基于多傳感器的土地重金屬污染范圍測量研究

關(guān)鍵詞：多傳感器；土地重金屬污染；范圍測量；掃描；濃度

中圖分類號：X833 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

不管是水體污染，還是空氣污染，最終都會回到土壤中造成土壤污染，并且土壤中的重金屬污染具有較強(qiáng)的隱蔽性、長期性和累進(jìn)性。近年來，礦山開采力度較大，三廢的排放、各種金屬廢料的堆積也越來越多，同時(shí)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程由于化學(xué)藥劑和肥料的不合理使用，重金屬元素都以直接或者間接的形式流入農(nóng)田中，這些因素都造成了土壤污染。重金屬污染中主要是指鋅、銅、鉆石、鎳、錫等，這些重金屬如果進(jìn)入到水中，會造成水體污染，在長時(shí)間下會通過藻類富集；如果進(jìn)入到土壤中，會通過食物鏈進(jìn)入到人體中，從而造成人體神經(jīng)、免疫系統(tǒng)等的損害，嚴(yán)重危害人類的健康。基于上述分析可以發(fā)現(xiàn)，土地重金屬污染非常危險(xiǎn)，為此需要對土地重金屬污染進(jìn)行檢測，而現(xiàn)有的檢測方法雖然能夠檢測出重金屬污染情況，但是檢測結(jié)果時(shí)常受到外界因素的影響，導(dǎo)致污染情況分析結(jié)果不準(zhǔn)確，為此設(shè)計(jì)一個(gè)基于多傳感器的土地重金屬污染范圍測量方法，以期解決當(dāng)前土壤金屬范圍測量效果差的問題。

1測量準(zhǔn)備

研究的土地重金屬污染范圍檢測方法重點(diǎn)設(shè)計(jì)兩個(gè)部分，第一部分制備電沉積金納米生物傳感器，采用該傳感器對重金屬范圍測量，設(shè)計(jì)測量方法；第二部分融合傳感器測量結(jié)果，共同對范圍測量，獲得綜合的測量結(jié)果。

測量上，預(yù)先對傳感器電極選取與處理。在土壤重金屬檢測中，如何正確地配置好工作電極，可有效地改善檢測系統(tǒng)的工作性能。一般采用特殊的方法，使其表面發(fā)生變化，從而使其性質(zhì)發(fā)生變化。納米材料改性電極是通過對具有特殊功能的納米材料，通過化學(xué)或物理方法對其進(jìn)行改性，從而使其具有優(yōu)良的電極性。通過納米材料修飾的電極或電極陣列，不但可獲得更大的比表面積，還可獲得良好的導(dǎo)電性能和高的表面自由能。控制納米顆粒的長度可以在減小探測閾值、排除干擾的情況下，進(jìn)一步提高對修飾電極的靈敏度和選擇性。具體流程如下：

電沉積：利用直流電場，在電解質(zhì)中添加陽極、陰極回路，在陰極板上沉積金屬離子。

侵入沉積：采用自催化的方法，通過對金屬離子進(jìn)行化學(xué)還原，在工件表面上生成一種金屬鍍膜。反應(yīng)過程見公式（1）：

化學(xué)鍍：通過還原劑的化學(xué)反應(yīng)，使金屬離子在溶液中沉淀，從而形成一種具有很強(qiáng)的化學(xué)分散能力的金屬涂層。只要將該裝置浸泡在含渡離子溶液中，即可獲得一種具有高硬度、耐腐蝕、耐磨損性能的均勻金屬涂層。

納米金屬顆粒不但可提高電極的導(dǎo)電性和傳質(zhì)速度，而且可作為一種無序微馬達(dá)陣列，增加常規(guī)電極的有效表面面積。在掃描中，溶出法具有更高的靈敏度、更寬的測試范圍和更低的成本。溶出伏安法主要包括沉淀法和溶解法兩個(gè)階段，即在負(fù)電勢下將金屬離子沉淀到工作電極上。溶解是將一個(gè)由負(fù)向正向跳躍的電勢加到工作電極上，從而溶解所沉積的金屬。與溶液相中的伏安方法相比，因其高效的富集工藝，其檢測極限可減少2～3個(gè)量級。它還可同時(shí)對各種金屬進(jìn)行測定，其檢測濃度可達(dá)10 moL。以下是分析程序：

沉積過程：沉積電勢通常是在工作電極上富集金屬，相對于金屬，其沉積電勢為-0.5 V，典型地為-0.3V～0.5V。在甘汞電極中，金屬離子經(jīng)擴(kuò)散和對流作用，最終在汞的表面富集。這一過程表示見公式（2）：

通過上述過程融合多傳感器監(jiān)測結(jié)果，完成對土地重金屬污染范圍的測量。

3實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證基于多傳感器的土地重金屬污染范圍測量方法在實(shí)際場景中的應(yīng)用效果，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，此次研究以某地為例，測量過程見圖2。

范圍的測量結(jié)果見圖3。

基于上圖可知，所研究的土地重金屬污染范圍測量方法測量的范圍與實(shí)際的范圍相差較小，說明所研究的測量方法能夠較為準(zhǔn)確地測量出重金屬的污染情況。

為進(jìn)一步驗(yàn)證重金屬污染測量方法的效果，測量其中的含量，測點(diǎn)見圖4。

通過上述準(zhǔn)備為實(shí)驗(yàn)提供支持。

實(shí)際含量測量過程如下所示：

在乙酸水溶液中，用陽極溶出伏安方法測定樣品中的含量。檢測過程中，將20毫升乙酸緩沖劑添加到電解槽中，再添加適量的Cd（Ⅱ）、S（Ⅱ）標(biāo)準(zhǔn)溶液，之后將自制的碳糊工作電極、銀／銀參比電極和對電極置于電解槽中，使其與溶液接觸。利用方波陽極溶解伏安法對化學(xué)工作站進(jìn)行了分析：

（1）濃縮：將-1.2 V的操作電勢加到工作電極上，并在溶液攪拌下持續(xù)120分鐘，以使電極表面同步電鍍，同時(shí)沉積鎘；

（2）靜止：濃縮工藝完成后，停止攪拌，保持溶液108；

（3）方波溶解伏安：將正方形波掃描電位（方波振幅：25 mV；從-1.2 V到0V，掃描完成后，方波陽極溶解于伏安圖；

（4）清潔：完成掃描后，在攪拌溶液的同時(shí)，將工作電極置于恒定電壓+0.3 V，并持續(xù)30秒，清潔電極表面，清除殘留的金屬，以備下次檢測。

試驗(yàn)完成后，獲得方波陽極溶出伏安曲線，并通過在伏安圖上顯示的電流溶出峰的位置及高度，對其進(jìn)行定量、定性的測定。

經(jīng)過上述過程獲得實(shí)際的含量值，其實(shí)際值和所研究方法測量結(jié)果見表2。

綜上所述實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠看出，在不同測點(diǎn)上的重金屬含量測量上，所提出的方法具有較高的測量準(zhǔn)確性，證明重金屬污染范圍測量方法應(yīng)用效果較好。

4結(jié)語

近年來，中國非常重視環(huán)保，加大了對各個(gè)行業(yè)的治理，讓其采用科學(xué)的方式對污染物處理后再排放。為加強(qiáng)對土壤污染情況的整治，應(yīng)該提升其污染檢測質(zhì)量，進(jìn)而對其污染情況進(jìn)行精準(zhǔn)評估，繼而對于區(qū)域土壤治理確定其相關(guān)修復(fù)政策。基于該背景，研究設(shè)計(jì)了一種基于多傳感器的土地重金屬污染范圍測量方法。該方法先通過制備電沉積金納米生物傳感器對重金屬范圍測量，然后建立濃度與峰值的線性回歸法，推導(dǎo)溶液濃度與峰值之間的關(guān)系式，建立重金屬污染遷移傳播模型，對土地重金屬污染情況進(jìn)行精準(zhǔn)測量。最后利用實(shí)驗(yàn)證明所提方法的先進(jìn)性。綜上所述實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠看出，在不同測點(diǎn)上的重金屬含量測量上，所提出的方法具有較高的測量準(zhǔn)確性，證明重金屬污染范圍測量方法應(yīng)用效果較好，具有一定應(yīng)用價(jià)值。