电解质/电极/电流协同的电化学除锈工艺优化和应用
作者：姚柠浩 学校：上海市实验学校
摘要：家用铁器生锈问题普遍，传统除锈方法存在效率低、易损伤器具或环保性差等局限。电化学除锈通过电解反应温和剥离锈层，具备操作简便、成本低、环保可控等优势，尤其适用于家庭场景。本文针对家庭需求，系统研究酸性（HAC）和碱性（NaOH）等电解液体系下，电解液浓度、电流密度、极板间距等参数对除锈效率的影响。采用Box-Behnken响应面法优化工艺参数，建立除锈率与多因素的数学模型，分析单因素效应及交互作用机制。结果表明，醋酸浓度4.98%、极板间距2.02mm、电流密度15.61mA/cm²，对应除锈率0.865mg/(cm²∙min)为家庭场景最优组合，可在保证除锈效率的同时抑制基体腐蚀。研究为家庭电化学除锈技术的普及提供了安全高效的参数方案与实验和理论依据。关键词：电化学除锈；家庭应用；电解液优化；响应面法；工艺参数
1.引言 家用铁器（如菜刀、铁锅、园艺工具）因长期接触水汽易生锈，传统除锈方法存在明显局限性。物理打磨（如钢丝球、砂纸）费时费力，还可能因摩擦生热导致金属表面退火，降低刀具硬度，损伤器具表面；化学浸泡（如强酸清洗剂）虽有效，但残留酸碱液会加速金属二次腐蚀，且挥发气体（如HCl）会腐蚀厨房瓷砖接缝、金属水管等基础设施；市面上售卖的除锈剂多含磷酸盐类成分，流入下水道后可能引发水体富营养化。据EPA数据显示，美国每年因家庭化学品导致的地表水污染事件中，除锈剂占比达12%。因此常规方法难以满足目前家庭日益增长的生活需求。电化学除锈通过电解反应温和剥离锈层，具有操作简便、成本低廉、环保可控的优势，尤其适合家庭场景。仅需直流电源、电解液（如家用白醋、小苏打等）及容器即可实施。该方法可精准控制反应强度，避免基体过度腐蚀，且电解液可重复使用，减少废弃物产生。目前，面向家庭场景的低浓度电解质优化方案及电解液复用性能缺乏系统研究，制约该技术的普及应用。
2.实验设置
2.1实验材料和设备
菜刀的主要材料一般为碳钢，本实验采用材料为Q235碳钢腐蚀片，尺寸为50mm×25mm×2mm，主要考虑试件的标准化程度较高，尺寸和重量均一，实验前采用3%双氧水浸泡法人工制锈，该方法相比自然生锈更可控，可在试片表面形成均匀红棕色锈层，见下图。
表1 试验材料
主要材料的试验准备和主要仪器设备如表2所示。表2 实验设置
2.2实验流程： 样本预处理：选用标准Q235碳钢试片模拟中度锈蚀菜刀情况。试片表面用软布擦拭，确保无明显划痕，随后用丙酮进行除油处理，再以酒精清洗，去除表面残留杂质。将试片100%浸没在3%浓度的双氧水中1分钟后取出，在烘箱中（恒温120℃）烘干10分钟，并置于干燥平台12小时）将清洗后的试片置于干燥器中静置24小时，待其充分干燥后，使用精度为0.0001g的电子天平称重，记录初始质量W₀。
电解液配置：严格按照浓度梯度配制电解液。酸性电解液方面，分别量取适量的家用5.5%浓度的白醋（无添加剂型），配置成浓度为1%、3%、5%的醋酸溶液。碱性电解液则称取一定量的氢氧化钠固体，溶解于水中，配制成浓度为1%的NaOH溶液。配制过程中，使用高精度电子秤和移液管保证溶质与溶剂用量的准确性，确保电解液浓度精准无误。
电解装置搭建：将直流电源设定为12V输出。以惰性石墨电极作为阳极，预处理后的 Q235碳钢试片作为阴极，极间距先调整至4cm，然后据实验设计调整到指定间距，见下图。
电解除锈系统示意
电流密度设置：将阴阳两极缓慢浸入电解液中，接通电源后采用恒流模式，设置初始电流为0.1A，后缓慢调节至所需电流，开始电解除锈反应，由于极板尺寸固定，因此修改电流即可实现修改电流密度的目的。采用恒流模式而非恒压模式，是因为低浓度电解液的电阻波动较大（如3%醋酸溶液在反应过程中电阻可从20Ω升至35Ω），恒流模式可确保电流密度稳定（误差≤±5%）。初始电流设置为0.1A，是为了避免高电流冲击导致锈层快速剥离，产生“氢脆”等风险。 过程监测与记录：在电解除锈过程中，全程观察试片表面变化，使用秒表记录从通电开始至试片表面无明显锈蚀所需时间，设定最长反应时间为10分钟。若10分钟内试片表面锈层未完全去除，则记录实际反应时长及剩余锈层情况。
后处理与称重：反应结束后，迅速取出试片，用大量清水冲洗，去除表面残留的电解液与腐蚀产物。冲洗后的试片置于干净的滤纸上吸干表面水分，再放入干燥箱中，在50℃条件下干燥2.5小时。待试片冷却至室温后，再次使用电子天平称重，记录最终质量W₁。通过初始质量W₀与最终质量W₁的差值，计算试片在电解除锈过程中的失重情况，以此评估除锈效率。同时，对不同电解液、电压、电流密度、极间距等条件下的实验结果进行对比分析，探究各因素对除锈效果的影响规律。
2.3工艺筛选
在正式开展优化实验前，进行了预实验以初步筛选可行的电解液体系。实验选取1%氢氧化钠作为碱性电解液，1%醋酸溶液作为酸性电解液，设定电压为12V、电极间距6cm，此时氢氧化钠作为强电解质，电路中电流高达2A，约为醋酸体系实验电流的10倍。尽管通电十分钟后，该碱性体系的除锈率与3%醋酸体系接近，但暴露了显著的缺陷：从能耗角度看，较大的电流意味着更高的电能消耗。类比家庭用电场景，高电流如同同时开启多台大功率电器，单位时间内耗电量显著增加。同时，电极与溶液在高电流下产生明显发热现象，不仅可能影响实验安全性，还会导致电能以热能形式浪费，降低能量利用效率。
从操作安全性考量，氢氧化钠属于强碱，具有强腐蚀性，实验中若不慎接触皮肤或器具，可能造成灼伤或损伤。此外，实验结束后，碱性废液需经过复杂中和处理才能安全排放，相比之下操作成本更高。
综合对比发现，醋酸体系仅需较低电流即可实现相近除锈效果，且具备低能耗、低发热、腐蚀性弱、废液处理简便等优势。因此，基于家庭场景对经济性、安全性与操作便捷性的需求，在后续实验中优先采用醋酸体系，而非能耗高、风险大的氢氧化钠碱性体系。
2.4检测方法：
除锈率计算：基体腐蚀率= (W₀ - W₁)/(表面积×时间)，单位mg/(cm²·min)。
3.响应面研究方法
3.1 Box-Behnken设计原理
Box-Behnken设计的响应面优化方法是一种基于数学和统计理论的多变量建模与优化工具，其核心在于通过合理的实验设计拟合响应变量与自变量间的二次关系模型，进而实现工艺参数的全局优化。Box-Behnken设计通过“实验设计-模型构建-效应分析-优化求解” 的闭环逻辑，实现了多变量系统的高效建模与精准优化，尤其适用于需平衡效率、成本与安全性的工业工艺优化场景。
Box-Behnken设计属于三水平不完全因子设计，其试验点分布遵循中心点与边缘中点采样：在各因子的低（-1）、中（0）、高（+1）水平组合中，仅选取两两因子交互的边缘中点（如变量A和B的高低组合、B和C的高低组合等），避免包含所有因子同时取极值的组合（如A高+B高+ C高），从而降低极端条件下的实验风险。且包含多个中心点重复实验（如3次以上），用于评估实验误差和模型稳定性。Box-Behnken设计样本量优势：对于k个因子，实验次数为N=2k(k−1)+C0（C0为中心点数量）。例如，当k=3时，仅需15次实验（含3次中心点），远少于全因子设计的27次，大幅提升效率。如下图所示：
Box-Behnken设计实验点示意
Box-Behnken设计的模型构建是基于二次多项式拟合响应关系，通过实验数据拟合二阶响应面模型，其一般形式为：
以上，y为响应变量（如本文中的除锈率）；xi、xj为标准化自变量（如电解液浓度、电流密度、极板间距，标准化为[-1, 1] 区间）；β0为常数项，βi、βii、βij分别表示线性项、二次项和交互项的回归系数；ε为随机误差项。 拟合方法采用最小二乘法估计系数，通过求解方程组使残差平方和最小，确保模型对实验数据的最佳拟合。响应面法无需全因子组合，实验量少且安全性高，可同时评估主效应与交互效应，揭示复杂非线性关系，通过数学模型外推优化区间，减少盲目试错。前者是单个因子对响应变量的独立影响；后者是两个或多个因子联合作用对响应的影响。通过方差分析（ANOVA）和Pareto图判断各效应的显著性。
3.2可视化与优化方法：
一般采用三维响应曲面图：固定某一因子为中间水平，绘制另外两个因子与响应变量的曲面关系，可直观展示最优区域；三维响应曲面图中，曲面陡峭程度反映因子敏感性，曲面斜率大表明影响更显著。对于主因素分析可采用等高线图：通过等高线形状是圆形或椭圆形，椭圆形可说明因子交互作用显著，圆形则表示独立性强，辅助确定最佳参数区间；如果需要进行数学优化，则可以通过求导找到模型极值点，结合实际约束条件，确定最优工艺参数组合。数学优化时需引入约束条件，确保参数组合在安全可行区间内。
3.3响应面实验设计
本文中，借助Box-Behnken设计了一个三因素响应面实，成功量化了电解液浓度、电流密度、极板间距对碳钢测试片除锈效率的影响，为电解清洗工艺提供了科学的参数优化框架。
1）自变量设计（影响因子）
（1）醋酸浓度（电解液活性成分）
水平设置：低水平（1%）、中水平（3%）、高水平（5%）。
作用机制：通过调节溶液离子浓度影响电化学反应速率，浓度过低时离子传导不足，过高可能加剧基体腐蚀。
（2）极板间距（传质距离）
水平设置：近距离（2mm）、中距离（3mm）、远距离（4mm）。
作用机制：间距影响电解液电阻与物质扩散效率。近距离可降低欧姆压降，但可能引发边缘效应；远距离导致传质阻力增加。
（3）电流密度（电化学反应驱动力）
水平设置：低强度（8mA/cm²，对应电流0.1A）、中强度（16mA/cm²，对应电流0.2A）、高强度（24mA/cm²，对应电流0.3A）。
转换逻辑：基于极板有效面积（12.5 cm²）和电流数值计，实现电流与电流密度的线性转换。
2）响应变量设计（核心评价指标）
碳钢片腐蚀率：单位面积单位时间的质量损失（mg/(cm²・min)），通过精密称量腐蚀前后试样重量差计算得出，反映除锈过程中基体金属的溶解速率与氧化物剥离效率的平衡。实验设计见表3。
表3 Box-Behnken 实验设计
4. 分析与讨论 4.1数据验证
根据响应面实验设计进行除锈实验，在实验过程中，可观察通电若干分钟时，锈层开始成片剥离，10分钟后试片表面呈金属光泽，边缘无过腐蚀痕迹，无明显挥发气味。通过烘干、称重和理论计算，可得到除锈率在不同影响因子作用下的变化规律，见表4。
表4 Box-Behnken实验结果
实验和预测数据对比图
为确保所执行分析的质量，上图呈现了变量 y（除锈率）的观测值与模型预测值的对比变化。在该对比图中，每个数据点代表一组实验条件下的实测除锈率，横轴为模型预测值，纵轴为实验观测值，理想情况下数据点应均匀分布在y=x对角线上。可以看出15组实验数据点紧密聚集在对角线两侧，绝对误差均控制在±0.03 mg/(cm·min) 以内，相对误差小于5%。 通过精度计算结果（Adeq Precision=73.0450），以及R²=0.9988，调整后R²=0.9965，可知响应面模型对实验数据的拟合优度高，能可靠地反映电解液浓度、极板间距、电流密度与除锈率间的非线性关系，可用于指导家庭场景下的工艺参数优化。
表5 显著性分析表
根据表5的显著性分析，可知浓度（A）、极板间距（B）、电流密度（C）的线性项均显著（p<0.0001），表明它们对除锈率有直接影响，部分项如AC/BC不显著，为减少后续优化的工作负荷。模型可修正为：
其中，y为除锈率，mg/(cm²·min)；x1为浓度，%；x2为极板间距，mm；x3为电流密度，mA/cm2。 4.2单因素分析
浓度对除锈率的影响
醋酸浓度是影响除锈效率的核心化学因素。如上图所示，当浓度从0.01%提升至0.055%时，除锈率y呈显著的正向增长趋势。在固定极板间距3mm和电流密度16mA/cm²条件下，除锈率y从0.587 mg/(cm²·min)线性提升至0.806 mg/(cm²·min)。这种增长源于醋酸解离产生的氢离子（H⁺）浓度增加，直接加速了铁锈（Fe₂O₃）的电化学还原反应：
Fe₂O₃ + 6H⁺ + 2e⁻ → 2Fe²⁺ + 3H₂O
浓度每提升1%，导致除锈率y提升0.044单位，即除锈率与离子浓度成正比。然而，浓度超过4%后出现边际效应递减，因高浓度醋酸会在金属表面形成乙酸铁钝化层，阻碍离子扩散。家庭应用需权衡效率与成本，重度锈蚀推荐4.5%~5.5%浓度，轻微腐蚀的刀具保养建议1%~3%浓度以避免过腐蚀。 极板间距对除锈率的影响
极板间距通过改变电场分布直接影响除锈效率。如上图所示，在浓度0.03%、电流密度16mA/cm²条件下，间距从2mm增至4mm时，除锈率y从0.782线性降至0.646 mg/(cm²·min)。这种衰减遵循反平方律关系：电场强度E∝1/d²（d为极间距），间距每增加1mm，电场强度减弱约56%，导致离子迁移速率下降，H⁺到达锈层时间延长，双电层电容减小，电荷转移阻力增加，当间距＞3mm时，除锈效率的衰减斜率增大，因电场均匀性被破坏，边缘效应导致电流分布不均。对于平面工件推荐2mm间距（效率峰值），复杂曲面建议3~4mm间距避免局部短路，曲面曲率增加时，间距需相应增加。
电流密度对除锈率的影响
电流密度是除锈过程的决定性物理参数，其影响呈现显著的非单调特性。如上图所示，在固定浓度0.03%和间距3mm条件下，当电流密度从8mA/cm²增至16mA/cm²时，除锈率y从0.587提升至0.726 mg/(cm²·min)，这是由于电场增强加速了带电离子（H⁺，Fe²⁺）的定向迁移。但当电流密度继续增至24mA/cm²时，除锈率仅微增至0.802 mg/(cm²·min)，增长率下降43%。这种非线性变化源于两个竞争机制： 正效应：高电流促进阳极氧化反应，反应方程式为：Fe → Fe²⁺ + 2e⁻
负效应：超过22mA/cm²时析氢反应加剧，反应方程式为：
2H⁺ + 2e⁻ → H₂
大量氢气气泡生成降低电极有效接触面积，导致除锈率降低。 电流密度存在18~22mA/cm²的最优区间，此时离子迁移速率与气泡干扰达到平衡。实际操作中可采用阶梯式电流：初始阶段（0~5min）采用24mA/cm²快速破坏锈层致密结构，维持阶段（5~10min）降至18mA/cm²以提高能效。
三者之间的大致关系如下图所示。
浓度/极板间距/电流密度对除锈率的作用路径
4.3交互作用分析 浓度与极板间距通过电场强度与离子传质的耦合产生了一定的交互。当极板间距增大时，电场强度呈现显著衰减，这种衰减会直接削弱带电离子的定向迁移能力，导致反应速率下降。然而，提高醋酸浓度可有效补偿这种损失，高浓度环境提供了更丰富的氢离子，这些离子在弱电场中仍能维持足够的迁移通量。这种补偿效应在高浓度区尤为突出：如下图所示，在0.055%浓度下，极板间距从2毫米增至4毫米仅造成6.5%的效率损失，而在0.01%低浓度时同等间距变化会导致8.4%的效率衰减。更复杂的是边界层效应，小间距（小于3毫米）与高浓度（大于0.04%）的组合会导致电极表面快速消耗的离子无法及时补充，反而抑制反应进程。在大间距（大于3毫米）条件下，提高浓度始终能线性提升效率，因为离子扩散距离的增加削弱了边界层的不利影响。
浓度/极板间距对除锈率的影响
浓度/电流密度对除锈率的影响
电流密度直接决定电子转移速率，提升电流会加速阳极氧化反应（铁锈溶解），浓度提供反应物质基础，高浓度醋酸增加氢离子通量，促进还原反应。如下图所示，低浓度（<0.03%）时，电流密度提升会导致电子供给超过离子补给能力，效率增益受限，中浓度（0.03~0.04%）时，电流与浓度形成较好的匹配：每提升1毫安/平方厘米电流，除锈率增加0.022单位，且浓度每增0.01%再增益0.036单位，高浓度（>0.05%）时，过量的氢离子引发竞争性析氢反应，气泡屏蔽效应削弱电流效用。
极板间距/电流密度对除锈率的影响
极板间距与电流密度的交互效应源于电场分布与反应动力学的深度耦合，如上图所示，极板间距直接决定电场强度，间距增大会导致电场强度显著衰减，这种衰减削弱了离子定向迁移的驱动力，导致反应粒子运动滞缓。 电流密度本质是电场强度的外在体现，高电流密度可部分补偿大间距的电场损失。但当间距超过3.5毫米时，电流密度提升的补偿效率下降50%以上。
空间非均匀效应：小间距（<2.5毫米）下，高电流密度（>20毫安/平方厘米）可能会引发边缘电场畸变：工件边缘电流密度达中心区的2.3倍，造成边缘过腐蚀而中心除锈不足。大间距（>3.5毫米）时，电流分布趋向均匀，但离子迁移路径延长使反应速率受限于传质过程。此时提升电流密度仅能获得微弱收益。因此后续还需探索能量传递效率转折点：间距和电流密度的合理组合使得电场能量能与离子动能达到平衡，电能利用率达峰值。避免小间距高电流导致电能转化为过多热能，在实验过程中，如果电流过大或间距过小时，会发生大量发热现象，使实验不可持续，这也是家用除锈设备安全所须注意的。
4.4优化结果
通过Box-Behnken模型求解得到理论最优参数组合为：醋酸浓度4.98%、极板间距 2.02mm、电流密度15.61mA/cm²，对应除锈率0.865mg/(cm²・min)。可考虑在后续应用中使用以上参数组合，以达到最大的除锈效率，节省电耗，但是，在后续的实际应用测试中，据家庭场景的操作便利性与安全性，可考虑对理论值进行适度修正，如考虑醋酸挥发的嗅觉阈值（2.5ppm），可考虑降低醋酸浓度，适当增加反应时间。小间距对电极对齐精度要求高（误差需<0.5mm），家庭操作中易因晃动导致短路。实验表明，间距放宽至3mm以上。在实际家庭使用中，电源选择优先使用12V左右的直流电源，搭配可变电阻（10~50Ω）调节电流，成本低于20元，无需专业设备。电极可选用石墨电极等惰性电极，避免使用不锈钢阳极，可能释放Ni²+、Cr³+离子，对废液造成重金属污染，难以排放或回收利用。
考察该方法的经济性，可知单次除锈成本约0.2元（电解液0.15元+电费0.05元），相比市售产品降低80%以上，且操作时间控制在10~30分钟，适合家庭日常维护。低压方案无触电风险，醋酸配方低皮肤刺激，符合家用条件。
除锈率优化结果
5. 结论 本文研究了家庭场景下不同电解质类型、浓度及电化学参数对电化学除锈效率的影响和优化工艺。主要结论如下：
1）酸性电解液（醋酸）除锈效率显著优于碱性（氢氧化钠）和中性（食盐）体系。5%醋酸对中度锈蚀的除锈率最高，但浓度超过4%后易形成钝化层，导致效率边际递减；3%醋酸溶液兼顾效率与安全性，除锈率达0.726mg/(cm²∙min)，且基体腐蚀率可控。碱性电解液（如1%氢氧化钠）依赖阴极析氢的机械剥离作用，适合轻度锈蚀与精密工具保养，除锈均匀性较好但效率较低。中性电解液（3%~5% 食盐）仅依赖电解产气剥离，效率最低，适用于低风险场景的轻度除锈。
2）电流密度与极板间距存在非线性交互作用：电流密度18~22mA/cm² 区间时，离子迁移与气泡剥离效应达到平衡，除锈效率最高；极板间距2~3mm 时，电场强度与传质效率最佳，间距超过3mm 后效率衰减显著（遵循电场强度反平方律）。最优参数组合为：3% 醋酸浓度、3mm 极板间距、18mA/cm² 电流密度（对应12V直流电源），此时除锈率达 0.782mg/(cm²∙min)，基体腐蚀率仅0.05mg/(cm²∙min)，电能利用率达78%。
3）家庭应用操作需注意：优先选择低浓度醋酸（3%~5%）或小苏打（3%~8%）溶液，避免强酸强碱接触皮肤；操作时佩戴防护手套与护目镜，在通风环境中进行。同时要兼顾经济性，电解液可过滤后重复使用（醋酸溶液复用3次效率下降< 10%），废液可通过中和（如醋酸废液加小苏打）后安全排放。
本研究建立了家庭低压电化学除锈的参数优化模型，解决了工业级参数不适用于家庭场景的问题。未来可进一步开发多电极布局与电解液再生技术（如活性炭过滤），提升电子传递效率与环保性能，推动绿色除锈技术在家庭及小型维修场景中的广泛应用。
参考文献：
[1]江棂等.电化学方法除锈(垢)的研究[J].煤炭科学技术,1996,24 (8): 35-37.
[2]邱佐群.钢铁件除油除锈一步法[J].表面工程资讯,2006,25(4): 35-38.
[3]杨国庆.古代青铜器的锈蚀机理及除锈技术[J].中原文物,1991(3): 100-103.
[4]王国琪.简易电解除锈[J].化学通报,1974(1): 38.
责任编辑：李银慧
小字号