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电化学传感器在水质重金属检测中的应用研究

作者:未知

  摘 要:水环境重金属污染的发生,将造成动植物死亡,并给人民用水带来安全威胁,所以需要利用仪器设备加强水质检测。基于这种认识,本文对电化学传感器应用特点展开了分析,然后其在水质重金属检测方面采用的离子选择性电极法、溶出伏安法等方法进行了探讨,以把握电化学传感器的应用情况和发展方向。
  关键词:电化学传感器;水质检测;重金属污染
  在过去数十年经济快速发展历程中,我国走的是“先发展后治理”道路,造成了大量重工业废水向水体中倾倒,引发了水环境重金属污染。为加强水污染防治,还要加强水质重金属实时检测。目前,电化学传感器能够用于实现水质中多种重金属在线分析,因此还需加强应用研究。
  1 电化学传感器在水质重金属检测中的应用特点
  在水质重金属检测方面,需要对水体中重金属种类和含量进行检测,从而实现污染水平评估,提出有效治理方案。采用电化学传感器进行水质检测,主要采用电化学分析原因,能够根据待测物电化学性质获得相应化学信号,然后通过转变为电信号输出完成物质组分和含量分析。从结构上来看,该种传感器包含识别系统和转导系统,前者用于和被分析物发生选择性的相互作用,能够将得到的化学参数转换为电化学信号,后者能够对信号进行接收,然后传输至电子系统进行放大处理和输出。通过突出体现识别层的特异性和选择性,能够使仪器获得较高灵敏度和分析速度。由于电化学传感器多由电极和薄膜电解层组成,所以成本较低,同时拥有较低检出限,带有操作便利等特點,能够进行在线实时检测,因此在水质重金属检测中发展潜力巨大。
  2 电化学传感器在水质重金属检测中的应用技术方法
  2.1 现有检测技术方法
  现阶段,在水质重金属检测中应用的电化学传感器有多种。从总体上来看,主要采用离子选择性电极法、溶出伏安法和计时电流法。
  采用离子选择性电极法,将选择性电极当成是关键部件,能够直接进行溶液中重金属离子检测。该种电极采用离子敏感膜,能够将特定离子活度转为膜电位,从而获得相应电位信号。采用内参比电极和相应溶液,能够将膜电位值导出。实际在电解质溶液中,重金属离子将在膜两边进行扩散和交换,导致膜电势的产生。在离子活度改变后,双电层电势差也将发生改变。在一定强度下,重金属离子电极电位与活度的对数之间呈现出线性关系,满足式(1)。
  (1)
  式中E指的是选择性电极电位,b则是参比电极电位,ai为离子活度,n是转移的电子数,T为热力学温度,R和F分别为摩尔气体常数和法拉第常数[1]。
  在选择性电极与参比电极相互配合的情况下,对电位差计进行连接,能够实现多种重金属离子浓度的检测。
  作为最常见方法,溶出伏安法能够实现控制电位电解富集和伏安分析。在电解质溶液中重金属离子溶出时,结合电极发生的氧化或还原反应,可以采取相应的阳极溶出或阴极溶出伏安法,利用记录的电流i和电压U进行函数曲线分析,从而实现重金属离子的定量分析与检测。对水体中的重金属离子进行检测,多采用阳极溶出伏安法。例如,针对Cu2+、Cd2+等重金属离子进行检测时,可以采用汞膜电极。在检测期间,阴极将对重金属离子进行还原,使电极方向富集金属原子或汞合金。经过阳极氧化后,促使重金属离子溶出,能够得到相应伏安曲线,继而完成离子浓度测定。
  采用计时电位溶出分析法,同样需要在电极上进行待测重金属离子的富集。在实际操作中,需要进行电压的施加,在离子富集后利用溶液中物质或附加电流促使电极上待测重金属离子氧化,能够促使定量重金属的溶出。不同于伏安溶出法,其用于对重金属在此氧化的过渡时间进行检测,然后根据过渡时间与稳定电压关系完成电位分析。
  2.2 技术应用发展方向
  从电化学传感器发展方向来看,基于电化学检测原理实现水质重金属在线检测,可以通过价态分析获得电信号,检测限能够达到ppb级,并且灵敏度较高,能够达到水质检测要求。但伴随着无线传感器网络技术的发展,想要在湖、河中实现传感器广泛分布,达到对水质进行实时监控的目标,还要推动该类传感器的小型化、便携化发展。从研究趋势来看,国内外厂商普遍致力于便携式水环境重金属分析仪研制。在新材料得到研发基础上,采用介孔氧化硅纳米材料,凭借材料量子尺寸效应等性质,能够对传感器结构形貌进行调控,完成小型、高灵敏的光学式电化学传感器设计,为无线传感器网络构建提供便利。在微加工工艺等新工艺得以产生的情况下,实现微电极列阵制作,能够在芯片上实现三电极系统集成,促使电化学传感器取得微型化发展。伴随着电化学传感器的快速发展,可以引入无线传感器网络,采用分布式传感器+服务器数据中心模式进行水环境重金属污染监测,为大面积水域治理提供技术支撑。
  3 结论
  综上所述,在水质重金属检测中应用电化学传感器,能够采用溶出伏安法等各种方法实现污染物准确、高效检测。而伴随着新材料和新技术的出现,电化学传感器将取得便携化、小型化发展,未来能够在湖域、河域等多个领域分布,通过对水质进行实时监控满足水污染治理的迫切需求。
  参考文献:
  [1]荣晓娇,石磊,丁士明,等.基于纳米材料的电化学传感器在重金属离子检测中的应用[J].南京工业大学学报(自然科学版),2018,40(03):115-121.
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