實驗名稱：功率放大器在城市污泥電動遷移研究中的應(yīng)用

　　研究方向：資源環(huán)境

　　測試目的：

　　在污泥處理處置中，資源回收利用是關(guān)鍵，各地方政府在敲定污泥處理處置技術(shù)的時候，應(yīng)優(yōu)先考慮污泥資源化利用相關(guān)技術(shù)，延續(xù)一次能源的使用壽命。城市污泥作為“城市礦山”的主體，其重金屬的資源的開發(fā)潛力不容忽視，在未來日漸嚴格的環(huán)境法規(guī)的制約下，環(huán)保投資必會持續(xù)走高，而剩余污泥中重金屬元素的有效回收及循環(huán)利用將會為高額的污泥處置費用提供潛在的經(jīng)濟補償。因此，研究具有研究合理處置處理并充分利用污泥的有效途徑具有重要的現(xiàn)實意義。

　　針對上述問題，本次實驗設(shè)計了新型的污泥電動去除、回收裝置，用頻率和幅值可調(diào)的方波電源取代直流供電的方式，利用電極表面雙電層結(jié)構(gòu)，結(jié)合具有優(yōu)異Pb²⁺選擇吸附性能的自摻雜聚苯胺/碳粉/Nafion混合修飾的可替換自組裝碳氈電極，靶向誘導(dǎo)目標鉛離子在陰極表面的捕集，一步法去除、回收城市污泥中的Pb，力求實現(xiàn)重金屬污染城市污泥無選擇的去除，有選擇的回收。

　　測試設(shè)備：ATA-3040功率放大器、電源信號發(fā)生器、示波器、電動攪拌器、磁力攪拌器、恒溫振蕩器等。

　　實驗過程：

圖：反應(yīng)裝置圖

　　電動修復(fù)裝置的設(shè)計是提升待處理污泥中重金屬的去除效率并實現(xiàn)資源化利用的關(guān)鍵之一。結(jié)合現(xiàn)有污泥電動修復(fù)典型裝置的優(yōu)缺點，為一步法實現(xiàn)污泥中重金屬的遷移、捕集、釋放，本次實驗中自行構(gòu)建了如上圖所示的新型電動修復(fù)裝置。

　　實驗利用圓形裝置中電場的趨心性，在傳統(tǒng)第四類裝置的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計了由電源供電系統(tǒng)、反應(yīng)裝置系統(tǒng)以及pH控制系統(tǒng)組成的新型污泥電動修復(fù)裝置，如上圖a所示。pH控制系統(tǒng)由自動滴定器、磁力攪拌器、蠕動泵組成。電源供電系統(tǒng)由函數(shù)信號發(fā)生器、功率放大器及高精度示波器組成。傳統(tǒng)電解裝置所用電源大多為直流穩(wěn)壓電源，本次實驗中，為輸出特定頻率、幅值的方波電源，用函數(shù)信號發(fā)生器、功率放大器組裝作為電源，同時配備高精度示波器，驗證輸出波形的準確性。反應(yīng)裝置系統(tǒng)由有機玻璃反應(yīng)器、陰陽極、磁力攪拌器、電動攪拌器組成。有機玻璃反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)如上圖b所示，裝置從外至內(nèi)分別為外壁筒、內(nèi)柱筒。外壁筒為上部開口的中空圓柱筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)柱筒為上部開口，四面鏤空的中空圓柱筒結(jié)構(gòu)，二者通過內(nèi)柱筒底部凹陷和外壁筒底部突起圓環(huán)嵌合固定，可自由拆卸組裝，另外，為防止陰極室內(nèi)電解液泄露，內(nèi)柱筒上下加固316不銹鋼鎖扣對陽離子滲透膜進行固定。為防止電解過程中陽極區(qū)污泥沉積，維持陰極區(qū)電解質(zhì)溶質(zhì)的均質(zhì)，反應(yīng)裝置系統(tǒng)另配備電動攪拌器和磁力攪拌器對反應(yīng)過程中陽極區(qū)污泥及陰極區(qū)電解液分別進行緩慢攪拌。陽極材料選用釕鉑鈦合金，并將其圍成外徑和外壁筒內(nèi)徑大小相等的圓筒狀緊貼外壁筒內(nèi)壁放置；將自組裝可替換自摻雜聚苯胺/碳粉/Nafion混合修飾碳氈電極作為陰極，懸于內(nèi)柱筒中心，通電后，有機玻璃反應(yīng)器內(nèi)電場方向如上圖c所示。

　　調(diào)節(jié)裝置供電系統(tǒng)，確定電源輸出方波幅值為-9V-0V（以陰極為例），設(shè)置EF-1、EF-2、EF-3、EF-4、EF-5、EF-6六組實驗，對應(yīng)改變電源輸出方波頻率分別為100Hz、200Hz、300Hz、400Hz、500Hz、600Hz，陰極室添加100mLNaNO3（0.01mol/L）溶液作為電解液，調(diào)試pH控制系統(tǒng)，控制裝置運行過程中陰極室電解液pH值為5.5左右，組裝有機玻璃反應(yīng)器各組件，用蠕動泵添加1L待處理污泥于反應(yīng)器陽極室/污泥室中，啟動電源，連續(xù)通電36h，為防止陽極室污泥沉淀，維持陰極室溶質(zhì)均質(zhì)，修復(fù)過程中分別以40r/min、300r/min的速度常溫下用磁力攪拌器、電動攪拌器緩慢攪拌陽極室污泥和陰極室電解液，修復(fù)結(jié)束后，取下陰極碳氈，室溫下自然晾干，觀察陰極重金屬離子沉積情況。

　　實驗結(jié)果：

圖：電動處理后污泥中重金屬的去除情況

　　如圖表所示，不同電壓梯度下，污泥中各重金屬的去除率不同。隨著電壓梯度的升高而增加，當(dāng)電壓梯度由1V/cm變?yōu)?V/cm，Pb²⁺的去除率由44.67%上升至64.78%，這是因為隨著電壓梯度的增加，陽極的酸化作用相對較明顯，污泥室pH值降低越快，越有利于污泥中重金屬離子的解離析出，轉(zhuǎn)變?yōu)榭呻S電場作用遷移的離子態(tài)，且隨施加電壓梯度的增加，重金屬離子收到的驅(qū)動力也逐漸增加，因而表現(xiàn)出更強的去除效率。

圖：電動處理后陰極重金屬的回收率

　　如上面圖表所示，Pb的回收率最高，污泥室中的Pb去除后，基本全部轉(zhuǎn)移至陰極表面，這歸功于與活性物質(zhì)與Pb之間優(yōu)異的電化學(xué)響應(yīng)，而除Pb之外，銅、和鋅也部分沉積在電極表面，這是由于污泥中原始Zn、Cu對的含量過高，且活性物質(zhì)本身對Zn、Cu也表現(xiàn)有吸附性的原因。

　　安泰ATA-3040功率放大器：

圖：ATA-3040功率放大器指標參數(shù)

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　　本文實驗案例參考自知網(wǎng)論文《電驅(qū)動遷移-捕集-釋放一體化方式處理Pb污染城市污泥的性能研究》

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