In Situ Monitoring of Pb2+ Leaching from the Galvanic Joint Surface in a Prepared Chlorinated Drinking Water

采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法對(duì)氯化飲用水中鍍鋅接頭表面的Pb2+浸出進(jìn)行了研究

來(lái)源：Environ. Sci. Technol. 2018, 52, 2126?2133

 

論文總結(jié)

研究開(kāi)發(fā)了一種新型微離子選擇電極（micro-ISE）技術(shù)，用于原位監(jiān)測(cè)氯化飲用水中黃銅-鉛焊料 galvanic 接頭表面的鉛（Pb2+）浸出過(guò)程。以下從摘要、研究目的、研究思路、測(cè)量數(shù)據(jù)及意義、結(jié)論等方面進(jìn)行總結(jié)，并詳細(xì)解讀使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的意義。

一、論文摘要

研究成功制備了一種鉛微-ISE（tip直徑100 μm），用于原位監(jiān)測(cè)氯化飲用水環(huán)境中 galvanic 接頭（黃銅-鉛焊料）表面的Pb2+浸出。電極表現(xiàn)出優(yōu)異性能：靈敏度22.2±0.5 mV/decade，檢測(cè)限1.22×10^{-6} M（0.25 mg/L），響應(yīng)時(shí)間<10 s，工作pH范圍2.0-7.0。通過(guò)測(cè)量從體相到金屬表面（50 μm內(nèi)）的鉛濃度微剖面，并結(jié)合二維pH映射，發(fā)現(xiàn)Pb2+在鉛陽(yáng)極表面積累顯著、不均勻，且高度依賴(lài)于局部pH。pH梯度高達(dá)ΔpH=6.0，局部pH低至4.0，導(dǎo)致鉛濃度和通量差異顯著（局部pH差0.6單位可使表面鉛濃度高4倍，通量高5倍）。連續(xù)監(jiān)測(cè)16小時(shí)顯示，游離氯是鉛浸出的主要驅(qū)動(dòng)因素。該技術(shù)為理解飲用水系統(tǒng)中鉛腐蝕機(jī)制提供了新工具。

二、研究目的

 

開(kāi)發(fā)原位監(jiān)測(cè)技術(shù)：構(gòu)建微米級(jí)鉛微-ISE，實(shí)現(xiàn)高空間分辨率原位測(cè)量Pb2+濃度，彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法（如ICP-MS）只能測(cè)量體相濃度的局限。

闡明galvanic腐蝕機(jī)制：研究黃銅-鉛焊料galvanic接頭在氯化飲用水中的鉛浸出過(guò)程，揭示局部pH變化和鉛積累的關(guān)系。

評(píng)估環(huán)境影響因素：探究游離氯、pH梯度等對(duì)鉛浸出的影響，為飲用水安全提供理論依據(jù)。

 

提供腐蝕控制策略：通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)量化，指導(dǎo)飲用水分配系統(tǒng)的腐蝕控制措施。

 

背景基于鉛在飲用水管道中的使用雖受限制，但galvanic腐蝕仍導(dǎo)致鉛浸出，威脅健康（如兒童認(rèn)知損傷）。現(xiàn)有研究多依賴(lài)體相測(cè)量，缺乏界面過(guò)程洞察。

三、研究思路

研究采用多步驟實(shí)驗(yàn)與表征結(jié)合的方法：

 

電極制備與表征：通過(guò)玻璃微管拉制、硅烷化、液膜填充（含鉛離子ophore IV）制備鉛微-ISE，并校準(zhǔn)性能（靈敏度、檢測(cè)限、pH范圍、抗干擾性）。

galvanic接頭制備：制作黃銅-鉛焊料耦合試片，浸泡在模擬氯化飲用水（pH 7, 游離氯2 mg/L, Cl?和SO?2?各100 mg/L, DIC 10 mg C/L）中。

微剖面測(cè)量：使用Unisense 3D操縱器定位微-ISE，從體相（2000 μm）到金屬表面（50 μm）以50 μm間隔測(cè)量Pb2+濃度微剖面，每點(diǎn)穩(wěn)定15秒；同時(shí)進(jìn)行二維pH映射（96個(gè)點(diǎn)）。

連續(xù)監(jiān)測(cè)：在選定位置（如location 1）連續(xù)監(jiān)測(cè)Pb2+濃度16小時(shí)，觀察時(shí)間變化。

表面表征：實(shí)驗(yàn)后使用Raman光譜分析腐蝕產(chǎn)物。

 

數(shù)據(jù)分析：計(jì)算擴(kuò)散邊界層（DBL）、反應(yīng)速率（k）和通量（J），結(jié)合化學(xué)平衡模型（MINEQL+）解釋數(shù)據(jù)。

 

四、測(cè)量數(shù)據(jù)、來(lái)源及研究意義

研究測(cè)量了多維度數(shù)據(jù)，其意義及來(lái)源如下（數(shù)據(jù)均標(biāo)注自原文圖/表）：

 

電極性能校準(zhǔn)（數(shù)據(jù)來(lái)自Fig. 2）：

 

數(shù)據(jù)：校準(zhǔn)曲線顯示線性范圍10^{-6} to 10^{-3} M，斜率22.2 mV/decade；Na?干擾測(cè)試顯示斜率降至18.4 mV/decade（1 mM Na?），但仍在可接受范圍。

 

研究意義：驗(yàn)證微-ISE的可靠性和適用性；抗干擾性表明可在真實(shí)飲用水環(huán)境中使用，Na?影響較小。

 

鉛濃度微剖面（數(shù)據(jù)來(lái)自Fig. 3a-c）：

 

數(shù)據(jù)：Fig. 3a顯示三個(gè)測(cè)量位置（location 1-3）；Fig. 3b顯示1小時(shí)后location 1和3的剖面：location 1近表面Pb2+濃度5.31×10^{-5} M（11.0 mg/L），比體相高5.4倍，DBL~380 μm；location 3近表面濃度低，與體相相似。Fig. 3c顯示2小時(shí)后location 1濃度升至1.13×10^{-4} M（23.4 mg/L），DBL減至220 μm。

 

研究意義：直接證實(shí)鉛浸出在陽(yáng)極區(qū)域（鉛焊料）集中，且隨時(shí)間增強(qiáng)；DBL變化表明反應(yīng)加速；空間異質(zhì)性提示腐蝕不均勻。

 

pH映射（數(shù)據(jù)來(lái)自Fig. 4）：

 

數(shù)據(jù)：二維pH圖顯示鉛焊料表面pH低至4.0，黃銅表面pH高達(dá)10.0，ΔpH=6.0；location 1 pH=6.4，location 2 pH=7.0。

 

研究意義：pH梯度驅(qū)動(dòng)galvanic腐蝕（鉛為陽(yáng)極，黃銅為陰極）；局部pH差異（ΔpH=0.6）導(dǎo)致鉛濃度差異（location 1:42.9 mg/L vs location 2:11.6 mg/L），證實(shí)pH對(duì)鉛溶解度的關(guān)鍵影響。

 

連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)來(lái)自Fig. 5）：

 

數(shù)據(jù)：16小時(shí)監(jiān)測(cè)顯示Pb2+濃度在前3小時(shí)快速上升，12小時(shí)后因游離氯消耗而下降，15小時(shí)更換新鮮氯化水后濃度再次上升。

 

研究意義：游離氯是腐蝕主要氧化劑；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)揭示動(dòng)力學(xué)過(guò)程，為控制氯投加提供依據(jù)。

 

表面表征（數(shù)據(jù)來(lái)自Fig. 6）：

 

數(shù)據(jù)：Raman光譜檢測(cè)到PbO、Pb?O?、PbCO?等腐蝕產(chǎn)物。

 

研究意義：證實(shí)鉛浸出后形成不溶物，與MINEQL+模擬一致；解釋鉛遷移和沉淀機(jī)制。

 

量化參數(shù)（數(shù)據(jù)來(lái)自Table 1）：

 

數(shù)據(jù)：反應(yīng)速率k（~10^{-4} cm/s）和通量J（~10^{-6} mg/cm2/s）計(jì)算，顯示location 1通量更高。

 

研究意義：提供定量腐蝕速率，用于模型預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

 

五、研究結(jié)論

 

成功開(kāi)發(fā)微-ISE技術(shù)：鉛微-ISE可實(shí)現(xiàn)原位、高分辨率Pb2+監(jiān)測(cè)，性能優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

鉛浸出機(jī)制明確：galvanic腐蝕導(dǎo)致局部pH降低（陽(yáng)極區(qū)），顯著增強(qiáng)鉛溶解；浸出不均勻，依賴(lài)于微觀pH梯度。

游離氯的關(guān)鍵作用：游離氯驅(qū)動(dòng)氧化腐蝕，消耗后鉛浸出減緩；重新投加可重啟腐蝕。

環(huán)境 implications：體相測(cè)量低估鉛風(fēng)險(xiǎn)，界面過(guò)程至關(guān)重要；控制pH和氯含量可減少鉛浸出。

 

技術(shù)推廣性：微-ISE可用于其他重金屬監(jiān)測(cè)，為環(huán)境分析提供新工具。

 

六、詳細(xì)解讀使用丹麥Unisense電極測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)有什么研究意義

丹麥Unisense電極系統(tǒng)（包括3D操縱器和微電極）在本研究中用于高空間分辨率原位測(cè)量Pb2+濃度和pH微剖面，具體應(yīng)用于“Microprofiling of Lead Concentrations”部分。其研究意義如下：

 

高分辨率空間數(shù)據(jù)獲取：

 

技術(shù)描述：Unisense 3D操縱器允許精確定位微-ISE（精度50 μm），從體相到界面逐點(diǎn)測(cè)量，避免擾動(dòng)界面化學(xué)。

數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)：在Fig. 3中，微剖面揭示DBL結(jié)構(gòu)和近表面Pb2+積累，直接捕捉擴(kuò)散和反應(yīng)耦合過(guò)程。

 

研究意義：提供傳統(tǒng)方法無(wú)法獲得的界面數(shù)據(jù)，證實(shí)理論模型（如DBL理論）；空間異質(zhì)性數(shù)據(jù)解釋腐蝕斑點(diǎn)形成。

 

實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)：

 

時(shí)間序列測(cè)量：Fig. 5連續(xù)監(jiān)測(cè)顯示Pb2+濃度隨時(shí)間變化，響應(yīng)游離氯消耗和補(bǔ)充。

 

研究意義：揭示腐蝕動(dòng)力學(xué)，實(shí)時(shí)反饋環(huán)境變化（如氯投加）的影響，為動(dòng)態(tài)控制提供依據(jù)。

 

多參數(shù)協(xié)同分析：

 

pH與Pb2+結(jié)合：通過(guò)同步pH映射（Fig. 4），建立pH-Pb2+相關(guān)性，定量驗(yàn)證pH對(duì)鉛溶解度的控制（ΔpH=0.6導(dǎo)致4倍濃度差）。

 

研究意義：多參數(shù)測(cè)量提供機(jī)制洞察，確認(rèn)galvanic腐蝕的電化學(xué)機(jī)制（陽(yáng)極pH降低）。

 

驗(yàn)證表面化學(xué)：

 

與Raman光譜關(guān)聯(lián)：微剖面數(shù)據(jù)與表面產(chǎn)物（Fig. 6）結(jié)合，完整描述鉛遷移-沉淀路徑。

 

研究意義：從溶解到沉淀的全過(guò)程監(jiān)測(cè)，幫助評(píng)估長(zhǎng)期風(fēng)險(xiǎn)（如管道結(jié)垢和鉛釋放）。

 

方法學(xué)優(yōu)勢(shì)：

 

原位和非侵入性：無(wú)需取樣，保持界面完整性；適用于復(fù)雜真實(shí)環(huán)境。

高靈敏度與快速響應(yīng)：檢測(cè)限低（0.25 mg/L），響應(yīng)快（<10 s），適合動(dòng)態(tài)過(guò)程。

 

研究意義：為飲用水安全監(jiān)測(cè)設(shè)立新標(biāo)準(zhǔn)；可擴(kuò)展至其他系統(tǒng)（如土壤、沉積物）。

 

總之，Unisense電極不僅是測(cè)量工具，更是解析界面化學(xué)和腐蝕機(jī)制的核心：其高分辨率數(shù)據(jù)直接驗(yàn)證了理論假設(shè)，提供了鉛浸出的空間和時(shí)間維度洞察，為改善飲用水安全提供了實(shí)證基礎(chǔ)。這強(qiáng)調(diào)了在環(huán)境監(jiān)測(cè)中集成原位微傳感技術(shù)的重要性，尤其在理解微觀過(guò)程和控制策略開(kāi)發(fā)中不可或缺。