电化学范文

导语：如何才能写好一篇电化学，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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一、原电池

原电池是化学能转变为电能的装置.从理论上看，任何一个氧化还原反应都发生电子转移，如果能够设法使转移的电子在导线中定向移动，就成为原电池.有些原电池是一次性的，如普通的干电池，当电池中所发生的反应在通电情况下又能逆向进行，这个电池又可重复使用，称为二次电池或蓄电池，如铅蓄电池和手机中的充电电池.原电池由三部分构成，两个不同的电极，电解质溶液（或熔融液）和导线（或直接接触）.对于一个电池我们首先关注的是使用时电路中电流的方向，规定电流由正极流向负极，电子则由负极流到正极.因此原电池的负极发生失电子的氧化反应，正极发生得电子的还原反应，以两种不同的金属为电极时，活泼金属为负极，较不活泼的金属为正极.个别例外，如Mg-Al-NaOH电池，高考不做要求.

一个使用着的电池必然构成电流的回路.下面我们从化学的视角看电池中内电路的变化，由于电子从外电路流向正极，所以在正极上聚集了负电荷，溶液中的阳离子流向正极，与此相反，溶液中的阴离子流向负极，所以从离子移动方向来看，在原电池中，正极又是阴极，负极又是阳极.正、负极和阴、阳极的称谓是从不同角度来划分的，所以这句话表面上“不通顺”，但结论上是正确的，对解相关试题十分有用.

例1 （2013年江苏-9）Mg-H2O2电池可用于驱动无人驾驶的潜航器.该电池以海水为电解质溶液.示意图如下.该电池工作时，下列说法正确的是（ ）.

A.Mg电极是该电池的正极

B.H2O2在石墨电极上发生氧化反应

C.石墨电极附近溶液的pH增大

D.溶液中Cl-向正极移动

解析 根据前面的分析，Mg电极应是原电池的负极，发生氧化反应，故选项A、B均错误.石墨电极为正极，发生还原反应H2O2+2e-2OH-，电极附近溶液的pH增大，C项正确，最后一项，溶液中Cl-应向阳极移动，而原电池的正极从电解质溶液的角度来看出是阴极，故D项错，本题应选C.

二、电解池

电解池与原电池恰好相反，在通直流电的条件下发生了氧化还原反应，是电能转化为化学能的装置.对于一个电解池我们更关心的是池内发生什么反应，电极上生成什么物质，所以电解池中的电极根据阴、阳离子的移动方向，划分为阴极和阳极，阳离子移向阴极并在阴极上得电子发生还原反应，因此阴极与电源的负极相连；阴离子移向阳极并在阳极上失电子发生氧化反应，失去的电子通过外电路回到电源的正极.简单地说，与电池正极相连的极是阳极，与电池负极相连的是阴极，阳极上发生氧化反应，阴极上发生还原反应.

例2 （2013年北京-9）用石墨电极电解CuCl2溶液（见右图）.下列分析正确的是（ ）.

A.a端是直流电源的负极

B.通电使CuCl2发生电离

C.阳极上发生反应：Cu2++2e-Cu

D.通电一段时间后，在阴极附近观察到黄绿色气体

解析 电解过程中阳离子移向阴极，阴极与电源负极相连，故A正确.电解与电离是两个不同的概念，电解质只要溶于水就发生电离，而电解是在电流的作用下发生的氧化还原反应，B项错.阳极上应发生失电子的氧化反应，C项错.通电过程中Cl-移向阳极并放电生成氯气，D也错，本题应选A.

三、电极反应与总反应

电极上发生什么反应，写出电极反应式和总反应式是高考电化学部分的重点.无论是原电池还是电解池电极上发生的反应都是“半反应”，总反应才是完整的氧化还原反应.判断电极反应，只需记住“阳极氧化”即可，由阳极氧化，可知阴极还原，对原电池，电极分正、负，但从内电路来看，正极是阴极，负极是阳极，则“阳极氧化”的判断依据同样适用.

原电池的负极或电解池的阳极如果是非惰性的金属电极，则电极本身发生氧化，电解质溶液中的阴离子不放电.原电池或电解池的总反应是两个电极反应的总和，总反应式也是两个电极反应式的加合，在加合过程中需调整化学计量数使氧化和还原过程中转移电子数相等，以保持得失电子守恒.如果在电解质溶液中还存在其它相关反应，那么这个反应也应包括在总反应方程式中，总之，通过加合可得总反应式，通过相减可得某一电极反应式.

例3 （2013年浙江-11）电解装置如图所示，电解槽内装有KI淀粉溶液，中间用阴离子交换膜隔开.在一定的电压下通电，发现左侧溶液变蓝色，一段时间后蓝色逐渐变浅.

已知：3I2+6OH-IO+5I-+3H2O

下列说法不正确的是（ ）.

A.右侧发生的电极反应式：

2H2O+2e-H2+2OH-

B.电解结束时，右侧溶液中含有IO-3

C.电解槽内发生反应的总化学方程式：

KI+3H2O通电KIO3+3H2

D.如果用阳离子交换膜代替阴离子交换膜，电解槽内发生的总化学反应不变

解析 左侧变蓝，说明左侧生成I2，电极反应式为2I--2e-=I2……①，则左侧Pt电极为阳极，右侧为阴极，发生2H2O+2e-H2+2OH-……②，A项正确.阴极生成的OH-穿过交换膜向阳极移动，由“蓝色变浅”知又发生了题干中的已知反应3I2+6OH-IO-3+5I-+3H2O……③生成IO-3，电极结束时IO-3可通过阴离子交换膜扩散至右侧，故选项B正确.由①×3+②×3+③可得总反应式，C项也正确.若换用阳离子交换膜，则OH-不能通过交换膜抵达左侧，反应③不能发生，电解槽中总反应肯定也会发生变化，D项错误，应选D.

四、新型电池

近些年来，高考时电化学的考查常采用信息给予题的形式，以新型电池为载体，这类试题情景新、陌生度高，要求考生有较高的心理素质和较强的自学能力.事实上，这类试题的考点依然是电极名称、电极反应和总反应等基础知识，大部分试题起点虽高，落点并不高，只要认真审题，明确题意就不难作答.复习时应重在巩固基础知识和提高能力上，不可以也不应该采用扩大知识面，罗列各种新型电池的方法，因为高考命题贵在创新，不会照搬往年的试题.

例4 （2013年安徽-10）热激活电池可用作火箭、导弹的工作电源.一种热激电池的基本结构如图所示，其中作为电解质的无水LiCl-KCl混合物熔融后，电池即可瞬间输出电能.该反应的总反应为PbSO4+2LiCl+CaCaCl2+Li2SO4+Pb，下列有关说法正确的是（ ）.

A.正极反应式：

Ca+2Cl--2e-CaCl2

B.放电过程中，Li+向负极移动

C.每转移0.1mol电子，理论上生成20.7 g Pb

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原电池部分 原电池反应都是自发的进行氧化还原反应

1、电极名称：只要是直流电源，电极名称是正、负极（不管是教材中的原电池，还是实际生活中应用的电源）。

2、外电路的电子移动方向：（以Cu-Zn原电池原理为例子理解）从负极出发到正极。导致正极表面有大量的电子（负电荷），而使电解质溶液中的溶液中带正电和的阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。原电池内部离子的移动：因是正极表面由负极沿外接导线传递过来的电子，所以电解质中的阳离子受正负电荷吸引只能向正极移动，阴离子向阳极移动。

3、原电池的正、负极的判断与我们常说的金属活泼性没有必然的联系，这里所说“金属活泼性强是“负极”中的“活泼性”，我们应这样理解：电极材料在指定电解质中的活泼性。如：镁、铝单质材料为电极，电解质为NaOH液构成原电池时，就是铝电极做负极；铁、铜材料为电极，浓HNO3为电解液构成原电池时，也不能武断的判断Fe为负极。（原电池的正负极，其实就是：谁提供电子谁就是负极，引伸到燃料电池，就是：充燃料的一极为负极，因燃料是还原剂，提供电子。）

4、原电池的两个电极本身变化：①一个电极消耗，一个不消耗，如：教材上的Cu-Zn稀硫酸原电池。②两个电极都消耗，如：生活中的铅蓄电池。③两个电极都不消耗，如：燃料电池。

5、书写电极反应方程式时：①产物要符合实际，如：电解质是酸的，不能在方程式中有OH-出现；电解质是碱的，不能有H+出现在电极反应方程式中，是CH4燃料电池也不能出现CO2形式。②如果两个电极反应方程式都要求写出时，一般说两个式中的电子数目要相等；大多数原电池是一个电极消耗某粒子，另一极就生成该粒子，但不具代表性，如Cu-Zn原电池就不是。

6、若原电池的电解液是中性或碱性，大都是发生吸氧的电化学腐蚀原理。

电解原理部分 所有因电解发生的反应，是依靠外接电源强制发生的氧化还原反应

1、教材中的电解知识，一般是学习电解相应的电解质的水溶液，制取像NaOH等许多化工原料、精炼必要的一些金属。也有少量工业讨论电解熔融的电解质，如电解法制取自然界不存在的如Na、K、Al、Mg、F2等单质。

2、电解的装置叫电解池，与电源正极相连的一极叫阳极，与电池负极相连的一极叫阴极。

3、两个电极材料的选择一般有两类：惰性电极、活性电极。惰性电极常有石墨电极和铂电极，在电解时电极本身不发生变化，但有可能阴极表面沉积金属会使它增重。除惰性电极外，都是活性电极，在电解的过程中，阳极材料都参与反应，被外接电源的正极夺走电子变成金属阳离子，进入溶液（注意：常见的Fe作阳极材料时，是变成Fe2+离子进入溶液的，不是说电源正既然有很强的夺电子能力，而会变成Fe3+，因为是水溶液，涉及到“电极电势”知识）。

4、电解过程中电解质和溶剂的变化：①仅消耗电解质，如电解氯化铜溶液，阴极析出铜单质，阳极放出氯气（即：活动性较差的金属阳离子的非含氧酸盐） ②电解质和溶剂水都消耗，如：电解硫酸铜溶液，阴极析出铜单质，阳极是水电离出的OH-放电生成氧气（即：活动性较强的金属阳离子的含氧酸盐）③仅消耗溶剂，如电解H2SO4 、NaOH等含氧酸盐、强碱。

5、溶液中离子的移动方向：而电解池的阴极是与外接电源的负极相接的，所以通俗的说就是阴极带负电，只有溶液中的阳离子向它移动，能放电的离子在这里发生反应，阴离子向阳极移动，至发生氧化反应。

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一、原电池

我们在电化学教学中，老师应明确告诉学生：原电池反应是自发的氧化还原反应。在满足形成原电池的条件（两电极、电解质溶液、闭合）下，先正确地写出自发的氧化还原反应方程式（原电池反应）并确定氧化剂和还原剂。还原剂一定在负极上反应，氧化剂一定在正极上反应。如果还原剂是金属，则该金属是原电池的负极，且正极与该金属不同，如果还原剂不是金属，则正负电极由其他电极代替且可相同。这样，既可以根据原电池反应判断正负极和书写电极反应，也可以将自发的氧化还原反应设计成原电池。

1.规律

负极：失电子，发生氧化反应（一般是负极本身失电子，除外界不断补充的燃料电池）。

正极：得电子，发生还原反应（一般是溶液中阳离子在正极上得电子，也可能是O2在正极上得电子如吸氧腐蚀或燃料电池，或正极本身得电子）。

2.分类

（1）一般原电池

①两个活泼性不同的电极（金属与金属、金属与石墨碳棒、金属与难溶金属氧化物）；

②电解质溶液，至少能与一个电极发生有电子转移的氧化还原反应，一般是置换反应；

③两电极插入电解质溶液中且用导线连接，且形成闭合回路。

方法点睛：先分析两电极材料相对活泼性，相对活泼的金属作负极，负极失去电子发生氧化反应，形成阳离子进入溶液；较不活泼的金属作正极，溶液中的阳离子按放电强弱顺序在正极上得到电子发生还原反应，析出金属或氢气，正极材料不参与反应。如金属Fe、Cu、稀盐酸构成的原电池中，负极为Fe。

但是具体情况还应具体分析，如金属Fe、Cu、浓硝酸构成的原电池中，由于Fe比Cu活泼，但负极却是Cu（Fe、Al在浓硝酸中钝化，不能继续反应，而Cu可以与浓硝酸反应）。

（2）燃料电池

燃料电池大多数是由可燃性物质（主要是可燃性气体）与氧气及电解质溶液共同组成，虽然可燃性物质与氧气在不同的电极上反应，但总方程式相当于可燃物在氧气中燃烧。因为涉及电解质溶液，所以燃烧产物（一般为CO2）可能还要与电解质溶液反应，再写出燃烧产物与电解质溶液反应的方程式，从而得到总方程式。

（3）盐桥在原电池反应中起到作用

在教学中常常有学生问，原电池中盐桥到底起到什么样的作用。对于此问题，很多老师怕增加学生的学习负担，往往就会简单地告诉学生，盐桥是起到导电作用；盐桥中的阴离子向负极移动，阳离子向正极移动。这样回答的话，学生往往产生另外一个问题：溶液中的阴阳离子可以定向移动而导电，为什么偏偏要把两个半反应分开在不同区域进行，中间加上盐桥呢？其实盐桥除了上面所说的导电作用外，还有个很重要的作用是，避免负极材料直接与正极的电解质溶液反应，这样原电池能持续稳定的放电，从而使原电池具有实用价值。另外盐桥的存在可以平衡两个反应容器内的电荷，使得反应能持续进行。其实上述三者的作用又不是孤立存在，而是相互依赖，相互影响的。

二、电解池

电解池反应是强制的氧化还原反应。在满足形成电解池的条件（电解质溶液导电）下，根据阳离子的氧化性顺序、阳极活性及阴离子的还原性顺序，正确的写出电解池反应并确定氧化剂和还原剂。还原剂一定在阳极上反应，氧化剂一定在阴极上反应。如果还原剂是金属，则该金属是电解池的阳极（阴极任选）；如果还原剂不是金属，则阳极是惰性的。这样，既可以根据电解池反应判断阴、阳极和书写电极反应，也可以将溶液中或离子晶体熔化时不能自发的氧化还原反应设计成电解池反应。但要注意的是，惰性电极电解溶液时最后阶段可能是电解水。

1.规律

阳极：失电子，发生氧化反应（可以是溶液中阴离子在阳极上失电子，也可以是阳极电极材料本身失去电子）。

阴极：得电子，发生还原反应（溶液中阳离子在阴极上得电子）

2.放电顺序

（1）阳极为惰性电极如石墨或Pt时，只需考虑电解质溶液中所有阴离子的放电，电极本身不参与放电。

（2）阳极为活性电极如Fe、Cu、Ag时，则活性电极本身失去电子生成相应的阳离子。

阳极放电顺序：活泼电极>S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根离子>F-

（3）阴极的电极材料本身不参加反应，溶液中所有阳离子的放电顺序：

Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>（H+酸）>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>Al3+>Mg2+>Na+（注意Fe的两种离子和H+的位置）

3.电极反应书写

首先看是否有活泼电极做阳极；然后看溶液中有哪些阴离子和阳离子；最后看哪种离子先放电。

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围绕教学大纲，合理安排教学内容

我校作为一个工科院校，应用化学专业自身的特点和培养计划决定了《电化学分析》课程应侧重于分析方法在实际生活和生产中的应用，但侧重于应用不代表可以忽视课程的基本理论。有过实践经验的人都知道对一种分析方法使用的熟练程度和掌握的深度，与该方法的基本原理有着不可分割的关系，只有掌握了分析方法的基本原理和影响方法准确性的因素等，在应用过程中遇到问题时才能够有资料可供参考，从而思考引起问题的原因和解决问题的办法，才能够得到准确无误、让人信任的分析结果。因此，这门课程理论部分的学习要和实践部分实现紧密结合。课程的内容主要是在现实应用中经常使用的电化学分析方法技术和相关的仪器设备的基本原理，以及影响电化学分析方法准确度、精确度和灵敏度的因素，推测在使用过程中可能遇到的难题及解决的办法等。[2]除了常用的分析方法外，还可以将科学发展过程中出现的电化学领域的新发展和新技术安排到教学内容中，结合科学研究前沿领域，开拓学生知识面和学生视野，引导学生注意与本专业应用内容相关的研究，增强其实践能力和创新能力。

分析课程内容特点，制定教学计划

安排好教学内容以后，经过认真研究教材，深入理解教材，多方参阅各种资料，以及在教学过程中不断归纳总结经验教训，总结出该课程的以下特点：（1）《电化学分析》课程为应用化学质量管理方向专业课程，课程所安排内容属于在专业基础课《仪器分析》和《电化学原理与应用》基础上向偏重于具体分析方法的更深一步的理论内容，对于比较传统的电化学分析方法，学生在学习过上述两门基础课程以后，有了一定的理论基础。（2）课程内容为电化学分析方法的基本原理和理论，[3-4]如果不结合实验课程内容授课或者与实际应用结合不够紧密，而是采用传统的填鸭式教学方式把理论内容灌输给学生，使学生想象着实验装置了解其理论，很难引起学生的兴趣和达到预期的教学成果。（3）课程开设时间是第7个学期，即大学四年级的上学期。此时的学生主要面对的是毕业论文（设计）的选题，查找和阅读相关文献，制定实验方案，撰写开题报告，进行开题答辩。实验完成后还要撰写毕业论文，进行论文答辩等。

基于该课程的以上特点，对《电分析化学》理论课程教学进行大胆改革尝试，由传统的老师讲课为主，改变成教师讲授部分较难理解的内容，而部分较为容易理解，适合学生自学的内容，由老师布置相应的问题，学生带着问题课下自学，同时结合相关的电化学分析实验，要求学生查阅电化学分析方法相关的中文和英文文献，总结该分析方法在前沿科学研究中的发展和应用，并按照科学学术论文的格式撰写学习与文献阅读报告。并利用多媒体课件，制作PPT向老师和班级同学讲述自己的学习过程、方法以及对所学部分内容的理解与总结，讲述过程可以占用部分课堂时间或者课余时间，同时老师对学生进行辅导和答疑。这种让学生主动参与的方式有利于形成教师和学生互动，充分调动学生的积极性，提高学生学习兴趣。这种课程安排方式不但可以增强教学效果，还有利于锻炼学生多方面的能力：（1）由学生带着相应的问题自主学习和查阅文献，能够训练学生思维能力和提取、加工、总结和归纳信息的能力，使学生感到学习的东西能够学以致用，在一定程度上减少了学生对理论的排斥性和枯燥感觉。（2）查找和阅读英文文献过程中，能够提高学生的专业英语水平。虽然很多院校都开设了专业英语课，但由于日常应用的机会少，学习到的专业名词等难以得到巩固，显得专业英语的难度比普通英语更大，这种现象在国内的高校中普遍存在。本课程的安排迫使学生去在查阅文献过程中学习电化学分析领域中常用的专业英语，并与学习的中文知识相对应，能够得到良好的巩固。学生自身的专业英语水平得到了提高。（3）学生通过查找与讲述所用电化学分析方法进行科学研究的相关文献，总结文献内容，深入学习电化学分析方法的应用，撰写与科技论文或毕业论文相同格式的文献阅读报告，可以使学生进一步提高文献查找和阅读的能力，熟练掌握文字处理软件（如Microsoftword，WPS）的使用方法和技巧，初步锻炼学生的科技论文写作能力。（4）通过制作多媒体课件并在讲台上演示，可以锻炼学生制作PowerPoint多媒体课件的能力和提高学生胆识及表达能力，促进学生的思维。我校多数学生来自于农村，且由于中学教学制度的问题，在校的学生中又有很大一部分没有站在台上面对多人进行表演或者演讲的经验，特别是性格较内向的学生，更没有主动登上讲台表现自己的勇气和自信。这些学生在毕业答辩及以后人生面对同样的情况时，难免会影响其表现。课程安排学生上台讲述，给予学生锻炼其表达能力、增强其信心的机会，对学生是一种很好的锻炼。

教学效果评价

在本课程结束后，我们通过问卷调查的方式，向学生了解他们对本课程采取的教学方法的看法和效果评价。调查结果表明：通过教师和授课与学生自学讲述相结合的教学方式，90%以上的同学认为：这样的教学方式能够让他们真正学到知识，特别是自己参与讲述的内容印象最深，掌握得最牢固；通过系列的锻炼，自己的文献检索、阅读能力、自主学习能力、分析、归纳和解决问题的能力、写作表达能力和自信心都有不同程度的提高。这说明我们这种教学方法有其独特的优势，有助于激发学生的学习兴趣和提高学生的综合能力。

存在的问题

该课程安排和教学方法能够提高学生的综合能力，但是，有部分学生反映，在自学和准备自己讲述内容的过程中，查阅文献、撰写总结报告和制作多媒体课件，会花费大量的时间，有可能影响到其他课程的学习；同时，由于学生自学水平的差异，个别同学自学时无法把握重点，耗费大量精力和时间来追求面面俱到，反而会影响学习热情。

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关键词电化学；水处理；技术应用；工艺

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

中图分类号：TU45 文献标识码： A文章编号：2095-2104（2012）01-0020-02

水资源是人类赖以生存和发展的关键，如何很好的保护水资源，减少对其污染和危害，是现今一项比较被人们关注的话题。在实际的生产和应用当中，运用多种水处理的技术，对水资源进行合理的处理，不仅可以很好的保护环境，维持生态自然资源的可持续性发展，更是可以使人们的饮用水安全问题得到有效的解决。在我国的许多地区，尤其是南方的农村地区，水资源的安全问题是一项比较严峻的问题，所以，大力的建设水处理设备工艺，有着多个方面的重要作用和意义。文章根据现今水处理的主要工艺进行详细的分析，对电化学水处理技术进行细致的探究，综合的得出其主要的工作原理和技术特点，通过对主要的工艺流程进行剖析，可以帮助进一步的了解这项水水处理技术，加强其在实际当中的应用。下文将从多个方面对其进行详细的分析，为水处理技术工艺的发展做出微薄的贡献。

水处理主要技术及电化学处理的分类

现今，随着工业的不断发展，社会的不断进步，人民物质生活水平的不断提升，水资源污染问题也是越来越严重，在我国的许多地区，都出现有不同程度的水资源安全不能达到相关标准的情况，严重的危害着自然环境安全和人民的身体健康，所以，很好的建设其水处理设备工艺，对水资源的污染情况进行有效的解决，是现今的一项重点问题。一般的来讲，水处理的技术分为多个方面的类型，其中较为常见及常用的有离子交换技术、膜渗透技术、电渗析技术以及复合多介质过滤技术和电絮凝技术，根据在实际中的操作情况来看，离子交换技术和膜渗透技术虽然有着较为显著的使用效果，但是其对成本的控制不是非常的到位，对于一些较为贫困的地区，这样的方式显然不是最佳的水处理方式。所以，在水处理的方式选择上，既要考虑实际的使用操作效果，也要考虑管理的简易性，同时还要兼顾对环境的保护和友好程度，合理的控制工艺技术的成本，这对于维持当地的经济效益，维护社会环境的可持续性发展有着至关重要的作用和意义，所以，在选择水处理技术方面，需要进行实际的探究和慎重的考虑。一般的来讲，电化学水处理技术是现今使用比较广泛的技术之一，其中，还分为多个种类，包括有电渗析技术、电絮凝技术和电催化氧化技术，本文将详细的探究和分析电渗析技术和电絮凝技术的工作原理和工艺流程，对其主要的特点进行细致的解析，使电化学水处理技术在实际当中得到更加广泛的应用，更好的对污染的水资源进行合理的处理。

电渗析技术原理及过程

电渗析技术，是属于膜分离技术的一个种类，电渗析技术利用其特殊的装置设备，将阴阳离子交换膜交替的排列在正负的电极之间，使其进行有序的排列，同时，利用特制的隔板，将其进行隔开，组成两个系统，即淡化系统和浓缩系统，通过直流电场的作用，将电位差作为其主要的推动力，依据离子交换膜的选择通透性原理，将电解质有效的从水源中分离出来，达到对其净化的目的和效果。电渗析技术在实际当中的应用比较的广泛，有着多个方面的优点，首先，这种水处理技术能量消耗较低，整个过程对能源的损耗量一直都处于比较低的状态，有利于进行能源的保护和节能利用；第二点，电渗析技术药剂的消耗量比较的少，同时对环境的污染情况也是比较的小，所以是一项较为环保的水处理技术；第三点，电渗析技术操作较为便捷，可以很好的帮助实现机械及设备的自动化处理及操作，管理起来也很容易；第四点，其主要的水处理设备较为耐用，可维护性较强，预处理等方面也很简单。但是，电渗析技术也有着自身的劣势所在，在实际的运行和操作当中，比较容易发生浓缩差化，从而结垢。所以，综合以上分析，电渗析技术虽然有其特殊的优势所在，但是也有其劣势正，在实际的操作和应用当中，应当注意对这方面的重视，扬长避短，用最佳的方式对水源进行最合理的处理。

分析完电渗析技术的主要技术原理和特点，接下来对其主要的过程进行细致的分析。电渗析技术的过程分为几个种类，即倒极电渗析、填充电渗析、高温电渗析和双极性膜电渗析，下文将对这几种电渗析的过程进行详细的分析和阐述。

第一，倒极电渗析，这种方式为电渗析的发展提供了一个极为重要的方向，通过多种技术设备的应用和LED原理，每隔一段时间，正负的电极极性相互之间进行交换，较为频繁的倒极，这样的方式，可以非常有效的清洗离子交换膜之内的污垢，同时对电极表面形成的污垢，也有非常好的清洗作用和效果，从这一方面来对离子交换膜的长期使用作出稳定的保障，对其长期的使用稳定性也坚定了基础。在实际的使用和操作当中，有着极为显著的效果，水的回收率往往可以达到百分之九十以上，同时，使用的寿命较长，管理起来较为简易，和其他的技术方法相比，有着其特殊的优势所在。

第二，填充电渗析。这种方式是将电渗析的技术特点和离子交换的技术特点有机结合起来的一种新的技术方式，综合了这两种技术的特点和长处，对其相应的缺点进行了有效的补充，所以，在实际当中的运用效果比较的显著，很好的提升了电流的密度以及电流效率的合理运用。

第三，高温电渗析和双膜电渗析。高温电渗析技术其主要的特点在于可以很好的使溶液密度下降，从而达到提升扩散速度以及增加溶液导电性的效果，同时，还可以对膜的导电性进行有效的增强，进而提高允许的密度，将设备的生产能力进行显著的提高，或者对动力的消耗进行合理的降低，减少处理的费用，提高设备的使用寿命和性能，在实际的运用当中效果比较的明显。通过一系列的实现证明，高温电渗析这项技术其在有余热可以进行利用的工厂，适用程度更高，可以达到更加合理的效果。最后一个，双极性膜电渗析，这项技术由层压在一起的阳离子交换膜以及阴离子的交换膜和两层膜之间的中间层进行构成，结构较为紧密，在实际的使用和操作当中，当阳极和阴极之间施加一定的电压时，电荷通过离子之间进行有效的传递，达到分析溶液当中的电解质的目的，同时，如果当中没有离子存在，则电流由水解电力的氢离子以及氢氧根进行很好的传递，所以，这项技术不受情况的局限性所影响，可以在很多情况下发挥自身应有的功效，达到最佳的水处理效果，在实际当中的应用也是比较的广泛。

电絮凝技术原理及过程

通过对电渗析技术的主要原理及特点进行详细的分析，对常见的电渗析过程进行简要的探究，可以帮助对电化学的水处理技术有着一个较为初步的了解和掌握，有效的提升在实际应用当中的操作效果。下文将对另外一种电化学水处理技术，即电絮凝技术进行深入的探究，分析其特点和主要的技术过程，加强在实践当中的应用。电絮凝技术通过对化学絮凝当中的阳离子进行凝集，与表面的电荷进行中和反应，涉及水污染的物质以及电场的反应，很好的运用了电产生的氧化及还原反应，进行污染水源的处理和清洁。在目前的情况下，主要的设计工艺不能很好的满足废水处理场合，而通过电絮凝技术的应用，可以在较低的经济投资之下，实现水之源的有效处理，对其中的污染物质进行合理的清除，达到应有的目的和效果。通过电絮凝技术的采用，可以使水源当中的絮体含水量减少，在实际的使用和操作过程当中，比较的稳定，管理比较的便捷，尤其对于较为贫困的地区来讲，合理的利用电絮凝的水处理技术，对当地的发展和经济情况将有着重大的帮助作用。

电絮凝技术，是在电解质溶液当中，可溶性电极被氧化，从而形成金属离子，随着金属离子的进一步氧化，得出一系列的产物，通过多种不同的方式，有效的使污染物质进行聚集，达到处理水资源中污染物质的效果和目的。并且这项技术在实际的应用当中有着较为显著的效果，可以很好的解决水资源当中污染物质较为严重的问题。在反应的体系当中，氢离子放电，释放出氢气，可以很好的起到还原的作用，在反应过程当中，有机物质在电极的表面发生一系列的氧化作用，使原有的物质结构被进一步的破坏掉，达到降解的效果和作用，对于氢氧根等等，有着极强的氧化作用。

结束语

综上所述，通过对电絮凝技术和电渗析技术的探究和分析，可以进一步的加强电化学水处理技术在实际当中的应用，有效的提高其使用性和操作性。通过对这两项主要的电化学水处理技术进行详细的分析，可以从多个方面多个角度对比其优势和劣势，从而在实际的使用和操作当中，加强效果，更好的进行水源污染问题的解决，帮助解决人民群众的饮水安全问题，同时通过对设备成本和管理的有效控制，可以很好的对经济效益的发展情况进行把握，在维护生态环境的可持续性发展的同时，维持经济效益，为水源的安全处理提供更为广阔的发展前景。

参考文献

杨定建.浅析水处理技术及工艺流程【J】.现代工业资讯，2005（7）

篇6

摘要:

采用二步电压氧化法制备了两组孔径及孔密度不同的TiO2纳米多孔薄膜，利用电化学测试方法对制备出的TiO2纳米多孔薄膜的开路电位-时间曲线、交流阻抗谱图以及计时电流曲线进行了测试，研究了多孔薄膜材料的孔径及孔密度对材料光电化学性能以及比表面积的影响。结果表明，制备出的具有不同孔径和孔密度的试片在光照情况下的电化学反应电阻均明显下降，相关电化学反应更容易发生;增大薄膜材料的比表面积有利于提高其光电性能，性能最佳的薄膜材料的孔径为103nm，孔密度为10×108个/cm2。

关键词:

TiO2;纳米多孔薄膜;阳极氧化;孔径;孔密度

引言

随着全球工业化进程的加速，能源危机日益临近，环境污染问题及可再生新能源的开发越来越得到各国的重视。环境保护和可持续发展已成为人类必须考虑的首要问题。而太阳能是一种无污染并且取之不尽的可持续使用的能源。为实现太阳能的高效利用，研究效率高的光催化剂、光电化学电池以及太阳能电池等成为目前科学研究界的前沿领域［1］。TiO2作为一种来源丰富、价格低廉、性能稳定、对环境友好，并具有多种功能特性的半导体材料，一直以来在化工、电子、能源及环保等领域有重要的应用价值［2-5］。TiO2纳米材料在众多领域特别是作为高效催化剂和低成本染料敏化太阳能电池光阳极中广泛应用成为各大领域的研究热点［6］。然而TiO2只能利用紫外光，导致材料本身在太阳能利用方面效率偏低。因此，如何扩展TiO2的光谱响应范围，提高其光电性能一直以来被广大学者所关注。本文采用二步电压氧化法制备了具有不同孔径及孔密度的TiO2纳米多孔薄膜，通过测试TiO2纳米多孔薄膜的开路电位-时间曲线，交流阻抗谱图以及计时电流曲线研究了多孔薄膜材料的孔径以及孔密度对材料光电化学性能以及比表面积的影响。

1实验部分

1．1TiO2纳米多孔薄膜制备方法首先对钛片基体进行封装和预处理，去除试样表面的氧化膜及油污层，封装及预处理步骤如下:1)将TA2钛片裁剪为80mm×20mm×0．15mm的试样，利用AB胶以及载玻片将裁剪好的钛箔进行封装，留出15mm×15mm的待氧化区以及适当面积的导电连接区，如图1所示;2)用浸有丙酮的脱脂棉球擦拭钛片待氧化区表面，以去除封装过程中表面残留的AB胶以及部分油污;3)将封好的试片放入5%NaOH溶液中，在50℃下浸泡5min，蒸馏水清洗;4)将封好的试片放入0．5mol/L的硫酸溶液中室温下浸泡10s，蒸馏水冲洗;5)以钛基镀铂网为阳极，封好的试片为阴极，在电化学除油液中于10V电压下对试片进行阴极电解除油15s，蒸馏水冲洗干净后备用。采用硫酸溶液为电解液，将预处理后的试片与电源正极相连接，将作为对电极的钛基镀铂网与电源负极相连接，应用二步电压施加方式进行阳极氧化制备TiO2纳米多孔薄膜［7-8］。为研究孔径、孔密度对光电化学性质的影响，参考之前的制备条件［9-10］，分别氧化制备了两组样品，一组是孔径大小相似但孔密度不同的样品，另一组为孔密度大小相似但孔径不同的样品。

1．2TiO2纳米多孔薄膜的性能表征采用CHI660E电化学工作站在室温下进行电化学测试。以制备的TiO2纳米多孔薄膜试片为工作电极，铂片为辅助电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，0．25mol/L的NaSO4溶液为电解液，组成三电极体系。电化学测试时将组装好的三电极体系放置于光化学反应器内的升降台上，调整升降台的高度以及三电极体系的位置，使反应器中用于模拟太阳光的内置氙灯光源(Solar-500)的光束能够垂直照射到纳米多孔薄膜表面。测试装置如图2所示。分别采用开路电位-时间曲线、计时电流-时间曲线以及交流阻抗谱图的测试方法对试片的光电性能、比表面积等进行表征。开路电位-时间曲线的测试在光照与非光照两种情况下交替进行，总的测试时间t为400s，光照与非光照的交替间隔t为100s。计时电流-时间曲线在非光照条件下测试，根据稳定电位设置测量参数，其中初始电位和高电位均设置为开路电位，Δφ为10mV，设定低电位，选择负向阶跃，半周期为25ms。该方法测试比表面积的原理实质是采用恒电位阶跃法测试电极真实表面积。根据双电层理论，当电极浸入电解液时，电极与溶液界面之间总存在双电层。在参比电极与研究电极之间施加小幅度的恒电位方波(方波幅值Δφ)，则流经研究电极的电流全部用于双电层充电，随着时间推移，充电电流逐渐减小，并且呈现如图3所示的变化规律。图3中阴影部分的面积为双电层电容器充电的电量Q，Δφ为电位阶跃值，i为响应电流，对i在响应时间t内进行积分即可计算出充电电容Cd。以汞电极双层充电电容值为标准值，记作CN，表示单位真实表面积上的电容值，从而可计算出研究电极的真实表面积S真，再手工测定研究电极的表观表面积S表，就可算出研究电极的比表面积S比。交流阻抗谱图的测试在光照及非光照两种条件下进行测试，测试电位为开路电位，电压幅度为5mV，频率范围为10mHz～10kHz，测试所得的交流阻抗谱图采用ZSimpWin软件进行模拟，等效电路图如图4所示。采用JEOLJSMΔφ6700F扫描电子显微镜测试氧化钛薄膜的表面形貌，在测试图片上任选5个微孔测量孔径并求出孔径平均值作为孔径数据;在测试图片上数出单位标尺面积内的孔的个数，通过图片标尺数据进行换算，求出每平方厘米内的孔的个数作为孔密度数据。

2结果与讨论

2．1孔密度对TiO2多孔薄膜光电特性的影响为研究孔密度对于制备的TiO2纳米多孔薄膜光电特性的影响，根据之前的研究结果［9-10］，制备了一组孔径大小相似，但是孔密度相差较大的TiO2纳米多孔薄膜试片，并采用开路电位-时间曲线、计时电流-时间曲线以及交流阻抗图谱对制备出的试片的光电化学性能进行了分析。测试结果如图5及表1所示。图5为不同孔密度的TiO2纳米多孔薄膜开路电位-时间曲线，表1为相应的开路电位在光照和非光照下的变化值。由于光照能够促使纳米TiO2多孔薄膜表面产生光生电子及空穴对，生成的光生电子及空穴紧接着发生分离并扩散至电极与溶液接触面形成的双电层界面，使双电层的带电状况发生变化，进而改变双电层的结构，双电层结构的变化最终导致电极开路电位即稳定电位数值的改变。因此通过测试电极在光照及非光照两种情况下的开路电位，计算出该电位数值的变化，即Δφ来评价材料对于光的敏感性，电极材料对光照越敏感，开路电位的变化值越大，即材料的光电性能越好。从图5及表1的测试结果可以看出，当孔径为103nm，孔密度为10×108个/cm2时，试片在光照和非光照时开路电压的变化值Δφ最大，即该孔径及孔密度的TiO2多孔薄膜对光照最敏感，具有最佳的光电化学特性。图6、图7分别为无光照及光照下不同孔密度的TiO2纳米多孔薄膜的交流阻抗谱图，表2为相应的交流阻抗谱图的模拟数据。由于阻抗谱图中阻抗半圆直径的大小对应着电化学反应电阻的大小，阻抗半圆直径越大即阻抗半圆弧越大意味着电化学反应电阻越大，即电化学反应进行越困难，因此可以通过测试光照及非光照下试片材料阻抗谱图，比较阻抗半圆直径的大小来评价材料的光电化学性能。从图6、图7及表2的测试及模拟结果可以看出，所有试片在光照情况下的电化学反应电阻均较非光照条件下明显下降，即所有试片均对光照具有敏感性，光照时相关电化学反应更容易发生。且经过进一步对比发现孔径为103nm，孔密度为10×108个/cm2的试片在光照及非光照下均具有最小的电化学反应电阻，即该条件下的试片对光照最敏感，具有最佳的光电化学特性。此结论与开路电位-时间曲线的分析相一致。图8为不同孔密度的TiO2纳米多孔薄膜的计时电流-时间曲线，表3为通过对计时电流-时间曲线积分计算所得的相应的比表面积数值。通过表3的数据可以看出，孔径为103nm，孔密度为10×108个/cm2的试片的比表面积最大，数值为11．30，而比表面积越大，越有利于提高材料的光电性能，由此可见该条件下的试片的性能应最佳，此结论与之前的开路电位-时间曲线以及交流阻抗谱图的分析结果相一致。综合以上分析可以看出，当孔径大小在103nm左右时，光电性能最佳的TiO2纳米多孔薄膜的孔密度为10×108个/cm2。

2．2孔径对TiO2多孔薄膜光电特性的影响为研究孔径对制备的TiO2纳米多孔薄膜光电特性的影响，根据之前的研究［9-10］，并结合2．1的分析结果，制备了一组孔密度为10×108个/cm2左右，但是孔径相差较大的TiO2纳米多孔薄膜试片，并采用开路电位-时间曲线、计时电流-时间曲线以及交流阻抗谱图对制备出的试片材料的光电化学性能进行了分析。图9为不同孔径的TiO2纳米多孔薄膜开路电位-时间曲线，表4为相应的开路电位在光照和非光照下的变化值。从图9及表4可以看出，当孔径为103nm，孔密度为10×108个/cm2时，试片在光照和非光照时开路电压的变化值Δφ最大，即该孔径及孔密度的TiO2多孔薄膜对光照最敏感，具有最佳的光电化学特性。图10、图11分别为无光照及光照下不同孔径的TiO2纳米多孔薄膜的交流阻抗谱图，表5为相应的交流阻抗的模拟数据。从图10、图11及表5可以看出，所有试片在光照情况下的电化学反应电阻均较无光照条件下明显下降，即所有试片均对光照具有敏感性，在光照情况下相关电化学反应更容易发生。且经过进一步对比发现，孔径为103nm，孔密度为10×108个/cm2的试片在光照及非光照下均具有最小的电化学反应电阻，即该条件下的试片对光照最敏感，具有最佳的光电化学特性。此结论与开路电位-时间曲线的分析相一致。图12为不同孔径的TiO2纳米多孔薄膜的计时电流-时间曲线，表6为通过对计时电流-时间曲线积分计算所得的相应的比表面积数值。通过表6的数据可以看出，孔径为103nm，孔密度为10×108个/cm2的试片的比表面积最大，数值为11．30。比表面积越大，越有利于提高材料的光电性能。由此可见该条件下的试片的性能最佳，此结论与开路电位-时间曲线以及交流阻抗谱图的分析结果相一致。综上分析可以看出，当孔密度在10×108个/cm2左右时，电性能最佳的TiO2纳米多孔薄膜的孔径为103nm。

3结论

采用二步电压氧化法制备了两组孔径及孔密度大小不同的TiO2纳米多孔薄膜，采用电化学测试方法对制备的TiO2纳米多孔薄膜的开路电位-时间曲线、交流阻抗谱图以及计时电流-时间曲线进行了测试，研究了TiO2纳米多孔薄膜结构，包括多孔薄膜材料的孔密度和孔径对于材料光电化学性能以及比表面积的影响。结果表明，制备出的具有不同孔径和孔密度的试片在光照情况下的电化学反应电阻均明显下降，相关电化学反应更容易发生;增大薄膜材料的比表面积有利于提高其光电性能。当孔径大小在103nm左右时，光电性能最佳的TiO2纳米多孔薄膜的孔密度为10×108个/cm2;而当孔密度大小在10×108个/cm2左右时，光电性能最佳的TiO2纳米多孔薄膜的孔径为103nm。说明性能最佳的薄膜材料结构为孔径103nm，孔密度为10×108个/cm2。

参考文献

［1］王芳．二氧化钛纳米结构材料的修饰和光电化学性质［D］．苏州:苏州大学，2013．

［2］畅文凯．纳米结构二氧化钛的可控制备及其光催化和光电性能［D］．北京:北京化工大学，2013．

［3］陆飞，丁孝飞，王赫，等．阳极氧化法制备TiO2多孔薄膜及其光电化学性能研究［J］．电镀与精饰，2015，37(10):1-5．

［4］巩运兰，李菲晖，白正晨，等．电压对钛阳极氧化薄膜形貌的影响［J］．电镀与精饰，2010，32(11):5-8．

篇7

电化学DNA传感器主要由表面固定了ssD-NA(单链DNA)[4]探针的电极金电极、玻璃电极和碳糊电极等)和检测用的电化学杂交指示剂(即标识物)两部分构成(如图1所示)。为了提高杂交的专一性,ssDN段长度范围一般从十几个碱基到几十个碱基,通常采用人工合成的短链寡聚脱氧核苷酸,其碱基序列与样品中的靶序列互补。在适当的温度、pH和离子强度条件下,固定在电极上的ssDNA与杂交缓冲溶液中的靶基因发生选择性杂交反应。如果样品中含有完全互补的DN段则在电极表面形成dsDNA(双链DNA),从而引起电极上电流值的变化,利用微分脉冲或循环伏安法可检测出dsDNA杂交信号。电化学杂交指示剂是一类能与ssDNA和dsDNA以不同方式相互作用的电活性化合物,其电活性可使检测时的测量电流增大,提高检测灵敏度,但电化学杂交指示剂的加入使电化学信号的本底加大,使检测的分辨率降低。提高电极上ssDNA探针的灵敏度,一方面与杂交指示剂对dsDNA和ssDNA的选择性结合能力的差异有关,另一方面与电极表面特异性吸附有关[5]。目前选用的嵌合剂均为单嵌合剂,可以考虑选用双嵌合剂和三嵌合剂。利用其“分子剪刀”的功能,改善其灵敏度和选择性。选用磷酸缓冲底液进行检测,可避免对指示剂的非特性吸附[6]。在基因检测方面采用计时电势信号转换模式(PSA)检测,比伏安法灵敏度高,并能获得有效的背景补偿,可在5~20min短时间内检测纳克(ng)的目标DNA序列[7]。采用光刻沉积技术制备的金膜作为传感电极[8],与巯基修饰的寡核苷酸探针自组装成的电化学核酸传感器,浓度检测线性范围为1.5~50nmol/L。以肽核酸[9](PNA)代替ssDNA作为探针分子修饰到电极表面,电极表面上的PNA仍能保持其在溶液中专一和有效的杂交特性,PNA识别层使传感器具有更高的灵敏度和专一性,杂交速度快,并且不受离子强度的影响。

2电化学DNA传感器的分类

DNA修饰电极是电化学DNA传感器的重要部分,该类传感器也多以此进行分类。ssDNA修饰(或固定)到电极上的方法,现有的文献报道主要集中在自组装膜法、吸附结合法、表面富集法、共价键结合法、化学免疫法、组合法、生物素-亲和素反应法和LB膜法等。本文主要叙述以下几种:

2.1吸附结合法

该方法是将碳糊电极放到含DNA探针分子的乙酸缓冲溶液中在一定电位下活化电极,然后在控制电位下吸附富集探针分子,最后用磷酸缓冲溶液淋洗后便可使用。其特点是简单、灵活,但稳定性不够。Pang[3,10]等研究证明,ssDNA在汞电极上的吸附性质为化学吸附,生成吸附化学键,质子化的ssDNA分子通过嘌呤和嘧啶碱基上芳香杂环的π键键合而吸附到汞电极上。Hashimoto[11,12]等采用吸附法在平面热解石墨电极上固定了DN段。他们[12]还通过化学吸附在金电极表面修饰了20mer的DNA探针,该探针与v-myc基因部分互补。Wang等[13]利用电化学富集方法将DNA修饰到碳糊电极(CPE)上,制成DNA探针修饰电极。

2.2自组装膜法

即基于分子的自组作用,在固体表面自然形成高度有序的单分子层膜的方法。在DNA技术中,一般是利用带巯基(—SH)的化合物在金电极表面上可以形成自组装单分子膜的特性来固定核酸。其特点是表面结构高度有序,稳定性好,有利于杂交;但对巯基化合物修饰的DNA的纯度要求较高,分离提纯操作较烦琐。白燕[14]等人利用自组装单分子膜技术,考察了ssDNA/Au电极、dsDNA/Au电极的指示剂氧化峰电流。研究表明,ssDNA/Au电极、dsDNA/Au电极的指示剂氧化峰电流响应值之差与互补DNA浓度在一定范围内呈线性关系,据此可以识别特定序列的DNA,并对其进行定量。陆琪[15]等人采用先进行—SH化合物自组装,得到自组装单分子层,再在其上共价键合或吸附固定DNA的方法,制备DNA修饰电极,克服了由于—SH修饰的DNA难以合成,并且需要分离提纯,操作繁琐的缺点。Xu[16]等先将4_巯基丁基膦酸(MBPA)在纯乙醇中固定到硅晶片的金膜上,然后再与Al3+反应,形成一层包含Al3+的膜,再通过Al3+与DNA之间的静电作用将ssDNA固定到电极上。

2.3共价键结合法

该法首先对电极进行活化预处理,以引入活性键合基团,然后进行表面的有机合成,通过共价键合反应把探针分子修饰到电极表面。如在氧化的玻碳电极表面,以一种水溶液的乙基_(3_二甲基丙基)碳二亚胺盐酸和N_羟基磺基琥珀酰亚胺作为偶联活化剂,小牛胸腺DNA和多聚脱氧鸟苷酸、多聚脱氧胞苷酸片段通过与活化的电极表面(O_酰基异脲)形成磷酰胺键共价结合到电极表面。其特点是修饰层稳定,易进行分子杂交,但由于电极表面活性位点有限,表面合成又是异相反应,因而固定的DNA量有限,响应信号小。S.Lin[17~19]采用共价键法,成功地在石墨电极上固定了DNA探针。赵元弟等[20]采用巯基化合物自组装/共价键合反应的逐层固定方法,将双链DNA固定到金电极表面,得到DNA修饰电极,并对该电极表面进行了电化学和X射线光电子能谱表征,研究了电极表面固定化小牛胸腺DNA和一种具有10碱基长度的寡聚核苷酸探针分别与溶液中DNA的表面分子杂交情况。

2.4化学免疫法

在免疫传感器的研究及应用方面,本课题组研究了多种Nafion膜修饰微铂电极对溶液中NO的电化学行为进行了研究[21~24],并用自行设计合成的大环镍制成了Nafion膜修饰电极,实现了对多巴胺和肾上腺素这两种哺乳动物的重要神经递质的同时测定[25];用PVC膜修饰的免疫电极采用流动注射分析了乙肝抗原[26];通过戊二醛偶联乙肝表面抗体(抗-HBs),用自组装的硫脲单分子层金免疫电极,检测了乙肝表面抗原[27]。采用了溶胶-凝胶(sol-gel)技术,成功将乙肝表面抗体(HBsAb)包埋于sol-gel中,此方法可用于检测乙肝表面抗原HBsAg[28]。同时结合溶胶-凝胶(sol-gel)和交联技术,将乳腺癌抗体固定在铂盘电极表面的氨基化sol-gel功能膜上,用于检测乳腺癌抗原(CA15-3)的免疫传感器[29]等。利用化学免疫法固定DNA首先在电极表面键合抗生蛋白(avidin),然后利用抗生蛋白与生物素之间的亲和作用,使其与5′端标记有生物素(biotin)的DNA结合,因而将DNA固定于电极表面。Yoshio[30]利用avidin与biotin的基本反应通过多层分子组装将dsDN段固定化,用以测定相对分子质量小的有机物质和氯代联苯、氯代酚、双酚A、溴化乙啶等。

2.5组合法

该法是将化学修饰剂与电极材料混合以制备组合修饰电极。Millan[31]将18_烷基胺或18_烷基酸混入碳糊中,得到修饰的碳糊电极。在DEC存在下,18_烷基胺的氨基与ssDNA5′末端的磷酸基形成磷酰氨键,并将其固定在电极上。

3电化学DNA传感器中的标示物

DNA传感器对目标基因的选择性识别是靠核酸的杂交来完成的。为了检测所发生的杂交信息,必须采用一种电活性物质来指示,即电化学DNA传感器的标示物。本文主要介绍以下3种标示物。

3.1具有电化学活性的杂交指示剂作为标示物

许多具有电化学活性的小分子物质能与DNA分子发生可逆性相互作用,其中一些物质能够专一性地嵌入dsDNA分子双螺旋结构的碱基对之间,这一类物质称为杂交指示剂。在杂交过程中杂交指示剂与电极表面的dsDNA形成复合物,根据杂交指示剂与ssDNA和dsDNA结合方式和结合能力的差异,通过测定其氧化还原峰电流和峰电位可以识别和测定DNA分子。能够选择性识别ssDNA和dsDNA而又不与DNA链发生不可逆的共价结合,同时又能给出电流或电势识别信号的杂交指示剂是该类电化学DNA生物传感器的关键。指示剂与DNA的结合方式主要有:(1)与DNA分子的带负电荷的核糖/磷酸骨架之间的静电作用;(2)与DNA沟槽的嵌入作用。杂交指示剂对dsDNA比对ssDNA有更高的特异性结合能力,这样才能指示灵敏。一般地说,dsDNA与指示剂的相互作用为静电作用和内部疏水性作用,而ssDNA主要是静电作用,可以从其电化学峰电位的移动来判断,前者峰电位正移,后者峰电位负移[32]。Wang[33,34]等用肌苷代替DNA探针中的鸟嘌呤来消除探针中鸟嘌呤的氧化峰,然后利用探针和靶序列,对杂交后出现的鸟嘌呤的氧化峰进行检测。Hashimoto[35]等利用多种杂交指示剂进行电化学基因检测,发现电活性小分子道诺霉素(daunomycine)可以通过峰电位的移动,很好地区分dsDNA和ssDNA,并且其电流密度相当高,在10μmol/L的溶液中达到6.5μA/c,可检测到10-8g/mL的靶基因序列。Hoechst33258能专一性地作用于双螺旋DNA的小沟槽的A-T碱基对,可以通过其阳极峰电流的变化来指示。而其它的指示剂,如丫啶黄(acridineorange)、米诺霉素(minocycline)、普匹碘铵(propidiumiodide)等,效果就不如前二者。

3.2寡聚核苷酸上修饰电化学活性的官能团作为标示物[2,3]

合成带有电化学活性基团的寡聚核苷酸与电极表面的靶基因选择性地进行杂交反应,在电极表面形成带有电活性官能团的杂交分子,通过测定其电信号可以识别和测定DNA分子。Takenka等人[2]成功地在寡聚核苷酸的5′端磷酸基上标记具有电化学活性的羧基二茂铁制成二茂铁寡聚核苷酸,合成的二茂铁寡聚核苷酸选择性地与互补单链DNA形成复合物,采用电流检测,检测信号与复合物的量呈线性关系。

3.3利用酶的化学放大功能在DNA分子上标记酶作为标示物[2,3]

当标记了酶的ssDNA与电极表面的互补ssDNA发生杂交反应后,相当于在电极表面修饰了一层酶,酶具有很强的催化功能,通过测定反应生成物的变化量可以间接测定DNA。

4电化学DNA传感器的医学应用

4.1在细茵及病毒感染类疾病诊断

细菌及病毒感染是引起人类疾病的主要原因之一。历史上许多灾难性的瘟疫,如霍乱、天花、麻疹等,都是由相应的病菌或病毒所引起的,因此尽早诊断出病源微生物(细菌或病毒)的感染,是预防这类疾病的关键[1,36]。Wang[37]等人用阳极氧化法,将与结核杆菌(Mycobateriatuberculosis)基因DR区相对应的两个长度分别为27和36碱基的DNA探针,固定在碳糊电极表面,制成电化学DNA传感器。利用计时电位分析法,以Co(Phen)33+作指示剂,进行了DNA传感器用于结核杆菌诊断的最初尝试。武汉病毒研究所用化学免疫法固定乙型肝炎病毒(HBV)的DNA探针,用来与牛肠磷酸酶(CAP)标记的互补探针杂交,利用光动力计测量杂交带入的CAP释放出的光强度,验证了DNA传感器进行HBV诊断的可行性[38]。日本的Hashimoto等人[39]将巯基标记的HBV探针自组装在金和钛电极表面,用电化学方法检测了血清HBVDNA的竞争性PCR扩增产物,结果表明用DNA传感器HBV的临床诊断,不受血清中其它DNA成分的干扰,具有良好的特异性。近来,吴少慧等人[40]通过阳极氧化法,将HBV的DNA探针固定在镀金的石英晶体表面,组装成石英晶体传感器[41~44]。用该石英晶体传感器去检测HBV的DNA时,作为检测对象的DNA会与固定在石英晶体表面的DNA探针杂交,引起石英晶体的质量改变,从而使石英晶体的振荡频率改变,产生检测信号。用该传感器检测了6个HBV血清,证明其稳定性能满足临床HBV的诊断要求。

4.2基因诊断

基因遗传病是当前威胁人类健康的天敌,许多基因遗传病至今还没有根治的方法,因此,基因诊断变得越来越重要,尤其对遗传性疾病的产前和病前诊断显得更为重要,而在基因与功能的研究以及其他许多方面,DNA序列分析均是必须完成的关键步骤,利用电化学DNA传感器测定DNA序列效果较好。Millan等[31]在ssDNA修饰了碳糊电极,在较高离子强度下与靶基因快速杂交(<10min),用该传感器测定了18个碱基长度的囊性纤维变性基因ΔF508序列,得到了令人满意的结果。Wang等[7]报道了艾滋病人类免疫缺陷病毒型(HIV-Ⅰ)相关的短DNA序列测定的传感器。他们将21和24个碱基与HIV-IU5LTR序列互补的单链寡核苷酸部分修饰在碳糊电极(CPE)上,以杂交指示剂Co(Phen)33+溶出峰来检测杂交。靶基因片段检出限为4×l0-9mol/L。Wang等[33]提出了以肽核酸(PNA)代替ssDNA作为探针修饰到电极表面,己证明PNA与互补核苷酸有很多的杂交特性,在许多方面显示出优于ssDNA的性能,有望被很好地用于基因诊断。

4.3药物分析

许多药物与核酸之间存在可逆作用,而且核酸是当代新药发展的首选目标。电化学DNA生物传感器除了可用于特定基因的检测外,还可用于一些DNA结合药物的检测以及新型药物分子的设计[32]。Wang等人[45]将修饰dsDNA的碳糊电极插入吩噻类药物的醋酸缓冲溶液中富集,进行计时电位分析。结果发现,在未修饰dsDNA的碳糊电极上,吩噻仅仅产生非常小的阳极峰,而在修饰电极上可以测得nmol/L级吩噻类药物。罗济文等人[46]研究了道诺霉素(DNM)在小牛胸腺DNA修饰石墨粉末微电极上的电化学行为,提出了测定微量DNM的方法,DNM浓度在1.0×10-7~1.0×10-5mol/L之间,其微分脉冲伏安(DPV)峰电流与浓度有良好的线性关系,检出限为5.0×10-8mol/L,并以此为基础提出了一种测定人尿中痕量DNM的方法。该方法简单、快速、灵敏度较高。宋玉民等[47]用电化学方法和荧光方法研究了桑色素(Morin)和抗肿瘤活性较强的桑色素合铜(Ⅱ)、桑色素合锌(Ⅱ)与DNA在生理条件下的相互作用,从分子水平探讨桑色素及其配合物抗癌活性不同的存因以及DNA作用方式之间的联系。Maeda等人[48]研究了抗疟药阿的平在DNA修饰电极上的电化学检测。结果显示,在1×10-7~5×10-7mol/L范围内,阿的平的浓度与指示化合物铁氰化钾的阳极峰电流成正比,当浓度在8×10-7mol/L时达到饱和。同时,用NaCl溶液做对比实验,证实阿的平与DNA分子发生了强烈的特异性相互作用。这为今后研究某些药物与DNA的相互作用机理及建立简便的药物筛选方法作了探索性的工作。

4.4DNA损伤研究

人类基因与其它物种基因的功能均是编码遗传信息从而保护其完整性[49]。DNA修复酶始终监视染色体并修复基因和细胞化学物所致的核苷酸残基的破坏,若没有DNA修复,那么由多种多样的DNA损伤因素所引起的染色体不稳定性将对细胞和生物体产生致命的影响[50~53]。利用电化学DNA传感器对DNA损伤进行测定取得了令人满意的效果。孙星炎等[54]研究了不同致突变因素(紫外光照射、亚硝酸)的作用下,以石墨电极为基底电极,特定碱基序列的DNA在电极表面能否杂交及杂交程度的差异,对DNA突变情况及可能的突变机理进行了探讨。Wang等[55]直接固定dsDNA微型电化学传感器,探讨紫外光辐射引起的DNA中鸟嘌呤氧化峰信号的变化,来检测DNA的损伤。Sue等[56]认为,目前基因检测在疾病诊断方面的原理,一般是用固定的抗原或抗体来探察和它们捆绑在一起的分子聚集时的生物流动性,而电化学DNA生物传感器的微排列,是由数千被合成或被克隆的能在样品中被察觉的连续互补DNA序列组成,临床上通过传感器的检测能够迅速找出哪种组织患病和是否带有耐药因子,为疾病的快速诊断提供了可能。

篇8

复习。

关键词：高考；电化学；命题思想

高中电化学知识包括原电池原理和电解原理，以及两者在化工生产和生活中的应用。电化学是高中化学课程中重要的理论部分，该部分试题往往紧密联系生活，与学科内及学科外的知识点有机结合，从而考查学生的能力，易于落实新课程理念，因此在历年高考命题中占有重要地位。研究高考电化学命题的思想主要有：

一、试题拓展教材内容，考查学生分析问题、解决问题的能力

例1.（2011福建高考-11）研究人员研制出一种锂水电池，可

作为鱼雷和潜艇的储备电源。该电池以金属锂和钢板为电极材料，以LiOH为电解质，使用时加入水即可放电。下列关于该电池的说法，不正确的是（ ）

A.水既是氧化剂，又是溶剂

B.放电时正极上有氢气生成

C.放电时OH-向正极移动

D.总反应为：2Li+2H2O■2LiOH+H2

此题的情境取材于书本外新的化学电源，知识落脚点是基础。与原电池有关的试题都应该从基础知识入手分析：（1）判断电极及分析电极反应类型，负极发生氧化反应，正极发生还原反应；（2）分析电子流向，电子由负极沿外线路流向正极，阴离子流向负极，阳离子流向正极；（3）书写电极反应，电极反应式一定要满足得失电子守恒。本题考查学生利用原电池知识分析问题、解决问题的能力,考生若掌握了相关知识便可迅速选出C项是错误，因为原电池放电时OH-是向负极移动的。

二、电化学与实验整合，考查学生的创新能力

例2.（2009上海卷-13）下图装置中U型管内为红墨水，a、b

试管内分别盛有食盐水和氯化铵溶液，各加入生铁块，放置一段时间。下列有关描述错误的是（ ）

■

A.生铁块中的碳是原电池的正极

B.红墨水柱两边的液面变为左低右高

C.两试管中相同的电极反应式是：Fe－2e-Fe2+

D.a试管中发生了吸氧腐蚀，b试管中发生了析氢腐蚀

解析：激发学生的创新潜能，提高学生的实践能力是新课改的目标。本题是学生熟悉的原电池设计的新型装置，由于a为中性环境，发生吸氧腐蚀，氧气被消耗，气体压强减小；b中酸性较强，发生析氢腐蚀，有氢气放出，气体压强增大，所以红墨水柱两边的液面变为左高右低，故B项说法错误。试题通过设计新装置，不仅考查学生运用化学实验解决问题的能力，同时也考查了学生的实验设计与创新能力。

三、以陌生材料为素材，考查学生处理信息的能力

例3.（2010江苏卷-11）下图是一种航天器能量储存系统原理示意图。下列说法正确的是（ ）

A.该系统中只存在3种形式的能量转化

B.装置Y中负极的电极反应式为:O2+2H2O+4e-=4OH-

C．装置X能实现燃料电池的燃料和氧化剂再生

D．装置X、Y形成的子系统能实现物质的零排放，并能实现化学能与电能间的完全转化

解析：本题为信息迁移题，解题时要充分挖掘材料中的有用信息。A项，在该装置系统中，有四种能量转化的关系，即太阳能、电能、化学能和机械能之间的相互转化；B项，装置Y为氢氧燃料电池，负极电极反应为H2-2e-+2OH-=2H2O；C项，相当于用光能电解水，产生H2和O2，实现燃料（H2）和氧化剂（O2）的再生；D项，在反应过程中，有能力的损耗和热效应的产生，不可能实现化学能和电能的完全转化。综上分析可知，本题选C项。试题要求学生能运用已学的知识解决新情境中的问题，综合考查学生接受新信息及应用新信息解决问题的能力。

四、将绿色化学融入试题，强化学生的绿色化学理念

例4.（2009安徽卷-12）Cu2O是一种半导体材料，基于绿色化

学理念设计的制取Cu2O的电解池示意图如下，电解总反应为：2Cu+H2O■Cu2O+H2。下列说法正确的是（　）

A.石墨电极上产生氢气

B.铜电极发生还原反应

C.铜电极接直流电源的负极

D.当有0.1 mol电子转移时，有0.1 mol Cu2O生成。

解析：STS教育理念下的化学新课程改革强调课程要重视从社会实际问题出发组织学习，使学生从科学、技术和社会相互联系的视角去认识化学问题，思考社会问题。本题主要考查学生与原电池有关的知识，而将绿色化学有机地结合在一起，有助于强化学生的绿色化学理念，让学生关注人类面临的与化学相关的社会问题，增强学生的社会责任感。

五、利用电化学原理处理数据，考查学生的计算能力

例5.（2009重庆卷-26）工业上电解饱和食盐水能制取多种化工原料，其中部分原料可用于制备多晶硅。（1）略。（2）多晶硅主要采用SiHCl3还原工艺生产，其副产物SiCl4的综合利用受到广泛关注。②SiCl4可转化为SiHCl3而循环使用。一定条件下，在20L恒容密闭容器中的反应：3SiCl4（g）+2H2（g）+Si（s）■4SiHCl3（g）达平衡后，H2与SiHCl3物质的量浓度分别为0.140mol/L和0.020mol/L，若H2全部来源于离子交换膜法的电解产物，理论上需消耗纯NaCl的质量为 kg。（3）采用无膜电解槽电解饱和食盐水，可制取氯酸钠，同时生成氢气，现制得氯酸钠213.0 kg，则生成氢气m3（标准状况）。

篇9

关键词：水处理 电化学 杀菌 除铁

随着社会经济的发展和生活水平的提高，城市居民对用水质量的要求日益增高，但工业化生产排放的废水对水源的污染也越来越大。按传统的自来水处理方法，只有增大加氯的剂量。由于水中有机物含量增加，这样做难免会产生“三致”物质。而且，即使投入更多的氯，也难以保证在管道末梢的余氯值大于0.05mg/L，往往发现建筑物的供水管道和屋顶水箱中细菌和藻类滋生的现象。微生物分泌的粘液吸附水中杂质，淤积在管壁上形成粘泥层，增加对水流的阻力；在粘泥覆盖下，管道表面因贫氧形成浓差电池，引起管壁锈蚀，使流出的水发黄带铁腥味。对此，我们在实验的基础上，在建筑物的水箱处增加一级电化学水处理，可以起到杀菌、杀藻、除铁的作用，有效地改善了水质。该方法不需添加化学药剂，无二次污染，可以根据水质调节用电量。

1 杀菌[1][2][3]

1.1 作用机理

根据电解的原理，研制的阳极，以钛板或钛棒为基体，用高温热解氧化法在表面生成含铱等贵金属氧化物的涂层。该电极在电解过程中自身不溶解，催化产生具有极强杀生能力的活性物质，如OH自由基、初生态O、H2O2和O3等活性氧；水中存在的氯离子，被激活成ClO2、HClO、ClO-等活性氯协同杀菌。微生物表面带负电，在电场力的作用下向阳极迁移。电极与水的界面存在的双电层电场强度较高，如微生物被电场吸引或随水流冲进双电层，会因触电致死，用电杀菌具有广谱性的杀菌效果，不会产生耐药性；产生的H2O2和余氯赋予水体持续抑菌的能力。

1.2 实验装置和实验方法

根据上述工作机理，研制出杀菌灭藻电水处理器，有平板型和圆柱型两种型式，结构如图1所示。阳极采用有表面涂层的钛板或钛棒，阴极采用不锈钢。水流从处理器的下部流入，上部流出，额定流量为1m3/h。两种形式处理器的阳极面积相同，平板型耗电量较低，圆柱型强度较高。检验杀菌效果的组合实验装置如图2所示，水箱容积1.0m3带搅拌器；水流由离心式水泵提供，用流量计控制流量。

实验用水为配水，自来水经活性炭过滤后流入水箱，加人自行培养的细菌并搅拌均匀，原水细菌总数在106个/mL左右。过滤水经邻联甲苯胺方法比色确认无余氯。培养菌种从自来水中采取。

水流一次通过处理器，在处理器进、出口处用无菌瓶取水样，立即检测，用标准平皿法37℃培养48h后计算细菌总数。

1.3 实验结果与讨论

水流单程通过处理，消耗的电功率与杀菌效果的关系如图3所示。由图3可见，很小的电功率即可产生杀菌效果，随着电功率的增大，杀菌率迅速提高，在电功率50W左右杀菌率达到99％以上，折合成每立方米水耗电0.05kWh。如果采用循环处理的方法，使处理器中没有耗尽的杀菌性活性物质在管道和水箱中继续起作用，可以节约更多的电能或处理更多的水量。

2 杀藻[1][2]

杀藻实验用水取自池塘水，pH7，水中藻类总量约1.8×105个/mL，种类为绿藻（小球藻、栅列藻等），也有蓝藻（螺旋藻、微囊藻等）。实验在图2所示的实验装置上进行，原水注入水箱后搅拌均匀。水流量0.5m3/h，电流密度2－6mA/cm2。水流单程通过处理器，在出水口处取水样检测处理效果。因为处理后死藻的叶绿素短期不褪色，显微镜下无法直接判断藻体死活，所以采用监测水中溶解氧浓度变化的方法判断杀藻效果。藻类白天因光合作用产生氧气使水中溶解氧含量增高，晚上则呼吸消耗溶解氧。

在处理器的出水口取水样，分别盛于500mL的有塞广口瓶中，静置于室内朝阳的桌上，定期测定水中溶解氧。实验结果如图4所示。图中显示，未经处理的水样溶解氧浓度昼夜波动大于3mg/L，而灭藻后的水样溶解氧浓度不断降低，之后趋于不再变化，这表明藻类因光合作用功能的丧失而逐渐死亡。死藻一方面不产生氧气，另一方面残存的呼吸作用消耗水中的氧。

3 除铁[4][5]

3.1 作用机理

根据氧化加过滤的方法去除水中铁离子。采用不溶性电极电解水时，阳极生成氧气，阴极产生氢气。阳极反应首先产生初生态O，然后结合成O2。电解水产生的初生态O具有较强的氧化能力，把阳极区内的Fe2+迅速氧化成低溶解度的时；生成的O2使溶解氧增加，根据式（1）的反应将水体中的Fe2+氧化成Fe3+，Fe3+水解形成Fe(OH)3；固体颗粒，可以通过过滤去除。

4Fe2+＋O2＋10H2O＝4Fe(OH)3＋8H+

（1）

每氧化1mg二价铁约需0.14mg溶解氧。水中Fe2+的氧化反应速度可由式（2）表示：

式中k1为反应速度常数。阴极电解产生1mol氢气的同时，会生成2mol的OH-，根据式（2）可以加快氧化速度。同时，用不溶性的阳极电解水，能产生大量直径小于20μm的微气泡。微气泡具有较大的比表面能，能将水中胶体集聚成较大的絮状颗粒，促使过滤过程顺利进行。

综合上述，电化学方法具有强氧化能力，产生的气泡能将分散的微粒集聚起来，改善后续过滤工艺的条件。

3.2 实验装置和方法

采用图2所示的实验装置。过滤器的滤料为直径0.5－1.0mm的石英砂，滤层厚700mm。实验用水为城市旧管道系统流出的自来水，总铁含量平均4.0mg/L。水流从龙头流出后，顺次单程通过流量计、处理器和过滤器后排出。

在处理器进水口和过滤器出水口处取水样，采用二氮杂菲—分光光度法检测水中总铁。

3.3 实验结果和讨论

水流单程通过处理器，施加的电功率与除铁率的关系如图5所示。由图可见，较小的电功率即有除铁效果，随着电功率增大杀菌率迅速提高，在功率80W左右杀菌率已经达到99％以上，此时折合成每立方米水耗电0.88kWh。如果采用循环处理的方法，让在处理器中没有耗尽的溶解氧在水箱中继续起作用，可以节约更多的电能或处理更大量的水。

4 实用实验

某大楼的20m3水箱，由于进水管道被腐蚀引起水体发黄，为解决此问题实施了除铁循环水处理，即用泵从水箱中抽水，送人处理装置处理后，再返送回水箱。处理的水流量为1～2.5m3/h；电流6－16A；石英砂滤层的直径500mm、厚度700mm。处理过程中，水箱的进水和出水保持使用状态，日用水量约60m3。在出水口取水样检测水质，结果列于表1。

表1　水箱水处理结果 测试项目 6月1日初装 6月3日 6月5日 Cl-/(mg·L-1) 40 42.1 40 pH 6.5 7.0 7.5 总铁/(mg·L-1) 14.4 1.35 0.34 总硬度/(mg·L-1)(CaCO3) 247.2 217.2 219.2 电导率/(mS·cm-1) 0.750 0.732 0.729 HCO3-/(mg·L-1) 156 145 160 细菌总数/(个·L-1) 104 103 30

表中显示，经过5d的处理，水质指标中的硬度、碱度和Cl-等基本不变，pH值增高，而含铁量大大降低，水中的细菌基本被杀灭。处理7d后乃至连续运行数月，尽管水箱进水口处水中总铁含量＞4.5mg/L，出水已处的总铁量保持低于0.3mg/L。出水透明清洁，取样装入玻璃瓶放在窗台向阳处1星期无藻类繁殖。同时，水中的含锰量也被降低，与此有关的研究结果另行报道。同时，电化学处理杀灭了水中的微生物，将余氯提高到0.05mg/L以上，抑制了铁细菌和硫磺菌的繁殖，因此减少了后续管道中的污垢，防止了管道被腐蚀。

经过一段时间运行后，过滤器的滤层会被拦截下来的铁泥堵塞，使出水流速降低，为此定期对过滤器进行了反冲洗，以恢复正常使用。每立方米水处理的耗电量约0.02kWh。

5 消除尿垢

5.1 尿垢形成

公共洗手间的小便池，如果不及时冲洗会产生黄色的尿垢。取下垢片分析成分，发现其中主要含碳酸钙、磷酸钙等元机盐和10％左右的有机物。图6为小便池水中的细菌总数与pH的关系。

由图6可见，便池水中细菌总数与pH值线性相关，细菌增加pH值上升。由此推断，细菌的繁殖是产生垢的原因。在微生物作用下尿素分解反应如式（3）和式（4）所示：

CO(NH2)＋H2O2NH3＋CO2（3）

NH3＋H2ONH4+＋OH-（4）

分解反应产生的CO2和部分氨挥发到大气中去，余下的氨水解生成NH4+和OH-。OH-使pH值上升，引起碳酸盐和磷酸盐沉淀，细菌繁殖产生的粘性物质将沉淀物粘附在池壁上，形成黄色的尿垢。已经形成的垢层是微生物的良好栖身之地，自身加速增厚。

5.2 除垢实验

基于上述分析，进行了消除尿垢的实验。某大楼中的洗手间有4个陶瓷的小便池，小便后人工按下龙头上的开关放水冲洗。每天上下班和午休时用经过电解法处理过的水，冲洗选定的两个隔开的便池，每次每个便池用水5L左右，有加晚班的日子，晚上10时增加冲洗1次。为了加强作用效果，适当选用了较大的电功率。当地自来水中平均含有50mg/L左右的Cl-，经过电处理约含活性氯1.5mg/L。1个月后，未用处理水冲洗的小便池池壁发黄，可以刮下一层尿垢，而经过冲洗的小便池基本保持清洁。由此推想，如果将处理装置安放在洗手间的小水箱处，定时处理冲洗水，可以提高洗净效果；如果便后用处理水洗手，比用自来水消毒效果更好。

6 总结

进行了用电化学方法杀灭微生物、消除黄水现象等提高水箱中自来水水质的实验，主要得到以下结果。

①水流单程通过处理，杀菌率＞99％，电耗≤0.1kWh/m3；

②水流单程通过处理，除铁率＞99％，电耗≤0.08kWh/m3；

③通过检测水中溶解氧含量的变化确认杀藻效果；

④循环处理水箱水，使水中总铁含量从14mg/L降至≤0.3mg/L，细菌总数从104个/mL降至≤30个/mL，电耗0.02kWh/m3；

⑤定时用处理水冲洗小便池，消除了尿垢。

参考文献：

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[2]周群英，等．微电解杀藻研究[J]．上海环境科学；1998，17（1）：28－29．

[3]张得胜，等．微电解杀菌器的研制与应用[J]：中国给水排水，1998，15（5）：4－5．

篇10

关键词：超声；对位取代苯酚；氧化；影响

一、引言

苯酚是典型的有机污染物，他们具有毒性和生物难降解性，许多工业生产过程产生的废水包含苯酚混合物，处理这一类混合物的传统生物方法并未证明其有效性，而电化学氧化的方法因其干净整洁、容易控制和结构简单，提供了一种很有前途的解决生物难降解废水的处理技术[1-3]。阳极材料在电化学氧化技术中是一个很重要的部分。不同的阳极材料导致不同的电化学氧化机理、影响和效率。总的来说，在一个活跃的阳极上，例如Pt、IrO2和RuO2，通过水的分解产生的羟基自由基与氧化物阳极相互作用，同时被转移到氧化物阳极的晶格用以形成化学吸附的”活性氧”（氧气在氧化物的晶格中，Mox+1）[4-8]。相反，羟基自由基不与没有活性的阳极反应，例如PbO2，SnO2，BDD（掺硼金刚石），因此有机化合物替代羟基自由基（・OH）在没有活性的阳极上反应。因为羟基自由基是一个很强的氧化剂，PbO2，SnO2，BDD展示出对于有机污染物很高的氧化能力。在正常的操作条件下，电化学氧化过程是在传质下控制的。结果是，传质的增强似乎是优化电化学氧化过程的一个非常重要的因素。低频率的超声通常是在20-40kHz范围之间，并且它们易实现和使用。低频率的超声可以清洁电极表面，提高传质。因此，电化学氧化和超声的联合使用很合理，故作者想研究一下超声对电化学氧化的影响以及不同阳极间的区别。

二、实验与讨论

1.实验方法

对位羟基自由基（对硝基苯酚、对羟基苯甲醛，苯酚，对甲酚和对甲氧基苯酚）的电化学氧化在恒电流密度（20mA・cm-2），室温（25℃）下进行的。电解液（1mM基质+0.2M硫酸钠）体积是250mL。在不使用超声时，电解质在电解过程中通过磁力搅拌棒搅拌。在使用超声时，电解池放在没有磁力搅拌棒的超声冲洗槽中（40kHz，150W）。为了保持室温恒定，自来水不断流过冲洗槽。阳极由一个BDD或一个PbO2电极组成，暴露的电极面积为4cm2。BDD电极来自德国的CONDIAS GmbH。PbO2是通过电沉积技术制得。一个同样大小的不锈钢片被用作阴极。电极间距离为10mm。从电解池中收集的样品在规定期限内进行化学测试。

对位取代苯酚的浓度通过使用Agilent的HP1100高效液相色谱进行测量。使用的是ZORBAX SB-C18色谱柱和二极管阵列检测器。流动相是甲醇/水（50/50），流速1.0mL・min-1。紫外检测器检测对硝基苯酚时，设定波长是314nm，其他对位取代苯酚时设定波长是280nm。化学需氧量（COD）使用滴定法测量，在酸性溶液中，150℃时，使用重铬酸盐作为氧化剂氧化2h（Hachi，USA）。

2.实验结果与讨论

对位取代苯酚（对硝基苯酚、对羟基苯甲醛，苯酚，对甲酚和对甲氧基苯酚）分别在使用超声和不使用超声时，在BDD电极和PbO2电极上进行电化学氧化。图1表示在电解期间基质的浓度和化学需氧量（COD）的变化。我们可以观察到，通过超声作用基质和化学需氧量（COD）的去除率有提高。但是这种加强作用，根据不同的对位取代苯酚和特定的阳极选择不同而不同。

阳极上的变化，（C）、（D）基质浓度和化学需氧量（COD）在PbO2阳极上的变化。进行大量电解实验，使用或不使用超声辅助， 对硝基苯酚， 对羟基苯甲醛 苯酚 对甲基苯酚和 对甲氧基苯甲醛。

表1列出在BDD电极和PbO2电极上不使用超声（kele）和使用超声（ksonel）时，对位取代苯酚和化学需氧量（COD）去除的速率常数。这些速率常数是通过把浓度数据代入下述动力学一级反应公式得到的。

其中，C（t）是在时间t时的浓度，C0是初始浓度，k是速率常数（以h-1为单位）。

表1注：在BDD和PbO2阳极上，不使用超声（kelec）和使用超声（ksonel）时对位取代基苯酚和化学需氧量（COD）的去除反应速率常数

在目前的研究的条件下，超声本身不能降解对位取代苯酚，这可能是因为使用的超声具有相对低的频率和小的能量密度。因此，基质的去除的提高主要归因于通过使用超声使传质增强。我们使用下述公式估算增加的范围：

图2是一个表示增长百分比水平的柱状图，是根据五种对位取代苯酚在BDD和PbO2阳极上的对位取代苯酚的去除和化学需氧量（COD）降低。

图2注： （A）和（B）分别为五种对位取代苯酚在BDD阳极上，不使用超声（kelec）和使用超声（ksonel）时对位取代基苯酚和化学需氧量（COD）的去除反应速率常数的去除增长百分比，（C）和（D）分别为五种对位取代苯酚在PbO2阳极上，不使用超声（kelec）和使用超声（ksonel）时对位取代基苯酚和化学需氧量（COD）的去除反应速率常数的去除增长百分比.

在BDD阳极上，对于对位取代苯酚的消除率的提高百分比在73%-83%范围，化学需氧量（COD）的去除率的提高百分比在60%-70%范围。但是，在PbO2阳极上，相应的对位取代苯酚的消除率的提高百分比在50%-70%范围，化学需氧量（COD）的去除率的提高百分比仅为5%-25%。在BDD电极和PbO2电极上，化学需氧量（COD）的去除的增长百分比较对位取代苯酚的去除的增长百分比小，这是因为中间体化合物的形成。同样一种对位取代苯酚在BDD电极和PbO2电极上增长百分比不同是因为在这两种电极上不同的反应机理。在下一章，我们对超声在BDD电极和PbO2电极上的电化学氧化进行全面的研究。

三、结论

超声使对位取代苯酚在BDD电极和PbO2电极上的电化学氧化都明显增强。同时，我们发现，在BDD电极上的增强程度比在PbO2上的增强程度更明显。在BDD阳极上，对于对位取代苯酚的消除率的提高百分比在73%-83%范围，化学需氧量（COD）的去除率的提高百分比在60%-70%范围。但是，在PbO2阳极上，相应的对位取代苯酚的消除率的提高百分比在50%-70%范围，化学需氧量（COD）的去除率的提高百分比仅为5%-25%。这是因为羟基自由基在BDD电极上主要以自由形式存在，具有较大的反应区域，相反在PbO2电极上被吸收，具有较小的反应区域，超声使这种增强在BDD电极上比在PbO2电极上更强。

参考文献：

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