土壤中重金属含量测定与污染评价.docx
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土壤中重金属含量测定与污染评价
实验题目土壤中重金属含量测定与污染评价
一、实验目的与要求
1、了解土壤的组成，了解土壤中重金属Cu对生物的危害及其迁移影响因素。
2、了解Cu,Pb,Cr,Cd,Zn，Tl污染的GB标准。
3、掌握土壤消解及其前处理技术和原子吸收分析土壤中金属元素的方法。
4、掌握土壤中Cu的污染评价方法。
掌握土壤中其它重金属的污染评价方法。
二、实验方案
1、实验原理
用盐酸－硝酸－氢氟酸－高氯酸混合酸体系消解土壤样品，使待测元素全部进入试液，同时所有的Cu都被氧化。
在消解液中加入氯化铵溶液（消除共存金属离子的干扰）后定容，喷入原子吸收分光光度计原子化器的富燃性空气－乙炔火焰中进行原子化，产生的铜基态原子蒸汽对铜和铅空心阴极灯发射的特征波长进行选择性吸收，测定其吸光度，用标准曲线法定量。
2、实验试剂。
大学城各采样点土壤、盐酸GR、硝酸GR、氢氟酸GR、高氯酸GR、蒸馏水、（1+5）HNO3
2、实验仪器：
原子吸收分光光度计、铜空心阴极灯、烧杯50mL（聚四氟乙烯）、移液管（1，2，5，10mL），滴管、50ml比色管，量筒及实验室常用仪器等。
3、实验步骤（土壤样品已经制备好，直接用就可以了）。
（1）土壤样品的消解。
分别称取0.5g左右的三种土壤样品与50mL聚四氟乙烯烧杯中，用移液管量取2mL的水湿润，加入10mL的盐酸，在电热板上加热到溶液接近干燥，然后加入10mL硝酸，继续加热到溶解物近干，用滴管加入5mL氢氟酸并加热分解去除硅化物，接近干后加入5mL高氯酸加热至消解物不再冒白烟时，取下冷却。
（2）冷却完毕后，将残留物洗至50mL比色管，后加入2mL浓硝酸，并定容至标线，摇匀,静置.
（3）由于溶液比较浑浊，干过滤后所得清液，用原子吸收分光光度计测其Cu的浓度。
（Cu标准曲线的配制：
实验室已配置好，直接测量）
（4）样品测定
①（开机过程）：
开风机----压缩机----电脑----气瓶----电源主机；
②通过电脑打开桌面上的WFX210控制软件，进入方法编辑-创建新的方法；
③修改参数（仪器条件，测量条件，工作曲线参数，火焰条件）
仪器条件和参数
波长
324.7毫微米
光谱带宽
0.4纳米
灯电流
3.0毫安
燃烧器高度
6毫米
空气压力
0.3兆帕
乙炔压力
0.09兆帕
空气流量
7.0升/分
乙炔流量
1.0升/分
火焰类型
氧化性兰色焰
④样品清单的设定和输入----仪器自动波长---点火（准备过程）
⑤先用空白调节吸光度为0，然后从浓度低到高依次测定标准系列。
⑥察看标准曲线吸光度及相关系数（R2≥0.995以上）和曲线方程；
⑦按照序号测定样品—然后输入打印结果。
⑧按照稀释或者浓缩的倍数进行计算（mg/L）
三、实验结果与数据处理
1、数据结果。
表1标准液的吸光度
浓度（mg/L）
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Abs
0.0002
0.0598
0.134
0.2009
0.2705
0.3383
根据上图所得出的样品溶液浓度与吸光度的关系，可以算出土壤样品中Cu的浓度。
表2土壤样品浓度
科一
科二
组别
样品
重量/mg
浓度
组别
样品
重量/mg
浓度
第一组
外6
0.49
152.16
第一组
农田2
0.52
108.75
行山3
0.49
156.39
外4
0.50
124.07
南商1
0.5
168.01
中心湖1
0.52
96.71
第二组
教2
0.5
63.01
第二组
行山5
0.55
109.28
图1
0.5
70.86
体育1
0.53
102.25
体4
0.51
86.56
实（1-2）-2
0.54
192.60
第三组
教5
0.52
129.93
第三组
公10
0.49
106.61
2饭
0.54
147.98
教1
0.47
159.57
公4
0.48
567.1
工（3-4）-3
0.52
89.01
第四组
实验（1-2）
0.4
130.11
第四组
东一
0.50
54.85
南商4
0.5
94.66
东十四
0.52
21.94
东2
0.5
192.65
教寓
0.56
181.26
第五组
实（2-3）-1
0.48
138.52
第五组
外1
0.50
148.03
外2
0.49
77.45
农田4
0.54
261.75
行山4
0.5
237.85
东12
0.54
67.00
2、结果处理。
根据上表1数据绘制Cu的标准曲线。
图1Cu的工作曲线
根据上表数据，利用以下公式可以算出每个样品的Cu含量。
式中：
W—土壤中Cu的含量，mg/Kg；
ρ—消解后测定的含量，mg/L；
V—消解后定容的体积，mL；
m—样品的质量，g；
f—土壤样品中的含水率，%
表3样品中Cu含量
科一
科二
组别
样品
Cu含量（mg/kg）
组别
样品
Cu含量（mg/kg）
第一组
外6
15.53
第一组
农田2
10.46
行山3
15.96
外4
12.41
南商1
16.80
中心湖1
9.30
第二组
教2
6.30
第二组
行山5
9.93
图1
7.09
体育1
9.65
体4
8.49
实（1-2）-2
17.83
第三组
教5
12.49
第三组
公10
10.88
2饭
13.70
教1
16.98
公4
59.07
工（3-4）-3
8.56
第四组
实验（1-2）
16.26
第四组
东一
5.49
南商4
9.47
东十四
2.11
东2
19.27
教寓
16.18
第五组
实（2-3）-1
14.43
第五组
外1
14.80
外2
7.90
农田4
24.24
行山4
23.79
东12
6.20
3、归纳整理
表4生活区、商业区、运动区的Cu含量表
生活区
东1
5.49
商业区
南商1
16.80
东2
19.27
南商4
9.466
东12
6.20
运动区
体育1
9.65
东十四
2.11
体4
8.49
2饭
13.70
教寓
16.18
表5教学区和大学城其他区域的Cu含量
其他
外1
14.80
教学区
教1
16.98
外2
7.90
教2
6.30
外4
12.41
教5
12.49
外6
15.53
实验（1-2）
16.26
行山3
15.96
实（2-3）-1
14.43
行山4
23.79
实（1-2）-2
17.83
行山5
9.93
工（3-4）3
8.56
公4
59.07
图1
7.09
公10
10.88
农田2
10.46
中心湖1
9.30
根据上表数据画柱状图
图2生活区
图3教学区
图4运动与商业区
图5其他
三、结论
1数据可靠性评价
实验所测数据经过处理绘制出标准曲线图如图1土壤重金属Cu测定标准曲线所示，其相关系数，R2=0.9995，可见实验标准曲线数据的相关性较好，能用于求解土壤重金属Cu的含量。
本实验统一操作，实验误差比较小，所以可认为本次实验结果是可靠的。
2、污染程度评估
（1）①环境质量分类
参考《土壤环境质量标准》（GB15618-1995），依据土壤应用功能和保护目标，可划分为三类：
I类：
主要适用于国家规定自然保护区（原有背景重金属含量较高的除外）、集中式生活饮用水水源地、茶园、牧场和其他保护地区的土壤，土壤质量基本保持自然背景水平。
II类：
主要适用于一般农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场等土壤，土壤质量基本上对植物和环境不造成危害和污染。
III类：
主要适用于林地土壤及污染物容量较大的高背景值土壤和矿产附近等地的农田土壤（蔬菜地除外）。
土壤质量基本上对植物和环境不造成危害和污染。
②标准分级
一级标准为保护区域自然生态，维持自然背景值的土壤环境质量的限制值。
二级标准为保障农业生产，维护人体健康的土壤限值值。
三级标准为保障农林业生产和植物正常生长的土壤临界值。
③各类土壤环境质量执行标准级别规定如下
I类土壤执行环境质量执行一级标准；
II类土壤执行环境质量执行二级标准；
III类土壤执行环境质量执行三级标准。
④土壤重金属Cu的标准值
根据《土壤环境质量标准》（GB15618-1995），其中Cu、Pb元素在土壤环境中的质量标准值如下表：
级
别
土
壤
pH
项
目
表6土壤环境质量标准值（GB15618-1995）部分表单位：
mg/kg
一级
二级
三级
自然背景
＜6.5
6.5～7.5
＞7.5
＞6.5
铜
农田等≤
35
50
100
100
400
果园≤
—
150
200
200
400
⑤对照国标可以得到各个样品的污染程度数据如下（注：
本评价中的二级质量评价中，由于没有土壤的pH数据并未作具体分类。
）
表7广东工业大学大学城校区重金属（Cu与Pb）含量分布
地点
含量（mg/kg）
污染等级
地点
含量（mg/kg）
污染等级
生活区
东一
5.49
一级
商业区
南商1
16.80
一级
东2
19.27
一级
南商4
9.47
一级
东12
6.20
一级
运动区
体育1
9.65
一级
东十四
2.11
一级
体4
8.49
一级
2饭
13.70
一级
其他
外1
14.80
一级
教寓
16.18
一级
外2
7.90
一级
教学区
教1
16.98
一级
外4
12.41
一级
教2
6.30
一级
外6
15.53
一级
教5
12.49
一级
行山3
15.96
一级
实验（1-2）
16.26
一级
行山4
23.79
一级
实（2-3）-1
14.43
一级
行山5
9.93
一级
实（1-2）-2
17.83
一级
公4
59.07
二级
工（3-4）3
8.56
一级
公10
10.88
一级
图1
7.09
一级
农田2
10.46
一级
中心湖1
9.30
一级
对照国标，对于广工，应该取自然背景下的一级标准作为比较对象，并可以得出我校的土壤总体，Cu含量未超过一级标准值。
局部而言，Cu含量超标比较严重的地方是公4。
对于此次所取的是2007年的土壤，反应了2007年广东工业大学周围土壤的情况，并不是如今土壤的情况。
所以由此次数据可以总结如下：
样品Cu含量不稳定，实验的组数不多，所取土样实验数据不多，数据缺乏可靠性，无法确认其Cu含量是否超标。
如果单从数据来分析，在大学城内所取的土样检测结果Cu含量除了公4外其他均达标。
从数据图可以看到各个区的含量分布都很平均，而且都达标，这说明广东工业大学及周围地区并没有受到Cu污染。
⑵另有资料显示广东工业大学大学城校区所属地区土壤属于国标规定的III类土壤环境质量标准控制功能区，其应该执行《土壤环境质量标准》（GB15618-1995）规定的三级标准（土壤重金属Cu≤400mg/kg）。
根据监测数据可见该土壤功能区的重金属Cu含量达标，无污染。
整理数据后，得出重金属含量分布图，如下图
图1广东工业大学大学城校区重金属含量分布
3、处理建议。
如果对于第二份资料显示，可知广东工业大学大学城校区土壤重金属Cu与Pb均符合《土壤环境质量标准》（GB15618-1995）规定的三级标准（土壤重金属Cu≤400mg/kg），不存在超标问题，所以只需保持原状不让其恶化即可。
预防总比治理要好，所以预防方面的措施有：
（1）截流断源：
禁止各类重金属加工生产企业进驻大学城，从源头上阻断重金属对大学城土壤的污染。
（2）植物修复法：
利用植物把土壤中的污染物进行吸收、转移、聚集或降解。
这包括了在植物的影响下（根茎范围内）所发生的有利于污染物质清除的一切生物作用、化学作用和物理作用。
植物可把有毒的有机化合物进行矿化，还可把重金属元素和其它无机物从土壤中吸收并富集到地面上。
植物造林，加大绿化面积，既美观又能从长远的目标上预防土壤重金属的污染。
（3）生物修复法：
微生物修复是指利用天然存在的或所培养的功能微生物群，在适宜环境条件下，促进或强化微生物代谢功能，从而达到降低有毒污染物活性或降解成无毒物质的生物修复技术。
对于已经造成污染的，治理方面的措施有：
⑴工程措施：
客土法、换土法、深耕翻土，固化、稳定化方法，电动力修复法，水洗法、热解吸法；⑵化学治理措施：
淋溶法、施用改良剂；⑶生物修复措施：
植物修复、微生物修复、动物修复；⑷农业生态修复措施。
具体方法如下：
（1）隔离法：
隔离法是采用粘土或其它人工合成的惰性材料，将重金属污染的土壤与周围环境隔离开来，该方法并没有破坏重金属类污染物，只是防止污染物向周隔环境（地下水、土壤）的迁移，由于重金属物质对隔离系统不会产生影响，所以该方法适合于任何重金属污染土壤的控制。
（2）化学氧化法：
化学氧化法是向重金属污染的土壤中喷洒或注入化学氧化剂，通过对重金属的吸附、氧化还原、拮抗或沉淀作用，以降低重金属的生物有效性。
该技术关键在于选择经济有效的改良剂，常用的改良剂有石灰、沸石、碳酸钙、磷酸盐、硅酸盐和促进还原作用的有机物质，不同改良剂对重金属的作用机理不同。
施用石灰或碳酸钙主要是提高土壤pH值，促使土壤中Cd、Cu、Hg、Zn等元素形成氢氧化物或碳酸盐结合态盐类沉淀。
（3）电动修复：
电动修复是通过电流的作用，在电场的作用下，土壤中的重金属离子（如Pb、Cd、Cr、Zn等）和无机离子以电透渗和电迁移的方式向电极运输，然后进行集中收集处理。
（4）土壤洗涤法：
土壤淋洗是利用淋洗液把土壤固相中的重金属转移到土壤液相中去。
再把富含重金属的废水进一步回收处理。
五、问题与讨论
1假如对大学城广工校区土壤表层Pb进行污染调查，请画图说明如何布点？
采样需要那些工具？
需要注意那些方面？
答：
（1）采土壤样品尽量用竹铲、竹片直接采集，或用均用铁铲（可折叠）、密封袋（高温烘过的铝箔），混合样品的托盘等。
（2）采样布点可参考政区图、地貌图、地质图和土壤类型分布图，在空间上要考虑采样点的数目、采样点的布置方法和采样的深度；在时间上要考虑采样时间和频率。
同时要遵循下列原则：
a.合理划分采样单元；b.对于土壤污染监测，坚持哪里有污染就在哪里布点；c.采样点不能设在田边、沟边、路边、肥堆边以及水土流逝严重或表层土被破坏处；采样数量：
一般要求每个采样单元最少设3个采样点；要设置背景值土壤采样点。
对大学城广工校区土壤表层Pb进行污染调查，采样点分布如下表跟分布图：
大学城广东工业大学土壤采样布点名称
大学城广东工业大学土壤采样布点名称
备注
样品号
地点
东8
学生东区
教1
教学1号楼周边
东14
学生东区
教2
教学楼2，3，4，5，6
外1
外环路
教3
外2
外环路
教4
实（1-2）-1
试验1号-2号楼之间
试验1号-2号楼之间
教5
实（1-2）-2
试验楼
试验1号-2号楼之间
教6
实（1-2）-3
试验楼
试验1号-2号楼之间
教寓
教师公寓
实（1-2）-4
试验楼
试验1号-2号楼之间
二饭
第二饭堂
实（1-2）-5
试验楼
试验1号-2号楼之间
南翻
背景土壤
实（2-3）-1
试验楼
试验2号-3号楼之间
广工站
广工站牌地方
实（2-3）-2
试验楼
试验2号-3号楼之间
图1
图书馆周边
实（2-3）-3
试验楼
试验2号-3号楼之间
图2
实（2-3）-4
试验楼
试验2号-3号楼之间
湖1
行政楼湖边
外3
外环路
湖2
外4
外环路
翻土
背景土壤
外5
外环路
体1
体育场
外6
外环路
体2
体育场
外7
外环路
体3
体育场
外8
外环路
体4
体育场
工（1-2）-1
工学馆
工学1号馆和2号馆之间
山1
行政楼后面假山
工（1-2）-2
工学馆
工学1号馆和2号馆之间
山2
行政楼后面假山
工（1-2）-3
工学馆
工学1号馆和2号馆之间
山3
行政楼后面假山
工（1-2）-4
工学馆
工学1号馆和2号馆之间
山4
行政楼后面假山
工（1-2）-5
工学馆
山5
行政楼后面假山
实（2-3）-5
试验楼
东1
学生东区
工（3-4）-1
工学馆
东2
学生东区
工（3-4）-2
工学馆
东3
学生东区
工（3-4）-3
工学馆
东4
学生东区
工（3-4）-4
工学馆
东6
学生东区
2利用原子吸收测定土壤中重金属的消解方法有那些？
请简要说明。
答：
土壤里的金属一般都会变为可溶态的，即是离子态，根据金属不同，方法不同。
常用方法有：
（1）微波消解法：
应用微波对极性分子的作用机理,使用光纤压力自控密闭微波消解系统处理土壤样品,可促使酸与土壤样品发生高速碰撞和摩擦,将微波能转化为热能而产生高温、高压,加快了土壤样品的分解速度。
与常规样品消解方法相比,微波消解具有用酸量少、消解时间短、样品污染小的特点。
（2）密闭容器消解法：
土壤样品置于高压消解罐中，加入硝酸、高氯酸、氢氟酸，加盖密封，置于电热恒温干燥箱中，于170摄氏度平衡4h，待冷却后，取出内罐置于电热板上中温赶酸，待酸将干，转移至容量瓶中，并加人硝酸镧溶液，用1％稀硝酸定容待测。
（3）电热板消解法：
土壤样品置于聚四氟乙烯坩锅内，用水润湿后加盐酸过夜．第二天补加硝酸、氢氟酸、高氯酸，放在电热板上加热至产生大量浓厚白烟，去盖，并经常摇动坩埚使硅化合物挥发。
待白烟基本散尽，取下冷却后，用硝酸溶解后转移到容量瓶中，加入硝酸镧溶液，用去离子水定容待测。
（4）干灰化法：
土壤样品置于酸洗过的瓷坩锅中，加入适量硝酸移入马弗炉中缓慢升温到500℃左右灼烧5h．灼烧完成后取出冷却，转入玻璃烧杯中，加入盐酸溶解，在电热板上高温沸腾30min，再用G4砂芯漏斗过滤，转移到容量瓶，并加入硝酸镧溶液，以去离子水定容待测。
3土壤中重金属污染的评价方法有那些？
各自的优缺点是什么？
答:
①因子指数法。
计算公式：
式中，Pi为污染物单因子指数；Ci为实测浓度，mg／kg；S为土壤环境质量标准，mg／kg。
Pi<1则表明未受污染，Pi>l则表示己经受到污染，Pi数值越大，说明受到的污染越严重。
优缺点：
单因子指数法可以判断出环境中的主要污染因子，但环境是一个复杂的体系，环境污染往往是由多个污染因子复合污染导致的，单因子污染指数法只能分别反映各个污染物的污染程度，不能全面、综合地反映土壤的污染程度，因此这种方法仅适用于单一因子污染特定区域的评价。
②梅罗综合指数法
计算公式：
式中，I为尼梅罗综合污染指数；Pi为土壤中i元素标准化污染指数（污染物单因子指数）；Pi最大为所有元素污染指数中的最大值。
优缺点：
尼梅罗综合指数法的计算公式中含有评价参数中最大的单项污染分指数，其突出了污染指数最大的污染物对环境质量的影响和作用根据尼梅罗指数法计算出来的综合污染指数，只能反映污染的程度而难于反映污染的质变特征。
③染负荷指数法
计算公式：
式中，Fi为元素i的最高污染系数；Ci为元素i的实测含量mg／kg；C0i为元素i的评价标准，即背景值，mg/kg；IPL为某一点的污染负荷指数；n为评价元素的个数。
某一区域的污染负荷指数IPLone：
式中，PLone为区域污染负荷指数；n为评价点的个数（即采样点的个数）。
优缺点：
污染负荷指数法优点是该指数由评价区域所包含的多种重金属成分共同构成，并使用了求积的统计法，能指出对环境污染最严重的元素和各种元素对环境污染的贡献程度，能避免污染指数加和关系造成的对评价结果歪曲的现象，并且对任意给定的区域进行定量的判断，但该方法没有考虑不同污染物源所引起的背景差别。
④在生态危害指数法
；
式中，Cfi为某一金属的污染参数；C表i为土壤（沉积物）中重金属的实测含量；Cni为计算所需的参比值；Efi为潜在生态风险参数；Tfi为单个污染物的毒性响应参数（Hg、Cd、As、Pb、M、Cu、Cr和Zn的毒性响应参数分别为40、30、10、5、5、5、2和1）；RI为多种金属潜在生态风险指数。
优缺点：
潜在生态危害指数法综合考虑了重金属的毒性、在土壤和沉积物中普遍的迁移转化规律和评价区域对重金属污染的敏感性，以及重金属区域背景值的差异，消除了区域差异影响，体现了生物有效性和相对贡献及地理空间差异等特点，是综合反映重金属对生态环境影响潜力的指标，适合于大区域范围沉积物和土壤进行评价比较。
，但这种方法的毒性和加权带有主观性。
⑤境风险指数
计算公式：
；
式中，IER为超过临界限量的第：
种元素的环境风险指数；ACi为第i种元素的分析含量，mg／kg；RE为第i种元素的临界限量，mg／kg；IER为待测样品的环境风险。
优缺点：
环境风险指数法能定量反映重金属污染风险程度的大小，能用数值来反映污染物对环境现状的危害程度，但这种方法不能反映出重金属污染在这个时间和空间的变化特征。
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