電化學(xué)傳感器在水污染調(diào)查中的應(yīng)用
◎? 張玉璽? 劉景濤? 周冰
近年來(lái),，我國(guó)水污染形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，水污染防治工作已被提到戰(zhàn)略高度,。調(diào)查監(jiān)測(cè)是水污染防治工作的基礎(chǔ),，調(diào)查的質(zhì)量和效率也直接影響著污染防治工作的實(shí)施。現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)試技術(shù)是提高調(diào)查效率的有效手段,，在水污染調(diào)查工作中發(fā)揮著重要作用,。
區(qū)域地下水污染調(diào)查工作中,，在工作量和經(jīng)費(fèi)有限的情況下，現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)技術(shù)是篩選采樣點(diǎn)以及精確掌握局部場(chǎng)地污染狀況的重要手段,。污染應(yīng)急調(diào)查工作中,，利用現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)技術(shù)，能夠第一時(shí)間對(duì)污染程度,、范圍及可能造成的損害做出判斷,，提升應(yīng)急響應(yīng)效率。
目前,，現(xiàn)場(chǎng)快速分析技術(shù)已經(jīng)成為污染調(diào)查技術(shù)的主要發(fā)展潮流,，便于攜帶、使用方便且能夠快速得出結(jié)果的小型分析儀器也成為監(jiān)測(cè)儀器發(fā)展的重要方向,。在眾多現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)方法中,，電化學(xué)傳感器憑借其操作簡(jiǎn)單、性能高效,、檢測(cè)快速,、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，占據(jù)著重要一席,。
電化學(xué)傳感器誕生于20世紀(jì)50年代,，是以被測(cè)物質(zhì)作為敏感源，電極作為轉(zhuǎn)換元件,，以電勢(shì),、電流或電導(dǎo)等作為特征檢測(cè)信號(hào)的分析傳感器。通過(guò)將不同物質(zhì)的化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),，分析被檢測(cè)物質(zhì)的類(lèi)型和濃度,。水環(huán)境中電化學(xué)傳感器的應(yīng)用，始于20世紀(jì)70年代,。目前,，應(yīng)用最為廣泛的是針對(duì)pH值、電導(dǎo)率,、溶解氧,、溫度等綜合指標(biāo)的測(cè)試，市場(chǎng)上已有成熟的便攜式測(cè)試儀器,，是目前野外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查過(guò)程中不可或缺也十分有效的工具,。
電化學(xué)傳感器原理示意圖
而針對(duì)水環(huán)境的具體離子或化合物，如重金屬（Cr(VI),、Cd2+,、Pb2+、Hg2+,、Zn2+,、Cu2+）,、無(wú)機(jī)鹽（SO32-、NO2-,、BrO3-）,、有機(jī)物（五氯酚、萘酚,、苯酚,、苯胺、多氯聯(lián)苯）,、甚至是新型污染物（磺胺類(lèi),、阿奇霉素）,，電化學(xué)檢測(cè)也逐漸能夠滿(mǎn)足各類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的要求,，但更多還是用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的測(cè)試，實(shí)際野外調(diào)查應(yīng)用則鮮有報(bào)道,。
電化學(xué)傳感器根據(jù)工作方式不同可以分為電導(dǎo)型,、電位型和電流型三大類(lèi)，其中電導(dǎo)型傳感器是通過(guò)測(cè)定溶液導(dǎo)電性來(lái)判斷溶液中離子濃度,，一般只用來(lái)測(cè)量電導(dǎo)率,；電位型傳感器檢測(cè)的是電極和離子之間的電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，根據(jù)平衡電位值來(lái)確定物質(zhì)濃度,，主要用于pH測(cè)試,；電流型傳感器檢測(cè)的是物質(zhì)在特定電壓環(huán)境下發(fā)生氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的電流信號(hào)。由于每種物質(zhì)都有特定的氧化還原電位,，當(dāng)把電極插入被檢測(cè)溶液中后,，通過(guò)持續(xù)改變電壓，一旦電壓達(dá)到該物質(zhì)的氧化還原電位時(shí),，就會(huì)發(fā)生氧化還原反應(yīng),，出現(xiàn)電子得失，從而電路中電流就會(huì)出現(xiàn)波動(dòng),。波峰對(duì)應(yīng)的電壓就代表了物質(zhì)種類(lèi),，而電流大小則表示了這種物質(zhì)的濃度大小。針對(duì)電流型傳感器的研究相對(duì)最多,，其應(yīng)用范圍較其他兩類(lèi)更廣泛,。
一個(gè)完整的電化學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)一般是由電腦、電化學(xué)工作站,、電極,、被測(cè)溶液等幾個(gè)部分組成。電腦用于可視化操作,，電化學(xué)工作站用于電化學(xué)分析,，電極用來(lái)與被測(cè)溶液發(fā)生反應(yīng),，是電化學(xué)研究的主要對(duì)象。起初,，電極材料主要為裸金屬或裸碳電極,，但其電流響應(yīng)程度往往有限。隨后人們不斷研究發(fā)現(xiàn),，可以通過(guò)共價(jià)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(jí)別上對(duì)電極的性能進(jìn)行改進(jìn),，提高電極的性能，稱(chēng)為修飾電極,，修飾材料一般也稱(chēng)為催化劑,。修飾電極自提出以來(lái)便得到了迅速地推廣和發(fā)展，是當(dāng)前電化學(xué)傳感器研究的重點(diǎn)和前沿,。
三電極檢測(cè)系統(tǒng)
2016年至2018年,，地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“珠江三角洲松散沉積含水層水質(zhì)綜合調(diào)查”實(shí)施過(guò)程中，基于電化學(xué)原理,，以服務(wù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查為目標(biāo),，針對(duì)目前電化學(xué)方法的短板，產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合,，開(kāi)展了電化學(xué)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的研究與應(yīng)用,。項(xiàng)目組采用了一種廉價(jià)、不易損,、且導(dǎo)電性好的柔性碳布電極替代了傳統(tǒng)玻碳電極,，采用了廉價(jià)、易獲得,、環(huán)保,、且性能高效的碳基納米材料作為催化劑，針對(duì)典型污染物Cr(VI),、Pb2+,、NO2-、有機(jī)染料RhB等,，研制了一系列高效,、穩(wěn)定的電化學(xué)傳感器，并經(jīng)過(guò)了穩(wěn)定性、抗干擾性以及重復(fù)性的檢驗(yàn),，與實(shí)驗(yàn)室傳統(tǒng)方法的對(duì)比分析結(jié)果也令人滿(mǎn)意,。同時(shí)，還參與設(shè)計(jì)并制作了一種便攜式電化學(xué)工作站,，體積僅有手掌大小,，但保留了常用的電化學(xué)分析功能，在靈敏度和準(zhǔn)確性方面也無(wú)損失,，并可用USB供電,。結(jié)合便攜式計(jì)算機(jī)與制備的電化學(xué)傳感器，共同構(gòu)成了水質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)電化學(xué)檢測(cè)平臺(tái),。目前,，利用該技術(shù)已在多個(gè)污染場(chǎng)地取得了很好的應(yīng)用效果。
總體來(lái)說(shuō),，電化學(xué)傳感器能為地下水污染調(diào)查提供一種高效便捷的測(cè)試手段,，特別在污染應(yīng)急調(diào)查工作中具有良好的應(yīng)用前景。隨著不斷研究與改進(jìn),，電化學(xué)傳感器將在水污染調(diào)查和應(yīng)急監(jiān)測(cè)中發(fā)揮更加重要的作用,。
?。ㄗ髡邌挝唬褐袊?guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所）
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