环境化学(袁加程)第八章 环境化学研究方法与实验

第八章环境化学研究方法与实验第一节环境化学的研究方法一、环境化学实验室模拟方法按进行实验的场合可分为“现场实验模拟”与“实验室实验模拟”；按所研究问题的性质可分为“过程模拟”、“影响因素模拟”、“形态分布模拟”、“动力学模拟”及“生态影响模拟”等；按模拟的精确性可分为“比例性模拟”和“形态分布模拟”；按实验的规模和复杂程度可分为“简单模拟”和“复杂模拟”（或称“综合模拟”）1．模拟实验研究的设计及条件控制模拟实验研究能否获得良好的结果与模拟研究的设计是否合理密切相关。2．酸雨的形成及危害模拟实验（1）实验目的了解酸性大气污染和酸雨的形成及它们的危害。（2）实验用品玻璃水槽、玻璃钟罩、喷头、小型水泵、小烧杯、胶头滴管、浓硫酸、浓硝酸、亚硫酸钠、稀盐酸、碳酸钠、铜片、昆虫、绿色植物、小草鱼和pH试纸。（3）酸性大气污染的形成及危害模拟实验按图所示做成封闭气室。①取少量Na2SO3于杯l中，加2滴水，加1mL浓H2SO4。②取少量铜片于杯2中，加1mL浓HNO3。③取少量Na2CO3粉末于杯3中，加2mL稀盐酸。④迅速将贴有湿润pH试纸的玻璃水槽罩在反应器上，做成封闭气室。观察气室中动、植物的变化。⑤实验完毕后，用吸有NaOH溶液的棉花处理余气。⑥利用上述动、植物在无污染的封闭气室中做相同的对比观察实验。大气污染模拟实验封闭气室装置（4）观察现象及解释①湿润的pH试纸变红，pH=4；②10min后，小昆虫落地，死亡；③3h后，小鱼开始死亡；④2天后，植物苗开始枯黄、卷叶，最后死亡。以上现象的化学反应方程式为Na2SO3+H2SO4＝Na2SO4+SO2↑+H2OCu+4HNO3(浓)=Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2ONa2CO3+2HCl=2NaCl+CO2↑+H2O以上反应产生的SO2、NO2及CO2均为酸性气体，使pH试纸呈红色。在受污染的环境中，动、植物难以存活。在无SO2、NO2及CO2酸性气体存在的封闭气室的对照实验中，同样的动、植物一星期后仍存活。（5）酸雨及危害模拟实验步骤与现象解释①实验步骤在小烧杯中放入少量Na2SO3，滴加一滴水后，加入2mL浓H2SO4，立即罩上玻璃钟罩，同时罩住植物苗和小鱼（底部一瓷盘内）。少许几分钟后，经钟罩顶端加水使形成喷淋状，观察现象，最后测水、土的pH值。②现象及解释a．酸雨过后，约lh小鱼死亡；b．植物苗经酸雨淋后3天死亡，水pH=4；土壤pH=4。以上现象的化学反应方程式为Na2SO3+H2SO4＝Na2SO4+SO2↑+H2O玻璃钟罩内的SO2气体经降水形成酸雨使动、植物受到危害。表明酸雨使水、土壤酸化，危害生态环境。在无酸雨的对照实验环境中生长的动、植物一星期后仍存活。3．同位素示踪技术在模拟实验中的应用在环境化学模拟实验研究中，经常采用同位素示踪技术。因为此项技术可以确切地表明某元素或某污染物在环境各部分之间的具体迁移过程和归宿。二、环境化学的化学分析和仪器分析研究方法化学分析和仪器分析是研究环境化学的重要方法，是进行环境化学监测的重要手段，随着分析精度的提高和分析技术的现代化，这两种方法的作用越来越大。l．化学分析研究（1）简分析简分析用于了解区域环境化学成分的概貌。（2）全分析全分析项目较多，要求精度高。（3）专项分析根据专门的目的任务，针对性的分析环境中的某些组分。（4）细菌分析为了解水的污染状况及水质是否符合饮用水标准，一般需进行细菌分析。通常主要分析细菌总数和大肠杆菌。2．仪器分析研究仪器分析是根据物质的物理性质或物质的物理化学性质来测定物质的组成及相对含量。仪器分析需要精密仪器来完成最后的测定，它具有快速、灵敏、准确的特点。（1）光化学分析法光化学分析法包括吸收光谱、发射光谱两类。它是基于物质对光的选择性吸收或被测物质能激发产生一定波长的光谱线来进行定性、定量分析。①比色法比较溶液颜色深浅来确定物质含量的分析方法。②分光光度法它是基于物质的分子或原子对光产生选择性吸收，根据对光的吸收程度来确定物质的含量的方法。③原子发射光谱法即物质中的原子能被激发产生特征光谱，根据光谱的波长及强度进行定性定量分析。（2）电化学分析法即根据物质的电化学性质，产生的物理量与浓度关系来测定被测物质的含量，主要包括：①电位分析法直接电位法，电位滴定法。②电导分析法直接电导法，电导滴定法。③库仑分析法库仑滴定法，控制电位库仑法。④极谱分析法经典极谱法，示波极谱法，溶出伏安法。（3）色谱分析法根据物质在两相中分配系数不同而将混合物分离，然后用各种检测器测定各组分含量的分析方法。目前应用最广泛的方法有以下四种。①气相色谱分析②高效液相色谱法③薄层色谱法④纸色谱（4）其他分析法如差热分析法、质谱分析法、放射分析法、核磁共振波谱法、X射线荧光分析法等等。三、环境化学图示研究方法环境化学的图示法（图形表示法）就是根据化学分析结果和有关资料把化学成分和有关内容用图示、图解的方法表现出来。这种方法有助于对分析结果进行比较，表示其规律性，并发现异同点，更好地显示各种环境要素的化学特性，具有直观性、简明性。1．曲线图曲线图是比较简单、常用的一种图示。2．直方图直方图是用一组直方柱表示某环境要素中污染物含量（浓度）或其他指标在时间或空间上的差异和变化规律3．等值线图等值线图是利用一定密度的观测点资料，用一定方法内插出等值线（即浓度相等点的连线），以表示水质、大气、土壤或污染物在空间上的变化规律4．平面图环境化学平面图主要包括化学成分类型分区图，采样点布置图、环境质量评价图等，这些图件可按行政区划、水系、自然单元等编制5．剖面图剖面图主要对地下水和土壤而言。当有足够的分层或分段取样的分析资料时，可编制地下水（或土壤）化学剖面图，以反映地下水化学成分（或土壤成分）在垂向上的变化规律。剖面图上一般还应表示主要的地质——水文地质内容。6．圆形图示法圆形图示法是把图形分为两半，一半（一般为上半）表示阳离子，一半（一般为下半）表示阴离子，其浓度单位为mmol/L。某离子所占的图形大小，按该离子物质的量（mmol）占阴离子或阳离子物质的量（mmol）的比例而定。圆的大小按阴、阳离子总物质的量（mmol）大小而定。这种图示法可以用于表示一个水点的化学资料，也可以在化学平面图或剖面上表示。7．化学玫瑰图化学玫瑰图是用圆的6条半径（圆心角均为60°）表示6种主要阴阳离子（K+合并到Na+中）的毫摩尔百分数，离子浓度单位：mmol%（毫摩尔百分数）/L。第二节环境化学实验实验一环境空气中挥发性有机物的污染挥发性有机化合物（volatileorganiccompounds，简称VOCs）是指沸点在50～260℃之间、室温下饱和蒸气压超过133.322Pa的易挥发性化合物，是室内外空气中普遍存在且组成复杂的一类有机污染物。一、实验目的1．了解VOCs的成分、特点。2．以苯系物为代表了解气相色谱法测定环境中VOCs的原理，掌握其基本操作。二、实验原理活性炭对有机物具有较强的吸附能力，而二硫化碳能将其有效地洗脱下来。本实验将空气中苯、甲苯、乙苯、二甲苯等挥发性有机化合物吸附在活性炭采样管上，用二硫化碳洗脱后，经气相色谱火焰离子化检测器测定，以保留时间定性，峰高（或峰面积）外标法定量。三、仪器和试剂四、实验步骤l．采样用乳胶管连接采样管B端与空气采样器的进气口。A端垂直向上，处于采样位置。以0.5L/min流量，采样100～400min。采样后，用乳胶管将采样管两端套封，样品放置不能超过10天。2．标准曲线的绘制分别取苯系物储备液0、5.0、10.0、15.0、20.0、25.0mL于100mL容量瓶中，用纯化过的二硫化碳稀释至标线，摇匀。另取6只5mL容量瓶，各加入0.25g粒状活性炭及l～6号的苯系物标液2.00mL，振荡2min，放置20min后，进行色谱分析。色谱条件如下：色谱柱：长2m，内径3mm不锈钢柱，柱内填充涂附2.5%DNP及2.5%Bentane的ChromosorbWHPDMCS。柱温：64℃；气化室温度：150℃；检测室温度：150℃。载气（氮气）流量：50mL/min；燃气（氢气）流量：46mL/min；助燃气（空气）流量：320mL/min。进样量5.0μL。测定标样的保留时间及峰高（或峰面积），以峰高（或峰面积）对含量绘制标准曲线。编号123456样品苯系物标准储备液体积/mL稀释至体积/mL05.010.015.020.025.0100100100100100100苯、邻二甲苯的浓度/μg·mL-100.440.881.321.762.20甲苯、乙苯、间二甲苯的浓度/μg·mL-100.440.871.311.742.18对二甲苯溶液的浓度/μg·mL-100.430.861.291.722.153．样品测定将采样管A段和B段活性炭，分别移入两只5mL容量瓶中，加入纯化过的二硫化碳2.00mL，振荡2min。放置20min后，吸取5.0μL解吸液注入色谱仪，记录保留时间和峰高（或峰面积），以保留时间定性，峰高（或峰面积）定量。五、数据处理按下式计算苯系物各成分的浓度：式中——苯系物浓度，mg/m3；W1——A段活性炭解吸液中苯系物的含量，μg；W2——B段活性炭解吸液中苯系物的含量，μg；——标准状态下的采样体积，L。n21VWW苯系物六、思考题1．根据测定的结果，评价环境空气中VOCs（苯系物）的污染状况。2．采样管为何用A、B两段活性炭并分别测定？如何据此评价采样效率?3．除气相色谱外，还有哪些方法可以测定VOCs，它们各有哪些特点？实验二天然水的净化一、实验目的练习利用简易方法净化天然水。二、仪器和试剂小烧杯、试管、玻璃棒、铁架台、胶头滴管、研钵、自制简易水过滤器、浑浊的天然水、明矾、新制的漂白粉溶液。三、实验步骤（1）浑浊天然水的澄清在两个小烧杯中，各加入100mL浑浊的河水（或湖水、江水、井水等）。向一份水样中加入少量经研磨的明矾粉末，搅拌，静置。观察现象，与另一份水样进行比较。（2）过滤将烧杯中上层澄清的天然水倒入自制的简易水过滤器中过滤，将滤液收集到小烧杯中。简易过滤器的制作：取一个塑料质地的空饮料瓶，剪去底部，瓶口用带导管的单孔橡胶塞塞住，将瓶子倒置，瓶内由下向上分层放置洗净的膨松棉、活性炭、石英沙、小卵石四层，每层间可用双层纱布分隔（3）消毒向过滤后的水中滴加几滴新配制的漂白粉溶液，进行消毒。四、思考题（1）如果没有漂白粉，是否能用新配制的饱和氯水消毒？（2）该简易过滤器净化污水的机理是什么？简易水过滤器实验三水体富营养化程度的评价一、实验目的1．掌握总磷、叶绿素-a及初级生产率的测定原理及方法。2．评价水体的富营养化状况。二、仪器和试剂三、实验过程（一）磷的测定1．原理在酸性溶液中，将各种形态的磷转化成磷酸根离子（PO43-）。随之用钼酸铵和酒石酸锑钾与之反应，生成磷钼锑杂多酸，再用抗坏血酸把它还原为深色钼蓝。砷酸盐与磷酸盐一样也能生成钼蓝，0.1μg/mL的砷就会干扰测定。六价铬、二价铜和亚硝酸盐能氧化钼蓝，使测定结果偏低。2．步骤（1）水样处理：用搅拌器搅拌2～3min，以至混合均匀。量取100mL水样两份，分别放入两只250mL锥型瓶中，另取100mL蒸馏水于250mL锥型瓶中作为对照，分别加入1mL2mol/LH2SO4，3g(NH4)2S2O8，微沸约1h，补加蒸馏水使体积为25～50mL，再加热数分钟。冷却后，加1滴酚酞，并用6mol/LNaOH将溶液中和至微红色。再滴入2mol/LHCl使粉红色恰好褪去，转入100mL容量瓶中，加水稀释至刻度，移取25mL至50mL比色管中，加1mL混合试剂，摇匀后放置10min，加水稀释至刻度，再摇匀，放置10min，以试剂空白作参比，用lcm比色皿，于波长880nm处测定吸光度（2）标准曲线的绘制：吸取10μg/mL磷的标准溶液0.00、0.50、1.00、1.50、2.00、2.50、3.00mL于50mL比色管中，加水稀释至约25mL，加入1mL混合试剂，摇匀后放置10min，稀释至刻度，摇匀，10min