合肥研究院废水中Pb高灵敏度高选择性检测获进展

合肥研究院废水中Pb高灵敏度高选择性检测获进展。近期,智能所黄行九研究员与林楚红副研究员等在水中重金属的共同检测方面取得新发现:通过结合电化学实验与电极过程动力学模拟计算,解释了电分析检测重金属Cd和Cu时存在的相互干扰机制。相关成果以Metal
Replacement Causing Interference in Stripping Analysis of Multiple Heavy
Metal Analytes: Kinetic Study on Cd and Cu Electroanalysis via
Experiment and Simulation为题发表在美国化学学会Analytical
Chemistry杂志上。
电分析方法可以快速定性定量检测水中痕量重金属离子,一直广受国内外研究开发的重视。然而对水中多种共存重金属离子的检测长期以来存在不可避免的相互干扰问题,目前对于多组分重金属存在时的干扰机制产生原因尚不明确,多组分的相互干扰常常造成对分析物浓度的错误判断和对电极材料的错误选择,极大阻碍了电分析方法检测重金属离子的有效性和可靠性。
文献报道当溶出电位相差>200mV时,溶出信号不应相互影响,但在未加修饰的玻碳电极上,研究人员发现溶出电位相差700mV的重金属离子Cd和Cu在共同检测时依然会出现信号干扰,观察到Cd信号的削弱和Cu信号的大幅增强。为了解释这一现象,智能所研究人员通过对阳极方波溶出信号的分析模拟,得到Cd和Cu在单独检测和共同检测过程中动力学参数变化,发现Cd、Cu在共同检测中出现信号干扰的最主要原因在于共同沉积过程中Cu离子取代已沉积在电极表面的Cd,从而导致溶出Cd数量减少而Cu数量增加。这项针对重金属电分析检测的基础研究不仅提供了重金属离子共同沉积时导致信号干扰的作用机制,还为设计抗干扰的检测界面提供了有效的理论指导。
该工作得到了国家自然科学基金重点项目、青年项目、中国科学院百人计划、博士后创新人才支持计划、中国科学院合肥物质科学研究院“十三五”规划重点支持项目、安徽省自然科学基金等项目的支持。
图:重金属Cd,Cu共沉积示意图;Cd,Cu和二者共同检测时的阳极伏安信号;共同检测Cd、Cu时的电化学信号及理论模拟共同沉积Cd、Cu时的扫描隧道显微镜照片,蓝色线标记了Cd沉积物。

近期,中国科学院合肥物质科学研究院智能机械研究所研究员刘锦淮和黄行九课题组通过对纳米材料的氨基功能化实现微污染物Cd的高灵敏度、高选择性检测。该工作对于实现实际水样中重金属离子的选择性及准确检测具有重要的科学意义,相关成果已发表在Sensors
and Actuators B: Chemical
杂志上(Sensors and Actuators B 240
887–894)。

中国科学院合肥物质科学研究院合肥智能机械研究所黄行九团队利用分级多孔铈锆双金属氧化物纳米材料,对不同重金属离子吸附速率的差异实现了微污染物Pb的高灵敏度、高选择性检测。
在当前的重金属离子的检测中,电化学方法已得到广泛应用。但由于利用溶出伏安法检测重金属离子、
Hg、
Pb、Cd、Zn时,不同的重金属离子之间能形成金属间的化合物,在富集过程中在修饰的电极表面的吸附产生竞争,从而使得同时检测多种重金属离子时产生较为严重的干扰,无法准确地检测某种特定重金属离子。因此,寻找能够实现选择性及准确检测某种特定重金属离子的方法成为需求。
a)Ce-Zr氧化物纳米材料的SEM图;b)Ce-Zr氧化物纳米材料的TEM图;c)
Ce-Zr氧化物纳米材料在N2中的吸脱附曲线及孔径分布图;d)
Ce-Zr氧化物修饰电极检测Pb阳极溶出伏安图;e)检测几种不同重金属离子的灵敏度与检测限比较图;f)Ce-Zr氧化物纳米材料吸附Pb后的高分辨XPS谱图;g)
Ce-Zr氧化物纳米材料对不同重金属离子的吸附速率的研究。
黄行九团队利用分级多孔铈锆双金属氧化物纳米球作为电极材料,借助其对重金属离子的吸附作用,详细研究了Ce-Zr氧化物纳米球构筑的电化学敏感界面对重金属离子检测的阳极溶出伏安行为。研究结果表明,分析方法能够实现对Pb的高灵敏、高选择性及高抗干扰检测。同时,研究人员结合X-射线光电子能谱技术及大量的吸附实验,详细深入地研究了Ce-Zr氧化物纳米球选择性检测Pb的可能机理。研究结果表明,不同重金属离子在Ce-Zr氧化物纳米球表面吸附的速率有很大差异,在吸附很短的一段时间内(<
150
s),Ce-Zr氧化物纳米球对Pb的吸附量远大于其他几种离子,而由于电化学检测富集时间比较短,电极材料表面吸附目标物质的量决定电化学溶出信号的高低,在溶出伏安分析的富集阶段吸附更多的Pb,从而还原沉积更多的Pb到电极表面,进而在溶出过程中获得增强的电化学信号。因此,Ce-Zr氧化物纳米球构筑的电化学敏感界面能够实现对Pb的高灵敏及高选择性检测。黄行九团队利用以上方法对合肥望塘污水处理厂进水口水样中的Pb进行检测,获得了准确的检测结果与满意的回收率,表明该分析方法具有检测实际水样中污染物Pb的应用潜力。
相关研究成果已发表在Sensors and Actuators B:
Chemical上。该研究得到了国家自然科学基金、中科院创新交叉团队、合肥研究院院长基金等的资助。

标签: 重金属

针对以上问题,研究人员通过利用氨基功能化的多孔SnO2-离子液体纳米复合材料(NH2/SnO2-RTIL)对Cd的有效抓捕及合理的控制实验条件(底液的pH及沉积电位),实现了对Cd的高灵敏及选择性的检测。同时,利用X-射线光电子能谱技术初步探索了NH2/SnO2-RTIL纳米复合材料用作电极材料检测Cd所表现的增强的电化学性能的原因,研究发现NH2/SnO2-RTIL对Cd具有很好的吸附性能,在溶出伏安分析的富集阶段能够富集更多的Cd,从而还原沉积更多的Cd到电极表面,进而在溶出过程中获得增强的电化学信号。最后,所提出的方法用来评估合肥王小郢污水处理厂对Cd的处理效果,在进水口的水样中检测到Cd的浓度约为0.016
µM,出水口无法检测到Cd,表明污水中含有的Cd处理得比较彻底。因此,所提出的分析方法具有评估污水处理厂对微污染物Cd处理效果的实际应用潜力。

近年来,尽管电化学方法广泛应用于重金属离子的检测并取得了许多研究成果,然而,在利用溶出伏安法检测重金属离子时,
Hg, Pb,Cd,
Zn,不同的重金属离子之间能形成金属间的化合物,在富集过程中不同的重金属离子在修饰的电极表面的吸附会产生竞争,从而使得同时检测多种重金属离子时它们之间的干扰比较严重,无法准确检测某一重金属离子。因此,目前对于寻找能够实现重金属离子的选择性及准确检测的方法一直是一个具有挑战性且有意义的工作。

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该研究工作得到了国家重大科学研究计划项目和国家自然科学基金等项目的支持。图片 2

图:a) 多孔NH2/SnO2纳米线SEM图;b)
NH2/SnO2-RTIL纳米复合材料修饰玻碳电极高灵敏、高选择性检测Cd的研究

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