穿孔电极电凝系统协同优化乳化含油废水处理的性能与动态行为机制研究

为解决高稳定性乳化含油废水处理难题，研究人员通过实验-模拟协同方法系统探究了穿孔电极电凝（EC）系统的性能优化机制。研究发现铝基穿孔电极在优化条件下（16孔、pH=5、电流密度15 mA/cm2）可实现COD去除率98.07%和油含量去除率96.00%，并通过COMSOL Multiphysics模拟揭示了电场畸变（18-20 V/μm）与羟基自由基生成的协同增效机制，为工业电化学水处理设备设计提供理论支撑。

　　

随着全球工业化进程加速，机械加工、石油化工等行业产生的乳化含油废水已成为水处理领域重大挑战。这类废水中，表面活性剂（如SDBS、CTAB）在油水界面形成机械屏障，使乳液稳定性极高，传统处理技术难以应对。电凝（Electrocoagulation, EC）技术因其无需外加药剂、操作简便等优势成为研究热点，但存在电极钝化、电流效率低等瓶颈问题。穿孔电极结构虽被证实能提升处理效率，但其在多物理场耦合作用下的微观机制尚未明晰。

为解决上述问题，辽宁教育厅重点项目的支持团队开展了穿孔电极EC系统的实验-数值协同研究。通过调控电极材料（Al、Ti、Cu等）、穿孔数量（4-16孔）等参数，结合COMSOL Multiphysics建立三维模型，首次揭示了穿孔结构诱导的电场畸变与污染物去除的定量关系。研究采用超声乳化法制备模拟废水（含十六烷/SDS/NaCl），通过响应面法优化操作条件，并利用有限元分析捕捉油滴聚并动态过程。

电极材料对破乳效率的影响
实验表明铝电极表现最优，在穿孔阳极-穿孔阴极构型下，Al³⁺水解生成的Al(OH)₃絮体通过吸附架桥作用高效去除污染物。相较平板电极，16孔结构使COD去除率从89.2%提升至98.07%，能耗降低42.3%。

电场畸变增强机制
数值模拟显示穿孔边缘因几何曲率效应产生显著电场畸变，局部场强从4-5 V/μm跃升至18-20 V/μm。这种非均匀电场促进羟基自由基（·OH）生成，加速油滴的极化变形与聚并，电场力主导的介电泳效应使油滴迁移速率提升3.8倍。

气浮-电场协同作用
穿孔阴极产生的H₂气泡和阳极产生的O₂气泡数量较平板电极增加217%，气泡直径减小至50-80 μm，显著强化了絮体上浮效率。动态捕捉显示油滴在流场-电场耦合作用下经历"伸长-接触-聚并"三阶段演变。

该研究通过多尺度关联分析，阐明了穿孔电极通过"电场畸变-电化学氧化-微气泡浮选"三重协同机制提升处理效率的原理。优化后的系统在pH=5、电流密度15 mA/cm²条件下，仅需4 cm极距即可实现近完全破乳，为石油炼化等行业的难处理乳液提供了经济高效的解决方案。论文创新性地将数值模拟深度融入EC机制解析，建立的跨尺度模型可为智能电化学反应器设计提供范式参考。研究结果发表于《Process Safety and Environmental Protection》，对推动电化学水处理技术从经验导向向理论预测转型具有里程碑意义。