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基于電化學反應的軟土電滲界面電阻試驗研究

2025-08-11 00:00:00胡浩甘淇勻周建馬郁春蔣熠誠朱則銘
土木建筑與環境工程 2025年4期
關鍵詞:間歇陰極陽極

中圖分類號:TU472.5 文獻標志碼:A 文章編號:2096-6717(2025)04-0010-09

Experimental study of electro-osmotic interface resistance of soft soil based on electrochemical reaction

HU Hao1,GAN Qiyun23, ZHOU Jian2,MA Yuchun L1 , JIANG Yicheng 2 , ZHU Zeming2 (1. China Railway Construction Group Southern Enginering Co.,Ltd.,Guangzhou 5l1466,P.R.China;2.Coastal and Urban Geotechnical Engineering Research Center; Zhejiang Urban Underground Space Development Engineering Research Center, Zhejiang University,Hangzhou 31Oo58,P.R.China;3. Zhejiang Jiantou Innovation Technology Co.,Ltd.,Hangzhou 310012,P.R.China)

Abstract: In order to solve the issue of high energy consumption and significant potential loss at the soilelectrode interface during electroosmotic consolidation,this study investigates the impact of electrode reactions on interface resistance from an electrochemical perspective.By using a self-designed one-dimensional electroosmotic consolidation device,indoor experiments were conducted to explore the trend of the clay-electrode interface resistance under diffrent electrode materials and diffrent power supply modes.The trend of interfacial resistance of four diffrent electrode materials,electric geosynthetics (EKG),iron,aluminum and copper, under continuous power supply was investigated through laboratory electroosmotic tests.Further,the electrochemical mechanism of action of two optimized power supply modes,intermittent current and polarity reversal,were investigated.Results show that electrode reactions alter the interface electrochemical properties, affecting interface resistance and thus the electroosmotic drainage rate.The rapid growth of the interfacial resistance is one of the reasons for the high energy consumption of electro-osmosis The anode interface resistance is significantly afected by electrode reactions,with a smaller anode interface resistance observed in the EKG electrode under long-term electrification,while the metal electrode exhibits a larger anode interface resistance due to the combined efects of concentration polarization and surface membrane resistance.Using an optimized power supply strategy could help alleviate interface polarization and inhibit interface resistance growth.

Keywords: electro-osmotic; interfacial resistance; electrode reaction; experiment study; ground improvement; electrochemistry

電滲法是一種加快細粒土排水固結的有效方法,被應用于軟土地基加固、疏浚淤泥排水、重金屬污染土修復以及尾礦脫水等領域[。相較于堆載預壓和真空預壓等常規加固方法,電滲法排水速率不取決于水力滲透系數,具有顯著優勢[2]。但在長期應用實踐中發現,電滲法能耗較高[3,特別是在黏土-電極的界面處電勢損失(界面電阻所消耗的電勢)較大4,限制了該方法的推廣應用。在工程界,界面電勢損失常被視為經驗值,占總電勢的 50%~ 90% 。Bjerrum等5在挪威現場試驗中發現,界面電勢損失約 50% ;李存誼在電滲加固海相吹填土時發現,電滲后期階段界面消耗的外電勢一度超過總電勢的 70% ,即在界面處的能耗甚至高于土體消耗的能耗。由此可見,研究電滲過程中黏土-電極界面過程機理,從而降低界面電阻、減小界面處的能耗是亟待解決的問題。

目前針對黏土-電極界面電阻的研究多采用室內試驗方法,Zhuang等結合電滲試驗現象,首次提出界面電壓降的假定并給出了界面電阻表達式。張雷等8發現,電滲過程中電勢損失主要發生在電極-土體界面處,并將其歸因于電極材料腐蝕。謝新宇等9基于金屬元件間的接觸電阻理論,研究了電極腐蝕及導電面積對界面電阻的影響。Gan等[0]將電化學經典理論引入電滲加固領域,用于闡釋界面電阻變化機理,建立了基于電極反應過程的界面電阻計算模型,發現界面電阻的主要影響因素包括電極材料、電極反應持續時間、電極表面的電流密度以及孔隙液pH值等。上述模型的提出為從電極反應差異研究電滲過程中界面電阻變化提供了理論基礎。電極反應是電滲時電流自電極板進入土體的必要步驟。土體通電后,黏土-電極界面處的電極反應保證了電子在電極(電子導體)和黏土(離子導體)間的跨相傳遞。不同電極材料的電極電化學反應各不相同,式(1)和式(2)所示分別為金屬電極和

惰性電極的陽極反應。

式中:Me指代不同金屬元素; n 為電荷數。

陰極處主要發生析氫反應

2H2O+2e-H2↑+2OH-

不同的電化學反應會造成黏土-電極界面處電阻變化規律的極大差異。

在電滲法的應用中,電極反應變化主要體現在電極材料和通電模式上。電極材料對電滲產生的影響廣受學者關注[4.8,11-12],較多學者將目光聚焦于整體電滲排水表現,對產生電滲排水效果差異的內在機理研究較少。陶燕麗等[12]總結了電極材料對電滲的影響,并指出電極材料對電滲過程的影響主要通過電勢損失和離子遷移過程實現。進一步地,為降低傳統電滲法的能耗,提升排水效率,在工程現場往往會采用優化通電模式[5-6.13-14]。優化通電模式包括間歇通電和反轉通電等,與持續通電相比,優化模式以中斷或變換電極反應的方式改變黏土-電極界面狀況,對界面電阻同樣會產生較大影響。目前學者較多關注通電參數與排水速率,如Micic等[15]和Malekzadeh等[16使用鐵電極進行了室內試驗,對通電時間和通電斷電時間比(通斷比)展開了研究;Ou等發現,長時間反轉通電不利于電滲排水;沈揚等[18]和蔣熠誠等[19利用EKG電極研究了電極反轉規律。上述研究集中于電極材料和通電模式對排水效率的直接影響,缺乏對界面電阻變化規律的研究,未考慮電極反應差異在其中的作用。

綜上所述,針對電極反應差異對電滲界面電阻以及排水效率的影響,筆者首先開展不同電極材料電滲排水室內試驗,基于電化學模型分析界面電阻變化。其次,開展間歇通電和反轉通電兩種通電模式的電滲試驗,研究非連續電極反應下界面電阻的變化規律。通過多組室內電滲試驗,重點關注電滲過程中的電學現象,研究電化學反應、界面電阻以及電滲排水效率三者的相互關系,為降低電滲界面電阻、緩解電滲高能耗提供參考。

1 試驗設計

1.1 試驗方案

試驗分為兩個部分。第1部分為不同材料電極的持續通電試驗:分別使用EKG、鐵、鋁、銅電極,分析界面電阻變化規律,并探尋界面電阻對排水效率的影響。其中,EKG電極由添加碳黑的塑料排水板包裹銅絲構成,具有良好的導電性,耐腐蝕,是近年來逐步推廣使用的一種電極材料。EKG電極通電后發生的電極反應與惰性電極(式(2))相似,試驗結果一定程度上代表了石墨等惰性電極的情況。第2部分為優化通電模式對各電極界面電阻的影響:選取第1部分試驗中排水效果較好的鐵電極和EKG電極開展優化通電模式試驗研究,重點研究不同電極材料下間歇通電和反轉通電時界面電阻變化趨勢,具體試驗方案見表1。

表1試驗方案Table1 Test schemes

RC-1和RC-2試驗采用反轉通電模式,為避免混淆,將持續通電試驗下通電方向定義為正向,反轉后稱反向通電。所有試驗中正向通電電壓取30V ,電勢梯度 1.5V/cm ,為電滲室內試驗常用取值范圍[20]。持續通電組(CC1-4)通電時間為 24h 。這是由于前期試驗發現EKG電極持續通電 24h 后基本不再排水,排水速率連續 3h 小于 1mL/h ,因此推廣至各金屬電極試驗中。試驗后發現,雖然金屬電極通電 24h 后仍會有一定量的水排出,但本研究重點關注界面電阻的變化及影響,后續排水對試驗結果影響不大。對于優化通電模式的試驗組,蔣熠誠等[19總結了現有研究中存在的一些分歧,并通過試驗研究發現:對于EKG電極,在適當電壓下短時間反轉通電有利于電滲排水。因此,參考文獻[19],本研究反轉通電采用正向通電 20min ,反向通電4min ,反向通電電壓 20V 的方案,間歇通電采用通電

20min ,斷電 4min 的模式。試驗持續時間由正向通電時間控制,當正向累積通電達到 24h 時停止試驗,即間歇及反轉試驗組的真實持續時間為 28.8h 。

1. 2 試驗裝置

試驗裝置采用自主研發的電滲室內試驗系統(如圖1所示),由模型箱、供電模塊及數據采集模塊組成。相較于以往研究中常用的電滲裝置,該裝置主要對供電模塊和數據采集模塊進行了改進,克服了需要人工切換電源,無法高頻次間歇、反轉通電的缺陷。供電模塊包括直流供電電源、計時器、反轉切換開關以及控制回路電源,輸出功率為 60V/ (3A),能穩定提供直流電,輸出精度控制在±0.2% 。通過計時器和反轉切換開關,能實現自動間歇通電和反轉通電,可以控制時間范圍在 的電源切換,控制精度為 1% 。數據采集模塊頻率為 1Hz ,電壓表精度為 1mV ,電流表精度為0.1mA ○

圖1電滲裝置示意圖Fig.1 Device for electro-osmosis

模型箱 (200mm×100mm×120mm) 由有機玻璃組成,兩側利用固定扣件將工作電極與電勢探針固定在側壁處,避免發生相對位移。工作電極整體高度為 140mm ,插入土體部分長 120mm 。試驗時土體表面覆有密封膜,防止水分蒸發干擾試驗結果,在陰極處設置排水管、儲水燒杯及電子天平,記錄試驗排水情況。

1.3 試驗材料

試驗用土為杭州淤泥,取自某杭州亞運基坑工程。原狀土各項物理指標如下:含水量 w=58.5% 土粒比重 Gs=2.75 ,孔隙比 e=1.47 ,液限 45.3% ,塑限 wp=23.5% ,土體電導率 σe=0.16S/m 。試驗時為確保黏土試樣均勻,將原狀土烘干研磨成土粉,加人去離子水,調制成試驗所需目標含水量( 80% 的重塑淤泥,制備完成后密封靜置 72h 以上。

工作電極采用鐵、鋁、銅、EKG四種材料的電極板。金屬電極( (1mm×100mm×140mm) 包括鐵、鋁、銅電極,在陰極板處開有小孔,確保順利排水,孔徑約 3mm 。EKG電極采用板式EKG電極,尺寸為 5mm×100mm×140mm ,陰極板處開孔方式同金屬電極。由于EKG電極與土體接觸部分主要是由石墨組成的非金屬材料,因此,其陽極表面所發生的電極反應為析氧反應(式(2)),EKG電極的試驗結果一定程度上代表了一系列陽極發生析氧反應的惰性電極情況。

2 不同電極反應界面電阻試驗結果

大量電滲試驗中發現界面電勢降的存在[7,9],但大多僅在試驗前、中、后期進行測量,所測數據時間間隔較大,少有研究連續測量其隨時間的變化。本研究利用高頻率電壓電流表對界面電勢降進行連續觀測,并通過式(4)分別計算陽極和陰極界面電阻

式中: Ra,Rc 分別為陽極界面電阻和陰極界面電阻,Ω;Va1Vc1 為陽極電勢降及陰極電勢降,V,由電壓表實測所得; I 為電流,A,由電流表測得。Gan等[從黏土-電極界面電化學反應角度推導了金屬和非金屬電極界面電阻計算方法。該模型將界面所消耗的電勢分解成分解電壓、活化電勢差和濃差電勢差3個部分依次計算,并分析了其影響因素和產生機理。因此,本研究依據該模型,從活化電阻和濃差電阻的角度對室內試驗中界面電阻的變化進行分析。

2.1 陽極界面電阻

圖2是陽極界面電阻隨時間的變化曲線,其中,由于銅電極界面電阻過大,在圖2(b)中單獨呈現。試驗開始時EKG電極陽極界面電阻為 11Ω ,大于金屬電極的初始界面電阻,但增長較緩慢,在試驗結束時仍能保持較小的陽極界面電阻。

金屬電極陽極界面電阻增長迅速,其變化趨勢可分為3個階段。

1第1階段陽極電阻極小,僅為 3~5Ω 。此時界面電阻主要由分解電壓控制,在相同的電流密度下,金屬材料分解電壓遠小于EKG等惰性電極材料,符合電極動力學普遍規律[21]。

2)隨著通電的持續,界面電阻變化趨勢進入第2階段,金屬表面逐漸發生鈍化,表面膜阻的增大使陽極界面電阻迅速增長。根據金屬材料的不同,鈍化發生時刻與電阻突增幅度也各不相同。就發生時刻而言,鋁電極最早出現鈍化現象,隨后是鐵電極與銅電極。其中又以銅電極持續時間最長,電阻增幅最明顯, 3.39h 后銅電極陽極界面電阻增至 145Ω 。

圖2陽極界面電阻隨時間變化曲線Fig.2Anode interface resistance curves with time

3)進入第3階段,界面電阻增長速率逐漸穩定,依次為銅電極 gt; 鋁電極 gt; 鐵電極。第3階段陽極界面電阻的增長是活化電阻、濃差電極和表面膜阻的共同作用,電流密度下降導致活化電阻升高,金屬離子累積導致濃差電阻增大,電極表面的沉積物進一步加大了膜阻。

金屬電極的陽極界面電阻增長速率遠大于EKG電極,這是由陽極處的電化學反應決定的。金屬陽極反應如式(1)所示,在通電的過程中伴隨著陽極金屬的溶解,生成的金屬離子必然會在電極表面累積。金屬離子的累積會導致濃差極化現象,與此同時,還會生成一些副產物,如金屬氧化物、氫氧化物附著在電極表面,進而形成極大的表面膜阻。圖3是電滲后各電極的照片,可以發現,銅電極陽極表面有一層“紅泥”(氧化沉積物),嚴重阻礙了電極反應的發生;鋁電極試驗后雖然質量變化不大,但在陽極可以發現透明度較高的白色物質,難以去除。表面膜阻也導致鋁、銅電極陽極界面電阻在驟降后快速增長。

總的來說,金屬電極陽極界面電阻的增長主要由濃差電阻和表面膜阻兩部分構成。

2.2 陰極界面電阻

圖4是陰極界面電阻變化曲線,對比陽極曲線(圖2)發現,陰極界面電阻的增長幅度遠不及陽極,以銅電極為例,試驗結束時陰極電阻為 65Ω 左右,遠小于陽極界面電阻( 786Ω )。試驗初期,EKG電極和鋁電極的電阻初始值大于鐵電極和銅電極;隨著通電的持續,EKG電極和鐵電極界面電阻維持在較低水平,鋁電極和銅電極的陰極界面電阻增長較為顯著;試驗結束時,EKG電極和鐵電極的陰極界面電阻較小,分別為 8.9.6.5Ω ,鋁電極 (45.0Ω) 以及銅電極 (61.9Ω 相對較大。總體而言,陰極界面電阻受電極材料影響較小,主要是由于各材料在陰極均發生了析氫反應(式(3)),相同的電化學反應使其呈現出一定的相似性。

圖3鋁、銅陽極電極板表面狀態
圖4陰極界面電阻隨時間變化曲線

綜合對比陽極界面電阻和陰極界面電阻可以發現,在通電過程中,陽極界面電阻對電滲效率起主導作用。無論是金屬電極還是EKG電極,陽極界面電阻均大于陰極。陰極界面電阻增長不明顯,是由于電極反應生成物氫氧根離子隨排水離開電極板表面,因此濃差極化不明顯。同時可以發現,陰極界面電阻增長較為迅速的銅、鋁電極陰極電阻的變化趨勢與陽極類似,這是由于銅、鋁電極陽極濃差電阻和表面膜阻較大,使電流下降,較小的電流值導致陰極活化電阻大增,因此,這兩種電極的陰極界面電阻增長稍顯迅速。

2.3 排水量和電流

電滲試驗中,排水量是最為直觀的判斷電滲效果的指標2,圖5為不同電極在持續通電下電滲排水量隨時間的變化曲線。由圖5可知,EKG電極的排水效果最佳,試驗結束時排水量超過 250mL ;在試驗條件下,相較金屬電極,EKG電極具有較大優勢,鐵、鋁、銅電極的排水量僅為EKG的 85.6% 、77.3%.64.1% 。排水量變化曲線斜率反映了該試驗組的排水速率,EKG電極在通電 10h 內排水速率較快,隨后逐漸放緩;而對于金屬電極,電滲開始后4h內排水較快,總體而言,排水速率均不及EKG電極。界面電阻越大的試驗組排水效果越差,因此,界面電阻一定程度上可以作為電滲過程中反映排水效率的評價指標。

試驗采用恒定電壓供電,外電壓保持為 30V 不變,電流的變化反映了電滲體系整體電阻的變化。圖6是電流隨時間的變化曲線,各試驗組電流在前期均有小幅上升。從局部放大圖中可以發現,鋁電極最快達到電流峰值,隨后迅速衰減;EKG電極和鐵電極電流上升趨勢較鋁電極慢,但持續時間更久;銅電極上升不明顯。經歷上升段后,電流開始下降,其中EKG電極電流下降幅度明顯小于金屬電極,能在較長的時間范圍內保持較大電流。金屬電極的電流均存在一個快速下降的過程,如鐵電極的1.25~2.4h, 鋁電極的 0.5~1.9h 和銅電極的1.25~3.6h ,其中又以銅電極的突降持續時間最長,突降幅值最大。

圖6電流隨時間變化曲線Fig.6Variationcurvesofcurrentwithtime

儲亞等[22]發現,土體電阻率隨含水量的減小而增大,在電滲排水中土體電阻不可避免地會上升。但對比EKG電極和金屬電極(特別是銅電極)的電流變化情況可以發現,EKG電極的最終排水量和電流值均遠大于金屬電極,即EKG組土體電阻大于金屬電極的情況下,其整體電阻仍小于金屬電極。

值得一提的是,在持續通電中后期(EKG電極的 9.6h 、鐵電極的 14h 、鋁電極的 16.5h 以及銅電極的 20h 處)可以觀察到電流的突升,且排水效果越佳的試驗組電流突升越早出現(EKG電極 gt; 鐵電極 gt; 鋁電極 gt; 銅電極)。這是由于持續通電時排水效果不均勻,陽極處土體排水效果好,失水收縮較為嚴重,導致電極板與土體發生脫裂。電極板與土體的部分脫裂使其接觸面積減小,在電流相同時,接觸面積的逐步減小使電流密度增大,活化電阻驟降,因此出現了圖2中所示的陽極界面電阻驟降的情況,電阻的下降使電流升高,電滲效率提高。

3優化通電模式試驗結果

對持續通電試驗中排水效果較好的EKG電極和鐵電極開展優化通電模式試驗。首先分析排水量,以直觀反映各通電模式下的電滲效果,如圖7所示。在本試驗條件下,EKG電極和鐵電極在兩種優化模式下均體現出良好的排水效果,間歇通電時排水量分別提高了 15.4% 和 14.8% ,反轉模式下則提高了 4.0% 和 18.0% 。采用短時間反轉或間歇的通電模式有助于提高電滲排水效率。

圖7不同通電方式排水量對比 Fig.7 Comparison of dewatering capacity under different powersupplymethods

分析通電過程中各試驗組電流、界面電阻變化情況,討論優化通電模式對界面電阻的影響。

3.1 EKG電極試驗結果

EKG電極各試驗組電流變化如圖8所示。間歇與反轉通電模式均不改變電流整體趨勢變化,表現為先小幅增長,而后隨著排水電流不斷下降的趨勢。電流從大到小依次為間歇通電、反轉通電和持續通電,與排水效率一致。在試驗開始后 10h 內,持續組電流下降最快,其后依次為反轉組和間歇組。采用優化通電模式對小周期電流變化影響較大:間歇組小周期電流在試驗初期呈“T\"形, 10h 后變為“L\"形,通電開始時刻電流值大于上一周期結束時刻,而后緩緩下降;反轉組同樣呈前期“T\"形、后期“L\"形的趨勢。該變化主要受界面電阻影響,需要結合界面電阻分析。

圖8EKG電極電流隨時間變化曲線

圖9是3種通電模式下EKG電極陽極界面電阻變化曲線。在整體趨勢上,持續通電組增長最快,間歇組與反轉組陽極電阻增長較緩,特別是在試驗最初 10h 內,與持續組有較大差異。觀察各組小周期的陽極界面電阻變化規律可以發現,間歇或反轉通電后小周期內電阻變化呈“T\"形。小周期界面電阻變化主要受黏土-電極界面處氫離子(陽極反應產物)濃度影響:在間歇通電時,斷電期間電極表面累積的氫離子在化學勢作用下向土體方向擴散遷移;在反轉通電時,原陽極電化學反應由式(2)轉變為式(3),反應生成氫氧根離子消耗累積在電極表面的氫離子。陽極表面氫離子濃度下降,濃差電阻下降,因此,每個小周期恢復通電時均能發現陽極界面電阻減小。

圖9EKG電極陽極界面電阻隨時間變化曲線 Fig.9 Anodeinterfaceresistanceversustimecurvesfor EKGelectrodes

陰極界面電阻變化趨勢見圖10。相較于持續組,間歇通電的陰極電阻前 8h 變化較小,維持在 6Ω 左右, 8h 后有所增加;反轉通電陰極電阻在試驗開始 2h 內突增,而后也持續上升。陰極界面電阻小周期變化趨勢分為兩個階段,前期呈\"L\"形,后期轉變為“T\"形。結合電流變化(圖8)可以發現,EKG電極同時受陰、陽極界面電阻變化影響,前期陽極電阻較小,電流變化受陰極電阻影響較大,后期隨著陽極界面電阻增大,陰極電阻影響逐漸減小,電流變化與陽極電阻變化趨于一致。

圖10EKG電極陰極界面電阻隨時間變化曲線 Fig. 10 Cathodeinterfaceresistanceversustimecurves forEKGelectrodes

3.2鐵電極試驗結果

鐵電極電流變化情況如圖11所示。采用優化的通電模式后,電流整體趨勢在3個方面有所變化:首先,整體電流大小明顯提升且反轉組 gt; 間歇組gt;持續組,符合電滲排水量與電流大小成正比的規律;其次,電流突降時刻明顯延后,由持續通電時的2h 左右延后至反轉通電的4h和間歇通電的6h左右,前期較大的電流保證了電滲初期的快速排水;最后,采用優化通電可以緩解陽極脫裂現象,使加固效果更為均勻,反映在電流變化中即為電滲后期電流突增時刻的推遲。將每個正向通電的 20min 稱為一小周期,間歇與反轉試驗組電流在小周期呈“L\"形,即通電開始時刻電流值大于上一周期結束時刻,而后逐漸下降。

圖11鐵電極電流隨時間變化曲線

鐵電極陽極界面電阻變化趨勢如圖12所示。各試驗組整體趨勢相同,采用優化通電模式可以在一定程度上緩解電極表面鈍化的發生,反轉組與間歇組界面電阻分別在試驗開始后約4、6h開始迅速增長,晚于持續通電組。同時可以發現,電阻增長峰值依次為持續組 gt; 間歇組 gt; 反轉組,優化通電模式限制了界面電阻的增長。

圖12鐵電極陽極界面電阻隨時間變化曲線 Fig.12 Anode interface resistanceversustime curves for iron electrodes

進一步觀察小周期內陽極界面電阻變化發現,優化通電后各組均呈“T”形趨勢。其主要原因是,當采用間歇通電模式時,斷電期間在電極表面累積的陽極反應產物在化學勢的作用下向土體方向擴散遷移,濃差極化現象有所緩解,濃差電阻下降,因此,恢復通電后陽極界面電阻減小;而采用反轉通電時,原陽極(正向通電時作為陽極的電極)發生析氫反應,生成氫氧根離子,氫氧根離子濃度的增大會使金屬離子發生沉淀析出,同樣有利于濃差電阻的降低。

在電滲試驗中,整體電阻由土體電阻和界面電阻兩部分構成,上述陽極界面電阻變化趨勢與電流變化趨勢一一對應,說明采用優化通電模式可以緩解陽極界面電阻增長,促進電流提高,進而有利于電滲固結排水。

陰極界面電阻變化趨勢如圖13所示,與陽極界面電阻相比,金屬電極陰極電阻值較小,主要受活化電阻控制;小周期變化與陽極相同,呈“T\"形,同樣是由于濃差極化有所緩解。

從界面電阻角度來看,采用間歇與反轉通電模式后,鐵電極促進電滲排水的原因主要有:1)推遲金屬電極表面鈍化的發生,抑制表面膜阻增長;2)通過緩解濃差極化現象降低每個小周期初始界面電阻,提高有效電勢;3)使排水處理效果更均勻,緩解陽極電極板與土體的脫裂。

圖13鐵電極電流隨時間變化曲線 Fig.13Cathodeinterfaceresistanceversustimecurves for iron electrodes

4結論

通過多組電滲室內試驗,結合電化學界面電阻模型,從多個角度研究電極反應差異對黏土-電極界面電阻的影響,得到以下結論:

1)電極反應是界面電阻的重要影響因素。電極材料和通電模式均會改變黏土-電極界面均會改變黏土-電極界面處的離子分布和電化學反應速率,進而影響電滲排水速率。

2)在本研究的電勢梯度下,試驗初期金屬陽極界面電阻均小于EKG電極,主要由于EKG陽極析氧反應分解電壓遠高于金屬;試驗后期界面電阻EKG lt; 鐵電極 lt; 鋁電極銅電極,鋁、銅電極的膜阻增長嚴重影響了電滲排水效率。

3)界面電阻變化趨勢與排水效率高度一致。降低電滲過程中的界面電勢損失有助于促進電滲排水,提高能源利用效率。

4)采用優化通電模式有利于緩解界面極化現象,抑制界面電阻增長。對于EKG電極,優化模式可以在小周期內減小濃差極化,有利于降低界面電阻;對于鐵電極,間歇與反轉通電均可推遲電極表面鈍化的發生。

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(編輯王秀玲)

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