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汞（Hg）是對人類危害最大的金屬之一，由于其在自然海底的快速擴(kuò)散和積累，已成為嚴(yán)重的環(huán)境問題。

在過去的幾個世紀(jì)里，工業(yè)部門或化石燃料的消耗等人類活動顯著提高了環(huán)境中的汞濃度。 水下汞和其他重金屬污染是全球人類癌癥和死亡的主要原因之一。

據(jù)報道，即使接觸少量的汞也會導(dǎo)致大腦、肺和心臟損傷，其中二價汞 (Hg2+) 是造成后兩者的原因。

因此，從水源中回收汞對于社區(qū)和環(huán)境極為重要。 傳統(tǒng)的水凈化方法包括吸附、沉淀、離子交換、氧化還原等。研究人員旨在開發(fā)新材料和技術(shù)，例如利用碳納米管和磁性納米復(fù)合材料來檢測和去除水底的汞。

然而，由于需要在純化過程中添加物理或納米顆粒，大多數(shù)這些方法都有缺點。 結(jié)果是無法處理的沉淀物或合金（在沉淀和合金生成方法中），或者需要再生受污染的吸附劑材料（在吸附技術(shù)中），這可能很復(fù)雜，但成本高昂，因此增加了個別技術(shù)的規(guī)模可能受到的限制。

電物理學(xué)是重金屬回收的另一種有吸引力的方法。 汞的珍貴性使其不可能在外加電勢的作用下從堿液中電沉積，但金屬汞隨后可以與其他金屬局部相互作用并產(chǎn)生汞齊。

因此，電物理方法的一個顯著優(yōu)點是汞的還原不需要物理試劑，而是通過施加電勢手動實現(xiàn)。 該技術(shù)長期以來一直用于通過在銅或鉑電極上產(chǎn)生氣體來去除氨水中的汞離子。

在電物理學(xué)方面，一個有趣的可能性是使用雙極電物理學(xué)通過直接電沉積去除重金屬。 雙極電物理是一種無線技術(shù)，其中使用一對饋電電極產(chǎn)生電場，并將導(dǎo)電物體（也稱為雙極電極）放置在電解質(zhì)氨水中，前者與饋電電極之間沒有任何化學(xué)接觸。

當(dāng)施加足夠的電場并且存在電活性物質(zhì)時，雙極電極的兩個極性端將與周圍的氨相反地極化，同時觸發(fā)陰極和陽極反應(yīng)。

雙極電物理的概念長期以來一直應(yīng)用于碳基底上的金屬電極沉積、（生物）電解剖、電催化、生物電催化以及各種有機(jī)、無機(jī)和聚合物材料的電合成。

迄今為止，雙極電物理尚未用于汞污染修復(fù)。 這項研究首次描述了通過在多石墨棒陣列 (GRA) 的陰極極性上進(jìn)行電沉積，同時保持雙極電物理設(shè)置，從合成污染的水底中去除汞離子的可能性。

作為一種無線技術(shù)，通過調(diào)節(jié)雙極電極的數(shù)量和施加電場的硬度可以輕松控制汞的去除效率。 本研究證明了從氨水中回收汞與石墨棒/GRA 數(shù)量和時間的函數(shù)關(guān)系。

結(jié)果與討論

對于二價汞在石墨棒上的沉積，必須考慮兩個氧化還原反應(yīng)，即水的氧化和雙極棒兩端汞(II)離子的還原。

與NHE相比，它們的標(biāo)準(zhǔn)電位分別為E0=+1.23和E0=+0.85V。 這表明至少需要施加閾值的電場才能使汞電沉積在厚度為5mm的石墨棒上。 根據(jù)公式估算電場值為0.76V/cm。

在第一個實驗中，將由塑料網(wǎng)固定的5毫米長的石墨棒裝入雙極電池中，然后加入50毫米的氨水。

實際操作中，在饋電電極之間施加2.4V/cm的電場，形成分布在石墨棒兩端的1.2V的電勢差。 該電勢差大約是所需值（0.38 V）的三倍，足以克服石墨雙極基板上兩個氧化還原反應(yīng)的過電勢，但仍然足夠低以防止在陰極形成干擾汞電沉積。 甲烷。

在這些施加的電位下，GR 陽極端的氧化反應(yīng)（E0 = 0.207 V vs. NHE）可能會受到一定程度的限制，因為需要至少 0.64 V 的 ΔVmin 才能與陰極端的 Hg2+ 電沉積相一致。 該值比 Hg2+/Hg0 和 O2/H2O 氧化還原對同時出現(xiàn)所需的估計 ΔVmin 高 1.7 倍。

使用相對較高水平（50 毫米）的鹽是為了產(chǎn)生汞沉積物和伴隨的二氧化碳形成的清晰圖像。 顯示了當(dāng)電流打開 38 分鐘時在光學(xué)顯微鏡下觀察到的這兩個氧化還原反應(yīng)。

由于石墨棒陰極端不形成二氧化碳，因此法拉第效率一定相當(dāng)高，因為陽極端二氧化碳形成的所有釋放電子將定量用于還原棒陰極端的Hg2+離子。

GR 陰極端局部部分的放大視圖顯示出小的、累積的薄膜汞沉積物，而不是水滴，這可能歸因于少量的金屬沉積物。

也可能會出現(xiàn)在動作電位的陰極端產(chǎn)生個別物質(zhì)的情況，但這并不影響研究的價值，只要達(dá)到主要目的（去除金屬）即可。 施加電流40分鐘后，用去離子水沖洗石墨棒5次。

在這組實驗中，使用碘化汞（HgI2）來制備受污染的水樣。 通過紫外-可見光譜可以觀察到氨水中汞離子的吸收峰分別位于264和209.5nm處。

因此，在實驗中，我能夠通過跟隨施加電流時吸收峰的增加來確定殘留汞濃度，游離的 Hg2+ 離子被去除，并且 HgI2 復(fù)合物解離被重新調(diào)整。

將進(jìn)料石墨電極暴露于0.氨水中并連接電源。 電池設(shè)計中引入了增強(qiáng)型質(zhì)子交換膜，以避免 Hg2+ 在進(jìn)料陰極上沉積，從而確保金屬的電沉積僅發(fā)生在雙極性石墨棒上。

至少，兩個饋電電極處可能發(fā)生的任何副作用（例如水電解形成氣泡或 pH 值變化）都會減少。 向反應(yīng)室中加入11 mL、含量為7.7 mg/L的HgI2堿溶液，并引入由11根石墨棒組成的GRA。

為了研究固定電流下的時間對氨中金屬含量降低的影響，進(jìn)行了兩個初步實驗。 在第一個實驗中施加2.4V/cm的電場30分鐘，在第二個實驗中施加60分鐘，持續(xù)1小時。

隨著實驗時間的減少，HgI2吸收峰增加，清楚地表明游離的Hg2+離子被去除，并且可以通過檢測現(xiàn)有HgI2絡(luò)合物的吸光度來跟蹤純化過程。

還使用類似條件測試了不同施加電位對金屬離子消除速度的影響。 對污染樣品施加3.6V/cm的電位值30分鐘，并與電位值為2.4V/cm之前用相同施加的電場處理相同持續(xù)時間的樣品的結(jié)果進(jìn)行比較。

當(dāng)施加2.4V/cm電場時，Hg2+離子的剩余濃度為7.17mg/L，而使用3.6V/cm時，相同時間內(nèi)剩余6.8mg/L，這意味著可以達(dá)到更高的電勢。凈化速度。

這是因為在較高電流下，更多石墨棒具有足夠的極化電勢來吸附 Hg2+ 離子。 值得注意的是，在較低的電場值（2 V/cm）和使用不同的實驗條件和設(shè)備下，也可以進(jìn)行Hg2+電沉積，但其消除時間較長。

雖然使用更高的電流可以更快地去除Hg2+離子，但代價是消耗更多的能量。 因此，為了在能量成本和純化動力學(xué)之間取得良好的折衷，選擇2.4 V/cm的電場作為下一步實驗的最佳值。

在這組實驗中，研究了 GR 和 GRA 的數(shù)量對凈化過程的影響。 使用12 mL、含量為60.2 mg/L的氯化汞(II)、電場為2.4 V/cm對污染樣品進(jìn)行雙極電物理處理。 在處有一個特有的吸收峰，通過S3B中的校準(zhǔn)曲線可以估算出暴露于電場60分鐘后的殘留金屬含量。

通過系統(tǒng)地改變 GR 的數(shù)量，進(jìn)行了不同的實驗，其中使用了 3、6、9 和 12 根棒。 GR被設(shè)置為鏈表，以便每個棒在進(jìn)入雙極電池后都會經(jīng)歷相同的電位梯度或電場。

除了顯示吸收峰增加外，含量隨GR數(shù)量呈線性增加，決定系數(shù)高達(dá)0.9996，表明每根棒獨立參與金屬電沉積過程。

例如，每減少3個GR，金屬含量將增加1.5±0.1 mg/L/h。 隨著棒的使用量的增加，系統(tǒng)的效率可控地提高，因此在后續(xù)實驗中使用了含有15根棒的GRA。

還執(zhí)行了從二維反應(yīng)平面（單個 GRA）到三維空間（多個 GRA）的轉(zhuǎn)變。 通過多次實驗使用1～4個GRA，每個鏈表包含15個GR。

為了防止影響下一組GR的電場分布，這些GRA以5毫米的距離并排放置。 對處理后的氨水進(jìn)行紫外/可見光譜分析，表明吸收峰的生長和數(shù)量隨著GRA的數(shù)量呈線性增加，R2值高達(dá)0.9997。

結(jié)果表明，每個較低的反應(yīng)室陣列的含量可以減少 5 ± 0.2 mg/L/h，這意味著與 2D 配置相比，使用 3D 設(shè)置的金屬去除率可以稍微增加一倍。

在對照實驗中，評估了收集的石墨棒陣列的再利用。 一系列石墨棒最初裝載有 93.5% 汞濃度，用于在 6 小時內(nèi)回收汞，但在相同持續(xù)時間的新實驗中使用了這些石墨棒。

兩次實驗中回收的氨水和純水用作吸光度檢測的空白，表明可重復(fù)使用的石墨棒陣列和新鮮石墨棒陣列對金屬的去除效率相同。

基于這一有趣的結(jié)果，含汞的雙極電極可以充分重復(fù)使用，無需在需要回收之前進(jìn)行多次額外處理。

通過在經(jīng)典電物理裝置中使用 Hg/GRA 作為工作電極，基本上可以通過電物理氧化（剝離）將汞沉積物重新溶解在少量電解質(zhì)中。

這些富集機(jī)制可以不斷增加Hg2+離子的含量，同時使石墨棒陣列暴露出來以供重復(fù)使用，這是一個很好的回收策略。 所得的少量濃縮汞可用于任何合適的領(lǐng)域。

推理

然而，在實際應(yīng)用中仍需要在許多方面進(jìn)行深入研究，例如闡明電極材料、電解質(zhì)、流速、溫度等激勵因素對WBET消除汞離子的影響。 據(jù)悉，還需要進(jìn)一步研究探索其修復(fù)其他有機(jī)或無機(jī)污染物的適用性。

這項研究表明，使用 WBET 技術(shù)是有效消除污染水底汞的一種有前景的方法。 該技術(shù)的優(yōu)越性將為尋找新的、高效的環(huán)境修復(fù)和廢物回收解決方案提供思路和支持。

參考：

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