纸加工行业凸版印刷废水的电絮凝处理：使用回收多孔铝电极的实验与CFD建模

《Chemical Engineering Research and Design》：Electrocoagulation of flexographic printing wastewater in the paper converting industry: Experimental and CFD modeling using recycled perforated aluminum electrodes

　　

摘要

本研究通过实验与计算流体动力学（CFD）分析，评估了一种新型电絮凝反应器的处理效果。该反应器基于平行排列的多孔电极配置，电极由回收的商业HFA 4003铝制成——该材料广泛应用于烘焙和蛋糕制造行业。研究对象为墨西哥瓜纳华托州某制造工厂产生的真实工业柔版印刷废水，评价指标为浊度和化学需氧量（COD）的去除率。研究了电流密度和电解时间对处理性能的影响。实验结果表明，在不到60分钟内，COD和浊度的去除率分别达到78.5%和99%，在进水流速为2 L min?1、电流密度为6 mA cm?2的条件下，估算运行成本为1.33美元/m3，同时澄清上清液中的残余铝浓度保持在<4 mg L?1。通过扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDS）对铝絮体的结构和元素进行表征，揭示了电絮凝能够有效去除该工业废水中广泛存在的多种污染物。CFD仿真结果与实验数据吻合良好，表明其能够再现电絮凝反应器的流体力学和电化学行为。

引言

纸基材料行业，包括纸浆、纸张和纸板衍生产品的生产和转化，是全球制造业的重要组成部分，特别是在包装、物流和其他应用领域。该行业集成了多种单元操作，如制浆、成型、整饰和表面改性，每种操作都会产生具有不同物理化学特性的工业废水（Pandey等，2025；Kumar和Sharma，2020；Bakraoui等，2019；Haq和Raj，2020）。

在这一工业背景下，柔版印刷工艺广泛用于生产的最终阶段，对纸张和纸板产品进行装饰和功能标签。凭借其操作灵活性、经济效益以及水基油墨的高效使用，柔版印刷已成为纸基包装材料制造业中占主导地位印刷技术。然而，尽管柔版印刷属于辅助工序，但它构成了工业废水产生的重要来源（Zampeta等，2022a；Elessawy等，2024；Diamadopoulos等，2009）。

与柔版印刷工艺相关的废水通常含有颜料（染料和色素）、添加剂（蜡和增塑剂）以及溶剂（有机物、乙二醇醚和醇类）。在此背景下，这些废水的特点是生物降解性低、溶解性和悬浮性固体浓度高、色度强以及化学需氧量（COD）水平高（Sayin等，2025；Ma和Xia，2009）。

未经处理的柔版印刷废水排放引发环境担忧，因为其具有显著的环境影响、高有机含量以及与油墨添加剂相关的潜在生态毒性（Ding等，2024）。随着环境法规日益严格以及工业运营中水回用策略的重要性日益提升，人们越来越关注有效的处理方案，以期在纸基材料行业的更广泛背景下解决柔版印刷废水的特有特征。

据报道，由于柔版油墨相关污染物的性质，印刷废水的常规生物处理效果不佳（Zampeta等，2022a；Ma和Xia，2009；Kumar和Sharma，2022；Ewuzie等，2022）。因此，多种非生物方法已被研究用于处理印刷行业废水，包括高级氧化工艺（AOPs）、膜过滤、吸附和混凝等物理化学技术，以及电化学技术（Pandey等，2025；Simoni等，2025；Ramos等，2019；Zagklis等，2012；Zhang等，2021；Zhang和Liu，2003）。其中，电絮凝（EC）因其能够在相对简单的操作条件下有效去除污染物，成为处理各类工业废水（包括印刷、纺织、制革以及制浆造纸行业高负荷废水）的一种特别有前景的方法（Patel等，2025；AlJaberi，2023；Emamjomeh等，2020；Zampeta等，2022b；Shokri和Fard，2022；Zini等，2020；Zazou等，2019）。

此外，电絮凝反应器制造中的一个特别优势是电极和储液槽使用回收材料，这使得电絮凝在循环经济背景下成为一种潜在的修复策略（Tripathi等，2025；Villalobos-Lara等，2025；Hasnaoui等，2024）。

近期研究已证明了电絮凝在处理印刷、造纸及相关行业废水方面的成功应用。报道的COD去除率范围约为51%至90%，具体取决于废水特性、初始有机负荷、pH值、反应器配置和操作条件。例如，印刷油墨废水的COD去除率为70–85%（Papadopoulos等，2019），造纸行业废水为90%（Zaied和Bellakhal，2009），纸浆厂废水为68%（Kumar和Sharma，2022），印刷行业废水为80–88%（Nguyen等，2021），涂料制造废水为90%（Akyol，2012），印刷废水为51.35%（Koslowski等，2025），印刷和包装行业废水为90%（Emamjomeh等，2020），初始COD接近20,000 mg L?1的印刷油墨废水为82%（Zampeta等，2022b）。这些研究展示了电絮凝处理高污染工业废水的通用性。然而，大多数研究聚焦于由商业材料制造的常规平板电极反应器，并且主要评价处理性能，而对多孔电极配置、作为循环经济策略一部分的回收铝电极使用以及计算流体动力学（CFD）在分析流体力学、传质和电流分布方面的整合应用关注有限。

因此，本研究旨在研究使用一种新设计的电絮凝反应器处理真实工业柔版印刷废水，该反应器配备由回收的商业HFA 4003铝制成的多孔电极——该材料广泛应用于烘焙和蛋糕制造行业。通过实验评估了电流密度、铝投加量和电解时间对COD和浊度去除率的影响。此外，通过原子吸收光谱法（AAS）和能量色散X射线光谱法（EDS）分别测定了处理出水中的残余铝浓度和生成的絮体的元素组成，以进一步深入了解电絮凝过程。此外，还进行了CFD模拟以分析反应器内的流体力学行为、电流分布和传质过程，从而提供对电絮凝过程及其对该工业废水中COD和浊度去除影响的现象学理解。

EC反应器

多年来，人们开发了各种各样的电絮凝反应器设计，用于从不同的水基质中去除多种污染物。其中报道最多的配置包括平行板系统（堆叠排列）、基于FM01-LC的流式电解槽以及旋转圆柱电极（Patel等，2025；AlJaberi，2023；Emamjomeh等，2020；Zampeta等，2022b；Shokri和Fard，2022；Zini等，2020；Zazou等，2019）。众所周知，平行

动量传递：湍流

考虑电絮凝反应器几何结构对流体动量传递进行了模拟。由于多孔电极的设计，预期会出现与湍流状态相关的旋转流动模式（涡流）。因此，采用雷诺平均Navier–Stokes方程（RANS）（式1）和连续性方程（式2），结合k–ε湍流模型，用于描述三维域内工业柔版印刷废水的流动和扩散。

电流密度对COD和浊度去除率的影响

电流密度是电絮凝过程中的关键参数，因为铝投加量是一个法拉第过程，与施加的电流直接成正比。铝投加量由阳极产生。然而，部分阳极电流会被寄生反应消耗，例如析氧反应（OER），这会降低有效铝的产生量（Patel等，2025；AlJaberi，2023；Emamjomeh等，2020）。

Al → Al3? + 3e?

2H?O → O? + 4H? + 4e?

在电絮凝过程中，阴极处产生氢

结论

本研究通过实验和基于CFD的理论分析，研究了使用由回收商业HFA-4003铝制成的电絮凝反应器处理工业柔版印刷废水，该铝材料来源于典型烘焙产品。实验结果表明，在6 mA cm?2的电流密度下，电化学反应处理效率较高，COD去除率达到78.5%，浊度去除率达到99%。在40分钟后观察到稳定的去除条件。

未引用参考文献

Zeng和Zhang（2010）；Miles等（1978）

CRediT作者贡献声明

Tania Ruiz-Vera：撰写—审阅与编辑、调查、概念化。Gilberto Medellín-Sanches：方法论、调查、正式分析。Laura García-Alfaro：方法论、调查、正式分析。Javier Páramo-Vargas：调查、概念化。Zeferino Gami?o-Arroyo：资源、方法论、调查。S. Citlaly Gaucin-Gutiérrez：可视化、调查。F. Fernando Rivera Iturbe：软件、资源、调查。Villalobos-Lara A. Daniel：撰写—

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

通讯作者感谢莱昂科技大学环境化学实验室提供其设施以供开展本研究。作者感谢瓜纳华托造纸行业提供工业废水样品。他们还感谢CIDETEQ授权使用本研究使用的COMSOL Multiphysics许可版本。作者进一步感谢Eduardo Pérez教授。

Daniel Villalobos-Lara | F. Fernando Rivera Iturbe | Tania Ruiz-Vera | Laura García-Alfaro | Gilberto Medellín-Sanches | Zeferino Gami?o-Arroyo | Javier Páramo-Vargas | S. Citlaly Gaucin-Gutiérrez

新兴工业与信息技术方向，莱昂科技大学，大学城大道225号，圣卡洛斯区，邮编37670，莱昂，瓜纳华托州，墨西哥