一种用于加速去除硬度的集成泵吸电凝系统：工艺强化与结晶机制

《Water Research》：An Integrated Pump-Suction Electrocoagulation System for Accelerated Hardness Removal: Process Intensification and Crystallization Mechanisms

　　

刘云贤|常月新|刘旭|严伟|田敏格|徐浩

中国西安710049，西安交通大学环境科学与工程系

摘要

传统的电化学软化工艺往往受到沉淀与固液分离在空间上分离的限制，导致结晶动力学缓慢、化学药剂消耗量大且工艺集成性较差。为克服这些缺陷，本研究基于无膜泵吸结构，开发了三种逐步强化的系统：泵吸化学絮凝系统、分体式电凝聚系统以及集成泵吸电凝聚系统。其中，集成泵吸电凝聚系统将阴极碱性生成与复合阳极中活性铝物种的原位释放在同一个反应器中实现空间集成。多物理场模拟表明，汇聚流场与向心电势梯度的结合促进了结垢离子和OH^-向阴极区域的定向输送，从而形成了具有强化反应耦合的封闭碱性微环境。与单一泵吸系统相比，镁硬度与浊度的表观去除速率常数分别提升了约5倍和12倍。在最佳条件下，浊度可在2.5分钟内从250 NTU迅速降至22 NTU，而钙和镁硬度的去除效率则分别达到92.68%和96.36%。同时，集成泵吸电凝聚系统的特定能耗仅为12.60 kWh/kg CaCO₃，相比分体式电凝聚系统降低了32.44%。机理分析进一步表明，阴极诱导的沉淀与阳极释放的铝物种之间的协同作用促进了成核，加速了有序晶体生长，并形成了具有更好沉降性能的钙镁碳酸盐聚集体。总体而言，本研究证明，通过合理重构电化学反应空间，可将硬水软化的限速步骤从成核转变为传质和颗粒聚集，从而为高效节能的软水处理提供一种简洁且低化学剂量的方案。

引言

循环冷却水在电力、化工和冶金等行业中被广泛使用。Ca²⁺和Mg²⁺等硬度离子的积累会导致碳酸盐和氢氧化物结垢，进而降低传热效率、加剧设备腐蚀并增加能源消耗（Chang等人，2025；Jiang等人，2024）。因此，有效去除硬度离子对于循环水系统的稳定运行至关重要。

传统的化学沉淀法通过添加碱性试剂（如NaOH或Ca(OH)₂）来促使CaCO₃和Mg(OH)₂的形成，从而去除Ca²⁺和Mg²⁺（James和Mitch，2022；Zhang等人，2020b）。混凝剂和絮凝剂则常被用来促进颗粒的生长和沉降（Kausley等人，2022）。这种方法技术成熟，去除速度快，但依赖于化学添加剂，这不仅增加了运营成本和污泥处理的负担，还可能引发二次污染（Kausley等人，2022）。

作为一种替代方法，电化学软化技术通过阴极水的还原反应原位产生OH^-，在电极界面附近形成高碱性微环境，从而促使沉淀，减少外部化学试剂的使用（James和Mitch，2022；Zhang等人，2020a）。不过，这项技术仍存在一些关键挑战。首先，OH^-主要局限于阴极界面层，其扩散受限，使得反应区域仅限于电极表面（Kang等人，2023；Luan等人，2019）。其次，阳极产生的H⁺容易中和OH^-，降低了OH^-的利用率（Wang等人，2025）。此外，传统的电化学软化通常依赖阴极表面的异质成核，这限制了沉淀位置，难以实现高效的整体反应（Jiang等人，2024）。为解决这些问题，人们开发了多种酸碱分离策略，包括离子交换膜（Díaz Nieto等人，2019；Hasson等人，2016）、PTFE微滤膜（Liu等人，2022）以及多孔隔离结构（Kang等人，2023；Kang等人，2024），以此抑制H⁺ /OH^-的中和，维持局部的高碱性条件。然而，这些方法的实际应用仍受到膜成本、结垢问题以及操作复杂性的限制。

由于结构简单且成本低廉，无膜电化学系统近年来受到了广泛关注。通过优化电极配置和流场分布，这些系统能够增强OH^-的传输，将反应区域扩展到电极界面之外（Ba等人，2023；Wu等人，2025）。然而，颗粒生长缓慢以及固液分离效率低下仍然限制着整体的处理性能（Zhou等人，2025b）。因此，有研究将电化学过程与絮凝和沉降相结合，以加速颗粒的聚集和分离（Wang等人，2024）。不过，传统的电化学分离工艺通常需要多个单元串联，不仅增加了操作复杂性，还需要额外的化学试剂，从而削弱了电化学系统在减少化学药剂用量和降低碳足迹方面的优势（Chang等人，2025；Wang等人，2024）。如何开发一种无需额外化学输入、同时能促进颗粒生长、固液分离和电化学软化的集成策略，仍然是一个重要挑战。

为此，本研究开发了三种渐进式的处理系统。首先，在泵吸电化学系统中引入化学絮凝工艺，构建了泵吸电化学-化学絮凝系统，通过外加絮凝剂来增强颗粒的聚集和沉降。随后，在分体式电凝聚系统中用电凝聚取代外部絮凝剂，从而实现絮体的原位生成，减少化学药剂的使用。然而，传统系统中阴极碱性生成与阳极溶解的空间分离限制了反应物种之间的协同作用。为解决这一问题，本研究开发了集成泵吸电凝聚系统，通过结构集成和泵驱动的传质作用，共同营造出具有强化物种耦合的封闭高碱性微环境。这种结构有望从源头调控成核位置，促进沉淀，进而通过原位生成的絮体加速颗粒的生长和分离。

本研究旨在系统比较这三种系统的处理性能和能耗特性。具体而言，重点探讨集成泵吸电凝聚系统中的多物理场耦合软水机制，阐明该系统为何能够在不使用外部混凝剂辅助的情况下实现快速高效的沉淀。这些研究结果将为电化学强化软水处理过程的结构设计和工程应用提供理论依据。

章节节选

试剂与水样

关于模拟循环冷却水所用的化学品、材料以及基本水质参数的详细信息见补充材料（文本S1）。

实验装置与系统构建

所有实验均在具有同心结构的丙烯酸电化学反应器中进行，该反应器由可控直流电源供电（中国荣达信电力技术有限公司）。在每个系统中，都使用了高度为30毫米、直径为25毫米、孔径为4毫米×2.5毫米的不锈钢网作为公共阴极，而

PCF系统的性能评估

先前的研究（Zhou等人，2024）表明，在阴极边界层引入泵送机制是一种简单有效的增强OH^-浓度并实现分离的方法。由此产生的阴极液pH值可稳定在11.4以上，为Ca²⁺和Mg²⁺的沉淀创造过饱和条件。同时，这种高pH环境还能促使HCO₃^-转化为CO₃^2-，为钙离子的沉淀提供必要的反应条件。这样的条件极为

结论

本研究系统阐述了PCF、SPE和IPE三种系统在循环水软化方面的性能差异及其背后的机制。研究结果表明，传统的单级强化策略要么过度依赖化学药剂，要么存在反应与分离过程在空间上的分离，这限制了沉淀动力学和固液分离效率。相比之下，集成泵吸电凝聚系统则实现了高效的软化处理

CRediT作者贡献说明

刘云贤：撰写——初稿、研究、正式分析、数据整理。常月新：撰写——初稿、研究、正式分析、概念构思。刘旭：验证、研究、正式分析。严伟：资源提供、方法设计、概念构思。田敏格：资源提供、概念构思。徐浩：撰写——审阅与编辑、方法设计、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号：52270078）、陕西省杰出青年科学基金（编号：2025JC-JCQN-027）、山东省重点研发计划（编号：2025TSGCCZZB0684）的支持，同时还得到了西安交通大学仪器分析中心的仪器支持。