鈷基磷酸鹽微電極技術(shù)的研究及應(yīng)用

李樂

摘要：介紹了微電極技術(shù)的概念和優(yōu)點(diǎn)，從材料選擇及電極微型化兩方面敘述鈷基磷酸鹽微電極技術(shù)的發(fā)展，并歸納出鈷基磷酸鹽微電極檢測(cè)活性污泥系統(tǒng)內(nèi)污泥絮凝體時(shí)的影響因素，列舉磷酸鹽微電極技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

Abstract： The concept and advantages of microelectrode technology are introduced. The development of cobalt-based phosphate microelectrode technology is described in terms of material selection and electrode miniaturization. The factors influencing the detection of sludge flocs in activated sludge system by cobalt-based phosphate microelectrode were also summarized. The practical applications of phosphate microelectrode technology are listed.

關(guān)鍵詞：微電極技術(shù);磷酸鹽;鈷;污泥絮凝體

0? 引言

近年來(lái)，隨著水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題的凸顯，優(yōu)化與提升廢水生物脫氮除磷的工藝與效能顯得至關(guān)重要。強(qiáng)化生物除磷（Enhanced Biological Phosphorus Removal，EBPR）因其具有經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)的特性在污水處理廠得到廣泛應(yīng)用。EBPR主要利用聚磷菌在交替的厭氧/好氧環(huán)境中釋磷及過(guò)量吸磷，然后通過(guò)排放高磷污泥達(dá)到除磷的目的。在環(huán)境廢水處理過(guò)程中，磷酸鹽離子分析已成為熱點(diǎn)問(wèn)題[1]。磷酸鹽離子的濃度通常采用高效液相色譜法或光譜法測(cè)定，方法包括鉬藍(lán)反應(yīng)、磷鉬酸鹽與基本染料化合物的絡(luò)合物形成、樣品預(yù)處理（如過(guò)濾和溶液制備）后用氯苯胺鑭間接測(cè)定[2-4]，因此，難以對(duì)磷酸鹽離子濃度實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)。同時(shí)活性污泥系統(tǒng)中菌群是以污泥絮凝體的形式存在的，其主要反應(yīng)不是在水中進(jìn)行，而是在污泥絮凝體中發(fā)生。為了更詳實(shí)地了解生物除磷機(jī)理，直接檢測(cè)污泥絮凝體有助于生物除磷系統(tǒng)的構(gòu)建、設(shè)計(jì)和操作。

1? 微電極技術(shù)及優(yōu)點(diǎn)

微電極技術(shù)自20世紀(jì)60年代以來(lái)逐漸在環(huán)境工程領(lǐng)域中得到應(yīng)用，微電極是一種微米級(jí)的檢測(cè)工具，其尖端只有幾微米，能夠在滿足檢測(cè)對(duì)象不受損害的要求下獲得微環(huán)境中特征參數(shù)的濃度空間分布曲線，而特征參數(shù)的濃度分布情況又與微生物的種類、活性、分布以及外環(huán)境影響因素緊密相關(guān)，從而為探究微生物絮凝體的內(nèi)部生物處理機(jī)理提供了新的視角[5]。微電極技術(shù)有如下優(yōu)點(diǎn)，包括成本低、制造過(guò)程簡(jiǎn)單、可攜帶性好、可用于直接和間接檢測(cè)磷[6]，是檢測(cè)活性污泥絮凝體內(nèi)功能和結(jié)構(gòu)的可靠工具。

2? 磷酸鹽微電極技術(shù)發(fā)展

2.1 材料選擇

為了更詳實(shí)地了解生物除磷，我們需要用一種微米級(jí)的磷酸鹽檢測(cè)工具對(duì)活性污泥絮凝體內(nèi)的磷酸鹽濃度進(jìn)行檢測(cè)。微電極技術(shù)的基礎(chǔ)原理是將化學(xué)信號(hào)（化學(xué)反應(yīng)）轉(zhuǎn)化為電信號(hào)（電壓或電流）。因此，磷酸鹽微電極開發(fā)的第一步是選擇正確的敏感材料，能與磷酸鹽進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。

BiPO4-薄膜[7]、核苷磷酸化酶和黃嘌呤氧化酶共固定化的雙酶膜[8]、二氯化二芐基錫衍生物[9]等都曾用作磷酸鹽選擇性電極的離子選擇材料。與此同時(shí)，一種簡(jiǎn)單的鈷基磷酸鹽微電極在制藥、生物醫(yī)學(xué)研究、臨床化學(xué)以及工業(yè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)Xiao等[10]的研究，純鈷絲對(duì)磷酸鹽離子表現(xiàn)出相對(duì)選擇性的電位響應(yīng)，并從氧化鈷的主客體化學(xué)討論了磷酸鹽電極的響應(yīng)機(jī)制。Meruva等[11]表明電位響應(yīng)來(lái)源于鈷的緩慢氧化和電極表面氧和Co2+的同時(shí)還原產(chǎn)生的混合電位，更準(zhǔn)確地解釋了氧化鈷電極在磷酸鹽和氧氣存在下的行為。磷酸鈷的形成會(huì)影響鈷電極的混合電位。因此，根據(jù)Nernst方程，混合電位的偏移與磷酸鹽濃度的對(duì)數(shù)成正比。鈷電極對(duì)所有三種正磷酸鹽離子（H2PO4-、HPO42-、PO43-）都有反應(yīng)，并根據(jù)磷酸鹽存在于溶液中時(shí)，鈷磷酸鹽在電極表面形成，反應(yīng)機(jī)理取決于存在的磷酸鹽種類，從而取決于pH，最終提出之后得到廣泛認(rèn)可[12，13]的下列三種反應(yīng)：

綜合來(lái)看，鈷金屬是一種相對(duì)容易處理和改性的固態(tài)材料，且對(duì)磷酸鹽離子有較好的敏感性。因此可選定鈷絲作為磷酸鹽微電極的離子選擇性材料。

2.2 尺寸微型化

磷酸鹽微電極制備的第二步是對(duì)微電極進(jìn)行微型化。不同的磷酸鹽微電極制造工藝自然有著不同的微型化方式，傳統(tǒng)針狀磷酸鹽微電極的制備步驟是基于固態(tài)離子選擇性微電極的制備方法[14]，Wang等[15]對(duì)制備步驟進(jìn)行改進(jìn)，由一個(gè)玻璃體包裹著鈷金屬絲制成的磷酸鹽微電極的尖端直徑約為5μm。其電極尖端的直徑取決于制造過(guò)程中的兩個(gè)步驟，蝕刻鈷絲與拉制玻璃管。

另一種磷酸鹽微電極微型化的方法是Lee等[16]人利用微電子機(jī)械系統(tǒng)開發(fā)出一種新型的小尖端鈷基微電極陣列傳感器，傳感器的制造過(guò)程包括切割、蝕刻、金屬化、封裝和傳感器尖端的形成。其電極微型化的關(guān)鍵制造技術(shù)是將電極尖端插入氟化氫酸中進(jìn)行腐蝕，根據(jù)腐蝕液彎液面的高度形成一個(gè)錐體的幾何形狀。

2.3 影響因素

2.3.1 pH值

Meruva和Meyerhoff[11]研究了不同pH值（4.0、8.0和11.0）下鈷基磷酸鹽電極響應(yīng)值的變化，得出電位響應(yīng)與pH值有關(guān)的結(jié)論。但Li[17]發(fā)現(xiàn)在活性污泥系統(tǒng)中，污泥絮凝體的pH值變化范圍在0.5個(gè)pH單位內(nèi)。之后Wang等[18]選取兩個(gè)pH值（7.5和8.0）作為活性污泥絮凝體的典型pH值，結(jié)果表明，pH值在7.5～8.0之間變化對(duì)電極響應(yīng)無(wú)明顯影響。因此，在鈷基磷酸鹽微電極應(yīng)用可以直接用于活性污泥樣品的測(cè)定，對(duì)于其它種類的樣品進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，應(yīng)對(duì)pH值的變化進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，若pH變化幅度超過(guò)0.5個(gè)pH單位，則在鈷基磷酸鹽微電極使用前重新測(cè)量與pH值相適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2.3.2 離子強(qiáng)度

磷酸鹽的反應(yīng)也取決于樣品溶液的離子強(qiáng)度。離子強(qiáng)度（I）的表達(dá)式為：式中（mol·kg-1）和分別為第I種物質(zhì)的濃度和電荷[19]。Wang等[18]通過(guò)加入氫氧化鉀調(diào)節(jié)電阻率18.2MΩ的純水pH，其離子強(qiáng)度認(rèn)為是0，與pH為7.5，正磷酸鹽（H2PO4-、HPO42-）濃度為10-3mol·kg-1的溶液來(lái)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，可知在磷酸鹽最大濃度時(shí)，水的離子強(qiáng)度為0.0018mol·kg-1。之后配制離子強(qiáng)度為0.0087mol·kg-1的待測(cè)溶液，并根據(jù)該待測(cè)溶液的校準(zhǔn)曲線顯示，電極響應(yīng)與磷酸鹽濃度之間存在良好的線性關(guān)系。為了再次確認(rèn)干擾來(lái)自離子強(qiáng)度而不是選擇性系數(shù)，Wang等分別測(cè)試了離子強(qiáng)度為0.0087mol·kg-1的氯離子溶液和硝酸鹽離子溶液，實(shí)驗(yàn)顯示三種標(biāo)定曲線斜率相似，純水的斜率與三種溶液的斜率明顯分離。結(jié)果表明，離子強(qiáng)度是造成干擾的主要原因。因此在磷酸鹽微電極校準(zhǔn)過(guò)程中，必須使用離子強(qiáng)度相同，pH值相等的標(biāo)準(zhǔn)溶液。

2.3.3 溶解氧

鈷基磷酸鹽微電極的電位響應(yīng)來(lái)源于鈷的緩慢氧化和電極表面氧和Co2+的同時(shí)還原產(chǎn)生的混合電位，在這個(gè)過(guò)程中有兩個(gè)或者兩個(gè)以上的電化學(xué)反應(yīng)同時(shí)發(fā)生，特別是鈷的氧化還原反應(yīng)和磷酸化在電位區(qū)共存。Xu等[20]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明鈷基磷酸鹽微電極的零電流電位與DO濃度有關(guān)，原因在于DO濃度影響了磷酸化。與磷酸鹽離子相比，隨著DO濃度的增加，零電流電位向相反方向（正電位）移動(dòng)，這種趨勢(shì)可能是由于氧化層的形成對(duì)磷酸化的抑制。由于DO確實(shí)干擾了磷酸鹽微電極，因此，必須在實(shí)際測(cè)量之前確定DO值，并將標(biāo)準(zhǔn)溶液調(diào)整到相應(yīng)的DO水平。

2.3.4 干擾離子

微電極的尖端有時(shí)會(huì)受到所測(cè)樣品環(huán)境中的特定例子影響，發(fā)生電極“中毒”，從而導(dǎo)致微電極工作效果下降甚至完全失效的情況。例如，亞硝酸鹽微電極易受硫化物污染導(dǎo)致中毒，氧電極易受到基質(zhì)中鈣鎂離子的沉積影響。對(duì)于磷酸鹽微電極而言，通過(guò)電位離子干擾的研究表明，廢水處理系統(tǒng)中主要的離子如SO42-、Cl-、NO3-、CH3COO-對(duì)微電極的磷酸鹽選擇性影響不大。

3? 磷酸鹽微電極技術(shù)應(yīng)用

磷酸鹽微電極技術(shù)引起越來(lái)越多的關(guān)注，并在實(shí)際檢測(cè)中得到應(yīng)用。Lee等[21]利用磷酸鹽微電極檢測(cè)出EBPR厭氧末端污泥絮凝體內(nèi)磷酸鹽濃度隨深度增加，在污泥絮凝體中心處達(dá)到峰值，隨后濃度逐漸降低，并由污泥絮凝體內(nèi)磷酸鹽分布可知PAOs在絮凝體中分布較均勻。Ding等[22]應(yīng)用磷酸鹽微電極在不干擾沉積物結(jié)構(gòu)的情況下很好地測(cè)量沉積物剖面上可溶性磷的含量，并在缺氧和缺氧條件下測(cè)定泥沙中磷酸鹽的擴(kuò)散系數(shù)。Wang等[15]使用微電極檢測(cè)從城市污水處理廠采集的活性污泥絮凝體樣本生成中心帶有峰值的磷酸鹽剖面。Bai等[23]對(duì)通過(guò)調(diào)整電沉積方法的參數(shù)制作的磷酸鹽微電極進(jìn)行電化學(xué)表征，得出結(jié)論：沉積參數(shù)的改變引起的電極表面形貌差異對(duì)磷酸鹽的響應(yīng)影響不大。呂永濤等[24]人利用磷酸鹽微電極定量研究了污水廠A2/O工藝中各階段污泥絮凝體內(nèi)部磷酸鹽濃度的空間分布特征，獲得了除磷菌原位活性的變化規(guī)律。

4? 結(jié)論與展望

磷酸鹽微電極技術(shù)作為一種可靠的檢測(cè)技術(shù)，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，極大地拓寬人們對(duì)于水處理領(lǐng)域中微觀層面的認(rèn)知，在實(shí)際污水處理與水資源保護(hù)工作中發(fā)揮重要的作用。建議今后研究工作可從以下方面深入進(jìn)行：

①磷酸鹽微電極技術(shù)的使用壽命是限制其進(jìn)一步發(fā)展的主要原因，未來(lái)研究可考慮從制造工藝、使用流程及保存方法進(jìn)行優(yōu)化，以便延長(zhǎng)磷酸鹽微電極技術(shù)的使用壽命，從而使磷酸鹽微電極技術(shù)具備更廣闊的實(shí)際應(yīng)用意義。②磷酸鹽微電極技術(shù)結(jié)合其它技術(shù)探索活性污泥內(nèi)部微環(huán)境中物質(zhì)的遷移、降解、轉(zhuǎn)化。將多種研究技術(shù)相結(jié)合，從宏觀層次、微觀層次、分子生物層次共同研究科學(xué)問(wèn)題，構(gòu)成一套全面、系統(tǒng)的驗(yàn)證分析方法。

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