環(huán)境化學實驗講義

1、前 言環(huán)境化學實驗是為進一步深化環(huán)境化學課程講授的基本知識，掌握研究環(huán)境化學問題的基本方法和手段，提高實驗數(shù)據(jù)科學分析能力和實驗技能，使學生具備初步的獨立科研能力。 依據(jù)新的環(huán)境化學實驗教學大綱，本環(huán)境化學實驗課程共包括4個實驗，內(nèi)容涵蓋了大氣環(huán)境化學、水環(huán)境化學和土壤環(huán)境化學等。實驗一為天然水中油類的紫外分光光度法測定；主要是讓學生加深對環(huán)境中油類污染的認識，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)。 實驗二為有機物的正辛醇水分配系數(shù)；這是典型的驗證性實驗，使學生了解平衡狀態(tài)下有機化合物在正辛醇和水相中的分配狀況，使學生深層次了解有機化合

2、物在水相和有機相之間的遷移能力以及脂溶性有機化合物在環(huán)境中的吸收行為。實驗三為苯酚的光降解速率常數(shù)實驗；使學生了解有機污染物在水體中的光化學降解性能以及它們在水中的歸宿。實驗四為土壤對銅的吸附實驗；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。因此讓學生了解土壤的吸附性能對今后開展該方面的研究具有重要意義。編者 張鳳君目 錄實驗一 天然水中油類的紫外分光光度法測定1實驗二 有機物的正辛醇水分配系數(shù)3實驗三 苯酚的光降解速率常數(shù)6實驗四 土壤對銅的吸附10實驗一 天然水中油

3、類的紫外分光光度法測定1、 實驗目的加深對環(huán)境中油類污染的認識，掌握油類的分析方法和技術(shù)，學會使用紫外分光光度計。2、 實驗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（具有1 cm石英比色皿）2.石油醚（6090）提純：透光

4、率應大于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處透光率應大于80%。4、 實驗步驟1.標準曲線繪制：把油標準儲備液用石油醚稀釋為每毫升含0.100 mg油的標準液。向7個10 mL比色管中依次加入油標準液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準系列的吸光度，并繪制標準曲線。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，并在標準曲線上查出相應濃度值。5、 結(jié)果與討論1.C油（mg/L）=式中C從標準曲線上查出的相應濃度（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，于低溫下（<4）保存。在常溫下，樣品可保存24 h。實驗二 有機物的正辛醇水分配系數(shù)有機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相之間的遷移能力，是描述有機化合物在環(huán)境中行為的重要物理化學參數(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，特別是對于評價有機物在環(huán)境中的危險性起著重要作用。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、 實驗目的1. 掌握有機物的正辛醇水分配系數(shù)的測定方法。2. 學習使用紫外分光光度計。2、 實驗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平衡時有機化合物在正辛醇相中的濃度； cw平衡時有機化合物在水相中的濃度。本實驗采用振蕩法使對二甲苯在正辛醇相和水相中達平衡后，進行離心，測定水相中對二甲苯的濃度，由此求得分配系數(shù)。式中：co起始時有機化合物在正辛醇相中的濃度； cw平衡時有機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。（2

8、）恒溫振蕩器。（3）離心機。（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）對二甲苯：分析純。4、 實驗步驟1. 標準曲線繪制 稱取1.00 mL對二甲苯于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。利用所測得的標準系列的吸光度值對濃度作圖，繪制標準曲線。2.溶劑的預飽和將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?. 平衡時間的確定及分配系數(shù)的測定 （1）移取0.40 mL對二甲苯于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，用紫外分光光度計測定水相吸光度。取水樣時為避免正辛醇污染，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，當注射器通過正辛醇相時，輕輕排出空氣，在水相中已吸取足夠的溶液時，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)不同時間化合物在水相中的濃度，繪制化合物平衡濃度隨時間的變化曲線，由此確定實驗所需的平衡時間。 2.利用達到平衡時化合物在水相中的濃度，計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？實驗三 苯酚的光降解速率常數(shù)有機污染物在水體中的光化學降解強

11、烈地影響著它們在水中的歸宿，因而對水體中的有機污染物光化學降解的研究已成為水環(huán)境化學的一個重要的研究領(lǐng)域。目前，光降解技術(shù)已成為許多難降解有機污染物的有效去除手段。水體中有機污染物光化學降解規(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，有機污染物的光化學降解產(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。因此，研究天然水中酚的降解對控制其污染是很有意義的。1、 實驗目的測定苯酚在光作用下的降解速率，并求得速率常

12、數(shù)。2、 實驗原理溶于水中的有機污染物，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污染物的自凈途徑之一。天然水體中有機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的濃度，一般是定值，認為其在反應過程中維持不 變；上式積分得：式中：c0天然水中苯酚的起始濃度； c時間為t時測得的苯酚濃度； 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。本實驗在含苯酚的蒸餾水溶液中加入H2O2

13、，模擬含酚天然水進行光降解實驗。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，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。（2）磁力攪拌器。（3）高壓汞燈：400 W。（4）紫外分光光度計。（5）TOC測定儀。2.試劑（1）1000 mg/L苯酚標準儲備液。（2）50 mg/L苯酚標準中間液：取苯酚標準儲備液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的苯酚標準儲備液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備兩份。4、 實驗步驟1. 標準曲線繪制 分別取50 mg/L的苯酚標準中間液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。以吸光度對濃度作圖繪制標準曲線。2. 光降解實驗 （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磁力攪拌器上，用同一個高壓汞燈進行照射。 （3）對其中一個燒杯內(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時取樣）。分別置于有編號的25 mL容量瓶中，按照與步驟1相同方法測定吸光度。 （4）對其中另一個燒杯內(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時取樣）。分別置于有編號的干燥50 mL小燒杯中。用紫外分光光度計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 由標準曲線上查得不同時間光降解溶液中苯酚所對應的濃度值，繪制苯酚光降解動力學曲線，確定反應級數(shù)。以t作圖，求

17、得K值。6、 思考題1.本實驗所用高壓汞燈的光譜有何特征？2.結(jié)合苯酚降解動力學曲線以及紫外吸光度和TOC隨時間的變化情況，討論實驗過程中出現(xiàn)的實驗現(xiàn)象。實驗四 土壤對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。進入到土壤中的銅會被土壤中的粘土礦物微粒和有機質(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，研究土壤對銅的吸附作用及其影響因素具有非常重要的意義。1、 實驗目的1. 了解影響土壤對銅吸附作用的有關(guān)因素。2. 學會建立吸附等溫線的方法。2、 實驗原理 不同土壤對銅的吸附能力不同，在不同條件下同一種土壤對銅的吸附能力也有很大差別。而對吸附影響比較大的兩種因素是土壤的組成和pH。為此，本實驗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土壤吸附銅的影響。土壤對銅的吸附可采用Freundlich吸附等溫式描述。即：式中：Q土壤對銅的吸附量，mg

19、/g； 吸附達平衡時溶液中銅的濃度，mg/L； K、n經(jīng)驗常數(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數(shù)，可得：以lgQ對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。（2）恒溫振蕩器。（3）離心機。（4）酸度計。（5）復合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銅標準溶液：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銅標準溶液：吸取25 mL 1000 mg/L銅標準溶液于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） 銅標準系列溶液（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銅標準溶液于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的銅標準系列溶液。（7） 腐植酸（生化試劑）。（8） 1號土壤樣品：將新采集的土壤樣品經(jīng)過風干、磨碎，過0.15 mm（100目）篩后裝瓶備用。（9） 2號土壤樣品：取1號土壤樣品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、 實驗步驟1. 標準曲線的繪制吸取50 mg/L的銅標準溶液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上測定吸光度。根據(jù)吸光度與濃度的關(guān)系繪制標準曲線。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；燃氣：乙炔；助燃氣：空氣；火焰類型：氧化型。2.土壤對銅的吸附平衡時間的測定（1）分別稱取1、2號土壤樣品各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的銅標準溶液50 mL。（3）將上述樣品在室溫下進行振蕩，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