工业循环冷却水系统作为工业生产的重要组成部分,对于水资源的合理利用具有重大意义。然而浓缩后的工业循环冷却水在换热器壁面的结垢问题不仅会降低换热效率,还会导致垢下腐蚀甚至非计划停车,为工业生产带来安全隐患。近年来,电化学除垢因其能够直接从循环水主体去除成垢离子,有效提高浓缩倍数,减少排放量,被誉为环境友好型技术,引发广泛关注。虽然电化学除垢技术具有无法替代的优势,但除垢速率低,能耗较高和阴极清洗再生困难限制了该技术的应用。本文围绕三维阴极增强电化学除垢装置性能进行了系统研究。首先,针对电化学除垢过程中由于垢层附着导致能耗提高和阴极失活的问题,发明了锯齿阴极并进行了优化,锯齿长度为20 mm,角度为60°,阴阳极间距为15 mm,电流大小为0.3 A时兼具较高的阴极除垢速率和较低的能耗。新型除垢装置阴极除垢速率15.2 g/m~2·h,能量消耗降至5.27 k W·h/kg Ca CO3。在此基础上,通过改变阴极三维结构和外加离子交换膜等方式进一步提升了除垢速率。通过形貌表征和COMSOL Multiphysics软件模拟阐述了锯齿网状阴极的低除垢能耗机理,该结构由于具有尖端效应,大大增加了局部碱度和水垢的沉积速率,促进了阴极表面不断更新,平缓部位也能在尖端被垢层覆盖之后,为后续的阴极反应提供场所。同时锯齿形式有效增加了阴极面积,通过尖端区域和平坦区域的协同作用,促进阴极表面更新,使得电化学除垢系统能耗大幅降低。针对电化学除垢后的垢层脱除问题,提出了与锯齿网状阴极相适配的高速搅拌机旋转脱垢和预沉积Mg（OH）2的方法。从工艺条件方面优化了高速搅拌机旋转脱垢的参数和预沉积Mg（OH）2的参数。实验表明在一定范围内,预沉积Mg（OH）2的浓度越高、时间越长、电流密度越大,其阴极除垢速率越高,脱垢率也越高,除垢速率能提升28.4%,达到27.02 g/m~2·h,脱垢率则能提升15%±5%。同时预沉积Mg（OH）2之后对电化学除垢过程中的阴极电位进行监测,能明显观测到阴极自清洁现象,有利于阴极表面更新和降低除垢能耗。