在高盐度且富含二价阳离子的油田产出水中进行长期铝电凝聚过程中，欧姆损耗是导致电极污染的主要原因

《ACS ES&T Engineering》：Ohmic Losses Dominated Electrode Fouling during Long-Term Aluminum Electrocoagulation of Hypersaline and Divalent Cation-Rich Oilfield-Produced Water

　　研究高盐度采出水（含大量二价阳离子）在铝阳极/阴极电解凝聚中的长期电极行为，发现表面沉积的碳酸钙和氢氧化镁显著增加界面电阻，导致Ohmic过电位主导电极电位上升。周期性极性反转（PR）仅在200 mA/cm2的高电流密度下有效，因氢气气泡生成速率足够清除沉积物。铝离子被包裹在沉积层中，降低表观法拉第效率。通过电化学阻抗谱（EIS）证实电位升高与界面电阻增大直接相关，排除了电化学反应的影响。

　　在现代水处理技术中，电凝聚（Electrocoagulation, EC）作为一种高效的水处理方法，因其能够实现原位生成絮凝剂、去除悬浮物和溶解性物质、降低生命周期中的温室气体排放以及通过电化学反应氧化污染物等优势，逐渐受到关注。然而，在实际应用中，特别是在高盐度、高硬度的油井产出水中，电极行为和电化学反应的复杂性对EC的长期运行和效率提出了挑战。本研究重点探讨了在电凝聚过程中，电极的腐蚀行为、电极污染机制以及极性反转（Polarity Reversal, PR）作为一种污染控制策略的有效性。通过系统的实验设计和先进的表征手段，我们揭示了在高盐度油井产出水中，电极污染主要由电阻性效应引起，而非电化学副反应，这为优化EC技术提供了重要的理论依据。

电极污染的形成与电极表面的盐沉积密切相关。在长期恒电流电凝聚过程中，电极电位逐渐上升，这被归因于表面形成的碳酸钙和氢氧化镁等沉积物。这些沉积物不仅阻碍了电极与电解质之间的有效接触，还导致了电化学阻抗谱（EIS）中观察到的电阻性增加。通过EIS技术，我们能够区分电阻性效应与电化学反应的贡献，并发现电位的增加主要来自于电极表面的电阻性损失。进一步的X射线光电子能谱（XPS）和X射线衍射（XRD）分析表明，这些沉积物主要是由钙、镁等二价阳离子与水中的氢氧根结合形成的，而这些沉积物的低导电性导致了电极与电解质之间电荷传输的阻力增加。

值得注意的是，在本研究中，我们发现电极污染与电流密度之间存在显著的相关性。在较低的电流密度下，电极污染较为严重，电位上升幅度较大，而在较高的电流密度下，电极污染明显减少，电位变化趋于稳定。这一现象可能与氢气泡的生成速率有关。在较高的电流密度下，氢气泡的生成速率显著提高，这些气泡能够通过物理方式清除电极表面的沉积物，从而有效抑制污染。然而，在较低电流密度下，尽管PR被应用，其对污染的缓解效果并不显著，这表明PR的有效性依赖于电流密度的阈值。

此外，我们还发现，尽管PR可以改变电极的极性，从而在一定程度上减少污染，但其效果在很大程度上受到电流密度和PR间隔的影响。在实验中，我们测试了4倍的电流密度变化和100倍的PR间隔变化，发现只有在最高的电流密度（200 mA·cm?2）下，PR才能有效缓解污染。这一结果表明，存在一个特定的电流密度阈值，当电流密度超过该阈值时，氢气泡的生成速率足以清除电极表面的沉积物，从而恢复电极性能。这为实际应用中如何选择最佳的电流密度和PR策略提供了指导。

另一方面，我们还评估了不同阳离子对电极腐蚀行为的影响。在高氯离子浓度的环境下，氯离子通过吸附在电极表面，破坏了氧化层，从而抑制了电极的钝化现象。这种现象在低氯离子浓度的系统中较为常见，但在高氯离子浓度的产出水中，电极表面的钝化现象被显著削弱。因此，我们得出结论，氯离子是铝电极溶解的主要驱动因素，而非其他非氯离子或有机物质。

在电凝聚过程中，电极的性能变化还与沉积物的迁移和电极表面的活性面积密切相关。电极表面的沉积物不仅阻碍了电极与电解质之间的接触，还导致了电极表面的活性面积减少，从而影响了电化学反应的效率。通过实验数据，我们发现，即使在PR操作下，沉积物的形成仍然会对电极的性能产生影响，尤其是在较低的电流密度下，沉积物的积累速度较快，导致电极表面的活性区域减少，从而降低了电化学反应的效率。

本研究还揭示了PR在实际应用中的潜力。通过改变电极的极性，PR能够有效缓解电极污染，恢复电极的活性。然而，这种缓解效果仅在特定的电流密度下显著，这表明PR的实施需要结合电流密度和PR间隔的优化。此外，我们还发现，PR对不同阳离子的去除效果存在差异。例如，硅和硼的去除率较高，而钙和锶的去除率较低，这可能与它们在电极表面的沉积方式和迁移能力有关。

综上所述，本研究通过系统的实验和分析，揭示了在高盐度油井产出水中，电极污染主要由电阻性效应引起，而非电化学副反应。PR作为一种污染控制策略，在特定的电流密度下能够有效缓解污染，恢复电极性能。然而，其效果受到电流密度和PR间隔的限制，表明在实际应用中需要综合考虑这些因素。此外，本研究还强调了在高盐度水处理中，优化电流密度和PR策略的重要性，以提高电凝聚的效率和可持续性。这些发现不仅为电凝聚技术的应用提供了理论支持，也为未来的优化研究提供了方向。