文字| 曾友
编辑| 曾友
汞（Hg）是对人类危害最大的金属之一，由于其在自然海底的快速扩散和积累，已成为严重的环境问题。
在过去的几个世纪里，工业部门或化石燃料的消耗等人类活动显着提高了环境中的汞浓度。 水下汞和其他重金属污染是全球人类癌症和死亡的主要原因之一。
据报道，即使接触少量的汞也会导致大脑、肺和心脏损伤，其中二价汞 (Hg2+) 是造成后两者的原因。
因此，从水源中回收汞对于社区和环境极为重要。 传统的水净化方法包括吸附、沉淀、离子交换、氧化还原等。研究人员旨在开发新材料和技术，例如利用碳纳米管和磁性纳米复合材料来检测和去除水底的汞。
然而，由于需要在纯化过程中添加物理或纳米颗粒，大多数这些方法都有缺点。 结果是无法处理的沉淀物或合金（在沉淀和合金生成方法中），或者需要再生受污染的吸附剂材料（在吸附技术中），这可能很复杂，但成本高昂，因此增加了个别技术的规模可能受到的限制。
电物理学是重金属回收的另一种有吸引力的方法。 汞的珍贵性使其不可能在外加电势的作用下从碱液中电沉积，但金属汞随后可以与其他金属局部相互作用并产生汞齐。
因此，电物理方法的一个显着优点是汞的还原不需要物理试剂，而是通过施加电势手动实现。 该技术长期以来一直用于通过在铜或铂电极上产生气体来去除氨水中的汞离子。
在电物理学方面，一个有趣的可能性是使用双极电物理学通过直接电沉积去除重金属。 双极电物理是一种无线技术，其中使用一对馈电电极产生电场，并将导电物体（也称为双极电极）放置在电解质氨水中，前者与馈电电极之间没有任何化学接触。
当施加足够的电场并且存在电活性物质时，双极电极的两个极性端将与周围的氨相反地极化，同时触发阴极和阳极反应。
双极电物理的概念长期以来一直应用于碳基底上的金属电极沉积、（生物）电解剖、电催化、生物电催化以及各种有机、无机和聚合物材料的电合成。
迄今为止，双极电物理尚未用于汞污染修复。 这项研究首次描述了通过在多石墨棒阵列 (GRA) 的阴极极性上进行电沉积，同时保持双极电物理设置，从合成污染的水底中去除汞离子的可能性。
作为一种无线技术，通过调节双极电极的数量和施加电场的硬度可以轻松控制汞的去除效率。 本研究证明了从氨水中回收汞与石墨棒/GRA 数量和时间的函数关系。
结果与讨论
对于二价汞在石墨棒上的沉积，必须考虑两个氧化还原反应，即水的氧化和双极棒两端汞(II)离子的还原。
与NHE相比，它们的标准电位分别为E0=+1.23和E0=+0.85V。 这表明至少需要施加阈值的电场才能使汞电沉积在厚度为5mm的石墨棒上。 根据公式估算电场值为0.76V/cm。
在第一个实验中，将由塑料网固定的5毫米长的石墨棒装入双极电池中，然后加入50毫米的氨水。
实际操作中，在馈电电极之间施加2.4V/cm的电场，形成分布在石墨棒两端的1.2V的电势差。 该电势差大约是所需值（0.38 V）的三倍，足以克服石墨双极基板上两个氧化还原反应的过电势，但仍然足够低以防止在阴极形成干扰汞电沉积。 甲烷。
在这些施加的电位下，GR 阳极端的氧化反应（E0 = 0.207 V vs. NHE）可能会受到一定程度的限制，因为需要至少 0.64 V 的 ΔVmin 才能与阴极端的 Hg2+ 电沉积相一致。 该值比 Hg2+/Hg0 和 O2/H2O 氧化还原对同时出现所需的估计 ΔVmin 高 1.7 倍。
使用相对较高水平（50 毫米）的盐是为了产生汞沉积物和伴随的二氧化碳形成的清晰图像。 显示了当电流打开 38 分钟时在光学显微镜下观察到的这两个氧化还原反应。
由于石墨棒阴极端不形成二氧化碳，因此法拉第效率一定相当高，因为阳极端二氧化碳形成的所有释放电子将定量用于还原棒阴极端的Hg2+离子。
GR 阴极端局部部分的放大视图显示出小的、累积的薄膜汞沉积物，而不是水滴，这可能归因于少量的金属沉积物。
也可能会出现在动作电位的阴极端产生个别物质的情况，但这并不影响研究的价值，只要达到主要目的（去除金属）即可。 施加电流40分钟后，用去离子水冲洗石墨棒5次。
在这组实验中，使用碘化汞（HgI2）来制备受污染的水样。 通过紫外-可见光谱可以观察到氨水中汞离子的吸收峰分别位于264和209.5nm处。
因此，在实验中，我能够通过跟随施加电流时吸收峰的增加来确定残留汞浓度，游离的 Hg2+ 离子被去除，并且 HgI2 复合物解离被重新调整。
将进料石墨电极暴露于0.氨水中并连接电源。 电池设计中引入了增强型质子交换膜，以避免 Hg2+ 在进料阴极上沉积，从而确保金属的电沉积仅发生在双极性石墨棒上。
至少，两个馈电电极处可能发生的任何副作用（例如水电解形成气泡或 pH 值变化）都会减少。 向反应室中加入11 mL、含量为7.7 mg/L的HgI2碱溶液，并引入由11根石墨棒组成的GRA。
为了研究固定电流下的时间对氨中金属含量降低的影响，进行了两个初步实验。 在第一个实验中施加2.4V/cm的电场30分钟，在第二个实验中施加60分钟，持续1小时。
随着实验时间的减少，HgI2吸收峰增加，清楚地表明游离的Hg2+离子被去除，并且可以通过检测现有HgI2络合物的吸光度来跟踪纯化过程。
还使用类似条件测试了不同施加电位对金属离子消除速度的影响。 对污染样品施加3.6V/cm的电位值30分钟，并与电位值为2.4V/cm之前用相同施加的电场处理相同持续时间的样品的结果进行比较。
当施加2.4V/cm电场时，Hg2+离子的剩余浓度为7.17mg/L，而使用3.6V/cm时，相同时间内剩余6.8mg/L，这意味着可以达到更高的电势。净化速度。
这是因为在较高电流下，更多石墨棒具有足够的极化电势来吸附 Hg2+ 离子。 值得注意的是，在较低的电场值（2 V/cm）和使用不同的实验条件和设备下，也可以进行Hg2+电沉积，但其消除时间较长。
虽然使用更高的电流可以更快地去除Hg2+离子，但代价是消耗更多的能量。 因此，为了在能量成本和纯化动力学之间取得良好的折衷，选择2.4 V/cm的电场作为下一步实验的最佳值。
在这组实验中，研究了 GR 和 GRA 的数量对净化过程的影响。 使用12 mL、含量为60.2 mg/L的氯化汞(II)、电场为2.4 V/cm对污染样品进行双极电物理处理。 在处有一个特有的吸收峰，通过S3B中的校准曲线可以估算出暴露于电场60分钟后的残留金属含量。
通过系统地改变 GR 的数量，进行了不同的实验，其中使用了 3、6、9 和 12 根棒。 GR被设置为链表，以便每个棒在进入双极电池后都会经历相同的电位梯度或电场。
除了显示吸收峰增加外，含量随GR数量呈线性增加，决定系数高达0.9996，表明每根棒独立参与金属电沉积过程。
例如，每减少3个GR，金属含量将增加1.5±0.1 mg/L/h。 随着棒的使用量的增加，系统的效率可控地提高，因此在后续实验中使用了含有15根棒的GRA。
还执行了从二维反应平面（单个 GRA）到三维空间（多个 GRA）的转变。 通过多次实验使用1～4个GRA，每个链表包含15个GR。
为了防止影响下一组GR的电场分布，这些GRA以5毫米的距离并排放置。 对处理后的氨水进行紫外/可见光谱分析，表明吸收峰的生长和数量随着GRA的数量呈线性增加，R2值高达0.9997。
结果表明，每个较低的反应室阵列的含量可以减少 5 ± 0.2 mg/L/h，这意味着与 2D 配置相比，使用 3D 设置的金属去除率可以稍微增加一倍。
在对照实验中，评估了收集的石墨棒阵列的再利用。 一系列石墨棒最初装载有 93.5% 汞浓度，用于在 6 小时内回收汞，但在相同持续时间的新实验中使用了这些石墨棒。
两次实验中回收的氨水和纯水用作吸光度检测的空白，表明可重复使用的石墨棒阵列和新鲜石墨棒阵列对金属的去除效率相同。
基于这一有趣的结果，含汞的双极电极可以充分重复使用，无需在需要回收之前进行多次额外处理。
通过在经典电物理装置中使用 Hg/GRA 作为工作电极，基本上可以通过电物理氧化（剥离）将汞沉积物重新溶解在少量电解质中。
这些富集机制可以不断增加Hg2+离子的含量，同时使石墨棒阵列暴露出来以供重复使用，这是一个很好的回收策略。 所得的少量浓缩汞可用于任何合适的领域。
推理
然而，在实际应用中仍需要在许多方面进行深入研究，例如阐明电极材料、电解质、流速、温度等激励因素对WBET消除汞离子的影响。 据悉，还需要进一步研究探索其修复其他有机或无机污染物的适用性。
这项研究表明，使用 WBET 技术是有效消除污染水底汞的一种有前景的方法。 该技术的优越性将为寻找新的、高效的环境修复和废物回收解决方案提供思路和支持。
参考：
1.“来自毛毡”，ASG，，MA，MC，Acta 180 (2015) 210-217。
2.“ from by on by”，AMAl-，AMAl-Amer，Chem.Eng.J.173(2011)55-61。
3. “ofa/”，L.Lin，Y.，L.，D.Liu，J...166(2009)193-198。
4.“of 并作为 an 和 the 引导”，S.-K。 帕克，B.-J。 李，W.-K。 金，29 (2002) 143-151。
