应用案例

　　实验名称：污泥电动修复技术研究

　　研究方向：近年来，污水经污水处理厂处理后由浊变轻，但水中的污染物却转而富集、沉淀在剩余污泥中，并未消失殆尽，逐年增加的污泥产量势必成为引爆环境危机的定时炸弹。中国工程院院士侯立安指出，受“重水轻泥”思想的影响，受监管存在漏洞以及处理费用高昂、制成品销路不畅等因素掣肘，我国现有污水处理厂产生的污泥有80%左右并未得到妥善处置。随逐年增加的市政污水以及工业污水处理量而逐年增加的污泥产量势必成为引爆环境危机的定时炸弹。目前已有包括Pb、Cd、Cr、Zn、Cu等重金属盐、难降解有毒有害物质以及持久性有机污染物等在内的150种成分被证实存在于污泥中，若不加处置任意排放，极容易造成二次污染。

　　所以，研究合理处置处理并充分利用污泥的有效途径是目前环境领域亟待解决的问题之一，具有重要的现实意义。在使用惰性电极的情况下，施加外加电场，电极处会发生水的电解反应，同时阳极伴随有O2和H+产生，在阴极伴随有OH—和H2产生，产生的气体散逸至空气中，而产生的氢离子和氢氧根则在电场的作用下会以电渗流、电迁移、扩散等方式分别对应至阴极区和阳极区移动，直至相遇中和，产生pH突变。

　　用高频正弦电场替换传统的稳压直流电场进行铜尾矿的电动修复实验，正弦电场极性交替过程产生的中和效应，能有效的消耗掉阴极富集的OH—，防止OH—与从尾矿中溶解下来迁移至阴极的Cu2+结合产生沉淀，阻碍反应的继续进行，降低Cu2+去除效率，研究显示，控制其他条件不变的情况下，正弦电场修复能将Cu2+的去除率提高72%，相较于传统持续性通电的方式，周期性通电能够在保证污染物As去除率的同时，显著降低装置整体的能量消耗。MingZhou等用交换电极的方式对Cr污染土壤进行电动修复，研究显示，交换电极的方式能够有效的减少传统电动修复技术过程中出现的聚焦效应，提高反应体系的电流，去除土壤中91.88%的六价铬。PengZhang等用二位交叉电场对铬渣场附近土壤进行电动修复，即在横向方向上的直流电场基础上再复合一纵向方向电场的方式，阻止六价铬在介质中向下迁移的趋势，显著提高六价铬污染土壤的修复效率。

　　实验目的：实现污泥中重金属的迁移、捕集、释放，为后续实验做铺垫

　　测试设备：信号发生器、ATA-3040功率放大器、高精度示波器、自动滴定器、磁力搅拌器、蠕动泵、有机玻璃反应器、阴阳极、磁力搅拌器、电动搅拌器

　　实验过程：为了输出特定频率、幅值的方波电源，用函数信号发生器、功率放大器组装作为电源，同时配备高精度示波器，验证输出波形的准确性，控制电源输出方波频率为600Hz不变，设置EK-1、EK-2、EK-3三组实验（三组平行实验），按1V/cm、1.5V/cm、2V/cm电压梯度，对应改变电源输出方波幅值为-4.5-0V、-6.75-0V、-9V-0（以阴极为例），阴极室添加100mLNaNO3（0.01mol/L）溶液作为电解液，调试pH控制系统，控制装置运行过程中阴极室电解液pH值为5.5左右，组装有机玻璃反应器各组件，用蠕动泵添加1L待处理污泥于反应器阳极室/污泥室中，接通电源，连续通电36h，为防止阳极室污泥沉淀，维持阴极室溶质均质，修复过程中分别以40r/min、300r/min的速度常温下用磁力搅拌器、电动搅拌器缓慢搅拌阳极室污泥和阴极室电解液，在0h、6h、12h、24h、36h分别取样，测定污泥pH值及重金属含量，修复结束后，卸下阴极碳毡，为确定阴极回收重金属量，将阴极于室温下自然晾干后置于20mL0.1mol/LHNO3溶液中，浸泡12h，待阴极上沉积重金属完全溶解后，取溶解后液体，过0.45μm滤膜，将得到的样品稀释一定倍数后用ICP-MS测定溶液中重金属的总量。其实验流程框图如图1-1。

　　图1-1实验流程框图

　　实验结果：对自掺杂聚苯胺材料的SEM测试表明，制得的自掺杂聚苯胺材料为无孔空心球和微粒的聚集体，具有密度小，比表面积大的特点，能够实现更大的π共轭结构。材料对不同金属离子溶液的吸附性能实验验证了材料对Pb2+优异的识别性能，进一步的FT-IR测试表明材料由于-SO3-、-NH2、-N=、N-H基团的存在Pb2+显示出更强的络合效应。碳毡的电极的阻抗测试表明，碳粉的添加增加了电极的导电性，添加Nafion溶液作为粘合剂时，虽然Nafion的绝缘性会阻碍电极表面电子的传递，但Nafion的存在能够显著的改善工作电极的机械稳定性，有利于后续Pb2+的富集。碳毡电极的循环伏安测试表明，自掺杂聚苯胺材料作为电活性物质负载至碳毡电极上后，使得Pb2+开始在电极表面富集，发生氧化还原反应。根据修饰碳毡电极的峰电流和峰形确定了Nafion溶液的最佳掺杂量。

　　图1-2不同Nafion修饰量对自掺杂聚苯胺/碳粉/Nafion混合修饰碳毡电极电化学活性的影响

　　图1-3碳毡电极和自掺杂聚苯胺/碳粉/Nafion混合修饰碳毡电极循环伏安图

　　功率放大器推荐：ATA-3040C功率放大器

　　图：ATA-3040C功率放大器指标参数

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