基于多傳感器的土地重金屬污染范圍測量研究

關鍵詞：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 文獻標志碼：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的隱蔽性、長期性和累進性。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，農業生產過程由于化學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，這些重金屬如果進入到水中，會造成水體污染，在長時間下會通過藻類富集；如果進入到土壤中，會通過食物鏈進入到人體中，從而造成人體神經、免疫系統等的損害，嚴重危害人類的健康。基于上述分析可以發現，土地重金屬污染非常危險，為此需要對土地重金屬污染進行檢測，而現有的檢測方法雖然能夠檢測出重金屬污染情況，但是檢測結果時常受到外界因素的影響，導致污染情況分析結果不準確，為此設計一個基于多傳感器的土地重金屬污染范圍測量方法，以期解決當前土壤金屬范圍測量效果差的問題。

1測量準備

研究的土地重金屬污染范圍檢測方法重點設計兩個部分，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，設計測量方法；第二部分融合傳感器測量結果，共同對范圍測量，獲得綜合的測量結果。

測量上，預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的工作性能。一般采用特殊的方法，使其表面發生變化，從而使其性質發生變化。納米材料改性電極是通過對具有特殊功能的納米材料，通過化學或物理方法對其進行改性，從而使其具有優良的電極性。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，通過對金屬離子進行化學還原，在工件表面上生成一種金屬鍍膜。反應過程見公式（1）：

化學鍍：通過還原劑的化學反應，使金屬離子在溶液中沉淀，從而形成一種具有很強的化學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電性和傳質速度，而且可作為一種無序微馬達陣列，增加常規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階段，即在負電勢下將金屬離子沉淀到工作電極上。溶解是將一個由負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個量級。它還可同時對各種金屬進行測定，其檢測濃度可達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，金屬離子經擴散和對流作用，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測結果，完成對土地重金屬污染范圍的測量。

3實驗分析

為驗證基于多傳感器的土地重金屬污染范圍測量方法在實際場景中的應用效果，設計實驗，此次研究以某地為例，測量過程見圖2。

范圍的測量結果見圖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際的范圍相差較小，說明所研究的測量方法能夠較為準確地測量出重金屬的污染情況。

為進一步驗證重金屬污染測量方法的效果，測量其中的含量，測點見圖4。

通過上述準備為實驗提供支持。

實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）標準溶液，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工作站進行了分析：

（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120分鐘，以使電極表面同步電鍍，同時沉積鎘；

（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，將工作電極置于恒定電壓+0.3 V，并持續30秒，清潔電極表面，清除殘留的金屬，以備下次檢測。

試驗完成后，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，對其進行定量、定性的測定。

經過上述過程獲得實際的含量值，其實際值和所研究方法測量結果見表2。

綜上所述實驗結果能夠看出，在不同測點上的重金屬含量測量上，所提出的方法具有較高的測量準確性，證明重金屬污染范圍測量方法應用效果較好。

4結語

近年來，中國非常重視環保，加大了對各個行業的治理，讓其采用科學的方式對污染物處理后再排放。為加強對土壤污染情況的整治，應該提升其污染檢測質量，進而對其污染情況進行精準評估，繼而對于區域土壤治理確定其相關修復政策。基于該背景，研究設計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，推導溶液濃度與峰值之間的關系式，建立重金屬污染遷移傳播模型，對土地重金屬污染情況進行精準測量。最后利用實驗證明所提方法的先進性。綜上所述實驗結果能夠看出，在不同測點上的重金屬含量測量上，所提出的方法具有較高的測量準確性，證明重金屬污染范圍測量方法應用效果較好，具有一定應用價值。