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實驗名稱：污泥電動修復技術研究

研究方向：近年來，污水經污水處理廠處理后由濁變輕，但水中的污染物卻轉而富集、沉淀在剩余污泥中，并未消失殆盡，逐年增加的污泥產量勢必成為引爆環境危機的定時炸彈。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，我國現有污水處理廠產生的污泥有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污水處理量而逐年增加的污泥產量勢必成為引爆環境危機的定時炸彈。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以及持久性有機污染物等在內的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境領域亟待解決的問題之一，具有重要的現實意義。在使用惰性電極的情況下，施加外加電場，電極處會發生水的電解反應，同時陽極伴隨有O2和H+產生，在陰極伴隨有OH—和H2產生，產生的氣體散逸至空氣中，而產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和陽極區移動，直至相遇中和，產生pH突變。

用高頻正弦電場替換傳統的穩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+結合產生沉淀，阻礙反應的繼續進行，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%，相較于傳統持續性通電的方式，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電動修復技術過程中出現的聚焦效應，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：實現污泥中重金屬的遷移、捕集、釋放，為后續實驗做鋪墊

測試設備：信號發生器、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，用函數信號發生器、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，調試pH控制系統，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，連續通電36h，為防止陽極室污泥沉淀，維持陰極室溶質均質，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，能夠實現更大的π共軛結構。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定性，有利于后續Pb2+的富集。碳氈電極的循環伏安測試表明，自摻雜聚苯胺材料作為電活性物質負載至碳氈電極上后，使得Pb2+開始在電極表面富集，發生氧化還原反應。根據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。