螺旋结构电极的多物理场协同优化及其在高效除氟中的应用研究

针对传统电凝(EC)系统电极钝化快、传质效率低等问题，研究人员通过结构设计-多物理场模拟-3D打印集成策略，开发了新型螺旋电极。该设计使电极表面积提升4.1倍至296.15 cm2 ，边界层厚度降至20 μm，传质系数达3.8×10?5 m/s。在5.08 mA/cm2 电流密度下，5分钟实现98.5%除氟率，能耗仅1.77 kWh/m3 ，为高氟废水处理提供创新解决方案。

　　

研究背景
全球范围内，地下水氟污染已成为严峻的公共卫生危机。在印度拉贾斯坦邦等地质富氟区，90%儿童罹患氟斑牙，1000万成年人因骨骼氟化症丧失劳动能力。更令人担忧的是，最新流行病学研究揭示产前氟暴露与儿童智商下降存在显著关联。传统除氟技术各存瓶颈：化学沉淀法残留氟浓度>8 mg/dm³
，反渗透膜在去除98%有害氟的同时也截留了人体必需的矿物质。电凝(EC)技术虽具环保优势，但传统平板电极运行3小时即形成20 μm氧化层，电流效率从92%骤降至38%，能耗激增165%。

研究方法
华中科技大学研究团队采用"结构设计-多物理场模拟-3D打印"三位一体策略，通过COMSOL Multiphysics 5.5建立包含稀物质传递、电流分布和湍流的多物理场耦合模型。选用高纯铝(≥99.5%)3D打印制备边长为5 cm的立方螺旋电极，集成于自主设计的多通道反应器(有效容积1.0 dm³
)。通过单因素实验系统评估不同电流密度(1-10 mA/cm²
)和pH(3-11)条件下的除氟效能，采用离子选择电极实时监测氟浓度。

研究结果
COMSOL多物理场模拟结果
螺旋电极主曲率达100 m^-1
，是平板电极的7倍。交错螺旋通道产生雷诺数>4000的湍流，将边界层厚度压缩至20 μm，传质系数提升至3.8×10^-5
m/s。电流密度分布模拟显示，螺旋结构使边缘区域电流密度仅比中心低12%，远优于平板电极40-60%的衰减幅度。

实验验证结果
在5.08 mA/cm²
电流密度、4.54 V电压、pH 7.19条件下，5分钟处理即可将20 mg/L氟废水降至0.75 mg/L，能耗1.77 kWh/m³
，成本2.28 CNY/m³
。极端条件测试中，80 mg/L高氟废水经处理后残余氟浓度1.32 mg/L，仍优于WHO标准，且能耗较传统EC降低35-40%。

结论与意义
该研究创新性地提出曲率半径(R_c
=0.8 mm)与流道宽度(W_c
=1.2 cm)的最佳匹配关系，通过三维螺旋结构实现电极活性与传质强化的协同提升。周期性极性反转(每10分钟)策略使电极持续保持>90%的电流效率。相比传统EC系统，该设计将有效反应体积扩大3.8倍，电极利用率提高至82.3%。研究成果为分散式高氟废水处理提供了兼具高效性(98.5%去除率)与经济性(2.28 CNY/m³
)的解决方案，尤其适用于中国农村和非洲裂谷区等基础设施薄弱地区。

技术延伸
该螺旋电极设计原理可拓展至其他电化学水处理领域，如重金属去除和有机污染物降解。研究团队指出，未来通过太阳能供电集成，有望进一步降低40%以上的运营成本。电极反应副产物Al_n
F_m
(OH)_3n-m
絮凝污泥的资源化利用，将成为后续研究重点。