电化学废水处理用大功率高压脉冲电源的电极设计
在工业废水高级氧化处理领域，高压脉冲放电技术因其能产生强氧化性物质（如羟基自由基、臭氧）、紫外辐射和冲击波等多重效应，对难降解有机污染物展现出优异的处理效果，且具有无二次污染、适应性强等优点。该技术的核心是，在反应器内的电极间施加纳秒至微秒级、数十千伏的高压脉冲，引发液电效应，产生强烈的流光放电或击穿通道，从而激活一系列物理化学反应。此过程的高效性与稳定性，不仅依赖于大功率高压脉冲电源的性能，更与反应器的**电极设计**息息相关。电极作为脉冲能量的注入端口和放电发生的物理场所，其结构、材料、布局直接决定了电场分布、放电模式、能量注入效率以及长期运行的可靠性。
电极设计需要协同考虑电气工程、电化学、流体力学和材料科学，是一个典型的多物理场耦合问题。主要设计维度包括：
**一、电极结构形式与电场调控**
电极结构决定了放电反应器内的电场分布，是影响放电起始电压和放电模式（电晕放电、流光放电、火花放电）的关键。
1. **针-板/线-板结构**：这是最常见的形式。高压电极采用尖针或细线，接地极为平板。在尖点或线附近形成极不均匀电场，易于在较低电压下引发局部放电（电晕放电），能耗相对较低，适合处理低电导率废水。但处理能力有限，且尖端易腐蚀。设计要点在于针/线的曲率半径、间距、排列方式（单针、多针阵列）以及针板距离的优化。
2. **同轴圆筒结构**：高压内电极（棒状或线状）与接地外筒同轴布置。电场相对均匀，适合处理流量较大的情况。可通过调节内外径比来优化电场强度。
3. **多针-多板或网状电极**：为了增大处理面积和放电通道密度，采用多针阵列对多板或网状电极的结构。这能提高处理效率，但电场分布和同步放电控制更复杂。
4. **水电极或鼓泡电极**：一种特殊设计，其中一个电极（通常是接地极）由流动的水本身或通过多孔材料鼓入的气泡构成。这种设计可以避免金属电极的腐蚀，并增加气液接触面积，促进活性物质的产生与传递。
电场仿真（如基于有限元法）是电极设计的必备工具，用于优化几何参数，使目标区域（通常是气液界面或整个液体区域）的电场强度最大化且分布合理，避免局部场强过高导致提前击穿或能量浪费。
**二、电极材料的选择**
电极材料必须耐受高压脉冲下的极端条件：高电场强度、脉冲大电流冲击、活性自由基和强氧化性环境的腐蚀、可能产生的局部高温和空蚀效应。
1. **导电性与耐蚀性**：首选材料是具有高导电性和优异化学惰性的贵金属，如铂、金，但成本高昂。工程上广泛使用**钛基涂层电极**，如在钛基体上涂覆二氧化钌、二氧化铱或铂族金属氧化物混合涂层。这些涂层既导电又耐腐蚀（形稳性阳极），且对某些电化学反应具有催化活性。不锈钢在某些中性或弱酸性条件下也可使用，但长期稳定性需验证。
2. **机械强度与加工性**：电极需具备足够的机械强度以承受水流冲击和可能的振动。针状电极的尖端需要精密加工以保持曲率半径一致性。网状或多孔电极需要保证孔隙均匀和结构完整。
3. **成本与寿命**：在满足性能要求下，需权衡材料成本与预期使用寿命。DSA电极寿命长，但初始投资高；普通金属电极成本低，但需频繁更换，可能引入金属离子污染。
**三、绝缘与密封设计**
高压电极必须与反应器壳体（通常接地）及周围液体可靠绝缘。绝缘材料需在高压脉冲、高温、腐蚀性介质环境下长期稳定，常用聚四氟乙烯、陶瓷、特种环氧树脂等。电极引入处的密封结构既要防止液体泄漏，又要保证绝缘强度，是设计的难点之一，常采用多层密封或采用整体浇注工艺。
**四、冷却与流体动力学设计**
大功率脉冲放电会在电极附近产生显著热量，尤其在高重复频率工作时。电极设计需考虑有效的冷却方式，如内部水冷通道、或依靠处理废水的外部流动带走热量。同时，电极的布置应有利于废水在放电区域的均匀流动和充分混合，避免短路流或死区，确保污染物与活性物质的有效接触。电极结构本身（如网状电极）有时也起到湍流促进器的作用。
**五、与高压脉冲电源的匹配设计**
电极系统的等效电路是一个复杂的阻容网络，包括电极本身的电阻和电感、电极间的液体电阻、以及由绝缘和介质形成的分布电容。这个负载特性直接影响脉冲电源的输出波形和能量传输效率。
1. **阻抗匹配**：电极系统的阻抗应与脉冲形成网络的特性阻抗尽量匹配，以减少反射，获得更干净、更高效的脉冲波形。这需要联合电源和电极进行系统仿真。
2. **降低回路电感**：脉冲放电的上升时间极短（纳秒级），回路寄生电感会严重限制电流上升速率，并产生电压过冲。电极设计应尽量缩短高压连接路径，采用同轴或平行板结构，使用低电感母线连接，以最小化回路电感。
3. **多通道放电同步**：对于多电极系统，确保各放电通道在时序上同步或按需顺序触发，可以优化能量利用和避免相互干扰。这需要电源具备多通道输出和精确的触发控制能力。
综上所述，电化学废水处理用大功率高压脉冲电源的电极设计，是连接电能与化学能转换的“桥梁工程”。它绝非简单的金属导体，而是一个集成了电场整形、耐蚀防护、流体引导和能量耦合功能的精密组件。成功的电极设计，能够将高压脉冲能量高效、均匀地注入反应体系，并转化为高活性的化学物质，同时自身能够在恶劣环境下长期稳定工作。这要求设计者具备跨学科的视野，通过多物理场协同仿真和实验验证，不断迭代优化，最终为实现高效、经济、可靠的工业废水脉冲放电处理提供坚实的技术基础。
