自支撑圆柱形金属-尼龙网电化学模块：面向柔性可扩展水软化处理的创新解决方案

本文创新性地开发了一种自支撑圆柱形电化学模块，采用"网状阴极-尼龙网隔层-网状阳极"同轴结构，通过调控离子迁移促进体相溶液中成垢离子（Ca2+/Mg2+）的均相成核，实现阴极结垢减少88%（10 mA/cm2）。该模块化设计兼具柔性扩展能力（处理量30 L/h）与优异性能（软化速率153.0 g/(h·m2)，能耗3.60 kW·h/kg CaCO3），为工业循环冷却水处理提供了绿色无化学试剂的解决方案。

　　

Highlight

本研究突破性地构建了同轴排列的"网状阴极-尼龙网-网状阳极"圆柱形电化学模块，通过空间调控离子迁移行为，将成垢结晶过程从电极表面转移至溶液体相，实现阴极结垢率降低88%（10 mA/cm²）。

Construction and reaction mechanism of coaxial electrochemical modules

如图1a所示，同轴电化学模块采用圆柱形设计，从外至内依次为网状阴极、尼龙网隔层和网状阳极。这种创新结构通过以下机制发挥作用：阴极产生的OH^-（2H₂O + 2e^- → H₂ + 2OH^-）在尼龙网隔层调控下向溶液扩散，促使Ca²⁺/Mg²⁺在体相中形成CaCO₃和Mg(OH)₂结晶，而非在电极表面沉积。模块底部基座和顶部盖板提供结构支撑，电源连接端子位于顶部。

Conclusion

这种自支撑圆柱形金属-尼龙网电化学模块为实际水软化处理提供了革命性解决方案：1）无需化学试剂，避免传统方法（如离子交换）产生的二次污染；2）模块化设计支持柔性扩展（通过单元复制或几何放大），处理量达30 L/h；3）保持行业领先的软化速率（153.0 g/(h·m²)）与低能耗（3.60 kW·h/kg CaCO₃）；4）可回收高附加值产物CaCO₃和Mg(OH)₂。在实际循环冷却水20天连续运行测试中，系统展现出卓越稳定性，为工业水处理领域的碳中和目标提供了创新技术路径。