電化學范文

導語：如何才能寫好一篇電化學，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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一、原電池

原電池是化學能轉變為電能的裝置.從理論上看，任何一個氧化還原反應都發生電子轉移，如果能夠設法使轉移的電子在導線中定向移動，就成為原電池.有些原電池是一次性的，如普通的干電池，當電池中所發生的反應在通電情況下又能逆向進行，這個電池又可重復使用，稱為二次電池或蓄電池，如鉛蓄電池和手機中的充電電池.原電池由三部分構成，兩個不同的電極，電解質溶液（或熔融液）和導線（或直接接觸）.對于一個電池我們首先關注的是使用時電路中電流的方向，規定電流由正極流向負極，電子則由負極流到正極.因此原電池的負極發生失電子的氧化反應，正極發生得電子的還原反應，以兩種不同的金屬為電極時，活潑金屬為負極，較不活潑的金屬為正極.個別例外，如Mg-Al-NaOH電池，高考不做要求.

一個使用著的電池必然構成電流的回路.下面我們從化學的視角看電池中內電路的變化，由于電子從外電路流向正極，所以在正極上聚集了負電荷，溶液中的陽離子流向正極，與此相反，溶液中的陰離子流向負極，所以從離子移動方向來看，在原電池中，正極又是陰極，負極又是陽極.正、負極和陰、陽極的稱謂是從不同角度來劃分的，所以這句話表面上“不通順”，但結論上是正確的，對解相關試題十分有用.

例1 （2013年江蘇-9）Mg-H2O2電池可用于驅動無人駕駛的潛航器.該電池以海水為電解質溶液.示意圖如下.該電池工作時，下列說法正確的是（ ）.

A.Mg電極是該電池的正極

B.H2O2在石墨電極上發生氧化反應

C.石墨電極附近溶液的pH增大

D.溶液中Cl-向正極移動

解析 根據前面的分析，Mg電極應是原電池的負極，發生氧化反應，故選項A、B均錯誤.石墨電極為正極，發生還原反應H2O2+2e-2OH-，電極附近溶液的pH增大，C項正確，最后一項，溶液中Cl-應向陽極移動，而原電池的正極從電解質溶液的角度來看出是陰極，故D項錯，本題應選C.

二、電解池

電解池與原電池恰好相反，在通直流電的條件下發生了氧化還原反應，是電能轉化為化學能的裝置.對于一個電解池我們更關心的是池內發生什么反應，電極上生成什么物質，所以電解池中的電極根據陰、陽離子的移動方向，劃分為陰極和陽極，陽離子移向陰極并在陰極上得電子發生還原反應，因此陰極與電源的負極相連；陰離子移向陽極并在陽極上失電子發生氧化反應，失去的電子通過外電路回到電源的正極.簡單地說，與電池正極相連的極是陽極，與電池負極相連的是陰極，陽極上發生氧化反應，陰極上發生還原反應.

例2 （2013年北京-9）用石墨電極電解CuCl2溶液（見右圖）.下列分析正確的是（ ）.

A.a端是直流電源的負極

B.通電使CuCl2發生電離

C.陽極上發生反應：Cu2++2e-Cu

D.通電一段時間后，在陰極附近觀察到黃綠色氣體

解析 電解過程中陽離子移向陰極，陰極與電源負極相連，故A正確.電解與電離是兩個不同的概念，電解質只要溶于水就發生電離，而電解是在電流的作用下發生的氧化還原反應，B項錯.陽極上應發生失電子的氧化反應，C項錯.通電過程中Cl-移向陽極并放電生成氯氣，D也錯，本題應選A.

三、電極反應與總反應

電極上發生什么反應，寫出電極反應式和總反應式是高考電化學部分的重點.無論是原電池還是電解池電極上發生的反應都是“半反應”，總反應才是完整的氧化還原反應.判斷電極反應，只需記住“陽極氧化”即可，由陽極氧化，可知陰極還原，對原電池，電極分正、負，但從內電路來看，正極是陰極，負極是陽極，則“陽極氧化”的判斷依據同樣適用.

原電池的負極或電解池的陽極如果是非惰性的金屬電極，則電極本身發生氧化，電解質溶液中的陰離子不放電.原電池或電解池的總反應是兩個電極反應的總和，總反應式也是兩個電極反應式的加合，在加合過程中需調整化學計量數使氧化和還原過程中轉移電子數相等，以保持得失電子守恒.如果在電解質溶液中還存在其它相關反應，那么這個反應也應包括在總反應方程式中，總之，通過加合可得總反應式，通過相減可得某一電極反應式.

例3 （2013年浙江-11）電解裝置如圖所示，電解槽內裝有KI淀粉溶液，中間用陰離子交換膜隔開.在一定的電壓下通電，發現左側溶液變藍色，一段時間后藍色逐漸變淺.

已知：3I2+6OH-IO+5I-+3H2O

下列說法不正確的是（ ）.

A.右側發生的電極反應式：

2H2O+2e-H2+2OH-

B.電解結束時，右側溶液中含有IO-3

C.電解槽內發生反應的總化學方程式：

KI+3H2O通電KIO3+3H2

D.如果用陽離子交換膜代替陰離子交換膜，電解槽內發生的總化學反應不變

解析 左側變藍，說明左側生成I2，電極反應式為2I--2e-=I2……①，則左側Pt電極為陽極，右側為陰極，發生2H2O+2e-H2+2OH-……②，A項正確.陰極生成的OH-穿過交換膜向陽極移動，由“藍色變淺”知又發生了題干中的已知反應3I2+6OH-IO-3+5I-+3H2O……③生成IO-3，電極結束時IO-3可通過陰離子交換膜擴散至右側，故選項B正確.由①×3+②×3+③可得總反應式，C項也正確.若換用陽離子交換膜，則OH-不能通過交換膜抵達左側，反應③不能發生，電解槽中總反應肯定也會發生變化，D項錯誤，應選D.

四、新型電池

近些年來，高考時電化學的考查常采用信息給予題的形式，以新型電池為載體，這類試題情景新、陌生度高，要求考生有較高的心理素質和較強的自學能力.事實上，這類試題的考點依然是電極名稱、電極反應和總反應等基礎知識，大部分試題起點雖高，落點并不高，只要認真審題，明確題意就不難作答.復習時應重在鞏固基礎知識和提高能力上，不可以也不應該采用擴大知識面，羅列各種新型電池的方法，因為高考命題貴在創新，不會照搬往年的試題.

例4 （2013年安徽-10）熱激活電池可用作火箭、導彈的工作電源.一種熱激電池的基本結構如圖所示，其中作為電解質的無水LiCl-KCl混合物熔融后，電池即可瞬間輸出電能.該反應的總反應為PbSO4+2LiCl+CaCaCl2+Li2SO4+Pb，下列有關說法正確的是（ ）.

A.正極反應式：

Ca+2Cl--2e-CaCl2

B.放電過程中，Li+向負極移動

C.每轉移0.1mol電子，理論上生成20.7 g Pb

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原電池部分 原電池反應都是自發的進行氧化還原反應

1、電極名稱：只要是直流電源，電極名稱是正、負極（不管是教材中的原電池，還是實際生活中應用的電源）。

2、外電路的電子移動方向：（以Cu-Zn原電池原理為例子理解）從負極出發到正極。導致正極表面有大量的電子（負電荷），而使電解質溶液中的溶液中帶正電和的陽離子向正極移動，陰離子向負極移動。原電池內部離子的移動：因是正極表面由負極沿外接導線傳遞過來的電子，所以電解質中的陽離子受正負電荷吸引只能向正極移動，陰離子向陽極移動。

3、原電池的正、負極的判斷與我們常說的金屬活潑性沒有必然的聯系，這里所說“金屬活潑性強是“負極”中的“活潑性”，我們應這樣理解：電極材料在指定電解質中的活潑性。如：鎂、鋁單質材料為電極，電解質為NaOH液構成原電池時，就是鋁電極做負極；鐵、銅材料為電極，濃HNO3為電解液構成原電池時，也不能武斷的判斷Fe為負極。（原電池的正負極，其實就是：誰提供電子誰就是負極，引伸到燃料電池，就是：充燃料的一極為負極，因燃料是還原劑，提供電子。）

4、原電池的兩個電極本身變化：①一個電極消耗，一個不消耗，如：教材上的Cu-Zn稀硫酸原電池。②兩個電極都消耗，如：生活中的鉛蓄電池。③兩個電極都不消耗，如：燃料電池。

5、書寫電極反應方程式時：①產物要符合實際，如：電解質是酸的，不能在方程式中有OH-出現；電解質是堿的，不能有H+出現在電極反應方程式中，是CH4燃料電池也不能出現CO2形式。②如果兩個電極反應方程式都要求寫出時，一般說兩個式中的電子數目要相等；大多數原電池是一個電極消耗某粒子，另一極就生成該粒子，但不具代表性，如Cu-Zn原電池就不是。

6、若原電池的電解液是中性或堿性，大都是發生吸氧的電化學腐蝕原理。

電解原理部分 所有因電解發生的反應，是依靠外接電源強制發生的氧化還原反應

1、教材中的電解知識，一般是學習電解相應的電解質的水溶液，制取像NaOH等許多化工原料、精煉必要的一些金屬。也有少量工業討論電解熔融的電解質，如電解法制取自然界不存在的如Na、K、Al、Mg、F2等單質。

2、電解的裝置叫電解池，與電源正極相連的一極叫陽極，與電池負極相連的一極叫陰極。

3、兩個電極材料的選擇一般有兩類：惰性電極、活性電極。惰性電極常有石墨電極和鉑電極，在電解時電極本身不發生變化，但有可能陰極表面沉積金屬會使它增重。除惰性電極外，都是活性電極，在電解的過程中，陽極材料都參與反應，被外接電源的正極奪走電子變成金屬陽離子，進入溶液（注意：常見的Fe作陽極材料時，是變成Fe2+離子進入溶液的，不是說電源正既然有很強的奪電子能力，而會變成Fe3+，因為是水溶液，涉及到“電極電勢”知識）。

4、電解過程中電解質和溶劑的變化：①僅消耗電解質，如電解氯化銅溶液，陰極析出銅單質，陽極放出氯氣（即：活動性較差的金屬陽離子的非含氧酸鹽） ②電解質和溶劑水都消耗，如：電解硫酸銅溶液，陰極析出銅單質，陽極是水電離出的OH-放電生成氧氣（即：活動性較強的金屬陽離子的含氧酸鹽）③僅消耗溶劑，如電解H2SO4 、NaOH等含氧酸鹽、強堿。

5、溶液中離子的移動方向：而電解池的陰極是與外接電源的負極相接的，所以通俗的說就是陰極帶負電，只有溶液中的陽離子向它移動，能放電的離子在這里發生反應，陰離子向陽極移動，至發生氧化反應。

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一、原電池

我們在電化學教學中，老師應明確告訴學生：原電池反應是自發的氧化還原反應。在滿足形成原電池的條件（兩電極、電解質溶液、閉合）下，先正確地寫出自發的氧化還原反應方程式（原電池反應）并確定氧化劑和還原劑。還原劑一定在負極上反應，氧化劑一定在正極上反應。如果還原劑是金屬，則該金屬是原電池的負極，且正極與該金屬不同，如果還原劑不是金屬，則正負電極由其他電極代替且可相同。這樣，既可以根據原電池反應判斷正負極和書寫電極反應，也可以將自發的氧化還原反應設計成原電池。

1.規律

負極：失電子，發生氧化反應（一般是負極本身失電子，除外界不斷補充的燃料電池）。

正極：得電子，發生還原反應（一般是溶液中陽離子在正極上得電子，也可能是O2在正極上得電子如吸氧腐蝕或燃料電池，或正極本身得電子）。

2.分類

（1）一般原電池

①兩個活潑性不同的電極（金屬與金屬、金屬與石墨碳棒、金屬與難溶金屬氧化物）；

②電解質溶液，至少能與一個電極發生有電子轉移的氧化還原反應，一般是置換反應；

③兩電極插入電解質溶液中且用導線連接，且形成閉合回路。

方法點睛：先分析兩電極材料相對活潑性，相對活潑的金屬作負極，負極失去電子發生氧化反應，形成陽離子進入溶液；較不活潑的金屬作正極，溶液中的陽離子按放電強弱順序在正極上得到電子發生還原反應，析出金屬或氫氣，正極材料不參與反應。如金屬Fe、Cu、稀鹽酸構成的原電池中，負極為Fe。

但是具體情況還應具體分析，如金屬Fe、Cu、濃硝酸構成的原電池中，由于Fe比Cu活潑，但負極卻是Cu（Fe、Al在濃硝酸中鈍化，不能繼續反應，而Cu可以與濃硝酸反應）。

（2）燃料電池

燃料電池大多數是由可燃性物質（主要是可燃性氣體）與氧氣及電解質溶液共同組成，雖然可燃性物質與氧氣在不同的電極上反應，但總方程式相當于可燃物在氧氣中燃燒。因為涉及電解質溶液，所以燃燒產物（一般為CO2）可能還要與電解質溶液反應，再寫出燃燒產物與電解質溶液反應的方程式，從而得到總方程式。

（3）鹽橋在原電池反應中起到作用

在教學中常常有學生問，原電池中鹽橋到底起到什么樣的作用。對于此問題，很多老師怕增加學生的學習負擔，往往就會簡單地告訴學生，鹽橋是起到導電作用；鹽橋中的陰離子向負極移動，陽離子向正極移動。這樣回答的話，學生往往產生另外一個問題：溶液中的陰陽離子可以定向移動而導電，為什么偏偏要把兩個半反應分開在不同區域進行，中間加上鹽橋呢？其實鹽橋除了上面所說的導電作用外，還有個很重要的作用是，避免負極材料直接與正極的電解質溶液反應，這樣原電池能持續穩定的放電，從而使原電池具有實用價值。另外鹽橋的存在可以平衡兩個反應容器內的電荷，使得反應能持續進行。其實上述三者的作用又不是孤立存在，而是相互依賴，相互影響的。

二、電解池

電解池反應是強制的氧化還原反應。在滿足形成電解池的條件（電解質溶液導電）下，根據陽離子的氧化性順序、陽極活性及陰離子的還原性順序，正確的寫出電解池反應并確定氧化劑和還原劑。還原劑一定在陽極上反應，氧化劑一定在陰極上反應。如果還原劑是金屬，則該金屬是電解池的陽極（陰極任選）；如果還原劑不是金屬，則陽極是惰性的。這樣，既可以根據電解池反應判斷陰、陽極和書寫電極反應，也可以將溶液中或離子晶體熔化時不能自發的氧化還原反應設計成電解池反應。但要注意的是，惰性電極電解溶液時最后階段可能是電解水。

1.規律

陽極：失電子，發生氧化反應（可以是溶液中陰離子在陽極上失電子，也可以是陽極電極材料本身失去電子）。

陰極：得電子，發生還原反應（溶液中陽離子在陰極上得電子）

2.放電順序

（1）陽極為惰性電極如石墨或Pt時，只需考慮電解質溶液中所有陰離子的放電，電極本身不參與放電。

（2）陽極為活性電極如Fe、Cu、Ag時，則活性電極本身失去電子生成相應的陽離子。

陽極放電順序：活潑電極>S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根離子>F-

（3）陰極的電極材料本身不參加反應，溶液中所有陽離子的放電順序：

Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>（H+酸）>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>Al3+>Mg2+>Na+（注意Fe的兩種離子和H+的位置）

3.電極反應書寫

首先看是否有活潑電極做陽極；然后看溶液中有哪些陰離子和陽離子；最后看哪種離子先放電。

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圍繞教學大綱，合理安排教學內容

我校作為一個工科院校，應用化學專業自身的特點和培養計劃決定了《電化學分析》課程應側重于分析方法在實際生活和生產中的應用，但側重于應用不代表可以忽視課程的基本理論。有過實踐經驗的人都知道對一種分析方法使用的熟練程度和掌握的深度，與該方法的基本原理有著不可分割的關系，只有掌握了分析方法的基本原理和影響方法準確性的因素等，在應用過程中遇到問題時才能夠有資料可供參考，從而思考引起問題的原因和解決問題的辦法，才能夠得到準確無誤、讓人信任的分析結果。因此，這門課程理論部分的學習要和實踐部分實現緊密結合。課程的內容主要是在現實應用中經常使用的電化學分析方法技術和相關的儀器設備的基本原理，以及影響電化學分析方法準確度、精確度和靈敏度的因素，推測在使用過程中可能遇到的難題及解決的辦法等。[2]除了常用的分析方法外，還可以將科學發展過程中出現的電化學領域的新發展和新技術安排到教學內容中，結合科學研究前沿領域，開拓學生知識面和學生視野，引導學生注意與本專業應用內容相關的研究，增強其實踐能力和創新能力。

分析課程內容特點，制定教學計劃

安排好教學內容以后，經過認真研究教材，深入理解教材，多方參閱各種資料，以及在教學過程中不斷歸納總結經驗教訓，總結出該課程的以下特點：（1）《電化學分析》課程為應用化學質量管理方向專業課程，課程所安排內容屬于在專業基礎課《儀器分析》和《電化學原理與應用》基礎上向偏重于具體分析方法的更深一步的理論內容，對于比較傳統的電化學分析方法，學生在學習過上述兩門基礎課程以后，有了一定的理論基礎。（2）課程內容為電化學分析方法的基本原理和理論，[3-4]如果不結合實驗課程內容授課或者與實際應用結合不夠緊密，而是采用傳統的填鴨式教學方式把理論內容灌輸給學生，使學生想象著實驗裝置了解其理論，很難引起學生的興趣和達到預期的教學成果。（3）課程開設時間是第7個學期，即大學四年級的上學期。此時的學生主要面對的是畢業論文（設計）的選題，查找和閱讀相關文獻，制定實驗方案，撰寫開題報告，進行開題答辯。實驗完成后還要撰寫畢業論文，進行論文答辯等。

基于該課程的以上特點，對《電分析化學》理論課程教學進行大膽改革嘗試，由傳統的老師講課為主，改變成教師講授部分較難理解的內容，而部分較為容易理解，適合學生自學的內容，由老師布置相應的問題，學生帶著問題課下自學，同時結合相關的電化學分析實驗，要求學生查閱電化學分析方法相關的中文和英文文獻，總結該分析方法在前沿科學研究中的發展和應用，并按照科學學術論文的格式撰寫學習與文獻閱讀報告。并利用多媒體課件，制作PPT向老師和班級同學講述自己的學習過程、方法以及對所學部分內容的理解與總結，講述過程可以占用部分課堂時間或者課余時間，同時老師對學生進行輔導和答疑。這種讓學生主動參與的方式有利于形成教師和學生互動，充分調動學生的積極性，提高學生學習興趣。這種課程安排方式不但可以增強教學效果，還有利于鍛煉學生多方面的能力：（1）由學生帶著相應的問題自主學習和查閱文獻，能夠訓練學生思維能力和提取、加工、總結和歸納信息的能力，使學生感到學習的東西能夠學以致用，在一定程度上減少了學生對理論的排斥性和枯燥感覺。（2）查找和閱讀英文文獻過程中，能夠提高學生的專業英語水平。雖然很多院校都開設了專業英語課，但由于日常應用的機會少，學習到的專業名詞等難以得到鞏固，顯得專業英語的難度比普通英語更大，這種現象在國內的高校中普遍存在。本課程的安排迫使學生去在查閱文獻過程中學習電化學分析領域中常用的專業英語，并與學習的中文知識相對應，能夠得到良好的鞏固。學生自身的專業英語水平得到了提高。（3）學生通過查找與講述所用電化學分析方法進行科學研究的相關文獻，總結文獻內容，深入學習電化學分析方法的應用，撰寫與科技論文或畢業論文相同格式的文獻閱讀報告，可以使學生進一步提高文獻查找和閱讀的能力，熟練掌握文字處理軟件（如Microsoftword，WPS）的使用方法和技巧，初步鍛煉學生的科技論文寫作能力。（4）通過制作多媒體課件并在講臺上演示，可以鍛煉學生制作PowerPoint多媒體課件的能力和提高學生膽識及表達能力，促進學生的思維。我校多數學生來自于農村，且由于中學教學制度的問題，在校的學生中又有很大一部分沒有站在臺上面對多人進行表演或者演講的經驗，特別是性格較內向的學生，更沒有主動登上講臺表現自己的勇氣和自信。這些學生在畢業答辯及以后人生面對同樣的情況時，難免會影響其表現。課程安排學生上臺講述，給予學生鍛煉其表達能力、增強其信心的機會，對學生是一種很好的鍛煉。

教學效果評價

在本課程結束后，我們通過問卷調查的方式，向學生了解他們對本課程采取的教學方法的看法和效果評價。調查結果表明：通過教師和授課與學生自學講述相結合的教學方式，90%以上的同學認為：這樣的教學方式能夠讓他們真正學到知識，特別是自己參與講述的內容印象最深，掌握得最牢固；通過系列的鍛煉，自己的文獻檢索、閱讀能力、自主學習能力、分析、歸納和解決問題的能力、寫作表達能力和自信心都有不同程度的提高。這說明我們這種教學方法有其獨特的優勢，有助于激發學生的學習興趣和提高學生的綜合能力。

存在的問題

該課程安排和教學方法能夠提高學生的綜合能力，但是，有部分學生反映，在自學和準備自己講述內容的過程中，查閱文獻、撰寫總結報告和制作多媒體課件，會花費大量的時間，有可能影響到其他課程的學習；同時，由于學生自學水平的差異，個別同學自學時無法把握重點，耗費大量精力和時間來追求面面俱到，反而會影響學習熱情。

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關鍵詞電化學；水處理；技術應用；工藝

Abstract: This paper analyzed and compared in detail according to the main water treatment technology, through the electrochemical water treatment technology and careful study of the characteristics and the main technological process, help of electrochemical water treatment technology has been more widely used in practice. According to the analysis of the main technical principle and scope of application, to strengthen its presence in the actual operation effect, so that this technology can get better development, better reasonable treatment of the polluted water resources, protection of environment and development will be placed in the most important position.

Key words electrochemistry; water treatment; application of technology; Technology

中圖分類號：TU45 文獻標識碼： A文章編號：2095-2104（2012）01-0020-02

水資源是人類賴以生存和發展的關鍵，如何很好的保護水資源，減少對其污染和危害，是現今一項比較被人們關注的話題。在實際的生產和應用當中，運用多種水處理的技術，對水資源進行合理的處理，不僅可以很好的保護環境，維持生態自然資源的可持續性發展，更是可以使人們的飲用水安全問題得到有效的解決。在我國的許多地區，尤其是南方的農村地區，水資源的安全問題是一項比較嚴峻的問題，所以，大力的建設水處理設備工藝，有著多個方面的重要作用和意義。文章根據現今水處理的主要工藝進行詳細的分析，對電化學水處理技術進行細致的探究，綜合的得出其主要的工作原理和技術特點，通過對主要的工藝流程進行剖析，可以幫助進一步的了解這項水水處理技術，加強其在實際當中的應用。下文將從多個方面對其進行詳細的分析，為水處理技術工藝的發展做出微薄的貢獻。

水處理主要技術及電化學處理的分類

現今，隨著工業的不斷發展，社會的不斷進步，人民物質生活水平的不斷提升，水資源污染問題也是越來越嚴重，在我國的許多地區，都出現有不同程度的水資源安全不能達到相關標準的情況，嚴重的危害著自然環境安全和人民的身體健康，所以，很好的建設其水處理設備工藝，對水資源的污染情況進行有效的解決，是現今的一項重點問題。一般的來講，水處理的技術分為多個方面的類型，其中較為常見及常用的有離子交換技術、膜滲透技術、電滲析技術以及復合多介質過濾技術和電絮凝技術，根據在實際中的操作情況來看，離子交換技術和膜滲透技術雖然有著較為顯著的使用效果，但是其對成本的控制不是非常的到位，對于一些較為貧困的地區，這樣的方式顯然不是最佳的水處理方式。所以，在水處理的方式選擇上，既要考慮實際的使用操作效果，也要考慮管理的簡易性，同時還要兼顧對環境的保護和友好程度，合理的控制工藝技術的成本，這對于維持當地的經濟效益，維護社會環境的可持續性發展有著至關重要的作用和意義，所以，在選擇水處理技術方面，需要進行實際的探究和慎重的考慮。一般的來講，電化學水處理技術是現今使用比較廣泛的技術之一，其中，還分為多個種類，包括有電滲析技術、電絮凝技術和電催化氧化技術，本文將詳細的探究和分析電滲析技術和電絮凝技術的工作原理和工藝流程，對其主要的特點進行細致的解析，使電化學水處理技術在實際當中得到更加廣泛的應用，更好的對污染的水資源進行合理的處理。

電滲析技術原理及過程

電滲析技術，是屬于膜分離技術的一個種類，電滲析技術利用其特殊的裝置設備，將陰陽離子交換膜交替的排列在正負的電極之間，使其進行有序的排列，同時，利用特制的隔板，將其進行隔開，組成兩個系統，即淡化系統和濃縮系統，通過直流電場的作用，將電位差作為其主要的推動力，依據離子交換膜的選擇通透性原理，將電解質有效的從水源中分離出來，達到對其凈化的目的和效果。電滲析技術在實際當中的應用比較的廣泛，有著多個方面的優點，首先，這種水處理技術能量消耗較低，整個過程對能源的損耗量一直都處于比較低的狀態，有利于進行能源的保護和節能利用；第二點，電滲析技術藥劑的消耗量比較的少，同時對環境的污染情況也是比較的小，所以是一項較為環保的水處理技術；第三點，電滲析技術操作較為便捷，可以很好的幫助實現機械及設備的自動化處理及操作，管理起來也很容易；第四點，其主要的水處理設備較為耐用，可維護性較強，預處理等方面也很簡單。但是，電滲析技術也有著自身的劣勢所在，在實際的運行和操作當中，比較容易發生濃縮差化，從而結垢。所以，綜合以上分析，電滲析技術雖然有其特殊的優勢所在，但是也有其劣勢正，在實際的操作和應用當中，應當注意對這方面的重視，揚長避短，用最佳的方式對水源進行最合理的處理。

分析完電滲析技術的主要技術原理和特點，接下來對其主要的過程進行細致的分析。電滲析技術的過程分為幾個種類，即倒極電滲析、填充電滲析、高溫電滲析和雙極性膜電滲析，下文將對這幾種電滲析的過程進行詳細的分析和闡述。

第一，倒極電滲析，這種方式為電滲析的發展提供了一個極為重要的方向，通過多種技術設備的應用和LED原理，每隔一段時間，正負的電極極性相互之間進行交換，較為頻繁的倒極，這樣的方式，可以非常有效的清洗離子交換膜之內的污垢，同時對電極表面形成的污垢，也有非常好的清洗作用和效果，從這一方面來對離子交換膜的長期使用作出穩定的保障，對其長期的使用穩定性也堅定了基礎。在實際的使用和操作當中，有著極為顯著的效果，水的回收率往往可以達到百分之九十以上，同時，使用的壽命較長，管理起來較為簡易，和其他的技術方法相比，有著其特殊的優勢所在。

第二，填充電滲析。這種方式是將電滲析的技術特點和離子交換的技術特點有機結合起來的一種新的技術方式，綜合了這兩種技術的特點和長處，對其相應的缺點進行了有效的補充，所以，在實際當中的運用效果比較的顯著，很好的提升了電流的密度以及電流效率的合理運用。

第三，高溫電滲析和雙膜電滲析。高溫電滲析技術其主要的特點在于可以很好的使溶液密度下降，從而達到提升擴散速度以及增加溶液導電性的效果，同時，還可以對膜的導電性進行有效的增強，進而提高允許的密度，將設備的生產能力進行顯著的提高，或者對動力的消耗進行合理的降低，減少處理的費用，提高設備的使用壽命和性能，在實際的運用當中效果比較的明顯。通過一系列的實現證明，高溫電滲析這項技術其在有余熱可以進行利用的工廠，適用程度更高，可以達到更加合理的效果。最后一個，雙極性膜電滲析，這項技術由層壓在一起的陽離子交換膜以及陰離子的交換膜和兩層膜之間的中間層進行構成，結構較為緊密，在實際的使用和操作當中，當陽極和陰極之間施加一定的電壓時，電荷通過離子之間進行有效的傳遞，達到分析溶液當中的電解質的目的，同時，如果當中沒有離子存在，則電流由水解電力的氫離子以及氫氧根進行很好的傳遞，所以，這項技術不受情況的局限性所影響，可以在很多情況下發揮自身應有的功效，達到最佳的水處理效果，在實際當中的應用也是比較的廣泛。

電絮凝技術原理及過程

通過對電滲析技術的主要原理及特點進行詳細的分析，對常見的電滲析過程進行簡要的探究，可以幫助對電化學的水處理技術有著一個較為初步的了解和掌握，有效的提升在實際應用當中的操作效果。下文將對另外一種電化學水處理技術，即電絮凝技術進行深入的探究，分析其特點和主要的技術過程，加強在實踐當中的應用。電絮凝技術通過對化學絮凝當中的陽離子進行凝集，與表面的電荷進行中和反應，涉及水污染的物質以及電場的反應，很好的運用了電產生的氧化及還原反應，進行污染水源的處理和清潔。在目前的情況下，主要的設計工藝不能很好的滿足廢水處理場合，而通過電絮凝技術的應用，可以在較低的經濟投資之下，實現水之源的有效處理，對其中的污染物質進行合理的清除，達到應有的目的和效果。通過電絮凝技術的采用，可以使水源當中的絮體含水量減少，在實際的使用和操作過程當中，比較的穩定，管理比較的便捷，尤其對于較為貧困的地區來講，合理的利用電絮凝的水處理技術，對當地的發展和經濟情況將有著重大的幫助作用。

電絮凝技術，是在電解質溶液當中，可溶性電極被氧化，從而形成金屬離子，隨著金屬離子的進一步氧化，得出一系列的產物，通過多種不同的方式，有效的使污染物質進行聚集，達到處理水資源中污染物質的效果和目的。并且這項技術在實際的應用當中有著較為顯著的效果，可以很好的解決水資源當中污染物質較為嚴重的問題。在反應的體系當中，氫離子放電，釋放出氫氣，可以很好的起到還原的作用，在反應過程當中，有機物質在電極的表面發生一系列的氧化作用，使原有的物質結構被進一步的破壞掉，達到降解的效果和作用，對于氫氧根等等，有著極強的氧化作用。

結束語

綜上所述，通過對電絮凝技術和電滲析技術的探究和分析，可以進一步的加強電化學水處理技術在實際當中的應用，有效的提高其使用性和操作性。通過對這兩項主要的電化學水處理技術進行詳細的分析，可以從多個方面多個角度對比其優勢和劣勢，從而在實際的使用和操作當中，加強效果，更好的進行水源污染問題的解決，幫助解決人民群眾的飲水安全問題，同時通過對設備成本和管理的有效控制，可以很好的對經濟效益的發展情況進行把握，在維護生態環境的可持續性發展的同時，維持經濟效益，為水源的安全處理提供更為廣闊的發展前景。

參考文獻

楊定建.淺析水處理技術及工藝流程【J】.現代工業資訊，2005（7）

篇6

摘要:

采用二步電壓氧化法制備了兩組孔徑及孔密度不同的TiO2納米多孔薄膜，利用電化學測試方法對制備出的TiO2納米多孔薄膜的開路電位-時間曲線、交流阻抗譜圖以及計時電流曲線進行了測試，研究了多孔薄膜材料的孔徑及孔密度對材料光電化學性能以及比表面積的影響。結果表明，制備出的具有不同孔徑和孔密度的試片在光照情況下的電化學反應電阻均明顯下降，相關電化學反應更容易發生;增大薄膜材料的比表面積有利于提高其光電性能，性能最佳的薄膜材料的孔徑為103nm，孔密度為10×108個/cm2。

關鍵詞:

TiO2;納米多孔薄膜;陽極氧化;孔徑;孔密度

引言

隨著全球工業化進程的加速，能源危機日益臨近，環境污染問題及可再生新能源的開發越來越得到各國的重視。環境保護和可持續發展已成為人類必須考慮的首要問題。而太陽能是一種無污染并且取之不盡的可持續使用的能源。為實現太陽能的高效利用，研究效率高的光催化劑、光電化學電池以及太陽能電池等成為目前科學研究界的前沿領域［1］。TiO2作為一種來源豐富、價格低廉、性能穩定、對環境友好，并具有多種功能特性的半導體材料，一直以來在化工、電子、能源及環保等領域有重要的應用價值［2-5］。TiO2納米材料在眾多領域特別是作為高效催化劑和低成本染料敏化太陽能電池光陽極中廣泛應用成為各大領域的研究熱點［6］。然而TiO2只能利用紫外光，導致材料本身在太陽能利用方面效率偏低。因此，如何擴展TiO2的光譜響應范圍，提高其光電性能一直以來被廣大學者所關注。本文采用二步電壓氧化法制備了具有不同孔徑及孔密度的TiO2納米多孔薄膜，通過測試TiO2納米多孔薄膜的開路電位-時間曲線，交流阻抗譜圖以及計時電流曲線研究了多孔薄膜材料的孔徑以及孔密度對材料光電化學性能以及比表面積的影響。

1實驗部分

1．1TiO2納米多孔薄膜制備方法首先對鈦片基體進行封裝和預處理，去除試樣表面的氧化膜及油污層，封裝及預處理步驟如下:1)將TA2鈦片裁剪為80mm×20mm×0．15mm的試樣，利用AB膠以及載玻片將裁剪好的鈦箔進行封裝，留出15mm×15mm的待氧化區以及適當面積的導電連接區，如圖1所示;2)用浸有丙酮的脫脂棉球擦拭鈦片待氧化區表面，以去除封裝過程中表面殘留的AB膠以及部分油污;3)將封好的試片放入5%NaOH溶液中，在50℃下浸泡5min，蒸餾水清洗;4)將封好的試片放入0．5mol/L的硫酸溶液中室溫下浸泡10s，蒸餾水沖洗;5)以鈦基鍍鉑網為陽極，封好的試片為陰極，在電化學除油液中于10V電壓下對試片進行陰極電解除油15s，蒸餾水沖洗干凈后備用。采用硫酸溶液為電解液，將預處理后的試片與電源正極相連接，將作為對電極的鈦基鍍鉑網與電源負極相連接，應用二步電壓施加方式進行陽極氧化制備TiO2納米多孔薄膜［7-8］。為研究孔徑、孔密度對光電化學性質的影響，參考之前的制備條件［9-10］，分別氧化制備了兩組樣品，一組是孔徑大小相似但孔密度不同的樣品，另一組為孔密度大小相似但孔徑不同的樣品。

1．2TiO2納米多孔薄膜的性能表征采用CHI660E電化學工作站在室溫下進行電化學測試。以制備的TiO2納米多孔薄膜試片為工作電極，鉑片為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，0．25mol/L的NaSO4溶液為電解液，組成三電極體系。電化學測試時將組裝好的三電極體系放置于光化學反應器內的升降臺上，調整升降臺的高度以及三電極體系的位置，使反應器中用于模擬太陽光的內置氙燈光源(Solar-500)的光束能夠垂直照射到納米多孔薄膜表面。測試裝置如圖2所示。分別采用開路電位-時間曲線、計時電流-時間曲線以及交流阻抗譜圖的測試方法對試片的光電性能、比表面積等進行表征。開路電位-時間曲線的測試在光照與非光照兩種情況下交替進行，總的測試時間t為400s，光照與非光照的交替間隔t為100s。計時電流-時間曲線在非光照條件下測試，根據穩定電位設置測量參數，其中初始電位和高電位均設置為開路電位，Δφ為10mV，設定低電位，選擇負向階躍，半周期為25ms。該方法測試比表面積的原理實質是采用恒電位階躍法測試電極真實表面積。根據雙電層理論，當電極浸入電解液時，電極與溶液界面之間總存在雙電層。在參比電極與研究電極之間施加小幅度的恒電位方波(方波幅值Δφ)，則流經研究電極的電流全部用于雙電層充電，隨著時間推移，充電電流逐漸減小，并且呈現如圖3所示的變化規律。圖3中陰影部分的面積為雙電層電容器充電的電量Q，Δφ為電位階躍值，i為響應電流，對i在響應時間t內進行積分即可計算出充電電容Cd。以汞電極雙層充電電容值為標準值，記作CN，表示單位真實表面積上的電容值，從而可計算出研究電極的真實表面積S真，再手工測定研究電極的表觀表面積S表，就可算出研究電極的比表面積S比。交流阻抗譜圖的測試在光照及非光照兩種條件下進行測試，測試電位為開路電位，電壓幅度為5mV，頻率范圍為10mHz～10kHz，測試所得的交流阻抗譜圖采用ZSimpWin軟件進行模擬，等效電路圖如圖4所示。采用JEOLJSMΔφ6700F掃描電子顯微鏡測試氧化鈦薄膜的表面形貌，在測試圖片上任選5個微孔測量孔徑并求出孔徑平均值作為孔徑數據;在測試圖片上數出單位標尺面積內的孔的個數，通過圖片標尺數據進行換算，求出每平方厘米內的孔的個數作為孔密度數據。

2結果與討論

2．1孔密度對TiO2多孔薄膜光電特性的影響為研究孔密度對于制備的TiO2納米多孔薄膜光電特性的影響，根據之前的研究結果［9-10］，制備了一組孔徑大小相似，但是孔密度相差較大的TiO2納米多孔薄膜試片，并采用開路電位-時間曲線、計時電流-時間曲線以及交流阻抗圖譜對制備出的試片的光電化學性能進行了分析。測試結果如圖5及表1所示。圖5為不同孔密度的TiO2納米多孔薄膜開路電位-時間曲線，表1為相應的開路電位在光照和非光照下的變化值。由于光照能夠促使納米TiO2多孔薄膜表面產生光生電子及空穴對，生成的光生電子及空穴緊接著發生分離并擴散至電極與溶液接觸面形成的雙電層界面，使雙電層的帶電狀況發生變化，進而改變雙電層的結構，雙電層結構的變化最終導致電極開路電位即穩定電位數值的改變。因此通過測試電極在光照及非光照兩種情況下的開路電位，計算出該電位數值的變化，即Δφ來評價材料對于光的敏感性，電極材料對光照越敏感，開路電位的變化值越大，即材料的光電性能越好。從圖5及表1的測試結果可以看出，當孔徑為103nm，孔密度為10×108個/cm2時，試片在光照和非光照時開路電壓的變化值Δφ最大，即該孔徑及孔密度的TiO2多孔薄膜對光照最敏感，具有最佳的光電化學特性。圖6、圖7分別為無光照及光照下不同孔密度的TiO2納米多孔薄膜的交流阻抗譜圖，表2為相應的交流阻抗譜圖的模擬數據。由于阻抗譜圖中阻抗半圓直徑的大小對應著電化學反應電阻的大小，阻抗半圓直徑越大即阻抗半圓弧越大意味著電化學反應電阻越大，即電化學反應進行越困難，因此可以通過測試光照及非光照下試片材料阻抗譜圖，比較阻抗半圓直徑的大小來評價材料的光電化學性能。從圖6、圖7及表2的測試及模擬結果可以看出，所有試片在光照情況下的電化學反應電阻均較非光照條件下明顯下降，即所有試片均對光照具有敏感性，光照時相關電化學反應更容易發生。且經過進一步對比發現孔徑為103nm，孔密度為10×108個/cm2的試片在光照及非光照下均具有最小的電化學反應電阻，即該條件下的試片對光照最敏感，具有最佳的光電化學特性。此結論與開路電位-時間曲線的分析相一致。圖8為不同孔密度的TiO2納米多孔薄膜的計時電流-時間曲線，表3為通過對計時電流-時間曲線積分計算所得的相應的比表面積數值。通過表3的數據可以看出，孔徑為103nm，孔密度為10×108個/cm2的試片的比表面積最大，數值為11．30，而比表面積越大，越有利于提高材料的光電性能，由此可見該條件下的試片的性能應最佳，此結論與之前的開路電位-時間曲線以及交流阻抗譜圖的分析結果相一致。綜合以上分析可以看出，當孔徑大小在103nm左右時，光電性能最佳的TiO2納米多孔薄膜的孔密度為10×108個/cm2。

2．2孔徑對TiO2多孔薄膜光電特性的影響為研究孔徑對制備的TiO2納米多孔薄膜光電特性的影響，根據之前的研究［9-10］，并結合2．1的分析結果，制備了一組孔密度為10×108個/cm2左右，但是孔徑相差較大的TiO2納米多孔薄膜試片，并采用開路電位-時間曲線、計時電流-時間曲線以及交流阻抗譜圖對制備出的試片材料的光電化學性能進行了分析。圖9為不同孔徑的TiO2納米多孔薄膜開路電位-時間曲線，表4為相應的開路電位在光照和非光照下的變化值。從圖9及表4可以看出，當孔徑為103nm，孔密度為10×108個/cm2時，試片在光照和非光照時開路電壓的變化值Δφ最大，即該孔徑及孔密度的TiO2多孔薄膜對光照最敏感，具有最佳的光電化學特性。圖10、圖11分別為無光照及光照下不同孔徑的TiO2納米多孔薄膜的交流阻抗譜圖，表5為相應的交流阻抗的模擬數據。從圖10、圖11及表5可以看出，所有試片在光照情況下的電化學反應電阻均較無光照條件下明顯下降，即所有試片均對光照具有敏感性，在光照情況下相關電化學反應更容易發生。且經過進一步對比發現，孔徑為103nm，孔密度為10×108個/cm2的試片在光照及非光照下均具有最小的電化學反應電阻，即該條件下的試片對光照最敏感，具有最佳的光電化學特性。此結論與開路電位-時間曲線的分析相一致。圖12為不同孔徑的TiO2納米多孔薄膜的計時電流-時間曲線，表6為通過對計時電流-時間曲線積分計算所得的相應的比表面積數值。通過表6的數據可以看出，孔徑為103nm，孔密度為10×108個/cm2的試片的比表面積最大，數值為11．30。比表面積越大，越有利于提高材料的光電性能。由此可見該條件下的試片的性能最佳，此結論與開路電位-時間曲線以及交流阻抗譜圖的分析結果相一致。綜上分析可以看出，當孔密度在10×108個/cm2左右時，電性能最佳的TiO2納米多孔薄膜的孔徑為103nm。

3結論

采用二步電壓氧化法制備了兩組孔徑及孔密度大小不同的TiO2納米多孔薄膜，采用電化學測試方法對制備的TiO2納米多孔薄膜的開路電位-時間曲線、交流阻抗譜圖以及計時電流-時間曲線進行了測試，研究了TiO2納米多孔薄膜結構，包括多孔薄膜材料的孔密度和孔徑對于材料光電化學性能以及比表面積的影響。結果表明，制備出的具有不同孔徑和孔密度的試片在光照情況下的電化學反應電阻均明顯下降，相關電化學反應更容易發生;增大薄膜材料的比表面積有利于提高其光電性能。當孔徑大小在103nm左右時，光電性能最佳的TiO2納米多孔薄膜的孔密度為10×108個/cm2;而當孔密度大小在10×108個/cm2左右時，光電性能最佳的TiO2納米多孔薄膜的孔徑為103nm。說明性能最佳的薄膜材料結構為孔徑103nm，孔密度為10×108個/cm2。

參考文獻

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［3］陸飛，丁孝飛，王赫，等．陽極氧化法制備TiO2多孔薄膜及其光電化學性能研究［J］．電鍍與精飾，2015，37(10):1-5．

［4］鞏運蘭，李菲暉，白正晨，等．電壓對鈦陽極氧化薄膜形貌的影響［J］．電鍍與精飾，2010，32(11):5-8．

篇7

電化學DNA傳感器主要由表面固定了ssD-NA(單鏈DNA)[4]探針的電極金電極、玻璃電極和碳糊電極等)和檢測用的電化學雜交指示劑(即標識物)兩部分構成(如圖1所示)。為了提高雜交的專一性,ssDN段長度范圍一般從十幾個堿基到幾十個堿基,通常采用人工合成的短鏈寡聚脫氧核苷酸,其堿基序列與樣品中的靶序列互補。在適當的溫度、pH和離子強度條件下,固定在電極上的ssDNA與雜交緩沖溶液中的靶基因發生選擇性雜交反應。如果樣品中含有完全互補的DN段則在電極表面形成dsDNA(雙鏈DNA),從而引起電極上電流值的變化,利用微分脈沖或循環伏安法可檢測出dsDNA雜交信號。電化學雜交指示劑是一類能與ssDNA和dsDNA以不同方式相互作用的電活性化合物,其電活性可使檢測時的測量電流增大,提高檢測靈敏度,但電化學雜交指示劑的加入使電化學信號的本底加大,使檢測的分辨率降低。提高電極上ssDNA探針的靈敏度,一方面與雜交指示劑對dsDNA和ssDNA的選擇性結合能力的差異有關,另一方面與電極表面特異性吸附有關[5]。目前選用的嵌合劑均為單嵌合劑,可以考慮選用雙嵌合劑和三嵌合劑。利用其“分子剪刀”的功能,改善其靈敏度和選擇性。選用磷酸緩沖底液進行檢測,可避免對指示劑的非特性吸附[6]。在基因檢測方面采用計時電勢信號轉換模式(PSA)檢測,比伏安法靈敏度高,并能獲得有效的背景補償,可在5~20min短時間內檢測納克(ng)的目標DNA序列[7]。采用光刻沉積技術制備的金膜作為傳感電極[8],與巰基修飾的寡核苷酸探針自組裝成的電化學核酸傳感器,濃度檢測線性范圍為1.5~50nmol/L。以肽核酸[9](PNA)代替ssDNA作為探針分子修飾到電極表面,電極表面上的PNA仍能保持其在溶液中專一和有效的雜交特性,PNA識別層使傳感器具有更高的靈敏度和專一性,雜交速度快,并且不受離子強度的影響。

2電化學DNA傳感器的分類

DNA修飾電極是電化學DNA傳感器的重要部分,該類傳感器也多以此進行分類。ssDNA修飾(或固定)到電極上的方法,現有的文獻報道主要集中在自組裝膜法、吸附結合法、表面富集法、共價鍵結合法、化學免疫法、組合法、生物素-親和素反應法和LB膜法等。本文主要敘述以下幾種:

2.1吸附結合法

該方法是將碳糊電極放到含DNA探針分子的乙酸緩沖溶液中在一定電位下活化電極,然后在控制電位下吸附富集探針分子,最后用磷酸緩沖溶液淋洗后便可使用。其特點是簡單、靈活,但穩定性不夠。Pang[3,10]等研究證明,ssDNA在汞電極上的吸附性質為化學吸附,生成吸附化學鍵,質子化的ssDNA分子通過嘌呤和嘧啶堿基上芳香雜環的π鍵鍵合而吸附到汞電極上。Hashimoto[11,12]等采用吸附法在平面熱解石墨電極上固定了DN段。他們[12]還通過化學吸附在金電極表面修飾了20mer的DNA探針,該探針與v-myc基因部分互補。Wang等[13]利用電化學富集方法將DNA修飾到碳糊電極(CPE)上,制成DNA探針修飾電極。

2.2自組裝膜法

即基于分子的自組作用,在固體表面自然形成高度有序的單分子層膜的方法。在DNA技術中,一般是利用帶巰基(—SH)的化合物在金電極表面上可以形成自組裝單分子膜的特性來固定核酸。其特點是表面結構高度有序,穩定性好,有利于雜交;但對巰基化合物修飾的DNA的純度要求較高,分離提純操作較煩瑣。白燕[14]等人利用自組裝單分子膜技術,考察了ssDNA/Au電極、dsDNA/Au電極的指示劑氧化峰電流。研究表明,ssDNA/Au電極、dsDNA/Au電極的指示劑氧化峰電流響應值之差與互補DNA濃度在一定范圍內呈線性關系,據此可以識別特定序列的DNA,并對其進行定量。陸琪[15]等人采用先進行—SH化合物自組裝,得到自組裝單分子層,再在其上共價鍵合或吸附固定DNA的方法,制備DNA修飾電極,克服了由于—SH修飾的DNA難以合成,并且需要分離提純,操作繁瑣的缺點。Xu[16]等先將4_巰基丁基膦酸(MBPA)在純乙醇中固定到硅晶片的金膜上,然后再與Al3+反應,形成一層包含Al3+的膜,再通過Al3+與DNA之間的靜電作用將ssDNA固定到電極上。

2.3共價鍵結合法

該法首先對電極進行活化預處理,以引入活性鍵合基團,然后進行表面的有機合成,通過共價鍵合反應把探針分子修飾到電極表面。如在氧化的玻碳電極表面,以一種水溶液的乙基_(3_二甲基丙基)碳二亞胺鹽酸和N_羥基磺基琥珀酰亞胺作為偶聯活化劑,小牛胸腺DNA和多聚脫氧鳥苷酸、多聚脫氧胞苷酸片段通過與活化的電極表面(O_酰基異脲)形成磷酰胺鍵共價結合到電極表面。其特點是修飾層穩定,易進行分子雜交,但由于電極表面活性位點有限,表面合成又是異相反應,因而固定的DNA量有限,響應信號小。S.Lin[17~19]采用共價鍵法,成功地在石墨電極上固定了DNA探針。趙元弟等[20]采用巰基化合物自組裝/共價鍵合反應的逐層固定方法,將雙鏈DNA固定到金電極表面,得到DNA修飾電極,并對該電極表面進行了電化學和X射線光電子能譜表征,研究了電極表面固定化小牛胸腺DNA和一種具有10堿基長度的寡聚核苷酸探針分別與溶液中DNA的表面分子雜交情況。

2.4化學免疫法

在免疫傳感器的研究及應用方面,本課題組研究了多種Nafion膜修飾微鉑電極對溶液中NO的電化學行為進行了研究[21~24],并用自行設計合成的大環鎳制成了Nafion膜修飾電極,實現了對多巴胺和腎上腺素這兩種哺乳動物的重要神經遞質的同時測定[25];用PVC膜修飾的免疫電極采用流動注射分析了乙肝抗原[26];通過戊二醛偶聯乙肝表面抗體(抗-HBs),用自組裝的硫脲單分子層金免疫電極,檢測了乙肝表面抗原[27]。采用了溶膠-凝膠(sol-gel)技術,成功將乙肝表面抗體(HBsAb)包埋于sol-gel中,此方法可用于檢測乙肝表面抗原HBsAg[28]。同時結合溶膠-凝膠(sol-gel)和交聯技術,將乳腺癌抗體固定在鉑盤電極表面的氨基化sol-gel功能膜上,用于檢測乳腺癌抗原(CA15-3)的免疫傳感器[29]等。利用化學免疫法固定DNA首先在電極表面鍵合抗生蛋白(avidin),然后利用抗生蛋白與生物素之間的親和作用,使其與5′端標記有生物素(biotin)的DNA結合,因而將DNA固定于電極表面。Yoshio[30]利用avidin與biotin的基本反應通過多層分子組裝將dsDN段固定化,用以測定相對分子質量小的有機物質和氯代聯苯、氯代酚、雙酚A、溴化乙啶等。

2.5組合法

該法是將化學修飾劑與電極材料混合以制備組合修飾電極。Millan[31]將18_烷基胺或18_烷基酸混入碳糊中,得到修飾的碳糊電極。在DEC存在下,18_烷基胺的氨基與ssDNA5′末端的磷酸基形成磷酰氨鍵,并將其固定在電極上。

3電化學DNA傳感器中的標示物

DNA傳感器對目標基因的選擇性識別是靠核酸的雜交來完成的。為了檢測所發生的雜交信息,必須采用一種電活性物質來指示,即電化學DNA傳感器的標示物。本文主要介紹以下3種標示物。

3.1具有電化學活性的雜交指示劑作為標示物

許多具有電化學活性的小分子物質能與DNA分子發生可逆性相互作用,其中一些物質能夠專一性地嵌入dsDNA分子雙螺旋結構的堿基對之間,這一類物質稱為雜交指示劑。在雜交過程中雜交指示劑與電極表面的dsDNA形成復合物,根據雜交指示劑與ssDNA和dsDNA結合方式和結合能力的差異,通過測定其氧化還原峰電流和峰電位可以識別和測定DNA分子。能夠選擇性識別ssDNA和dsDNA而又不與DNA鏈發生不可逆的共價結合,同時又能給出電流或電勢識別信號的雜交指示劑是該類電化學DNA生物傳感器的關鍵。指示劑與DNA的結合方式主要有:(1)與DNA分子的帶負電荷的核糖/磷酸骨架之間的靜電作用;(2)與DNA溝槽的嵌入作用。雜交指示劑對dsDNA比對ssDNA有更高的特異性結合能力,這樣才能指示靈敏。一般地說,dsDNA與指示劑的相互作用為靜電作用和內部疏水性作用,而ssDNA主要是靜電作用,可以從其電化學峰電位的移動來判斷,前者峰電位正移,后者峰電位負移[32]。Wang[33,34]等用肌苷代替DNA探針中的鳥嘌呤來消除探針中鳥嘌呤的氧化峰,然后利用探針和靶序列,對雜交后出現的鳥嘌呤的氧化峰進行檢測。Hashimoto[35]等利用多種雜交指示劑進行電化學基因檢測,發現電活性小分子道諾霉素(daunomycine)可以通過峰電位的移動,很好地區分dsDNA和ssDNA,并且其電流密度相當高,在10μmol/L的溶液中達到6.5μA/c,可檢測到10-8g/mL的靶基因序列。Hoechst33258能專一性地作用于雙螺旋DNA的小溝槽的A-T堿基對,可以通過其陽極峰電流的變化來指示。而其它的指示劑,如丫啶黃(acridineorange)、米諾霉素(minocycline)、普匹碘銨(propidiumiodide)等,效果就不如前二者。

3.2寡聚核苷酸上修飾電化學活性的官能團作為標示物[2,3]

合成帶有電化學活性基團的寡聚核苷酸與電極表面的靶基因選擇性地進行雜交反應,在電極表面形成帶有電活性官能團的雜交分子,通過測定其電信號可以識別和測定DNA分子。Takenka等人[2]成功地在寡聚核苷酸的5′端磷酸基上標記具有電化學活性的羧基二茂鐵制成二茂鐵寡聚核苷酸,合成的二茂鐵寡聚核苷酸選擇性地與互補單鏈DNA形成復合物,采用電流檢測,檢測信號與復合物的量呈線性關系。

3.3利用酶的化學放大功能在DNA分子上標記酶作為標示物[2,3]

當標記了酶的ssDNA與電極表面的互補ssDNA發生雜交反應后,相當于在電極表面修飾了一層酶,酶具有很強的催化功能,通過測定反應生成物的變化量可以間接測定DNA。

4電化學DNA傳感器的醫學應用

4.1在細茵及病毒感染類疾病診斷

細菌及病毒感染是引起人類疾病的主要原因之一。歷史上許多災難性的瘟疫,如霍亂、天花、麻疹等,都是由相應的病菌或病毒所引起的,因此盡早診斷出病源微生物(細菌或病毒)的感染,是預防這類疾病的關鍵[1,36]。Wang[37]等人用陽極氧化法,將與結核桿菌(Mycobateriatuberculosis)基因DR區相對應的兩個長度分別為27和36堿基的DNA探針,固定在碳糊電極表面,制成電化學DNA傳感器。利用計時電位分析法,以Co(Phen)33+作指示劑,進行了DNA傳感器用于結核桿菌診斷的最初嘗試。武漢病毒研究所用化學免疫法固定乙型肝炎病毒(HBV)的DNA探針,用來與牛腸磷酸酶(CAP)標記的互補探針雜交,利用光動力計測量雜交帶入的CAP釋放出的光強度,驗證了DNA傳感器進行HBV診斷的可行性[38]。日本的Hashimoto等人[39]將巰基標記的HBV探針自組裝在金和鈦電極表面,用電化學方法檢測了血清HBVDNA的競爭性PCR擴增產物,結果表明用DNA傳感器HBV的臨床診斷,不受血清中其它DNA成分的干擾,具有良好的特異性。近來,吳少慧等人[40]通過陽極氧化法,將HBV的DNA探針固定在鍍金的石英晶體表面,組裝成石英晶體傳感器[41~44]。用該石英晶體傳感器去檢測HBV的DNA時,作為檢測對象的DNA會與固定在石英晶體表面的DNA探針雜交,引起石英晶體的質量改變,從而使石英晶體的振蕩頻率改變,產生檢測信號。用該傳感器檢測了6個HBV血清,證明其穩定性能滿足臨床HBV的診斷要求。

4.2基因診斷

基因遺傳病是當前威脅人類健康的天敵,許多基因遺傳病至今還沒有根治的方法,因此,基因診斷變得越來越重要,尤其對遺傳性疾病的產前和病前診斷顯得更為重要,而在基因與功能的研究以及其他許多方面,DNA序列分析均是必須完成的關鍵步驟,利用電化學DNA傳感器測定DNA序列效果較好。Millan等[31]在ssDNA修飾了碳糊電極,在較高離子強度下與靶基因快速雜交(<10min),用該傳感器測定了18個堿基長度的囊性纖維變性基因ΔF508序列,得到了令人滿意的結果。Wang等[7]報道了艾滋病人類免疫缺陷病毒型(HIV-Ⅰ)相關的短DNA序列測定的傳感器。他們將21和24個堿基與HIV-IU5LTR序列互補的單鏈寡核苷酸部分修飾在碳糊電極(CPE)上,以雜交指示劑Co(Phen)33+溶出峰來檢測雜交。靶基因片段檢出限為4×l0-9mol/L。Wang等[33]提出了以肽核酸(PNA)代替ssDNA作為探針修飾到電極表面,己證明PNA與互補核苷酸有很多的雜交特性,在許多方面顯示出優于ssDNA的性能,有望被很好地用于基因診斷。

4.3藥物分析

許多藥物與核酸之間存在可逆作用,而且核酸是當代新藥發展的首選目標。電化學DNA生物傳感器除了可用于特定基因的檢測外,還可用于一些DNA結合藥物的檢測以及新型藥物分子的設計[32]。Wang等人[45]將修飾dsDNA的碳糊電極插入吩噻類藥物的醋酸緩沖溶液中富集,進行計時電位分析。結果發現,在未修飾dsDNA的碳糊電極上,吩噻僅僅產生非常小的陽極峰,而在修飾電極上可以測得nmol/L級吩噻類藥物。羅濟文等人[46]研究了道諾霉素(DNM)在小牛胸腺DNA修飾石墨粉末微電極上的電化學行為,提出了測定微量DNM的方法,DNM濃度在1.0×10-7~1.0×10-5mol/L之間,其微分脈沖伏安(DPV)峰電流與濃度有良好的線性關系,檢出限為5.0×10-8mol/L,并以此為基礎提出了一種測定人尿中痕量DNM的方法。該方法簡單、快速、靈敏度較高。宋玉民等[47]用電化學方法和熒光方法研究了桑色素(Morin)和抗腫瘤活性較強的桑色素合銅(Ⅱ)、桑色素合鋅(Ⅱ)與DNA在生理條件下的相互作用,從分子水平探討桑色素及其配合物抗癌活性不同的存因以及DNA作用方式之間的聯系。Maeda等人[48]研究了抗瘧藥阿的平在DNA修飾電極上的電化學檢測。結果顯示,在1×10-7~5×10-7mol/L范圍內,阿的平的濃度與指示化合物鐵氰化鉀的陽極峰電流成正比,當濃度在8×10-7mol/L時達到飽和。同時,用NaCl溶液做對比實驗,證實阿的平與DNA分子發生了強烈的特異性相互作用。這為今后研究某些藥物與DNA的相互作用機理及建立簡便的藥物篩選方法作了探索性的工作。

4.4DNA損傷研究

人類基因與其它物種基因的功能均是編碼遺傳信息從而保護其完整性[49]。DNA修復酶始終監視染色體并修復基因和細胞化學物所致的核苷酸殘基的破壞,若沒有DNA修復,那么由多種多樣的DNA損傷因素所引起的染色體不穩定性將對細胞和生物體產生致命的影響[50~53]。利用電化學DNA傳感器對DNA損傷進行測定取得了令人滿意的效果。孫星炎等[54]研究了不同致突變因素(紫外光照射、亞硝酸)的作用下,以石墨電極為基底電極,特定堿基序列的DNA在電極表面能否雜交及雜交程度的差異,對DNA突變情況及可能的突變機理進行了探討。Wang等[55]直接固定dsDNA微型電化學傳感器,探討紫外光輻射引起的DNA中鳥嘌呤氧化峰信號的變化,來檢測DNA的損傷。Sue等[56]認為,目前基因檢測在疾病診斷方面的原理,一般是用固定的抗原或抗體來探察和它們捆綁在一起的分子聚集時的生物流動性,而電化學DNA生物傳感器的微排列,是由數千被合成或被克隆的能在樣品中被察覺的連續互補DNA序列組成,臨床上通過傳感器的檢測能夠迅速找出哪種組織患病和是否帶有耐藥因子,為疾病的快速診斷提供了可能。

篇8

復習。

關鍵詞：高考；電化學；命題思想

高中電化學知識包括原電池原理和電解原理，以及兩者在化工生產和生活中的應用。電化學是高中化學課程中重要的理論部分，該部分試題往往緊密聯系生活，與學科內及學科外的知識點有機結合，從而考查學生的能力，易于落實新課程理念，因此在歷年高考命題中占有重要地位。研究高考電化學命題的思想主要有：

一、試題拓展教材內容，考查學生分析問題、解決問題的能力

例1.（2011福建高考-11）研究人員研制出一種鋰水電池，可

作為魚雷和潛艇的儲備電源。該電池以金屬鋰和鋼板為電極材料，以LiOH為電解質，使用時加入水即可放電。下列關于該電池的說法，不正確的是（ ）

A.水既是氧化劑，又是溶劑

B.放電時正極上有氫氣生成

C.放電時OH-向正極移動

D.總反應為：2Li+2H2O■2LiOH+H2

此題的情境取材于書本外新的化學電源，知識落腳點是基礎。與原電池有關的試題都應該從基礎知識入手分析：（1）判斷電極及分析電極反應類型，負極發生氧化反應，正極發生還原反應；（2）分析電子流向，電子由負極沿外線路流向正極，陰離子流向負極，陽離子流向正極；（3）書寫電極反應，電極反應式一定要滿足得失電子守恒。本題考查學生利用原電池知識分析問題、解決問題的能力,考生若掌握了相關知識便可迅速選出C項是錯誤，因為原電池放電時OH-是向負極移動的。

二、電化學與實驗整合，考查學生的創新能力

例2.（2009上海卷-13）下圖裝置中U型管內為紅墨水，a、b

試管內分別盛有食鹽水和氯化銨溶液，各加入生鐵塊，放置一段時間。下列有關描述錯誤的是（ ）

■

A.生鐵塊中的碳是原電池的正極

B.紅墨水柱兩邊的液面變為左低右高

C.兩試管中相同的電極反應式是：Fe－2e-Fe2+

D.a試管中發生了吸氧腐蝕，b試管中發生了析氫腐蝕

解析：激發學生的創新潛能，提高學生的實踐能力是新課改的目標。本題是學生熟悉的原電池設計的新型裝置，由于a為中性環境，發生吸氧腐蝕，氧氣被消耗，氣體壓強減小；b中酸性較強，發生析氫腐蝕，有氫氣放出，氣體壓強增大，所以紅墨水柱兩邊的液面變為左高右低，故B項說法錯誤。試題通過設計新裝置，不僅考查學生運用化學實驗解決問題的能力，同時也考查了學生的實驗設計與創新能力。

三、以陌生材料為素材，考查學生處理信息的能力

例3.（2010江蘇卷-11）下圖是一種航天器能量儲存系統原理示意圖。下列說法正確的是（ ）

A.該系統中只存在3種形式的能量轉化

B.裝置Y中負極的電極反應式為:O2+2H2O+4e-=4OH-

C．裝置X能實現燃料電池的燃料和氧化劑再生

D．裝置X、Y形成的子系統能實現物質的零排放，并能實現化學能與電能間的完全轉化

解析：本題為信息遷移題，解題時要充分挖掘材料中的有用信息。A項，在該裝置系統中，有四種能量轉化的關系，即太陽能、電能、化學能和機械能之間的相互轉化；B項，裝置Y為氫氧燃料電池，負極電極反應為H2-2e-+2OH-=2H2O；C項，相當于用光能電解水，產生H2和O2，實現燃料（H2）和氧化劑（O2）的再生；D項，在反應過程中，有能力的損耗和熱效應的產生，不可能實現化學能和電能的完全轉化。綜上分析可知，本題選C項。試題要求學生能運用已學的知識解決新情境中的問題，綜合考查學生接受新信息及應用新信息解決問題的能力。

四、將綠色化學融入試題，強化學生的綠色化學理念

例4.（2009安徽卷-12）Cu2O是一種半導體材料，基于綠色化

學理念設計的制取Cu2O的電解池示意圖如下，電解總反應為：2Cu+H2O■Cu2O+H2。下列說法正確的是（　）

A.石墨電極上產生氫氣

B.銅電極發生還原反應

C.銅電極接直流電源的負極

D.當有0.1 mol電子轉移時，有0.1 mol Cu2O生成。

解析：STS教育理念下的化學新課程改革強調課程要重視從社會實際問題出發組織學習，使學生從科學、技術和社會相互聯系的視角去認識化學問題，思考社會問題。本題主要考查學生與原電池有關的知識，而將綠色化學有機地結合在一起，有助于強化學生的綠色化學理念，讓學生關注人類面臨的與化學相關的社會問題，增強學生的社會責任感。

五、利用電化學原理處理數據，考查學生的計算能力

例5.（2009重慶卷-26）工業上電解飽和食鹽水能制取多種化工原料，其中部分原料可用于制備多晶硅。（1）略。（2）多晶硅主要采用SiHCl3還原工藝生產，其副產物SiCl4的綜合利用受到廣泛關注。②SiCl4可轉化為SiHCl3而循環使用。一定條件下，在20L恒容密閉容器中的反應：3SiCl4（g）+2H2（g）+Si（s）■4SiHCl3（g）達平衡后，H2與SiHCl3物質的量濃度分別為0.140mol/L和0.020mol/L，若H2全部來源于離子交換膜法的電解產物，理論上需消耗純NaCl的質量為 kg。（3）采用無膜電解槽電解飽和食鹽水，可制取氯酸鈉，同時生成氫氣，現制得氯酸鈉213.0 kg，則生成氫氣m3（標準狀況）。

篇9

關鍵詞：水處理 電化學 殺菌 除鐵

隨著社會經濟的發展和生活水平的提高，城市居民對用水質量的要求日益增高，但工業化生產排放的廢水對水源的污染也越來越大。按傳統的自來水處理方法，只有增大加氯的劑量。由于水中有機物含量增加，這樣做難免會產生“三致”物質。而且，即使投入更多的氯，也難以保證在管道末梢的余氯值大于0.05mg/L，往往發現建筑物的供水管道和屋頂水箱中細菌和藻類滋生的現象。微生物分泌的粘液吸附水中雜質，淤積在管壁上形成粘泥層，增加對水流的阻力；在粘泥覆蓋下，管道表面因貧氧形成濃差電池，引起管壁銹蝕，使流出的水發黃帶鐵腥味。對此，我們在實驗的基礎上，在建筑物的水箱處增加一級電化學水處理，可以起到殺菌、殺藻、除鐵的作用，有效地改善了水質。該方法不需添加化學藥劑，無二次污染，可以根據水質調節用電量。

1 殺菌[1][2][3]

1.1 作用機理

根據電解的原理，研制的陽極，以鈦板或鈦棒為基體，用高溫熱解氧化法在表面生成含銥等貴金屬氧化物的涂層。該電極在電解過程中自身不溶解，催化產生具有極強殺生能力的活性物質，如OH自由基、初生態O、H2O2和O3等活性氧；水中存在的氯離子，被激活成ClO2、HClO、ClO-等活性氯協同殺菌。微生物表面帶負電，在電場力的作用下向陽極遷移。電極與水的界面存在的雙電層電場強度較高，如微生物被電場吸引或隨水流沖進雙電層，會因觸電致死，用電殺菌具有廣譜性的殺菌效果，不會產生耐藥性；產生的H2O2和余氯賦予水體持續抑菌的能力。

1.2 實驗裝置和實驗方法

根據上述工作機理，研制出殺菌滅藻電水處理器，有平板型和圓柱型兩種型式，結構如圖1所示。陽極采用有表面涂層的鈦板或鈦棒，陰極采用不銹鋼。水流從處理器的下部流入，上部流出，額定流量為1m3/h。兩種形式處理器的陽極面積相同，平板型耗電量較低，圓柱型強度較高。檢驗殺菌效果的組合實驗裝置如圖2所示，水箱容積1.0m3帶攪拌器；水流由離心式水泵提供，用流量計控制流量。

實驗用水為配水，自來水經活性炭過濾后流入水箱，加人自行培養的細菌并攪拌均勻，原水細菌總數在106個/mL左右。過濾水經鄰聯甲苯胺方法比色確認無余氯。培養菌種從自來水中采取。

水流一次通過處理器，在處理器進、出口處用無菌瓶取水樣，立即檢測，用標準平皿法37℃培養48h后計算細菌總數。

1.3 實驗結果與討論

水流單程通過處理，消耗的電功率與殺菌效果的關系如圖3所示。由圖3可見，很小的電功率即可產生殺菌效果，隨著電功率的增大，殺菌率迅速提高，在電功率50W左右殺菌率達到99％以上，折合成每立方米水耗電0.05kWh。如果采用循環處理的方法，使處理器中沒有耗盡的殺菌性活性物質在管道和水箱中繼續起作用，可以節約更多的電能或處理更多的水量。

2 殺藻[1][2]

殺藻實驗用水取自池塘水，pH7，水中藻類總量約1.8×105個/mL，種類為綠藻（小球藻、柵列藻等），也有藍藻（螺旋藻、微囊藻等）。實驗在圖2所示的實驗裝置上進行，原水注入水箱后攪拌均勻。水流量0.5m3/h，電流密度2－6mA/cm2。水流單程通過處理器，在出水口處取水樣檢測處理效果。因為處理后死藻的葉綠素短期不褪色，顯微鏡下無法直接判斷藻體死活，所以采用監測水中溶解氧濃度變化的方法判斷殺藻效果。藻類白天因光合作用產生氧氣使水中溶解氧含量增高，晚上則呼吸消耗溶解氧。

在處理器的出水口取水樣，分別盛于500mL的有塞廣口瓶中，靜置于室內朝陽的桌上，定期測定水中溶解氧。實驗結果如圖4所示。圖中顯示，未經處理的水樣溶解氧濃度晝夜波動大于3mg/L，而滅藻后的水樣溶解氧濃度不斷降低，之后趨于不再變化，這表明藻類因光合作用功能的喪失而逐漸死亡。死藻一方面不產生氧氣，另一方面殘存的呼吸作用消耗水中的氧。

3 除鐵[4][5]

3.1 作用機理

根據氧化加過濾的方法去除水中鐵離子。采用不溶性電極電解水時，陽極生成氧氣，陰極產生氫氣。陽極反應首先產生初生態O，然后結合成O2。電解水產生的初生態O具有較強的氧化能力，把陽極區內的Fe2+迅速氧化成低溶解度的時；生成的O2使溶解氧增加，根據式（1）的反應將水體中的Fe2+氧化成Fe3+，Fe3+水解形成Fe(OH)3；固體顆粒，可以通過過濾去除。

4Fe2+＋O2＋10H2O＝4Fe(OH)3＋8H+

（1）

每氧化1mg二價鐵約需0.14mg溶解氧。水中Fe2+的氧化反應速度可由式（2）表示：

式中k1為反應速度常數。陰極電解產生1mol氫氣的同時，會生成2mol的OH-，根據式（2）可以加快氧化速度。同時，用不溶性的陽極電解水，能產生大量直徑小于20μm的微氣泡。微氣泡具有較大的比表面能，能將水中膠體集聚成較大的絮狀顆粒，促使過濾過程順利進行。

綜合上述，電化學方法具有強氧化能力，產生的氣泡能將分散的微粒集聚起來，改善后續過濾工藝的條件。

3.2 實驗裝置和方法

采用圖2所示的實驗裝置。過濾器的濾料為直徑0.5－1.0mm的石英砂，濾層厚700mm。實驗用水為城市舊管道系統流出的自來水，總鐵含量平均4.0mg/L。水流從龍頭流出后，順次單程通過流量計、處理器和過濾器后排出。

在處理器進水口和過濾器出水口處取水樣，采用二氮雜菲—分光光度法檢測水中總鐵。

3.3 實驗結果和討論

水流單程通過處理器，施加的電功率與除鐵率的關系如圖5所示。由圖可見，較小的電功率即有除鐵效果，隨著電功率增大殺菌率迅速提高，在功率80W左右殺菌率已經達到99％以上，此時折合成每立方米水耗電0.88kWh。如果采用循環處理的方法，讓在處理器中沒有耗盡的溶解氧在水箱中繼續起作用，可以節約更多的電能或處理更大量的水。

4 實用實驗

某大樓的20m3水箱，由于進水管道被腐蝕引起水體發黃，為解決此問題實施了除鐵循環水處理，即用泵從水箱中抽水，送人處理裝置處理后，再返送回水箱。處理的水流量為1～2.5m3/h；電流6－16A；石英砂濾層的直徑500mm、厚度700mm。處理過程中，水箱的進水和出水保持使用狀態，日用水量約60m3。在出水口取水樣檢測水質，結果列于表1。

表1　水箱水處理結果 測試項目 6月1日初裝 6月3日 6月5日 Cl-/(mg·L-1) 40 42.1 40 pH 6.5 7.0 7.5 總鐵/(mg·L-1) 14.4 1.35 0.34 總硬度/(mg·L-1)(CaCO3) 247.2 217.2 219.2 電導率/(mS·cm-1) 0.750 0.732 0.729 HCO3-/(mg·L-1) 156 145 160 細菌總數/(個·L-1) 104 103 30

表中顯示，經過5d的處理，水質指標中的硬度、堿度和Cl-等基本不變，pH值增高，而含鐵量大大降低，水中的細菌基本被殺滅。處理7d后乃至連續運行數月，盡管水箱進水口處水中總鐵含量＞4.5mg/L，出水已處的總鐵量保持低于0.3mg/L。出水透明清潔，取樣裝入玻璃瓶放在窗臺向陽處1星期無藻類繁殖。同時，水中的含錳量也被降低，與此有關的研究結果另行報道。同時，電化學處理殺滅了水中的微生物，將余氯提高到0.05mg/L以上，抑制了鐵細菌和硫磺菌的繁殖，因此減少了后續管道中的污垢，防止了管道被腐蝕。

經過一段時間運行后，過濾器的濾層會被攔截下來的鐵泥堵塞，使出水流速降低，為此定期對過濾器進行了反沖洗，以恢復正常使用。每立方米水處理的耗電量約0.02kWh。

5 消除尿垢

5.1 尿垢形成

公共洗手間的小便池，如果不及時沖洗會產生黃色的尿垢。取下垢片分析成分，發現其中主要含碳酸鈣、磷酸鈣等元機鹽和10％左右的有機物。圖6為小便池水中的細菌總數與pH的關系。

由圖6可見，便池水中細菌總數與pH值線性相關，細菌增加pH值上升。由此推斷，細菌的繁殖是產生垢的原因。在微生物作用下尿素分解反應如式（3）和式（4）所示：

CO(NH2)＋H2O2NH3＋CO2（3）

NH3＋H2ONH4+＋OH-（4）

分解反應產生的CO2和部分氨揮發到大氣中去，余下的氨水解生成NH4+和OH-。OH-使pH值上升，引起碳酸鹽和磷酸鹽沉淀，細菌繁殖產生的粘性物質將沉淀物粘附在池壁上，形成黃色的尿垢。已經形成的垢層是微生物的良好棲身之地，自身加速增厚。

5.2 除垢實驗

基于上述分析，進行了消除尿垢的實驗。某大樓中的洗手間有4個陶瓷的小便池，小便后人工按下龍頭上的開關放水沖洗。每天上下班和午休時用經過電解法處理過的水，沖洗選定的兩個隔開的便池，每次每個便池用水5L左右，有加晚班的日子，晚上10時增加沖洗1次。為了加強作用效果，適當選用了較大的電功率。當地自來水中平均含有50mg/L左右的Cl-，經過電處理約含活性氯1.5mg/L。1個月后，未用處理水沖洗的小便池池壁發黃，可以刮下一層尿垢，而經過沖洗的小便池基本保持清潔。由此推想，如果將處理裝置安放在洗手間的小水箱處，定時處理沖洗水，可以提高洗凈效果；如果便后用處理水洗手，比用自來水消毒效果更好。

6 總結

進行了用電化學方法殺滅微生物、消除黃水現象等提高水箱中自來水水質的實驗，主要得到以下結果。

①水流單程通過處理，殺菌率＞99％，電耗≤0.1kWh/m3；

②水流單程通過處理，除鐵率＞99％，電耗≤0.08kWh/m3；

③通過檢測水中溶解氧含量的變化確認殺藻效果；

④循環處理水箱水，使水中總鐵含量從14mg/L降至≤0.3mg/L，細菌總數從104個/mL降至≤30個/mL，電耗0.02kWh/m3；

⑤定時用處理水沖洗小便池，消除了尿垢。

參考文獻：

[1]K.Rjeshwar et al．Electrochemistry and the environment[J]．J．Appl．Electrochem．1994，24：1077－1091.

[2]周群英，等．微電解殺藻研究[J]．上海環境科學；1998，17（1）：28－29．

[3]張得勝，等．微電解殺菌器的研制與應用[J]：中國給水排水，1998，15（5）：4－5．

篇10

關鍵詞：超聲；對位取代苯酚；氧化；影響

一、引言

苯酚是典型的有機污染物，他們具有毒性和生物難降解性，許多工業生產過程產生的廢水包含苯酚混合物，處理這一類混合物的傳統生物方法并未證明其有效性，而電化學氧化的方法因其干凈整潔、容易控制和結構簡單，提供了一種很有前途的解決生物難降解廢水的處理技術[1-3]。陽極材料在電化學氧化技術中是一個很重要的部分。不同的陽極材料導致不同的電化學氧化機理、影響和效率。總的來說，在一個活躍的陽極上，例如Pt、IrO2和RuO2，通過水的分解產生的羥基自由基與氧化物陽極相互作用，同時被轉移到氧化物陽極的晶格用以形成化學吸附的”活性氧”（氧氣在氧化物的晶格中，Mox+1）[4-8]。相反，羥基自由基不與沒有活性的陽極反應，例如PbO2，SnO2，BDD（摻硼金剛石），因此有機化合物替代羥基自由基（?OH）在沒有活性的陽極上反應。因為羥基自由基是一個很強的氧化劑，PbO2，SnO2，BDD展示出對于有機污染物很高的氧化能力。在正常的操作條件下，電化學氧化過程是在傳質下控制的。結果是，傳質的增強似乎是優化電化學氧化過程的一個非常重要的因素。低頻率的超聲通常是在20-40kHz范圍之間，并且它們易實現和使用。低頻率的超聲可以清潔電極表面，提高傳質。因此，電化學氧化和超聲的聯合使用很合理，故作者想研究一下超聲對電化學氧化的影響以及不同陽極間的區別。

二、實驗與討論

1.實驗方法

對位羥基自由基（對硝基苯酚、對羥基苯甲醛，苯酚，對甲酚和對甲氧基苯酚）的電化學氧化在恒電流密度（20mA?cm-2），室溫（25℃）下進行的。電解液（1mM基質+0.2M硫酸鈉）體積是250mL。在不使用超聲時，電解質在電解過程中通過磁力攪拌棒攪拌。在使用超聲時，電解池放在沒有磁力攪拌棒的超聲沖洗槽中（40kHz，150W）。為了保持室溫恒定，自來水不斷流過沖洗槽。陽極由一個BDD或一個PbO2電極組成，暴露的電極面積為4cm2。BDD電極來自德國的CONDIAS GmbH。PbO2是通過電沉積技術制得。一個同樣大小的不銹鋼片被用作陰極。電極間距離為10mm。從電解池中收集的樣品在規定期限內進行化學測試。

對位取代苯酚的濃度通過使用Agilent的HP1100高效液相色譜進行測量。使用的是ZORBAX SB-C18色譜柱和二極管陣列檢測器。流動相是甲醇/水（50/50），流速1.0mL?min-1。紫外檢測器檢測對硝基苯酚時，設定波長是314nm，其他對位取代苯酚時設定波長是280nm。化學需氧量（COD）使用滴定法測量，在酸性溶液中，150℃時，使用重鉻酸鹽作為氧化劑氧化2h（Hachi，USA）。

2.實驗結果與討論

對位取代苯酚（對硝基苯酚、對羥基苯甲醛，苯酚，對甲酚和對甲氧基苯酚）分別在使用超聲和不使用超聲時，在BDD電極和PbO2電極上進行電化學氧化。圖1表示在電解期間基質的濃度和化學需氧量（COD）的變化。我們可以觀察到，通過超聲作用基質和化學需氧量（COD）的去除率有提高。但是這種加強作用，根據不同的對位取代苯酚和特定的陽極選擇不同而不同。

陽極上的變化，（C）、（D）基質濃度和化學需氧量（COD）在PbO2陽極上的變化。進行大量電解實驗，使用或不使用超聲輔助， 對硝基苯酚， 對羥基苯甲醛 苯酚 對甲基苯酚和 對甲氧基苯甲醛。

表1列出在BDD電極和PbO2電極上不使用超聲（kele）和使用超聲（ksonel）時，對位取代苯酚和化學需氧量（COD）去除的速率常數。這些速率常數是通過把濃度數據代入下述動力學一級反應公式得到的。

其中，C（t）是在時間t時的濃度，C0是初始濃度，k是速率常數（以h-1為單位）。

表1注：在BDD和PbO2陽極上，不使用超聲（kelec）和使用超聲（ksonel）時對位取代基苯酚和化學需氧量（COD）的去除反應速率常數

在目前的研究的條件下，超聲本身不能降解對位取代苯酚，這可能是因為使用的超聲具有相對低的頻率和小的能量密度。因此，基質的去除的提高主要歸因于通過使用超聲使傳質增強。我們使用下述公式估算增加的范圍：

圖2是一個表示增長百分比水平的柱狀圖，是根據五種對位取代苯酚在BDD和PbO2陽極上的對位取代苯酚的去除和化學需氧量（COD）降低。

圖2注： （A）和（B）分別為五種對位取代苯酚在BDD陽極上，不使用超聲（kelec）和使用超聲（ksonel）時對位取代基苯酚和化學需氧量（COD）的去除反應速率常數的去除增長百分比，（C）和（D）分別為五種對位取代苯酚在PbO2陽極上，不使用超聲（kelec）和使用超聲（ksonel）時對位取代基苯酚和化學需氧量（COD）的去除反應速率常數的去除增長百分比.

在BDD陽極上，對于對位取代苯酚的消除率的提高百分比在73%-83%范圍，化學需氧量（COD）的去除率的提高百分比在60%-70%范圍。但是，在PbO2陽極上，相應的對位取代苯酚的消除率的提高百分比在50%-70%范圍，化學需氧量（COD）的去除率的提高百分比僅為5%-25%。在BDD電極和PbO2電極上，化學需氧量（COD）的去除的增長百分比較對位取代苯酚的去除的增長百分比小，這是因為中間體化合物的形成。同樣一種對位取代苯酚在BDD電極和PbO2電極上增長百分比不同是因為在這兩種電極上不同的反應機理。在下一章，我們對超聲在BDD電極和PbO2電極上的電化學氧化進行全面的研究。

三、結論

超聲使對位取代苯酚在BDD電極和PbO2電極上的電化學氧化都明顯增強。同時，我們發現，在BDD電極上的增強程度比在PbO2上的增強程度更明顯。在BDD陽極上，對于對位取代苯酚的消除率的提高百分比在73%-83%范圍，化學需氧量（COD）的去除率的提高百分比在60%-70%范圍。但是，在PbO2陽極上，相應的對位取代苯酚的消除率的提高百分比在50%-70%范圍，化學需氧量（COD）的去除率的提高百分比僅為5%-25%。這是因為羥基自由基在BDD電極上主要以自由形式存在，具有較大的反應區域，相反在PbO2電極上被吸收，具有較小的反應區域，超聲使這種增強在BDD電極上比在PbO2電極上更強。

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