电化学水处理工艺对城市供水系统中碳钢腐蚀的影响

为什么自来水管很重要

电化学水处理系统在城市中越来越普遍，因为它们能高效去除污染物、软化水质并杀灭病原体。但那些清洁水质的电化学反应也可能在悄无声息中侵蚀输送自来水的金属管道。本研究考察了此类处理对常见管材碳钢的影响，并解释了当电流与日常自来水化学成分相互作用时，腐蚀为何会显著加速。

用电净化水

电化学水处理通过称为电极的金属板向水中通以电流。这可以去除不需要的离子、分解有机污染物并产生消毒剂，使该工艺在城市和工业系统中具有吸引力。然而，与传统处理不同的是，管道本身通常并未直接接入电路——它们只是承受从装置流出的处理过的水。这意味着额外的腐蚀并非由电流直接作用于管道引起，而是由水化学的变化驱动：用于消毒的新氧化性化学物质、酸碱度的变化以及通常有助于在管内形成保护层的矿物离子的迁移。

更快的金属损失与更深的隐匿损伤

研究人员进行了为期90天的实验，使用真实的城市供水，将碳钢样品暴露在0到9伏不同电压下，随后监测质量损失、表面损伤和电化学行为。他们发现，即便在前三天内，启用电解就能加剧腐蚀，且电压越高损伤越严重。在9伏时，与未经电处理的水相比，一般腐蚀速率跃升了超过25倍。通过3D表面扫描，研究还显示金属表面的微小点蚀随电压增加而变得更深。在最高电压下，最深的点蚀几乎是未经处理水中点蚀深度的五倍，这显著缩短了钢材的预计使用寿命，即便平均金属损失看起来并不极端。

为什么保护层失效

在许多输水管道内部，来自水中的矿物会自然沉积出一层薄而致密的覆盖层，帮助屏蔽金属。在未经处理的水中，碳酸钙发挥了这种保护作用。然而在电化学处理的水中，这种矿物保护在很大程度上消失了。因为处理单元的阴极会吸引钙离子和碳酸根离子并促进它们在阴极处形成沉积，留下来的这些离子就不足以在管壁上构筑坚实的保护层。显微镜观察和衍射测试表明，处理水中的钢表面并非形成致密的富矿物屏障，而是形成了松散多孔的锈层，伴随小而不稳定的晶体。这种薄弱的覆盖层使腐蚀性物质和电子更容易通行，因此腐蚀得以持续快速进行而不会随时间减缓。

水中更强的化学攻击

为找出导致额外侵蚀的具体因素，团队分离了不同影响。当他们在不含氯离子的硫酸盐溶液中进行电解时，水分解产生的副产物——如氧、氢和短寿命自由基——几乎未改变钢的腐蚀行为。但当氯离子（即普通食盐和许多水源中存在的离子）存在时，情况就不同了。电解会将部分氯离子转化为次氯酸盐，这是一种更具反应性的消毒剂。电化学测试显示，随着电流增加，在含氯溶液中钢的可腐蚀性显著上升。计算机模拟也支持这一结论：次氯酸盐降低了铁原子离开金属表面的能垒，使得腐蚀比仅有氯离子时更容易进行。同时，锈蚀产物的快速形成会消耗氢氧根离子，推动水向更低pH值（更酸性）方向移动，这进一步有利于腐蚀发生。

这对供水系统意味着什么

对非专家而言，结论是：用电清洁和消毒水并不一定对输送该水的管道温和。在含氯的系统中，电化学处理可能将部分氯转化为更强、更具腐蚀性的消毒剂，同时剥夺构筑自然保护所需的矿物成分。其结果是金属更快变薄、点蚀更深，可能缩短管道寿命并提高泄漏或污染的风险。作者建议此类系统的设计者和运行者将腐蚀视为核心设计问题——通过限制电压、在处理前降低氯含量、选择产生较少侵蚀性副产物的电极，并长期监测点蚀和水化学——以确保更清洁的水不会以失效的基础设施为代价。

引用: Zhao, S., Jing, Y., He, X. et al. Effect of electrochemical water treatment processes on carbon steel corrosion in urban water supply system. npj Mater Degrad 10, 23 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00736-5

关键词: 电化学水处理, 碳钢腐蚀, 城市供水管道, 氯离子与次氯酸盐, 供水基础设施耐久性