环境化学课程设计河南城建学院.docx
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环境化学课程设计河南城建学院
HenanUniversityofUrbanConstruction
课程设计
（环境化学大作业）
系别：
环境与市政工程学院
专业：
环境
科学
姓名：
学号：
指导教师吴少杰
、刘雪萍
河南城建学院
2015年1月10日
一、实验背景
平顶山市位于河南省中南部，矿产资源丰富。
已探明各类矿藏57种，其中原煤储量103亿吨，是华东和中南地区最大的煤田，素有“中原煤仓”之称；盐储量2300亿吨，居河南省第一位，是我国第二大井盐产地；铁矿石储量6.6亿吨，占河南省储量的76.3%，是全国十大铁矿之一。
平顶山工业基础雄厚。
经过四十多年的发展，已形成以能源和原材料工业为主体，以煤炭、电力、钢铁、纺织、化工、机电、建材、食品等八大工业基地为支撑的新兴工业体系。
平顶山的八大工业支撑都会或多或少的影响环境，我们这次主要研究的是煤炭燃烧挥发重金属在土壤——植物间的迁移转化。
土壤重金属污染对农作物、农产品等多方面产生重大影响。
众所周知，植物在生长、发育过程中所必需的一切养分来自土壤，其中重金属元素（如Cu，Zn，Mo，Fe，Mn等）在植物体内主要作为酶催化剂。
但是，如果在土壤中存在过量的重金属，就会限制植物的正常生长、发育和繁衍，以致改变植物的群落结构。
如铜是植物生长必需的元素之一，但当土壤含铜量大于50μg/g时，柑橘幼苗就受到阻碍；含铜量达到200ug/g时，小麦会枯死，含铜量为250μg/g时，水稻也会枯死。
重金属进入人体后，可与蛋白质、酶等发生强烈的相互作用，危害人体健康，并且这种危害初期不易被察觉，潜伏期较长。
因此土壤中重金属富集将直接影响人的生活。
大多数重金属在土壤中相对稳定且难以迁出土地，对土壤的物理化学性质及土壤生物学特性和微生物群落结构产生不良影响，从而影响土壤生态结构和功能的稳定性。
综上：
重金属是土壤原有的构成元素，有些是植物、动物和人必需的营养元素。
如Zn、Cu、Mo、Fe、Mn等，但由于含量的不同，可导致不同的效应，如果含量太低生物会表现缺乏症状，但过量就会造成污染事件。
土壤一旦受到污染，近很难在短时间内除去，且重金属被植物吸收后，通过食物链进入人体并富集，最终可以达到有害的程度。
近几十年，对土壤重金属污染方面的研究成为国际国内研究的热点与难点，治理土壤重金属污染就必须先了解重金属在土壤中的含量、存在形态，污染过程、迁移转化及影响因素等。
所以我们这次的实验是非常有意义，不仅是理论得到深化，并且实践操作认知也得到进一步加强。
矿区煤矸石山重金属在土壤——植物间迁移转化
综合实验方案
一、实验小组划分
全班37人划分为6个小组，每组由6—7人组成，指定一个责任心较强的同学担任小组长。
小组长负责协调本组课程设计任务全过程，包括本组实验计划制定；实验准备；任务分解分配；样品的采集；样品处理；室内分析测定；分析数据的记录、整理；本组分析报告的提交等。
二、本次课程实验的目的
1.了解土壤中重金属迁移转化和污染积累的一般规律；
2.掌握用火焰光度原子吸收分光光度计分析土壤重金属含量的方法；
3.提高环境化学实验分析能力和技术报告撰写能力。
三、本次实验课程实验的内容
1．实验原理：
人体内的微量元素不仅参与机体的组成，而且担负着不同的生理功能。
如铁、铜、锌是组成酶和蛋白质的重要成分，钒、铬、镍、铁、铜、锌等元素能影响核酸的代谢作用，部分微量元素还与心血管疾病、瘫痪、生育、衰老、智力甚至癌症有密切关系。
这些微量元素在人体组织中都有一个相当恒定的浓度范围，它们之间互相抑制、互相拮抗，过量或缺乏都会破坏人体内部的生理平衡，引起机体疾病，使健康受到不同程度的影响。
在农业生态系统中，土壤是连接有机体与无机界的纽带，重金属可以通过土壤积累于植物体内，最终将危害到人类。
矿区采煤尾矿煤矸石中所含有的重金属是矿区土壤环境重要的污染源，测定矸石山附近土壤与植被中微量重金属的含量，有助于我们认识土壤重金属污染对农作物安全性的影响。
2．采样点的布设要求：
根据矿区煤田矸石的产出条件，采样点的布设要兼顾到污染源附近地形和主导风向，以矸石山为中心，选定辐射采样路线，共选取30个有代表性的采样点（建议每个小组采集5—7个样品），同时在距矸石山3km外不受污染的土壤中取部分土样，作为参照背景值。
在每个采样点采集15cm左右的表层土壤，混合均匀后按四分法获取足量的样品装入塑料袋中，于实验室内自然风干，剔除植物残体和石块，磨碎，过100目筛，保存于玻璃广口瓶（封口袋）中，以备重金属元素测定用。
3．实验仪器和试剂的准备
实验仪器：
（1）原子吸收分光光度计；
（2）尼龙筛（100目）；（3）电热板；（4）量筒：
100mL；（5）高型烧杯：
100mL；（6）容量瓶：
25mL、100mL；（7）三角烧瓶：
100mL；（8）小三角漏斗；（9）表面皿；
实验试剂：
（1）硝酸、硫酸：
优级纯。
（2）氧化剂：
空气，用气体压缩机供给，经过必要的过滤和净化。
（3）金属标准储备液：
准确称取0.5000g光谱纯金属，用适量的1∶1硝酸溶解，必要时加热直至溶解完全。
用水稀释至500.0mL，即得1.00mg金属/mL标准储备液。
（4）混合标准溶液：
用0.2%硝酸稀释金属标准储备溶液配制而成，使配成的混合标准溶液中镉、铜、铅和锌浓度分别为10.0、50.0、100.0和10.0μg/mL。
原子吸收分光光度法测定条件：
4．实验步骤
（1）土壤样品的准备
a土样的采集：
在粮食生长季节，从田间取回土样，倒在塑料薄膜上，晒至半干状态，将土块压碎，除去残根、杂物，铺成薄层，经常翻动，在阴凉处使其慢慢风干。
风干土样用有机玻璃棒或木棒碎后，过2mL尼龙筛，去2mL以上的砂砾和植物残体。
将上述风干细土反复按四分法弃取，最后约留下100g土样，在进一步磨细，通过100目筛，装于瓶中（注意在制备过程中不要被沾污）。
取20～30g土样，装入瓶中，在105℃下烘4～5h，恒重。
b土样的消解：
准确称取烘干土样0.48～0.52g两份（准确到0.1mg），分别置于高型烧杯中，加水少许润湿，再加入1∶1硫酸4mL，浓硝酸1mL，盖上表面皿，在电热板上加热至冒白烟。
如消解液呈深黄色，可取下稍冷，滴加硝酸后再加热至冒白烟，直至土壤变白。
取下烧杯后，用水冲洗表面皿和烧杯壁。
将消解液用滤纸过滤至25mL容量瓶中，用水洗涤残渣2～3次，将清液过滤至容量瓶中，用水稀释至刻度，摇匀备用。
同时做一份空白试验。
（3）标准工作曲线的绘制
分别在6只100mL容量瓶中加入0.00、0.50、1.00、3.00、5.00、10.00mL混合标准溶液，用0.2%硝酸稀释定容。
此混合标准系列各金属的浓度见表1-2。
接着按样品测定的步骤测量吸光度。
用经空白校正的各标准的吸光度对相应的浓度作图，绘制标准曲线。
（4）土壤样品中重金属的测定
按表1-1所列的条件调好仪器，用0.2%硝酸调零。
吸入空白样和试样，测量其吸光度，记录数据。
扣除空白值后，从标准曲线上查出试样中的金属浓度。
由于仪器灵敏度的差别，土壤及粮食样品中重金属元素含量不同，必要时应对试液稀释后再测定。
（5）实验数据记录与整理
由测定所得吸光度，分别从标准工作曲线上查得被测试液中各金属的浓度，根据下式计算出样品中被测元素的含量：
被测元素的含量（μg/g）=ρ×V/W实
式中：
ρ—被测试液的浓度，μg/mL；
V—试液的体积，mL；
W实—样品的实际重量，g。
四、实验具体步骤
2014年12月29日：
这周我们开始了环境化学大作业——矿区煤矸石山重金属土壤的检测。
由此可以分析出重金属离子在土壤中的迁移情况。
吴少杰老师和李雪萍老师对我们本次为期两周的实习做了简单的动员，并为这次实习做了具体的安排。
老师给我们讲解这次大作业的任务以及要求，包括分组等。
我们通过实验要掌握以下几点：
了解土壤中重金属的迁移转化和污染积累的一般规律在实际作业时的运用；掌握用原子吸收分光光度计分析土壤重金属含量的方法、以及光度计的检测特性等。
监测地选择以矸石山为中心，同时兼顾污染源及主导风向因素，让同学们自己尝试寻找合适的位置，在选择采样点要运用实地考察可采用梅花采样法，对角线采样法等。
讲解完以后我们又做了一些实习前的准备，打扫实验室卫生，以及根据任务书的内容找到我们所需要的仪器之后我们又将这些仪器清洗了一下，先用纯净水清洗然后用高纯水再次清洗，做到不干扰实验的进行。
2014年12月30日：
八点半我们准时到达实验室，准备采集土壤样品。
经过讨论决定先排两三个同学实地考察，我也跟着去了。
我们最终选择了五矿，在询问多次之后，我们找到了一块矸石山地，下午两点再来采样，每个组两个同学过来采样。
为了试验的结果具有代表性和对比性，我们五六组去铁路南边区域采样。
我们的采样地点是五矿矸石山下风向附近的农田以及污染源。
我们所选取的方法是对角线法和梅花形法。
每个采样点取五份或者三份，因为采集的土样只需要一公斤左右，我们需要对初步采集的样品进行筛选。
采集后的土样需要进行风干，回到实验室之后他们将采集好的土样倒在塑料薄膜上铺成薄层，拣出植物残余物，得到比较纯净的土壤。
2014年12月31日：
今天我们的任务处理昨天的土壤样品。
经过一夜的风干干燥，样品风干比较好，然后风干后的土样用有机玻璃棒捣碎后，反复挑选后通过100目筛，装于瓶中，经过筛选的土壤还需要在105摄氏度下烘4—5h，恒重。
2015年1月4日：
经过烘干恒重后，我们要进行下一步的实验步骤——对昨天处理好的样品进行消解。
到实验室后准备好所需要的小烧杯、25ml容量瓶及表面皿等用到的实验仪器刷洗一下，然后把要用到的实验试剂配置一下，然后准确称取0.5g左右样品两份，分别置于高型烧杯中，加水少许润湿，再加入1:
1硫酸5ml，浓硝酸1ml，盖上表面皿，在电加热板上加热至冒白烟，同时做一份空白，如消解液呈深黄色，可取下稍冷，滴加硝酸后再加热至冒白烟，直至土壤变白。
取下烧杯后，用水冲洗烧杯壁和表面皿。
将消解液用离心机离心，转入25ml容量瓶用水稀释至刻度，摇匀备用。
清洗所用仪器，放回原位。
2015年1月5日：
配置好的Cu、Zn、Pb、Cd标准溶液，用原子吸收分光光度法测定其吸光度，绘制标准曲线，检查待测样品中的金属浓度是否在标准曲线的检出限内。
分别记录了Cu、Zn、Pb、Cd标准溶液的吸光度及电脑分析出来的结果。
然后我们分别由低浓度到高浓度测得6个样品及空白的吸光度，即可由标准溶液画出的标准曲线求得样品中重金属的浓度，来判断其污染程度。
2015年1月6日：
经过一周的大作业，通过实验检测土壤中重金属的含量，让同学们熟悉重金属在土壤中的迁移，今天实验完成，其中有很多不足，包括取样，希望这次大作业可以带来很大的收获，不管结果如何。
我们动手实验能力有所增强，分析实验试剂目的也锻炼了我们的分析能力。
五、实验记录与处理
1.实验准备：
土壤样品的消解：
加入1:
1硫酸5mL，浓硝酸1mL。
2.标准曲线绘制
Cu的标准曲线
Pb的标准曲线
Zn的标准曲线
Cd的标准曲线
3.土壤样品浓度:
样品
消解质量/g
定容体积/ml
测定浓度/μg/mL
Cu
Zn
Pd
Cd
空白
0
25
0.0009
0.06745
0.1825
-0.00025
煤矸石-1
0.5038
25
0.3912
0.6984
0.8462
0.1129
煤矸石-2
0.5008
25
0.3293
0.7351
0.9280
0.1193
50m-1
0.5003
25
0.3310
1.0301
0.8694
0.1173
50m-2
0.5032
25
0.4127
1.0428
0.9743
0.1118
100-1
0.4999
25
0.3274
1.0206
0.8994
0.1127
100-2
0.5006
25
0.3211
1.0879
0.9479
0.1074
4.土壤去除空白值浓度:
样品
消解质量/g
定容体积/ml
测定浓度/μg/mL
Cu
Zn
Pd
Cd
煤矸石-1
0.5038
25
0.6637
0.5159
0.6637
0.1132
煤矸石-2
0.5008
25
0.7455
0.5526
0.7455
0.1196
50m-1
0.5003
25
0.6869
0.8476
0.6869
0.1176
50m-2
0.5032
25
0.7918
0.8603
0.7918
0.1121
100-1
0.4999
25
0.7169
0.8381
0.7169
0.1130
100-2
0.5006
25
0.7654
0.9054
0.7654
0.1078
依据公式：
被测元素的含量（μg/g）=ρ×V/W所得数据处理结果如下：
样品
消解质量/g
测定浓度/μg/g
Cu
Zn
Pd
Cd
煤矸石-1
0.5038
32.93474
25.60044
32.9347
5.61730
煤矸石-2
0.5008
37.21546
27.58586
37.2154
5.97044
50m-1
0.5003
34.32441
42.35459
34.3244
5.87647
50m-2
0.5032
39.33824
42.74145
39.3382
5.56935
100-1
0.4999
35.85217
41.91338
35.8521
5.65113
100-2
0.5006
28.22413
45.21574
38.2241
5.38354
六.实验结果分析
从实验数据可知，每个组的结果都有一定的差异，就单从我们组的数据来看，两组土样中各个种类金属的含量还是比较稳定。
出入不是很大，就整体来说Zn和Cu的含量相比于其它重金属含量来说偏高，跟其他组有所不同，可能是处理的时候土壤处理不当，或者是在保存的时候被污染了。
小组之间测得的重金属含量差别很大，可能是因为采样的地点不同，处理过程产生的误差造成的，时间战线来的比较长，期间人员较为混杂，不能做到实验过程中人员的从一而终，不免出现一些误差。
相比于真正的科研来说我们的结果可能不是很有研究意义，但是作为本科阶段的学生来说还是比较有现实意义的。
这个实验得出的结果，我们可以大体的了解一下土壤中重金属的含量，对于我们认知土壤重金属的迁移转化有一定的作用。
但是本质上来说不能代表全部的土壤，也不能说明土壤中的重金属含量就是这么多，作为一个参考数据还是很有意义。
最后必须说明的是我们在实验的过程中还是严格按照实验要求进行操作的。
一般来说，进入土壤的重金属主要停留在土壤留在土壤的上层，然后通过植物根系的吸收并迁移到植物体内，也可以随水流等向土壤下层流动。
几种主要的重金属在土壤---植物体系中的积累和迁移状况如下。
1.镉
镉一般在土壤表层0~15cm处积累。
大多数土壤对镉的吸收率为80％~95％。
不同土壤吸附顺序为：
腐殖质土＞重壤质土＞壤质土＞砂质冲积土。
因此镉的吸附与土壤中胶体的性质有关。
2.铜
土壤中铜的含量为2~100㎎/㎏。
污染土壤中的铜主要在表层积累，并沿土壤的纵深垂直分布递减，这是由于进入土壤的有机质与铜结合形成螯合物，使铜离子不易向下层移动。
但在酸性土壤中，由于土壤对铜的吸附减弱，被土壤固定的铜易被解吸出来，因而使铜容易淋溶迁移。
3.铅
土壤的PH对铅的含量有影响，土壤的PH增加，使铅的可溶性和移动性降低，影响植物对铅的吸收。
大气中的铅一部分经雨水淋洗进入土壤，一部分落在叶面上，经张开的气孔进入叶内。
4.锌
岩石圈中锌的含量是10~300㎎/㎏，平均含量为50㎎/㎏，我国土壤锌的含量是3~709㎎/㎏，平均值是100㎎/㎏。
土壤中锌含量主要受成土母质的影响。
由于土壤中有效锌大多为胶体吸附而成代换态，溶液中的锌离子数量很少，土壤中的锌主要靠扩散供应给植物。
进入土壤中的重金属大部分被土壤颗粒所吸附。
土壤柱淋溶实验发现淋溶液中95％以上的镉，铅被土壤吸附。
在土壤剖面中，重金属无论是总量还是存在形态，均表现出明，显的垂直分布规律其中可耕层成为重金属的富集层。
七、实习心得
这次实验我们研究的是矿区煤矸石山重金属在土壤——植物间迁移转化。
从一开始接触到这个命题的时候，我们觉得这个任务很很艰难，而且有一些略微的无所是从。
但是在实习的第一天老师就本次实验给我们做了一次实习动员，把我们之前的顾虑都消减了大半。
但是我们也意识到这次实验任务的艰巨和意义所在。
从分组开始我们都是以团队的力量去解决每一个问题，每个人的知识结构的各不一样，就这样我们从实验方案的确定的、到小组分工，再到任务实名制。
每一个人都有任务，每一个人的任务都是那么的重要的，缺少谁的努力都会导致这次实验的最后成败。
在这次实验中，我学到了不仅仅是学到实验的实际操作包括：
采样的具体步骤、实验的操作过程、过滤、离心分离。
更让我们明白的是与人合作的重要意义，一个人的力量永远是微薄，我们只有团结起来，把每一人的能力发挥到最大的限度，充分利用一切可以利用的资源，我们实验才会完成的更出色。
所以，在以后的实际的操作中不一定会遇到什么状况，所以我们不仅要把理论知识学习好，还必须把理论知识用在实验当中，把团队的力量发挥的最大的。
就本次实验的实际内容的收获来说的话：
土壤重金属污染首先应从源头抓起，控制污染源，土壤重金属的污染已经达到相当严重的程度,要充分认识土壤重金属污染的长期性、隐匿性、不可逆性以及不能完全被分解或消逝的特点。
土壤质量问题是经济可持续发展和社会全面进步的战略问题，它直接影响土壤质别、水质状况、作物生长、农业产量、农产品品质等，并通过食物链对人体健康造成危害。
对工业生产中排放的污染物尚未得到较彻底控制，尤其在农业生产中大量而盲目使用化学肥料和农药的今天，江河湖海、地下水及陆地中无机和有机污染物积累总量与日俱增，使土地环境质量变得极其脆弱。
一旦土壤对这些污染物尤其是重金属的消纳容量达到饱和，这些污染物对耕地生产能力的潜在毁灭性破坏便有可能一触即发，有人已形象地称之为农业生产中的“定时炸弹”。
从这个意义上来讲，土地管理与保护工作不仅是对耕地总量的监管，还应该加强对耕地质量的保护与改善。
对土壤质量的保护便是对耕地生产能力的保护，更是提高土地利用效率的强有力措施之一。
对于我国这样一个人口众多的农业大国，开展国土质量调查评价，对土壤重金属污染物进行试验研究，开发耕地污染的治理方法和技术，显得更为必要和迫切。
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