環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)講義

1、前 言環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)是為進(jìn)一步深化環(huán)境化學(xué)課程講授的基本知識(shí)，掌握研究環(huán)境化學(xué)問題的基本方法和手段，提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)科學(xué)分析能力和實(shí)驗(yàn)技能，使學(xué)生具備初步的獨(dú)立科研能力。 依據(jù)新的環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，本環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程共包括4個(gè)實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容涵蓋了大氣環(huán)境化學(xué)、水環(huán)境化學(xué)和土壤環(huán)境化學(xué)等。實(shí)驗(yàn)一為天然水中油類的紫外分光光度法測定；主要是讓學(xué)生加深對(duì)環(huán)境中油類污染的認(rèn)識(shí)，了解石油類類污染物含有共軛體系的物質(zhì)在紫外光區(qū)有特征吸收峰，掌握油類的分析方法和技術(shù)。 實(shí)驗(yàn)二為有機(jī)物的正辛醇水分配系數(shù)；這是典型的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生了解平衡狀態(tài)下有機(jī)化合物在正辛醇和水相中的分配狀況，使學(xué)生深層次了解有機(jī)化合

2、物在水相和有機(jī)相之間的遷移能力以及脂溶性有機(jī)化合物在環(huán)境中的吸收行為。實(shí)驗(yàn)三為苯酚的光降解速率常數(shù)實(shí)驗(yàn)；使學(xué)生了解有機(jī)污染物在水體中的光化學(xué)降解性能以及它們?cè)谒械臍w宿。實(shí)驗(yàn)四為土壤對(duì)銅的吸附實(shí)驗(yàn)；土壤重金屬污染已經(jīng)被廣泛關(guān)注，也是目前食品安全的主要內(nèi)容之一，同時(shí)重金屬不能被土壤中的微生物所降解，因此可在土壤中不斷地積累，也可為植物所富集，并通過食物鏈危害人體健康。因此讓學(xué)生了解土壤的吸附性能對(duì)今后開展該方面的研究具有重要意義。編者 張鳳君目 錄實(shí)驗(yàn)一 天然水中油類的紫外分光光度法測定1實(shí)驗(yàn)二 有機(jī)物的正辛醇水分配系數(shù)3實(shí)驗(yàn)三 苯酚的光降解速率常數(shù)6實(shí)驗(yàn)四 土壤對(duì)銅的吸附10實(shí)驗(yàn)一 天然水中油

3、類的紫外分光光度法測定1、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募由顚?duì)環(huán)境中油類污染的認(rèn)識(shí)，掌握油類的分析方法和技術(shù)，學(xué)會(huì)使用紫外分光光度計(jì)。2、 實(shí)驗(yàn)原理紫外分光光度法比重量法簡單。石油類含有的具有共軛體系的物質(zhì)在紫外光區(qū)有特征吸收峰。帶有苯環(huán)的芳香族化合物主要吸收波長為250260 nm，帶有共軛雙鍵的化合物主要吸收波長為215230 nm。一般原油的兩個(gè)吸收峰波長為225及256 nm，其他油品如燃料油、潤滑油等的吸收峰也與原油相近。本方法測定波長選為256 nm，最低檢出濃度為0.05 mg/L，測定上限為10 mg/L。3、 儀器與試劑1.紫外分光光度計(jì)（具有1 cm石英比色皿）2.石油醚（6090）提純：透光

4、率應(yīng)大于80%純化：將石油醚通過變色硅膠柱后收集于試劑瓶中。以水為參比，在256 nm處透光率應(yīng)大于80%。4、 實(shí)驗(yàn)步驟1.標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制：把油標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液用石油醚稀釋為每毫升含0.100 mg油的標(biāo)準(zhǔn)液。向7個(gè)10 mL比色管中依次加入油標(biāo)準(zhǔn)液0,0.5 mL,1.0 mL,2.0 mL,5.0 mL,7.0 mL,10.0 mL，用石油醚稀釋至刻線。最后在波長256 nm處，用1 cm石英比色皿，以石油醚為參比液測定標(biāo)準(zhǔn)系列的吸光度，并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。2.將水樣500 mL全部傾入1000 mL分液漏斗中，加入5 mL（1+1）硫酸（若水樣取樣時(shí)已酸化，可不加）及20 g氯化鈉，加塞搖勻，用1

5、5 mL石油醚洗采樣瓶，并把此洗液移入分液漏斗中，充分振蕩2 min（注意放氣），靜置分層。把下層水樣放入原采樣瓶中，上層石油醚放入25 mL容量瓶中，再加入10 mL石油醚，重復(fù)抽提水樣一次，合并提取液于容量瓶中。加入石油醚至刻線，搖勻。若容量瓶里有水珠或渾濁，可加少量無水硫酸鈉脫水。3.在波長256 nm處，用1 cm石英比色皿，以脫芳烴的石油醚為參比，測定其吸光度，并在標(biāo)準(zhǔn)曲線上查出相應(yīng)濃度值。5、 結(jié)果與討論1.C油（mg/L）=式中C從標(biāo)準(zhǔn)曲線上查出的相應(yīng)濃度（mg/L）； V1被測水樣體積（mL）； V2石油醚定容體積（mL）。2. 采集的樣品必須有代表性。一般在水表面以下2050

6、 cm處取水樣3. 為了保存水樣，采集樣品之前，可向瓶里加入硫酸每升水樣加5 mL（1+1）硫酸，使水樣pH<2，以抑制微生物活動(dòng)，于低溫下（<4）保存。在常溫下，樣品可保存24 h。實(shí)驗(yàn)二 有機(jī)物的正辛醇水分配系數(shù)有機(jī)化合物的正辛醇水分配系數(shù)（KOW）是指平衡狀態(tài)下化合物在正辛醇和水相中濃度的比值。它反映了化合物在水相和有機(jī)相之間的遷移能力，是描述有機(jī)化合物在環(huán)境中行為的重要物理化學(xué)參數(shù)，它與化合物的水溶性、土壤吸附常數(shù)和生物濃縮因子密切相關(guān)。通過對(duì)某一化合物分配系數(shù)的測定，可提供該化合物在環(huán)境行為方面許多重要的信息，特別是對(duì)于評(píng)價(jià)有機(jī)物在環(huán)境中的危險(xiǎn)性起著重要作用。測定分配系數(shù)

7、的方法有振蕩法、產(chǎn)生柱法和高效液相色譜法。1、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握有機(jī)物的正辛醇水分配系數(shù)的測定方法。2. 學(xué)習(xí)使用紫外分光光度計(jì)。2、 實(shí)驗(yàn)原理正辛醇水分配系數(shù)是平衡狀態(tài)下化合物在正辛醇相和水相中濃度的比值，即：式中：KOW分配系數(shù)； co平衡時(shí)有機(jī)化合物在正辛醇相中的濃度； cw平衡時(shí)有機(jī)化合物在水相中的濃度。本實(shí)驗(yàn)采用振蕩法使對(duì)二甲苯在正辛醇相和水相中達(dá)平衡后，進(jìn)行離心，測定水相中對(duì)二甲苯的濃度，由此求得分配系數(shù)。式中：co起始時(shí)有機(jī)化合物在正辛醇相中的濃度； cw平衡時(shí)有機(jī)化合物在水相中的濃度； VO、VW分別為正辛醇相和水相的體積。3、 儀器與試劑1. 儀器（1）紫外分光光度計(jì)。（2

8、）恒溫振蕩器。（3）離心機(jī)。（4）具塞比色管：10 mL。（5）玻璃注射器：5 mL。（6）容量瓶：5 mL，10 mL。2.試劑（1）正辛醇：分析純。（2）乙醇：95%，分析純。（3）對(duì)二甲苯：分析純。4、 實(shí)驗(yàn)步驟1. 標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制 稱取1.00 mL對(duì)二甲苯于10 mL容量瓶中，用乙醇稀釋至刻度，搖勻。取該溶液0.10 mL于25 mL容量瓶中，再用乙醇稀釋至刻度，搖勻，此時(shí)濃度為400L/L。在5只25 mL容量瓶中各加入該溶液1.00 mL、2.00 mL、3.00 mL、4.00 mL、5.00 mL，用水稀釋至刻度、搖勻。在紫外分光光度計(jì)上用波長227 nm處，以水為參比，測定吸

9、光度值。利用所測得的標(biāo)準(zhǔn)系列的吸光度值對(duì)濃度作圖，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。2.溶劑的預(yù)飽和將20 mL正辛醇與200 mL二次蒸餾水在振蕩器上振蕩24 h，使二者相互飽和，靜置分層后，兩相分離，分別保存?zhèn)溆谩?. 平衡時(shí)間的確定及分配系數(shù)的測定 （1）移取0.40 mL對(duì)二甲苯于10 mL容量瓶中。用上述處理過的被水飽和的正辛醇稀釋至刻度。該溶液濃度為4×104 L/L。 （2）分別移取1.00 mL上述溶液于6個(gè)10 mL具塞比色管中，用上述處理過的被正辛醇飽和的二次水稀釋至刻度。蓋緊塞子，置于恒溫振蕩器上，分別振蕩0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h和3.0 h，離心

10、分離，用紫外分光光度計(jì)測定水相吸光度。取水樣時(shí)為避免正辛醇污染，可利用帶針頭的玻璃注射器移取水樣。首先在玻璃注射器內(nèi)吸入部分空氣，當(dāng)注射器通過正辛醇相時(shí)，輕輕排出空氣，在水相中已吸取足夠的溶液時(shí)，迅速抽出注射器。卸下針頭后，即可獲得無正辛醇污染的水相。5、 數(shù)據(jù)處理1.根據(jù)不同時(shí)間化合物在水相中的濃度，繪制化合物平衡濃度隨時(shí)間的變化曲線，由此確定實(shí)驗(yàn)所需的平衡時(shí)間。 2.利用達(dá)到平衡時(shí)化合物在水相中的濃度，計(jì)算化合物的正辛醇水分配系數(shù)。6、 思考題1.正辛醇水分配系數(shù)的測定有何意義？2.振蕩法測定化合物的正辛醇水分配系數(shù)有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？實(shí)驗(yàn)三 苯酚的光降解速率常數(shù)有機(jī)污染物在水體中的光化學(xué)降解強(qiáng)

11、烈地影響著它們?cè)谒械臍w宿，因而對(duì)水體中的有機(jī)污染物光化學(xué)降解的研究已成為水環(huán)境化學(xué)的一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。目前，光降解技術(shù)已成為許多難降解有機(jī)污染物的有效去除手段。水體中有機(jī)污染物光化學(xué)降解規(guī)律的研究主要包括兩方面內(nèi)容。一是研究其降解速率及影響因素；二是研究有機(jī)污染物降解產(chǎn)物，包括中間產(chǎn)物的毒性大小。需要注意的是，有機(jī)污染物的光化學(xué)降解產(chǎn)物可能還是有毒的，甚至比母體化合物毒性更大。因而有機(jī)污染物的分解并不意味著毒性的消失。苯酚普遍存在于石油、煤氣等工業(yè)廢水中，天然水中的苯酚含量經(jīng)常超標(biāo)。因此，研究天然水中酚的降解對(duì)控制其污染是很有意義的。1、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y定苯酚在光作用下的降解速率，并求得速率常

12、數(shù)。2、 實(shí)驗(yàn)原理溶于水中的有機(jī)污染物，在太陽光的作用下分解，不斷產(chǎn)生自由基，具體過程如下：RHH+R除自由基外，水體中還存在有單態(tài)氧，使得天然水中的有機(jī)污染物不斷地被氧化，最終生成CO2、CH4和H2O等。因此，光降解是天然水體有機(jī)污染物的自凈途徑之一。天然水體中有機(jī)污染物的光降解速率，可用下式表示：式中：c天然水中苯酚的濃度； Ox天然水中氧化性基團(tuán)的濃度，一般是定值，認(rèn)為其在反應(yīng)過程中維持不 變；上式積分得：式中：c0天然水中苯酚的起始濃度； c時(shí)間為t時(shí)測得的苯酚濃度； K所得到的衰減曲線的斜率，即光降解速率常數(shù)。通過繪制t關(guān)系曲 線，可求得K。本實(shí)驗(yàn)在含苯酚的蒸餾水溶液中加入H2O2

13、，模擬含酚天然水進(jìn)行光降解實(shí)驗(yàn)。苯酚的測定是根據(jù)在氧化劑鐵氰化鉀存在的堿性條件下苯酚與4氨基安替比林反應(yīng)，生成橘紅色的吲哚酚安替比林染料，其水溶液呈紅色，在510nm處有最大吸收。在一定濃度范圍內(nèi)，苯酚的濃度與吸光度值成線性關(guān)系。3、 儀器與試劑1. 儀器（1）可見分光光度計(jì)。（2）磁力攪拌器。（3）高壓汞燈：400 W。（4）紫外分光光度計(jì)。（5）TOC測定儀。2.試劑（1）1000 mg/L苯酚標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液。（2）50 mg/L苯酚標(biāo)準(zhǔn)中間液：取苯酚標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液5 mL，稀釋至100 mL。（3） 緩沖液：稱取20g NH4Cl溶于100 mL濃NH3H2O中。（4） 1% 4氨基安替比林溶液

14、：貯于棕色瓶中，在冰箱內(nèi)可保存1周。（5） 4% 鐵氰化鉀溶液：貯于棕色瓶中，在冰箱內(nèi)可保存1周。（6） 0.36% H2O2溶液：取濃H2O2溶液3.0 mL稀釋至250 mL。（7） 待降解苯酚溶液：取1000 mg/L的苯酚標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液10.0 mL于500 mL容量瓶中，用二次水稀釋至刻度，搖勻待用。該待降解苯酚溶液準(zhǔn)備兩份。4、 實(shí)驗(yàn)步驟1. 標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制 分別取50 mg/L的苯酚標(biāo)準(zhǔn)中間液0、0.50 mL、1.00 mL、1.50 mL、2.00 mL和2.50 mL于25 mL容量瓶中，加少量二次水，然后加入0.5 mL緩沖液，1.0 mL 4氨基安替比林溶液，混勻。再加入1.

15、0 mL鐵氰化鉀溶液，徹底混勻，最后用二次水定容至25 mL。放置15 min后，在分光光度計(jì)上，于510 nm波長處，用1 cm比色皿，以空白溶液為參比，測量吸光度。以吸光度對(duì)濃度作圖繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。2. 光降解實(shí)驗(yàn) （1）將待降解苯酚溶液500 mL置于1000 mL燒杯中，加入4.0 mL 0.36%H2O2溶液,混勻。此溶液即為模擬的含苯酚天然水樣。該模擬水樣準(zhǔn)備兩份。 （2）分別將兩份裝有500 mL模擬苯酚水樣的燒杯置于兩個(gè)磁力攪拌器上，用同一個(gè)高壓汞燈進(jìn)行照射。 （3）對(duì)其中一個(gè)燒杯內(nèi)的水樣每隔10 min取一次樣，每次取5.0 mL，共取11次樣（即分別在t=0、10 min、2

16、0 min、30 min、40 min、50 min、60 min、70 min、80 min、90 min、100 min時(shí)取樣）。分別置于有編號(hào)的25 mL容量瓶中，按照與步驟1相同方法測定吸光度。 （4）對(duì)其中另一個(gè)燒杯內(nèi)的水樣，每隔30 min取一次樣，每次取10.0 mL，共取4次樣（即分別在t=0、30 min、60 min、90 min時(shí)取樣）。分別置于有編號(hào)的干燥50 mL小燒杯中。用紫外分光光度計(jì)掃描樣品的紫外吸收光譜。用TOC測定儀測定樣品的TOC值。5、 數(shù)據(jù)處理 由標(biāo)準(zhǔn)曲線上查得不同時(shí)間光降解溶液中苯酚所對(duì)應(yīng)的濃度值，繪制苯酚光降解動(dòng)力學(xué)曲線，確定反應(yīng)級(jí)數(shù)。以t作圖，求

17、得K值。6、 思考題1.本實(shí)驗(yàn)所用高壓汞燈的光譜有何特征？2.結(jié)合苯酚降解動(dòng)力學(xué)曲線以及紫外吸光度和TOC隨時(shí)間的變化情況，討論實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)四 土壤對(duì)銅的吸附土壤中的重金屬污染主要來自于工業(yè)廢水、農(nóng)藥、污泥和大氣降塵等。過量的重金屬可引起植物的生理功能紊亂、營養(yǎng)失調(diào)。由于重金屬不能被土壤中的微生物所降解，因此可在土壤中不斷地積累，也可為植物所富集，并通過食物鏈危害人體健康。重金屬在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化主要包括吸附作用、配位作用、沉淀溶解作用和氧化還原作用，其中又以吸附作用最為重要。銅是植物生長所必不可少的微量營養(yǎng)元素，但含量過多也會(huì)造成植物中毒。土壤的銅污染主要來自銅礦開采和冶煉

18、過程。進(jìn)入到土壤中的銅會(huì)被土壤中的粘土礦物微粒和有機(jī)質(zhì)所吸附，這種吸附能力的大小將影響著銅在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化。因此，研究土壤對(duì)銅的吸附作用及其影響因素具有非常重要的意義。1、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解影響土壤對(duì)銅吸附作用的有關(guān)因素。2. 學(xué)會(huì)建立吸附等溫線的方法。2、 實(shí)驗(yàn)原理 不同土壤對(duì)銅的吸附能力不同，在不同條件下同一種土壤對(duì)銅的吸附能力也有很大差別。而對(duì)吸附影響比較大的兩種因素是土壤的組成和pH。為此，本實(shí)驗(yàn)通過向土壤中添加一定數(shù)量的腐殖質(zhì)和調(diào)節(jié)待吸附銅溶液的pH，分別測定上述兩種因素對(duì)土壤吸附銅的影響。土壤對(duì)銅的吸附可采用Freundlich吸附等溫式描述。即：式中：Q土壤對(duì)銅的吸附量，mg

19、/g； 吸附達(dá)平衡時(shí)溶液中銅的濃度，mg/L； K、n經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，其數(shù)值與離子種類、吸附劑性質(zhì)及溫度等有關(guān)。將Freundlich吸附等溫式兩邊取對(duì)數(shù)，可得：以lgQ對(duì)lg作圖可求得常數(shù)K和n，將K、n代入Freundlich吸附等溫式，便可確定該條件下的Freundlich吸附等溫式方程，由此可確定吸附量Q和平衡濃度之間的函數(shù)關(guān)系。3、 儀器與試劑1. 儀器（1）原子吸收分光光度計(jì)。（2）恒溫振蕩器。（3）離心機(jī)。（4）酸度計(jì)。（5）復(fù)合pH玻璃電極。（6）容量瓶：50 mL，250 mL，500 mL。（7）聚乙烯塑料瓶：50 mL。2.試劑（1）0.01 mol/L二氯化鈣溶液：稱取1.5

20、 g CaCl22H2O，溶于1 L水中。（2）1000 mg/L銅標(biāo)準(zhǔn)溶液：將0.5000 g金屬銅（99.9%）溶解于30 mL1：1HNO3中，用水定容至500 mL。（3）50 mg/L銅標(biāo)準(zhǔn)溶液：吸取25 mL 1000 mg/L銅標(biāo)準(zhǔn)溶液于500 mL容量瓶中，加水定容至刻度。（4）0.5 mol/L H2SO4溶液。（5）1 mol/L NaOH溶液。（6） 銅標(biāo)準(zhǔn)系列溶液（pH=2.5）：分別吸取10.00 mL、15.00 mL、20.00 mL、25.00 mL、30.00 mL的1000 mg/L銅標(biāo)準(zhǔn)溶液于250 mL燒杯中，加入0.01 mol/L CaCl2溶液，稀

21、釋至大約240 mL，先用0.5 mol/L H2SO4溶液調(diào)節(jié)pH=2，再以1 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)pH=2.5，將此溶液移入250 mL容量瓶中，用0.01 mol/L二氯化鈣溶液定容，溶液系列濃度為40.00 mg/L、60.00 mg/L、80.00 mg/L、100.00 mg/L、120.00 mg/L。 按同樣方法，配制pH=5.5的銅標(biāo)準(zhǔn)系列溶液。（7） 腐植酸（生化試劑）。（8） 1號(hào)土壤樣品：將新采集的土壤樣品經(jīng)過風(fēng)干、磨碎，過0.15 mm（100目）篩后裝瓶備用。（9） 2號(hào)土壤樣品：取1號(hào)土壤樣品300 g，加入腐植酸30 g，磨碎，過0.15 mm（100目

22、）篩后裝瓶備用。4、 實(shí)驗(yàn)步驟1. 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制吸取50 mg/L的銅標(biāo)準(zhǔn)溶液0、0.50 mL、1.00 mL、2.00 mL、4.00 mL、6.00 mL、8.00 mL、10.00 mL分別置于50 mL容量瓶中，加2滴0.5 mol/L H2SO4用水定容，其濃度分別為0、0.50 mg/L、1.00 mg/L、2.00 mg/L、4.00 mg/L、6.00 mg/L、8.00 mg/L、10.00 mg/L。然后在原子吸收分光光度計(jì)上測定吸光度。根據(jù)吸光度與濃度的關(guān)系繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。原子吸收測定條件：波長：325.0 nm；燈電流：1 mA；光譜通帶：20；增益粗調(diào)：0；燃?xì)猓阂胰玻恢細(xì)猓嚎諝?；火焰類型：氧化型?.土壤對(duì)銅的吸附平衡時(shí)間的測定（1）分別稱取1、2號(hào)土壤樣品各8份，每份1 g于50 mL聚乙烯塑料瓶中。（2）向每份樣品中各加入50 mg/L的銅標(biāo)準(zhǔn)溶液50 mL。（3）將上述樣品在室溫下進(jìn)行振蕩，分別在振蕩1.0 h、2.0 h、3.0 h、3.5 h、4.0 h、4.5 h、5.0.h、6.0 h后，離心分離，迅