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮后認(rèn)為電流密度控制在不大于0.3A/cm2為宜。
�。�3）極間距的變化對(duì)金屬腐蝕速率影響很小，而對(duì)連續(xù)電解維持時(shí)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(xiàn)：
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