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汞（Hg）是對(duì)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(wèn)題。

在過(guò)去的幾個(gè)世紀(jì)里，工業(yè)部門(mén)或化石燃料的消耗等人類活動(dòng)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(bào)道，即使接觸少量的汞也會(huì)導(dǎo)致大腦、肺和心臟損傷，其中二價(jià)汞 (Hg2+) 是造成后兩者的原因。

因此，從水源中回收汞對(duì)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(kāi)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(lái)檢測(cè)和去除水底的汞。

然而，由于需要在純化過(guò)程中添加物理或納米顆粒，大多數(shù)這些方法都有缺點(diǎn)。 結(jié)果是無(wú)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(gè)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(shì)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(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是汞的還原不需要物理試劑，而是通過(guò)施加電勢(shì)手動(dòng)實(shí)現(xiàn)。 該技術(shù)長(zhǎng)期以來(lái)一直用于通過(guò)在銅或鉑電極上產(chǎn)生氣體來(lái)去除氨水中的汞離子。

在電物理學(xué)方面，一個(gè)有趣的可能性是使用雙極電物理學(xué)通過(guò)直接電沉積去除重金屬。 雙極電物理是一種無(wú)線技術(shù)，其中使用一對(duì)饋電電極產(chǎn)生電場(chǎng)，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(méi)有任何化學(xué)接觸。

當(dāng)施加足夠的電場(chǎng)并且存在電活性物質(zhì)時(shí)，雙極電極的兩個(gè)極性端將與周?chē)陌毕喾吹貥O化，同時(shí)觸發(fā)陰極和陽(yáng)極反應(yīng)。

雙極電物理的概念長(zhǎng)期以來(lái)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(wú)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(xiàng)研究首次描述了通過(guò)在多石墨棒陣列 (GRA) 的陰極極性上進(jìn)行電沉積，同時(shí)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(wú)線技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)雙極電極的數(shù)量和施加電場(chǎng)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(shí)間的函數(shù)關(guān)系。

結(jié)果與討論

對(duì)于二價(jià)汞在石墨棒上的沉積，必須考慮兩個(gè)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(chǎng)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(chǎng)值為0.76V/cm。

在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，將由塑料網(wǎng)固定的5毫米長(zhǎng)的石墨棒裝入雙極電池中，然后加入50毫米的氨水。

實(shí)際操作中，在饋電電極之間施加2.4V/cm的電場(chǎng)，形成分布在石墨棒兩端的1.2V的電勢(shì)差。 該電勢(shì)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(gè)氧化還原反應(yīng)的過(guò)電勢(shì)，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(yáng)極端的氧化反應(yīng)（E0 = 0.207 V vs. NHE）可能會(huì)受到一定程度的限制，因?yàn)樾枰辽?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(duì)同時(shí)出現(xiàn)所需的估計(jì) ΔVmin 高 1.7 倍。

使用相對(duì)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(kāi) 38 分鐘時(shí)在光學(xué)顯微鏡下觀察到的這兩個(gè)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?yàn)殛?yáng)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(huì)出現(xiàn)在動(dòng)作電位的陰極端產(chǎn)生個(gè)別物質(zhì)的情況，但這并不影響研究的價(jià)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(shí)驗(yàn)中，使用碘化汞（HgI2）來(lái)制備受污染的水樣。 通過(guò)紫外-可見(jiàn)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(shí)驗(yàn)中，我能夠通過(guò)跟隨施加電流時(shí)吸收峰的增加來(lái)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(jì)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(gè)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(huì)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(shí)間對(duì)氨中金屬含量降低的影響，進(jìn)行了兩個(gè)初步實(shí)驗(yàn)。 在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中施加2.4V/cm的電場(chǎng)30分鐘，在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中施加60分鐘，持續(xù)1小時(shí)。

隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)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(guò)檢測(cè)現(xiàn)有HgI2絡(luò)合物的吸光度來(lái)跟蹤純化過(guò)程。

還使用類似條件測(cè)試了不同施加電位對(duì)金屬離子消除速度的影響。 對(duì)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(chǎng)處理相同持續(xù)時(shí)間的樣品的結(jié)果進(jìn)行比較。

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

這是因?yàn)樵谳^高電流下，更多石墨棒具有足夠的極化電勢(shì)來(lái)吸附 Hg2+ 離子。 值得注意的是，在較低的電場(chǎng)值（2 V/cm）和使用不同的實(shí)驗(yàn)條件和設(shè)備下，也可以進(jìn)行Hg2+電沉積，但其消除時(shí)間較長(zhǎng)。

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

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

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

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(dú)立參與金屬電沉積過(guò)程。

例如，每減少3個(gè)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(shí)驗(yàn)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(gè) GRA）到三維空間（多個(gè) GRA）的轉(zhuǎn)變。 通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)使用1～4個(gè)GRA，每個(gè)鏈表包含15個(gè)GR。

為了防止影響下一組GR的電場(chǎng)分布，這些GRA以5毫米的距離并排放置。 對(duì)處理后的氨水進(jìn)行紫外/可見(jiàn)光譜分析，表明吸收峰的生長(zhǎng)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(gè)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(duì)照實(shí)驗(yàn)中，評(píng)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(shí)內(nèi)回收汞，但在相同持續(xù)時(shí)間的新實(shí)驗(yàn)中使用了這些石墨棒。

兩次實(shí)驗(yàn)中回收的氨水和純水用作吸光度檢測(cè)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(duì)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(wú)需在需要回收之前進(jìn)行多次額外處理。

通過(guò)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(guò)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(shí)使石墨棒陣列暴露出來(lái)以供重復(fù)使用，這是一個(gè)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(shí)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(lì)因素對(duì)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(wú)機(jī)污染物的適用性。

這項(xiàng)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。

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