實驗名稱：污泥電動修復技術(shù)研究

　　研究方向：近年來，污水經(jīng)污水處理廠處理后由濁變輕，但水中的污染物卻轉(zhuǎn)而富集、沉淀在剩余污泥中，并未消失殆盡，逐年增加的污泥產(chǎn)量勢必成為引爆環(huán)境危機的定時炸彈。中國工程院院士侯立安指出，受“重水輕泥”思想的影響，受監(jiān)管存在漏洞以及處理費用高昂、制成品銷路不暢等因素掣肘，我國現(xiàn)有污水處理廠產(chǎn)生的污泥有80%左右并未得到妥善處置。隨逐年增加的市政污水以及工業(yè)污水處理量而逐年增加的污泥產(chǎn)量勢必成為引爆環(huán)境危機的定時炸彈。目前已有包括Pb、Cd、Cr、Zn、Cu等重金屬鹽、難降解有毒有害物質(zhì)以及持久性有機污染物等在內(nèi)的150種成分被證實存在于污泥中，若不加處置任意排放，極容易造成二次污染。

　　所以，研究合理處置處理并充分利用污泥的有效途徑是目前環(huán)境領域亟待解決的問題之一，具有重要的現(xiàn)實意義。在使用惰性電極的情況下，施加外加電場，電極處會發(fā)生水的電解反應，同時陽極伴隨有O2和H+產(chǎn)生，在陰極伴隨有OH—和H2產(chǎn)生，產(chǎn)生的氣體散逸至空氣中，而產(chǎn)生的氫離子和氫氧根則在電場的作用下會以電滲流、電遷移、擴散等方式分別對應至陰極區(qū)和陽極區(qū)移動，直至相遇中和，產(chǎn)生pH突變。

　　用高頻正弦電場替換傳統(tǒng)的穩(wěn)壓直流電場進行銅尾礦的電動修復實驗，正弦電場極性交替過程產(chǎn)生的中和效應，能有效的消耗掉陰極富集的OH—，防止OH—與從尾礦中溶解下來遷移至陰極的Cu2+結(jié)合產(chǎn)生沉淀，阻礙反應的繼續(xù)進行，降低Cu2+去除效率，研究顯示，控制其他條件不變的情況下，正弦電場修復能將Cu2+的去除率提高72%，相較于傳統(tǒng)持續(xù)性通電的方式，周期性通電能夠在保證污染物As去除率的同時，顯著降低裝置整體的能量消耗。MingZhou等用交換電極的方式對Cr污染土壤進行電動修復，研究顯示，交換電極的方式能夠有效的減少傳統(tǒng)電動修復技術(shù)過程中出現(xiàn)的聚焦效應，提高反應體系的電流，去除土壤中91.88%的六價鉻。PengZhang等用二位交叉電場對鉻渣場附近土壤進行電動修復，即在橫向方向上的直流電場基礎上再復合一縱向方向電場的方式，阻止六價鉻在介質(zhì)中向下遷移的趨勢，顯著提高六價鉻污染土壤的修復效率。

　　實驗目的：實現(xiàn)污泥中重金屬的遷移、捕集、釋放，為后續(xù)實驗做鋪墊

　　測試設備：信號發(fā)生器、ATA-3040功率放大器、高精度示波器、自動滴定器、磁力攪拌器、蠕動泵、有機玻璃反應器、陰陽極、磁力攪拌器、電動攪拌器

　　實驗過程：為了輸出特定頻率、幅值的方波電源，用函數(shù)信號發(fā)生器、功率放大器組裝作為電源，同時配備高精度示波器，驗證輸出波形的準確性，控制電源輸出方波頻率為600Hz不變，設置EK-1、EK-2、EK-3三組實驗（三組平行實驗），按1V/cm、1.5V/cm、2V/cm電壓梯度，對應改變電源輸出方波幅值為-4.5-0V、-6.75-0V、-9V-0（以陰極為例），陰極室添加100mLNaNO3（0.01mol/L）溶液作為電解液，調(diào)試pH控制系統(tǒng)，控制裝置運行過程中陰極室電解液pH值為5.5左右，組裝有機玻璃反應器各組件，用蠕動泵添加1L待處理污泥于反應器陽極室/污泥室中，接通電源，連續(xù)通電36h，為防止陽極室污泥沉淀，維持陰極室溶質(zhì)均質(zhì)，修復過程中分別以40r/min、300r/min的速度常溫下用磁力攪拌器、電動攪拌器緩慢攪拌陽極室污泥和陰極室電解液，在0h、6h、12h、24h、36h分別取樣，測定污泥pH值及重金屬含量，修復結(jié)束后，卸下陰極碳氈，為確定陰極回收重金屬量，將陰極于室溫下自然晾干后置于20mL0.1mol/LHNO3溶液中，浸泡12h，待陰極上沉積重金屬完全溶解后，取溶解后液體，過0.45μm濾膜，將得到的樣品稀釋一定倍數(shù)后用ICP-MS測定溶液中重金屬的總量。其實驗流程框圖如圖1-1。

　　圖1-1實驗流程框圖

　　實驗結(jié)果：對自摻雜聚苯胺材料的SEM測試表明，制得的自摻雜聚苯胺材料為無孔空心球和微粒的聚集體，具有密度小，比表面積大的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)更大的π共軛結(jié)構(gòu)。材料對不同金屬離子溶液的吸附性能實驗驗證了材料對Pb2+優(yōu)異的識別性能，進一步的FT-IR測試表明材料由于-SO3-、-NH2、-N=、N-H基團的存在Pb2+顯示出更強的絡合效應。碳氈的電極的阻抗測試表明，碳粉的添加增加了電極的導電性，添加Nafion溶液作為粘合劑時，雖然Nafion的絕緣性會阻礙電極表面電子的傳遞，但Nafion的存在能夠顯著的改善工作電極的機械穩(wěn)定性，有利于后續(xù)Pb2+的富集。碳氈電極的循環(huán)伏安測試表明，自摻雜聚苯胺材料作為電活性物質(zhì)負載至碳氈電極上后，使得Pb2+開始在電極表面富集，發(fā)生氧化還原反應。根據(jù)修飾碳氈電極的峰電流和峰形確定了Nafion溶液的最佳摻雜量。

　　圖1-2不同Nafion修飾量對自摻雜聚苯胺/碳粉/Nafion混合修飾碳氈電極電化學活性的影響

　　圖1-3碳氈電極和自摻雜聚苯胺/碳粉/Nafion混合修飾碳氈電極循環(huán)伏安圖

　　功率放大器推薦：ATA-3040C功率放大器

　　圖：ATA-3040C功率放大器指標參數(shù)

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