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为解决电凝聚（EC）中电极钝化导致的混凝剂生成受阻、处理效率下降问题，研究人员以活性染料废水为对象，探究电极类型、电流模式（DC/PR）等因素影响。发现 Na?CO?加剧钝化，NaCl 缓解；PR 对 Al 电极去钝化效果显著，对 Fe 电极则效果复杂。为 EC 优化提供新路径。
在工业废水处理领域，电凝聚（Electrocoagulation, EC）技术因兼具 coagulation、flotation 及电化学氧化等多重功能，被视为高效处理有机污染物的重要手段。然而，电极表面金属沉淀物与水相物质形成的表面层（Surface Layers, SLs）会引发电极钝化，阻碍混凝剂（如 Al3?、Fe2?）释放，导致法拉第效率（Faradaic Efficiency，衡量单位电荷下混凝剂生成效率的关键指标）下降、能耗增加，尤其在染料废水处理中，染料与助剂（如 Na?CO?、NaCl）的复杂作用使钝化机制尚未明晰。如何精准调控电极行为、提升 EC 可持续性，成为制约该技术广泛应用的核心瓶颈。
为破解这一难题，伊朗阿莫尔卡比尔科技大学（Amirkabir University of Technology）的研究团队以活性蓝 19（Reactive Blue 19, RB-19）模拟染料废水，结合 Na?CO?和 NaCl 助剂，系统考察电极类型（Al/Fe）、电流模式 [直流（Direct Current, DC）/ 极性反转（Polarity Reversal, PR）]、电流密度、处理时间等 7 大因素对 SLs 质量、法拉第效率、能耗及染料去除率的影响。研究成果发表于《Environmental Research》，为染料废水处理中 EC 工艺的优化提供了关键理论支撑。
研究采用分式析因设计（Fractional Factorial Design）这一实验设计方法，通过多变量分析解析各因素主效应及交互作用。实验配置含 RB-19 的合成废水，以 Al、Fe 为电极材料，对比 DC 与 PR 模式下的电极行为，同步测定 SLs 的形貌（如扫描电镜观察）、元素组成（如能量色散 X 射线分析）及物相结构（如 X 射线衍射）。
3.1 多变量分析与关键影响因素
3.1.1 溶液化学组成的主导作用
Na?CO?显著加剧 Al、Fe 电极钝化：其水解生成的 CO?2?与 Al3?、Fe3?结合生成难溶性碳酸盐，在电极表面形成致密绝缘层，导致法拉第效率下降约 30%，染料去除率降低至 50% 以下。反观 NaCl，其解离的 Cl?通过破坏钝化层结构、增强离子传导，使 Al 电极 SLs 质量减少 40%，能耗降低 25%，显示出优异的去钝化效果。
3.1.2 电流模式与电极类型的协同效应
在 Al 基 EC 中，PR 通过周期性反转电极极性，使原本致密的 Al?O?钝化层转化为多孔 Al (OH)?，不仅减少 SLs 堆积（质量下降 55%），还提升法拉第效率 18%，染料去除率从 DC 模式的 65% 提升至 82%，能耗降低约 30%。然而，Fe 基 EC 中 PR 的效果呈现矛盾性：虽能减少弱结晶态 Fe (III) 沉淀物、促进 SLs 均匀分布（降低界面电阻），使能耗下降 15%，但法拉第效率与脱色率却分别降低 12% 和 10%，可能与 Fe3?氢氧化物的快速沉积及 PR 导致的有效反应时间缩短有关。
3.1.3 交互作用的复杂性
电流密度与处理时间的交互作用显著影响能耗：高电流密度下延长处理时间，会因副反应（如水电解产 O?）加剧导致能耗激增。而染料浓度与 NaCl 的协同作用表明，高浓度染料（>200 mg/L）需匹配更高 Cl?浓度（>1 g/L）才能有效抑制钝化，维持法拉第效率稳定。
3.2 极性反转（PR）的去钝化机制解析
对 Al 电极而言，PR 通过 “氧化 - 还原循环” 破坏钝化层生长动力学：当电极作为阳极时，Al 氧化生成 Al3?；转为阴极时，表面的 Al?O?被还原为多孔 Al (OH)?，其比表面积增加 3 倍，促进混凝剂释放。Fe 电极则因 PR 导致的 Fe2?/Fe3?循环速率加快，虽减少了板结状 Fe (OH)?沉积，但频繁的极性切换可能干扰絮体形成路径，导致脱色效率受损。
研究结论与意义
本研究首次通过分式析因设计揭示了染料废水电凝聚中多因素对电极钝化的复杂调控机制：Na?CO?是强钝化剂，NaCl 为有效去钝化剂，PR 对 Al 电极的去钝化优势显著，而 Fe 电极需谨慎优化参数。研究证实，PR 通过物理结构重构（如 Al?O?→Al (OH)?）和电化学循环效应提升 EC 可持续性，为工业废水处理中电极材料选型与工艺参数优化提供了科学依据。未来可进一步探索复合电极设计与脉冲电流参数优化，以拓展 PR 在高复杂废水处理中的应用潜力。
研究结果表明，合理调控溶液化学组成与电流模式，可针对性缓解电极钝化，平衡法拉第效率与能耗，为电凝聚技术在染料及类似难降解废水处理中的工程化应用奠定了关键理论基础。
