An Anti-Scaling Strategy for Electrochemical Wastewater Treatment: Leveraging Tip-Enhanced Electric Fields

废水 缩放比例 电化学 环境科学 污水处理 电场 环境工程 化学 物理 电极 数学 几何学 物理化学 量子力学
作者
Yihui Zhu,Weijian Duan,Ziyuan Huang,Tian Li,Wenbo Wu,Zhi Dang,Chunhua Feng
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:58 (29): 13145-13156 被引量:17
标识
DOI:10.1021/acs.est.4c03572
摘要

Electrode scaling poses a critical barrier to the adoption of electrochemical processes in wastewater treatment, primarily due to electrode inactivation and increased internal reactor resistance. We introduce an antiscaling strategy using tip-enhanced electric fields to redirect scale-forming compounds (e.g., Mg(OH)2 and CaCO3) from the electrode-electrolyte interface to the bulk solution. Our study utilized Cu nanowires (Cu NW) with high-curvature nanostructures as the cathode, in contrast to Cu nanoparticles (Cu NP), Cu foil (CF), and Cu mesh (CM), to evaluate the electrochemical nitrate reduction reaction (NO3RR) performance in hard water conditions. The Cu NW/CF cathode demonstrated superior NO3RR efficiency, with an apparent rate constant (Kapp) of 1.04 h-1, significantly outperforming control electrodes under identical conditions (Kapp < 0.051 h-1). Through experimental and theoretical analysis, including COMSOL simulations, we show that the high-curvature design of Cu NW induced localized electric field enhancements, propelling OH- ions away from the electrode surface into the bulk solution, thus mitigating scale formation on the cathode. Testing with real nitrate-contaminated wastewater confirms that the Cu NW/CF cathode maintained excellent denitrification efficiency over a 60-day period. This study offers a promising perspective on preventing electrode scaling in electrochemical wastewater treatment, paving the way for more efficient and sustainable practices.
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