《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Regulation of current density distribution and machine learning-based passivation prediction for mitigating anode passivation in electrocoagulation
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阳极钝化导致电化学沉淀（EC）运行成本高和处理效率下降，本研究提出使用绝缘材料将完整阳极（CA）分割为SA4和SA9，通过调控电流密度分布有效抑制钝化，能耗分别降低43.33%和68.38%，同时保持97%的腐殖酸（HA）去除率。机器学习模型TabPFN可准确预测不同EC条件下的钝化行为变化。
Bowen Li|Zilin Qiu|Li Liu|Peng Zhang
南开大学环境科学与工程学院，天津 300350，中国
摘要
阳极钝化会导致电凝聚（EC）运行成本上升和处理效率下降，从而限制了其可持续应用和广泛发展。现有的解决阳极钝化的策略存在额外的人力/设备成本、可能对处理性能产生不利影响或增加电极制备和电气连接的复杂性的问题。本研究提出了一种使用绝缘材料来调节电流密度（CD）分布的新颖阳极分割方法，以减轻钝化现象，并进一步开发了一个基于机器学习（ML）的预测平台，以实现钝化分布的快速准确量化。结果表明，将整个阳极（CA）分割成4个相等部分（SA4）和9个相等部分（SA9）可以有效减轻钝化，能耗分别降低了43.33%和68.38%，同时在30分钟的EC处理后仍能保持97%的腐殖酸（HA）去除率。SA9上的钝化层形成了双重边缘效应，这被证实是其CD分布的结果。此外，表格先验数据拟合网络（TabPFN）显示出其在不同EC条件下准确捕捉钝化行为变化的能力。这项工作提供了一种低成本、可扩展的阳极钝化缓解策略，以及一个实用工具，有助于在需要平衡性能和成本效益的场合中应用EC。
引言
电凝聚（EC）作为一种有前景的水/废水处理技术已经出现，但阳极钝化一直限制了其实际应用[1]、[2]、[3]。随着时间的推移，阳极表面会自发形成致密的金属氧化物钝化膜，这增加了电极-电解质界面的电子转移过程的阻力，从而提高了电池电压，进而增加了运行成本[4]、[5]。这种钝化层还会使法拉第效率降低40%，从而影响污染物的去除[6]。因此，克服钝化问题是实现EC可持续应用和广泛发展的关键。
优化EC的运行参数是减轻钝化的最简单方法，因为阳极钝化层的形成取决于特定的EC运行条件[7]、[8]、[9]。通常，高电解质导电性和小的电极间距有助于减少欧姆损耗，但这些因素会增加电极几何形状上的电流密度（CD）分布不均匀性，从而加剧阳极磨损[7]、[10]。同样，虽然较高的CD可以加速电极反应并提高EC的处理效率，但它们也会导致较高的钝化程度和强烈的副反应[11]、[12]。其他参数如电解质导电性/组成、电极材料、溶解氧（DO）和pH值也会影响钝化行为。然而，确定最佳运行参数的主要目的应该是实现高污染物去除率，而不是减轻阳极钝化。
已经提出了一些特定的方法来去除钝化层或避免其形成，例如添加强氧化性离子[13]、交流电操作[14]、极性反转操作[15]、超声波处理[16]、机械清洗[5]和化学清洗[6]。所有这些策略在适当条件下都被证明可以有效减轻钝化。然而，额外的人力或设备成本、可能对处理性能的不利影响、钝化缓解效果的不确定性以及潜在的二次污染风险表明，这些方法存在需要进一步解决的缺点[17]、[18]、[19]。为了避免与EC处理性能的冲突，研究探索了通过电极几何结构设计来调节CD分布以减轻钝化。环形、圆形和圆柱形电极的几何配置已被证明可以实现均匀的CD分布，这可能是减轻阳极钝化的一个有前景的方法[20]、[21]、[22]、[23]。然而，定制形状相比平面电极需要额外的制造工艺，且无法与现有的EC系统集成，导致生产和劳动力成本增加。调节阳极几何尺寸也被证明可以均匀CD分布。因此，可以通过将整个阳极分割成较小的部分并分别连接到电源上来实现减轻阳极钝化[24]。尽管分割现有电极比定制设计更简单，但它可能会影响电气连接的稳定性，且可扩展性较差。
为了克服实际EC系统中阳极几何优化的这些关键缺点，提出了一种使用绝缘材料的新颖阳极分割方法，以均匀CD分布并减轻钝化。本研究评估了阳极分割对钝化行为和EC性能的影响，并揭示了分割阳极对CD分布的响应。此外，为了实现实际环境中钝化程度的快速量化，开发了一个基于机器学习（ML）的预测平台，以准确模拟不同EC条件下的钝化分布。这项工作不仅提供了一种低成本、可扩展的阳极钝化缓解策略，还为优化实际EC系统提供了一个强大的预测工具。
部分摘录
合成地表水
将2克腐殖酸（HA）（Sigma-Aldrich，美国）加入1升去离子水（DI）（Millipore Milli-Q，德国）中，pH值为12，在磁力搅拌器上以200转/分钟的速度搅拌24小时，然后通过0.45微米过滤器过滤并在4°C下储存。所得储备溶液的总有机碳（TOC）浓度为702 ± 15毫克/升。合成水中含有5毫克/升的HA和0.5毫摩尔/升的NaHCO3作为缓冲剂。使用2毫摩尔/升的Na2SO4作为背景电解质
尺寸效应控制阳极钝化
使用聚酰亚胺绝缘胶带将CA表面分割成4个相等部分和9个相等部分，得到SA4和SA9，两者具有相同的反应面积。图2a显示，在使用SA4和SA9作为阳极代替CA进行30分钟的EC处理后，电压分别从5.32 ± 0.28伏降至2.35 ± 0.06伏和1.57 ± 0.13伏，表明钝化层的形成受到抑制。需要注意的是，电压变化归因于钝化过电位和IR降
结论
本研究旨在解决EC系统中关键的阳极钝化问题，该问题限制了能源效率和过程稳定性。提出了一种使用绝缘材料的新颖阳极分割方法来调节CD分布，并开发了一个基于ML的预测平台，以实现钝化行为的快速量化。主要发现及其对EC发展的影响如下：
CRediT作者贡献声明
Li Liu：可视化、软件。Peng Zhang：监督、调查、正式分析、概念化。Bowen Li：撰写——原始草稿、软件、方法论、数据管理。Zilin Qiu：验证、调查。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
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