电絮凝钝化/破钝机理及多物理场耦合反应动力学模拟研究

Electrocoagulation (EC) is one of the widely-used technologies for heavy metals wastewater treatment. Yet, its further application is hampered by passivation issues. In particular, the formation of an inhibiting layer on anode electrode prevents its continuous dissolution, decreases the removal efficiency, increases the power consumption and limits the recovery of hydrogen. Additionally, the mechanism of passivation/depassivation is still unclear and the depassivation ways still exist many deficiencies. Here, the present project is planned to use the response surface methodology experimental design (RSM), electrochemical analysis, x-ray photoelectron spectroscopy (XPS), x-ray diffraction (XRD), computational fluid dynamics (CFD) and multiphysics (Multiphysics) to systematically reveal the mechanism of the passivation/depassivation and further to optimize the reactor configuration and operating parameters by coupling multiphysics and reaction kinetics to prevent or significantly decrease the passivation in EC process.

电絮凝是一种广泛应用的重金属废水处理技术。然而电絮凝过程中的钝化现象会阻碍阳极进一步溶解，从而显著降低处理效果、增加电能消耗、限制氢气的回收利用，已成为制约其进一步发展与应用的瓶颈问题。目前关于电絮凝钝化/破钝的机理仍未得到阐明，破钝的方式仍存在诸多不足。本项目拟采用响应面设计（RSM）、X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）、计算流体力学（CFD）及多物理场（Multiphysics）模拟等手段，探究电絮凝过程中的钝化/破钝机理，建立多物理场与反应动力学的耦合模型，优化电絮凝反应器构型以及操作参数，防止或显著减少钝化现象的发生。

电絮凝技术因自动化程度高、易与其他工艺组合应用等优点，正在重金属废水处理中得到更广泛的应用。研究电絮凝过程的钝化/破钝形成机制，构建多物理场耦合反应动力学模型将有助于解决电絮凝技术应用中面临的钝化问题。本项目围绕着电絮凝处理含铬（Cr(VI)）、砷（As）、锑（Sb）等重金属废水过程中钝化/破钝机理及其行为展开了研究。重点分析了影响电絮凝钝化/破钝过程的显著性因素，研究了电极表面钝化膜的生成机理以及转换行为，构建了电絮凝钝化/破钝行为的动力学模型；分析了电絮凝反应器构型以及操作参数对流场、电场以及温度场的影响，构建了电絮凝中多物理场模型；耦合多物理场模型与反应动力学过程，模拟了电絮凝中钝化/破钝行为；借助电絮凝钝化/破钝行为模拟模型，优化了电絮凝运行操作参数以及研发新型高效电絮凝反应器；提出了电絮凝-气浮处理重金属废水的实时控制策略。