功率放大器在城市污泥电动迁移研究中的应用

　　实验名称：功率放大器在城市污泥电动迁移研究中的应用

　　研究方向：资源环境

　　测试目的：

　　在污泥处理处置中，资源回收利用是关键，各地方政府在敲定污泥处理处置技术的时候，应优先考虑污泥资源化利用相关技术，延续一次能源的使用寿命。城市污泥作为“城市矿山”的主体，其重金属的资源的开发潜力不容忽视，在未来日渐严格的环境法规的制约下，环保投资必会持续走高，而剩余污泥中重金属元素的有效回收及循环利用将会为高额的污泥处置费用提供潜在的经济补偿。因此，研究具有研究合理处置处理并充分利用污泥的有效途径具有重要的现实意义。

　　针对上述问题，本次实验设计了新型的污泥电动去除、回收装置，用频率和幅值可调的方波电源取代直流供电的方式，利用电极表面双电层结构，结合具有优异Pb2+选择吸附性能的自掺杂聚苯胺/碳粉/Nafion混合修饰的可替换自组装碳毡电极，靶向诱导目标铅离子在阴极表面的捕集，一步法去除、回收城市污泥中的Pb，力求实现重金属污染城市污泥无选择的去除，有选择的回收。

　　测试设备：ATA-3040功率放大器、电源信号发生器、示波器、电动搅拌器、磁力搅拌器、恒温振荡器等。

　　实验过程：

 

　　图：反应装置图 

　　电动修复装置的设计是提升待处理污泥中重金属的去除效率并实现资源化利用的关键之一。结合现有污泥电动修复典型装置的优缺点，为一步法实现污泥中重金属的迁移、捕集、释放，本次实验中自行构建了如上图所示的新型电动修复装置。

　　实验利用圆形装置中电场的趋心性，在传统第四类装置的基础上，自行设计了由电源供电系统、反应装置系统以及pH控制系统组成的新型污泥电动修复装置，如上图a所示。pH控制系统由自动滴定器、磁力搅拌器、蠕动泵组成。电源供电系统由函数信号发生器、功率放大器及高精度示波器组成。传统电解装置所用电源大多为直流稳压电源，本次实验中，为输出特定频率、幅值的方波电源，用函数信号发生器、功率放大器组装作为电源，同时配备高精度示波器，验证输出波形的准确性。反应装置系统由有机玻璃反应器、阴阳极、磁力搅拌器、电动搅拌器组成。有机玻璃反应器的结构如上图b所示，装置从外至内分别为外壁筒、内柱筒。外壁筒为上部开口的中空圆柱筒结构，内柱筒为上部开口，四面镂空的中空圆柱筒结构，二者通过内柱筒底部凹陷和外壁筒底部突起圆环嵌合固定，可自由拆卸组装，另外，为防止阴极室内电解液泄露，内柱筒上下加固316不锈钢锁扣对阳离子渗透膜进行固定。为防止电解过程中阳极区污泥沉积，维持阴极区电解质溶质的均质，反应装置系统另配备电动搅拌器和磁力搅拌器对反应过程中阳极区污泥及阴极区电解液分别进行缓慢搅拌。阳极材料选用钌铂钛合金，并将其围成外径和外壁筒内径大小相等的圆筒状紧贴外壁筒内壁放置；将自组装可替换自掺杂聚苯胺/碳粉/Nafion混合修饰碳毡电极作为阴极，悬于内柱筒中心，通电后，有机玻璃反应器内电场方向如上图c所示。

　　调节装置供电系统，确定电源输出方波幅值为-9V-0V（以阴极为例），设置EF-1、EF-2、EF-3、EF-4、EF-5、EF-6六组实验，对应改变电源输出方波频率分别为100Hz、200Hz、300Hz、400Hz、500Hz、600Hz，阴极室添加100mLNaNO3（0.01mol/L）溶液作为电解液，调试pH控制系统，控制装置运行过程中阴极室电解液pH值为5.5左右，组装有机玻璃反应器各组件，用蠕动泵添加1L待处理污泥于反应器阳极室/污泥室中，启动电源，连续通电36h，为防止阳极室污泥沉淀，维持阴极室溶质均质，修复过程中分别以40r/min、300r/min的速度常温下用磁力搅拌器、电动搅拌器缓慢搅拌阳极室污泥和阴极室电解液，修复结束后，取下阴极碳毡，室温下自然晾干，观察阴极重金属离子沉积情况。

　　实验结果：

　　图：电动处理后污泥中重金属的去除情况

　　如图表所示，不同电压梯度下，污泥中各重金属的去除率不同。随着电压梯度的升高而增加，当电压梯度由1V/cm变为2V/cm，Pb2+的去除率由44.67%上升至64.78%，这是因为随着电压梯度的增加，阳极的酸化作用相对较明显，污泥室pH值降低越快，越有利于污泥中重金属离子的解离析出，转变为可随电场作用迁移的离子态，且随施加电压梯度的增加，重金属离子收到的驱动力也逐渐增加，因而表现出更强的去除效率。

　　图：电动处理后阴极重金属的回收率

　　如上面图表所示，Pb的回收率最高，污泥室中的Pb去除后，基本全部转移至阴极表面，这归功于与活性物质与Pb之间优异的电化学响应，而除Pb之外，铜、和锌也部分沉积在电极表面，这是由于污泥中原始Zn、Cu对的含量过高，且活性物质本身对Zn、Cu也表现有吸附性的原因。

　　ATA-3040功率放大器：

　　图：ATA-3040功率放大器指标参数