簡(jiǎn)介：球墨鑄鐵（DI）和銅（Cu）管通常分別用作飲用水分配系統(tǒng)和室內(nèi)管道。當(dāng)與令人擔(dān)憂的污染物有關(guān)時(shí)，釋放到飲用水中的鐵也可能是一種潛在的健康風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)安裝新的銅管時(shí)，銅釋放到飲用水中的最大，因?yàn)楸Ｗo(hù)性水尺尚未形成屏障。除了水中銅對(duì)健康的潛在影響外，銅管因腐蝕而失效也是一個(gè)問題，包括銅點(diǎn)蝕和針孔泄漏。更好地了解正磷酸鹽在緩蝕中發(fā)揮的基本作用可能有助于水務(wù)公司選擇OCCT并了解小規(guī)模研究的結(jié)果。這種理解對(duì)于減輕水處理或水源變化可能導(dǎo)致水質(zhì)變化和潛在鐵釋放的意外后果也很重要。管道表面附近的水質(zhì)會(huì)受到局部氧化和還原反應(yīng)、生物活性、沉淀反應(yīng)和其他相互作用的影響，這些相互作用會(huì)影響局部腐蝕、金屬溶解度和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，這些相互作用通常由散裝水條件推斷出來。因此，為了更好地了解影響金屬腐蝕和釋放的基本因素，在腐蝕金屬表面附近進(jìn)行水質(zhì)測(cè)量將是理想的選擇。微電極技術(shù)，包括pH，游離氯（FC）和溶解氧（DO）的測(cè)量，已應(yīng)用于研究飲用水中相關(guān)界面處含鉛材料的電偶腐蝕，暴露于FC和一氯胺的新Cu和DI試樣和生物膜。

過去的研究表明，微電極可以快速提供水質(zhì)參數(shù)的定量測(cè)量，并且在飲用水分配系統(tǒng)中使用的材料的水-金屬界面附近具有更高的空間分辨率。此外，微電極的小尖端尺寸（約10μm）提供了快速響應(yīng)和高空間分辨率。然而，以前的研究?jī)H限于將微電極應(yīng)用于塑料試樣和新（未老化）金屬試樣上的生物膜。當(dāng)前研究中解決的一個(gè)研究空白是微電極在老化金屬試樣上的應(yīng)用?；趯⑽㈦姌O應(yīng)用于塑料和未老化金屬試樣的成功，擴(kuò)大微電極測(cè)量的應(yīng)用以研究配電和場(chǎng)所管道系統(tǒng)（如去離子、銅和鍍鋅管）中常用的老化金屬的腐蝕具有重要價(jià)值。對(duì)于老化的鐵表面，微電極研究可以提供可能影響管道表面（水-金屬界面）金屬釋放的因素的詳細(xì)信息，例如pH值和FC、DO和正磷酸鹽濃度。除了快速且高分辨率地獲得本體和水-金屬界面的pH值、FC和DO濃度外，從微電極研究收集的數(shù)據(jù)還可用于計(jì)算氧化劑通量（J）和表觀表面反應(yīng)速率常數(shù)（k）。本研究的主要目標(biāo)是確定飲用水環(huán)境中的老化金屬反應(yīng)性，建立在先前微電極飲用水腐蝕相關(guān)應(yīng)用的成功基礎(chǔ)上。評(píng)估在流動(dòng)和停滯期間將微電極應(yīng)用于老化的DI和Cu試樣的可行性。在四種不同的水化學(xué)條件下老化的DI和Cu試樣在水金屬界面處或附近收集定量原位pH值以及FC和DO濃度測(cè)量值。對(duì)形成的固體進(jìn)行礦物學(xué)評(píng)估，（4）使用從散裝水到水-金屬界面收集的DO和FC濃度曲線來量化氧化劑通量（J）和表觀表面反應(yīng)速率常數(shù)（k），這些常數(shù)可能為水質(zhì)模型提供信息。

丹麥Unisense微電極應(yīng)用

使用Unisense（丹麥）pH-10型（尖端直徑為10μm）的pH微電極收集pH曲線。在每次實(shí)驗(yàn)之前，用pH 7和10緩沖液校準(zhǔn)pH微電極。在進(jìn)行微電極剖面分析實(shí)驗(yàn)時(shí)，將試樣單元從試樣老化設(shè)置移至試樣分析設(shè)置中。將試樣單元放置在法拉第籠的空氣臺(tái)上，以限制剖析實(shí)驗(yàn)期間的振動(dòng)和電氣干擾。通過蠕動(dòng)泵（2 mL/min）從2 L鋁箔覆蓋的量筒中進(jìn)料具有相同成分的水，并通過不銹鋼針和第二個(gè)蠕動(dòng)泵（2 mL/min）通過抽吸去除以保持流量。將微電極安裝在三維（3D）顯微操縱器中，連接到微電極萬用表，并使用SensorTrace Pro軟件（Unisense，丹麥）進(jìn)行控制。使用帶有攝像頭的顯微鏡來觀察微電極的運(yùn)動(dòng)并確定試樣表面上方的水深。在測(cè)量穩(wěn)態(tài)剖面之前，將試樣細(xì)胞馴化45分鐘。試樣細(xì)胞馴化后，使用用過的微量試劑測(cè)定從塊狀水面到金屬試樣表面的水深。確定了鐵沉積物或銅試樣的表面，用過的微電極替換為校準(zhǔn)過的微電極。在試樣表面上的兩個(gè)位置（位置1和2）獲得了DO和pH值的平均一式三份微觀剖面測(cè)量值。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：微電極剖面分析研究可以為水-金屬界面處老化的DI和Cu試樣提供可量化的數(shù)據(jù)，而到目前為止，這些數(shù)據(jù)還只是理論化的。這項(xiàng)研究成功地應(yīng)用微電極剖面分析系統(tǒng)收集了本體水中以及DI和Cu試樣的水-金屬界面附近的pH、FC和DO數(shù)據(jù)。微電極是水相關(guān)研究的有益工具，因?yàn)槭占臄?shù)據(jù)可用于進(jìn)一步完善預(yù)測(cè)模型，并提供更多離散數(shù)據(jù)來量化散裝水和金屬表面之間的水質(zhì)差異。銅試樣老化很快，并且沒有為任何實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生可分析的結(jié)果，因?yàn)槭占钠拭鏀?shù)據(jù)幾乎沒有觀察到或可量化的變化，并且停滯期間剖面數(shù)據(jù)的任何變化都與對(duì)照實(shí)驗(yàn)期間收集的變化相似。

圖1、155 d時(shí)球墨鑄鐵試片電池的數(shù)字圖像（頂部）和155 d時(shí)使用pH微電極進(jìn)行分析時(shí)球墨鑄鐵試片的圖像（底部）。

圖2、潛在鐵垢形成示意圖。各層分別表示為1至6層，具體如下：1.腐蝕地板；2、多孔核（Fe(OH)2、FeCO3、Fe3O4、γ-FeO(OH)）；3、殼狀層（Fe3O4、γ-FeO(OH)）；4、頂面層（Fe(OH)3、γ-FeO(OH)、Fe3(PO4)2）；5、液體層（Fe2+、Fe3+）；6.散裝水。

圖3、試樣剖面設(shè)置和微電極剖面實(shí)驗(yàn)示意圖

圖4、實(shí)驗(yàn)A（pH 7，無正磷酸鹽）在183 d時(shí)位置1（位置1）和位置2（位置2）的游離氯、溶解氧和pH曲線及其標(biāo)準(zhǔn)差，實(shí)驗(yàn)B（pH 7，3 mg PO4/L正磷酸鹽）在190天，實(shí)驗(yàn)C（pH 9，無正磷酸鹽）在154天，實(shí)驗(yàn)D（pH 9，3 mg PO4/L正磷酸鹽）在155天還顯示了每個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟?到30分鐘內(nèi)獲得的結(jié)果。位置1和2剖面是在流動(dòng)過程中收集的，停滯剖面是從位置2收集的。

圖5、包括氫氧化鐵在內(nèi)的各種鐵固體的鐵溶解度圖。(Fe(OH)2)、菱鐵礦(FeCO3)、橄欖石(Fe3(PO4)2)、水合鐵(Fe(OH)3)。

總結(jié)：在飲用水分配系統(tǒng)中，包括前提管道，溶解氧(DO)和游離氯(FC)是常見的氧化劑，球墨鑄鐵(DI)和銅(Cu)是常用的管道材料。微電極剖面分析系統(tǒng)（unisense）作為一種工具已應(yīng)用于以前的腐蝕研究，并在本研究中用于收集可量化的數(shù)據(jù)并了解DO和FC反應(yīng)性以及水-金屬界面的pH值變化。使用微電極，在流動(dòng)和停滯期間（30分鐘）研究了從散裝水到老化DI(154-190 d）和Cu(2 d和86-156 d)試樣附近和表面的pH、DO和FC分布。使用測(cè)量的微電極剖面曲線，計(jì)算氧化劑通量和表觀表面反應(yīng)速率常數(shù)，以闡明DO和FC反應(yīng)性與試樣之間的差異。微電極剖面分析系統(tǒng)成功用于測(cè)量從散裝水到近老化的DI和Cu試樣表面的pH、DO和FC曲線;Cu試樣老化快，在2 d時(shí)與DO和FC的反應(yīng)性低于老化的DI試樣在154–190 d后的反應(yīng)性;對(duì)于老化的去離子試樣實(shí)驗(yàn)，正磷酸鹽的存在穩(wěn)定了pH曲線，在沒有正磷酸鹽的情況下，從散裝水到去離子試樣表面的pH波動(dòng)大于2個(gè)pH單位。