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電化學傳感器電極

時間:2022-05-07 17:52 點擊次數:
 

◎ 張玉璽 劉景濤 周冰

近年來,我國水污染形勢日趨嚴峻,水污染防治工作已被提到戰略高度。調查監測是水污染防治工作的基礎,調查的質量和效率也直接影響著污染防治工作的實施?,F場快速測試技術是提高調查效率的有效手段,在水污染調查工作中發揮著重要作用。

區域地下水污染調查工作中,在工作量和經費有限的情況下,現場快速檢測技術是篩選采樣點以及精確掌握局部場地污染狀況的重要手段。污染應急調查工作中,利用現場快速檢測技術,能夠第一時間對污染程度、范圍及可能造成的損害做出判斷,提升應急響應效率。

目前,現場快速分析技術已經成為污染調查技術的主要發展潮流,便于攜帶、使用方便且能夠快速得出結果的小型分析儀器也成為監測儀器發展的重要方向。在眾多現場快速檢測方法中,電化學傳感器憑借其操作簡單、性能高效、檢測快速、成本低廉的優點,占據著重要一席。

電化學傳感器誕生于20世紀50年代,是以被測物質作為敏感源,電極作為轉換元件,以電勢、電流或電導等作為特征檢測信號的分析傳感器。通過將不同物質的化學信號轉換為電信號,分析被檢測物質的類型和濃度。水環境中電化學傳感器的應用,始于20世紀70年代。目前,應用最為廣泛的是針對pH值、電導率、溶解氧、溫度等綜合指標的測試,市場上已有成熟的便攜式測試儀器,是目前野外現場調查過程中不可或缺也十分有效的工具。

電化學傳感器電極

電化學傳感器原理示意圖

而針對水環境的具體離子或化合物,如重金屬(Cr(VI)、Cd2+、Pb2+、Hg2+、Zn2+、Cu2+)、無機鹽(SO32-、NO2-、BrO3-)、有機物(五氯酚、萘酚、苯酚、苯胺、多氯聯苯)、甚至是新型污染物(磺胺類、阿奇霉素),電化學檢測也逐漸能夠滿足各類水質標準測試的要求,但更多還是用于實驗室內的測試,實際野外調查應用則鮮有報道。

電化學傳感器根據工作方式不同可以分為電導型、電位型和電流型三大類,其中電導型傳感器是通過測定溶液導電性來判斷溶液中離子濃度,一般只用來測量電導率;電位型傳感器檢測的是電極和離子之間的電動勢信號,根據平衡電位值來確定物質濃度,主要用于pH測試;電流型傳感器檢測的是物質在特定電壓環境下發生氧化還原反應產生的電流信號。由于每種物質都有特定的氧化還原電位,當把電極插入被檢測溶液中后,通過持續改變電壓,一旦電壓達到該物質的氧化還原電位時,就會發生氧化還原反應,出現電子得失,從而電路中電流就會出現波動。波峰對應的電壓就代表了物質種類,而電流大小則表示了這種物質的濃度大小。針對電流型傳感器的研究相對最多,其應用范圍較其他兩類更廣泛。

一個完整的電化學檢測系統一般是由電腦、電化學工作站、電極、被測溶液等幾個部分組成。電腦用于可視化操作,電化學工作站用于電化學分析,電極用來與被測溶液發生反應,是電化學研究的主要對象。起初,電極材料主要為裸金屬或裸碳電極,但其電流響應程度往往有限。隨后人們不斷研究發現,可以通過共價鍵合法、吸附法、電聚合法等方法,將特殊性能的分子、離子、高聚物等附著在電極上,在分子級別上對電極的性能進行改進,提高電極的性能,稱為修飾電極,修飾材料一般也稱為催化劑。修飾電極自提出以來便得到了迅速地推廣和發展,是當前電化學傳感器研究的重點和前沿。

電化學傳感器電極

三電極檢測系統

2016年至2018年,地質調查項目“珠江三角洲松散沉積含水層水質綜合調查”實施過程中,基于電化學原理,以服務現場調查為目標,針對目前電化學方法的短板,產學研相結合,開展了電化學現場檢測的研究與應用。項目組采用了一種廉價、不易損、且導電性好的柔性碳布電極替代了傳統玻碳電極,采用了廉價、易獲得、環保、且性能高效的碳基納米材料作為催化劑,針對典型污染物Cr(VI)、Pb2+、NO2-、有機染料RhB等,研制了一系列高效、穩定的電化學傳感器,并經過了穩定性、抗干擾性以及重復性的檢驗,與實驗室傳統方法的對比分析結果也令人滿意。同時,還參與設計并制作了一種便攜式電化學工作站,體積僅有手掌大小,但保留了常用的電化學分析功能,在靈敏度和準確性方面也無損失,并可用USB供電。結合便攜式計算機與制備的電化學傳感器,共同構成了水質現場電化學檢測平臺。目前,利用該技術已在多個污染場地取得了很好的應用效果。

總體來說,電化學傳感器能為地下水污染調查提供一種高效便捷的測試手段,特別在污染應急調查工作中具有良好的應用前景。隨著不斷研究與改進,電化學傳感器將在水污染調查和應急監測中發揮更加重要的作用。

(作者單位:中國地質科學院水文地質環境地質研究所)

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