环境化学实验讲义.docx

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环境化学实验讲义

前言

环境化学实验是为进一步深化《环境化学》课程讲授的基本知识，掌握研究环境化学问题的基本方法和手段，提高实验数据科学分析能力和实验技能，使学生具备初步的独立科研能力。

 依据新的环境化学实验教学大纲，本环境化学实验课程共包括4个实验，内容涵盖了大气环境化学、水环境化学和土壤环境化学等。

实验一为天然水中油类的紫外分光光度法测定；主要是让学生加深对环境中油类污染的认识，了解石油类类污染物含有共轭体系的物质在紫外光区有特征吸收峰，掌握油类的分析方法和技术。

实验二为有机物的正辛醇—水分配系数；这是典型的验证性实验，使学生了解平衡状态下有机化合物在正辛醇和水相中的分配状况，使学生深层次了解有机化合物在水相和有机相之间的迁移能力以及脂溶性有机化合物在环境中的吸收行为。

实验三为苯酚的光降解速率常数实验；使学生了解有机污染物在水体中的光化学降解性能以及它们在水中的归宿。

实验四为土壤对铜的吸附实验；土壤重金属污染已经被广泛关注，也是目前食品安全的主要内容之一，同时重金属不能被土壤中的微生物所降解，因此可在土壤中不断地积累，也可为植物所富集，并通过食物链危害人体健康。

因此让学生了解土壤的吸附性能对今后开展该方面的研究具有重要意义。

编者张凤君

实验一天然水中油类的紫外分光光度法测定………………………………………1

实验二有机物的正辛醇—水分配系数………………………………………………3

实验三苯酚的光降解速率常数………………………………………………………6

实验四土壤对铜的吸附………………………………………………………………10

实验一天然水中油类的紫外分光光度法测定

1、实验目的

加深对环境中油类污染的认识，掌握油类的分析方法和技术，学会使用紫外分光光度计。

2、实验原理

紫外分光光度法比重量法简单。

石油类含有的具有共轭体系的物质在紫外光区有特征吸收峰。

带有苯环的芳香族化合物主要吸收波长为250~260nm，带有共轭双键的化合物主要吸收波长为215~230nm。

一般原油的两个吸收峰波长为225及256nm，其他油品如燃料油、润滑油等的吸收峰也与原油相近。

本方法测定波长选为256nm，最低检出浓度为0.05mg/L，测定上限为10mg/L。

3、仪器与试剂

1.紫外分光光度计（具有1cm石英比色皿）

2.石油醚（60~90℃）提纯：

透光率应大于80%

纯化：

将石油醚通过变色硅胶柱后收集于试剂瓶中。

以水为参比，在256nm处透光率应大于80%。

4、实验步骤

1.标准曲线绘制：

把油标准储备液用石油醚稀释为每毫升含0.100mg油的标准液。

向7个10mL比色管中依次加入油标准液0,0.5mL,1.0mL,2.0mL,5.0mL,7.0mL,10.0mL，用石油醚稀释至刻线。

最后在波长256nm处，用1cm石英比色皿，以石油醚为参比液测定标准系列的吸光度，并绘制标准曲线。

2.将水样500mL全部倾入1000mL分液漏斗中，加入5mL（1+1）硫酸（若水样取样时已酸化，可不加）及20g氯化钠，加塞摇匀，用15mL石油醚洗采样瓶，并把此洗液移入分液漏斗中，充分振荡2min（注意放气），静置分层。

把下层水样放入原采样瓶中，上层石油醚放入25mL容量瓶中，再加入10mL石油醚，重复抽提水样一次，合并提取液于容量瓶中。

加入石油醚至刻线，摇匀。

若容量瓶里有水珠或浑浊，可加少量无水硫酸钠脱水。

3.在波长256nm处，用1cm石英比色皿，以脱芳烃的石油醚为参比，测定其吸光度，并在标准曲线上查出相应浓度值。

5、结果与讨论

1.C油（mg/L）=

式中C——从标准曲线上查出的相应浓度（mg/L）；

V1——被测水样体积（mL）；

V2——石油醚定容体积（mL）。

2.采集的样品必须有代表性。

一般在水表面以下20~50cm处取水样

3.为了保存水样，采集样品之前，可向瓶里加入硫酸[每升水样加5mL（1+1）硫酸]，使水样pH<2，以抑制微生物活动，于低温下（<4℃）保存。

在常温下，样品可保存24h。

实验二有机物的正辛醇—水分配系数

有机化合物的正辛醇—水分配系数（KOW）是指平衡状态下化合物在正辛醇和水相中浓度的比值。

它反映了化合物在水相和有机相之间的迁移能力，是描述有机化合物在环境中行为的重要物理化学参数，它与化合物的水溶性、土壤吸附常数和生物浓缩因子密切相关。

通过对某一化合物分配系数的测定，可提供该化合物在环境行为方面许多重要的信息，特别是对于评价有机物在环境中的危险性起着重要作用。

测定分配系数的方法有振荡法、产生柱法和高效液相色谱法。

1、实验目的

1.掌握有机物的正辛醇—水分配系数的测定方法。

2.学习使用紫外分光光度计。

2、实验原理

正辛醇—水分配系数是平衡状态下化合物在正辛醇相和水相中浓度的比值，即：

式中：

KOW——分配系数；

co——平衡时有机化合物在正辛醇相中的浓度；

cw——平衡时有机化合物在水相中的浓度。

本实验采用振荡法使对二甲苯在正辛醇相和水相中达平衡后，进行离心，测定水相中对二甲苯的浓度，由此求得分配系数。

式中：

co——起始时有机化合物在正辛醇相中的浓度；

cw——平衡时有机化合物在水相中的浓度；

VO、VW——分别为正辛醇相和水相的体积。

3、仪器与试剂

1.仪器

（1）紫外分光光度计。

（2）恒温振荡器。

（3）离心机。

（4）具塞比色管：

10mL。

（5）玻璃注射器：

5mL。

（6）容量瓶：

5mL，10mL。

2.试剂

（1）正辛醇：

分析纯。

（2）乙醇：

95%，分析纯。

（3）对二甲苯：

分析纯。

4、实验步骤

1.标准曲线绘制

称取1.00mL对二甲苯于10mL容量瓶中，用乙醇稀释至刻度，摇匀。

取该溶液0.10mL于25mL容量瓶中，再用乙醇稀释至刻度，摇匀，此时浓度为400μL/L。

在5只25mL容量瓶中各加入该溶液1.00mL、2.00mL、3.00mL、4.00mL、5.00mL，用水稀释至刻度、摇匀。

在紫外分光光度计上用波长227nm处，以水为参比，测定吸光度值。

利用所测得的标准系列的吸光度值对浓度作图，绘制标准曲线。

2.溶剂的预饱和

将20mL正辛醇与200mL二次蒸馏水在振荡器上振荡24h，使二者相互饱和，静置分层后，两相分离，分别保存备用。

3.平衡时间的确定及分配系数的测定

（1）移取0.40mL对二甲苯于10mL容量瓶中。

用上述处理过的被水饱和的正辛醇稀释至刻度。

该溶液浓度为4×104μL/L。

（2）分别移取1.00mL上述溶液于6个10mL具塞比色管中，用上述处理过的被正辛醇饱和的二次水稀释至刻度。

盖紧塞子，置于恒温振荡器上，分别振荡0.5h、1.0h、1.5h、2.0h、2.5h和3.0h，离心分离，用紫外分光光度计测定水相吸光度。

取水样时为避免正辛醇污染，可利用带针头的玻璃注射器移取水样。

首先在玻璃注射器内吸入部分空气，当注射器通过正辛醇相时，轻轻排出空气，在水相中已吸取足够的溶液时，迅速抽出注射器。

卸下针头后，即可获得无正辛醇污染的水相。

5、数据处理

1.根据不同时间化合物在水相中的浓度，绘制化合物平衡浓度随时间的变化曲线，由此确定实验所需的平衡时间。

2.利用达到平衡时化合物在水相中的浓度，计算化合物的正辛醇—水分配系数。

6、思考题

1.正辛醇—水分配系数的测定有何意义？

2.振荡法测定化合物的正辛醇—水分配系数有哪些优缺点？

实验三苯酚的光降解速率常数

有机污染物在水体中的光化学降解强烈地影响着它们在水中的归宿，因而对水体中的有机污染物光化学降解的研究已成为水环境化学的一个重要的研究领域。

目前，光降解技术已成为许多难降解有机污染物的有效去除手段。

水体中有机污染物光化学降解规律的研究主要包括两方面内容。

一是研究其降解速率及影响因素；二是研究有机污染物降解产物，包括中间产物的毒性大小。

需要注意的是，有机污染物的光化学降解产物可能还是有毒的，甚至比母体化合物毒性更大。

因而有机污染物的分解并不意味着毒性的消失。

苯酚普遍存在于石油、煤气等工业废水中，天然水中的苯酚含量经常超标。

因此，研究天然水中酚的降解对控制其污染是很有意义的。

1、实验目的

测定苯酚在光作用下的降解速率，并求得速率常数。

2、实验原理

溶于水中的有机污染物，在太阳光的作用下分解，不断产生自由基，具体过程如下：

RH→H•+R•

除自由基外，水体中还存在有单态氧，使得天然水中的有机污染物不断地被氧化，最终生成CO2、CH4和H2O等。

因此，光降解是天然水体有机污染物的自净途径之一。

天然水体中有机污染物的光降解速率，可用下式表示：

式中：

c——天然水中苯酚的浓度；

[Ox]——天然水中氧化性基团的浓度，一般是定值，认为其在反应过程中维持不变；

上式积分得：

式中：

c0——天然水中苯酚的起始浓度；

c——时间为t时测得的苯酚浓度；

K’——所得到的衰减曲线的斜率，即光降解速率常数。

通过绘制

~t关系曲线，可求得K’。

本实验在含苯酚的蒸馏水溶液中加入H2O2，模拟含酚天然水进行光降解实验。

苯酚的测定是根据在氧化剂铁氰化钾存在的碱性条件下苯酚与4—氨基安替比林反应，生成橘红色的吲哚酚安替比林染料，其水溶液呈红色，在510nm处有最大吸收。

在一定浓度范围内，苯酚的浓度与吸光度值成线性关系。

3、仪器与试剂

1.仪器

（1）可见分光光度计。

（2）磁力搅拌器。

（3）高压汞灯：

400W。

（4）紫外分光光度计。

（5）TOC测定仪。

2.试剂

（1）1000mg/L苯酚标准储备液。

（2）50mg/L苯酚标准中间液：

取苯酚标准储备液5mL，稀释至100mL。

（3）缓冲液：

称取20gNH4Cl溶于100mL浓NH3•H2O中。

（4）1%4—氨基安替比林溶液：

贮于棕色瓶中，在冰箱内可保存1周。

（5）4%铁氰化钾溶液：

贮于棕色瓶中，在冰箱内可保存1周。

（6）0.36%H2O2溶液：

取浓H2O2溶液3.0mL稀释至250mL。

（7）待降解苯酚溶液：

取1000mg/L的苯酚标准储备液10.0mL于500mL容量瓶中，用二次水稀释至刻度，摇匀待用。

该待降解苯酚溶液准备两份。

4、实验步骤

1.标准曲线绘制

分别取50mg/L的苯酚标准中间液0、0.50mL、1.00mL、1.50mL、2.00mL和2.50mL于25mL容量瓶中，加少量二次水，然后加入0.5mL缓冲液，1.0mL4—氨基安替比林溶液，混匀。

再加入1.0mL铁氰化钾溶液，彻底混匀，最后用二次水定容至25mL。

放置15min后，在分光光度计上，于510nm波长处，用1cm比色皿，以空白溶液为参比，测量吸光度。

以吸光度对浓度作图绘制标准曲线。

2.光降解实验

（1）将待降解苯酚溶液500mL置于1000mL烧杯中，加入4.0mL0.36%H2O2溶液,混匀。

此溶液即为模拟的含苯酚天然水样。

该模拟水样准备两份。

（2）分别将两份装有500mL模拟苯酚水样的烧杯置于两个磁力搅拌器上，用同一个高压汞灯进行照射。

（3）对其中一个烧杯内的水样每隔10min取一次样，每次取5.0mL，共取11次样（即分别在t=0、10min、20min、30min、40min、50min、60min、70min、80min、90min、100min时取样）。

分别置于有编号的25mL容量瓶中，按照与步骤1相同方法测定吸光度。

（4）对其中另一个烧杯内的水样，每隔30min取一次样，每次取10.0mL，共取4次样（即分别在t=0、30min、60min、90min时取样）。

分别置于有编号的干燥50mL小烧杯中。

用紫外分光光度计扫描样品的紫外吸收光谱。

用TOC测定仪测定样品的TOC值。

5、数据处理

由标准曲线上查得不同时间光降解溶液中苯酚所对应的浓度值，绘制苯酚光降解动力学曲线，确定反应级数。

以

~t作图，求得K’值。

6、思考题

1.本实验所用高压汞灯的光谱有何特征？

2.结合苯酚降解动力学曲线以及紫外吸光度和TOC随时间的变化情况，讨论实验过程中出现的实验现象。

实验四土壤对铜的吸附

土壤中的重金属污染主要来自于工业废水、农药、污泥和大气降尘等。

过量的重金属可引起植物的生理功能紊乱、营养失调。

由于重金属不能被土壤中的微生物所降解，因此可在土壤中不断地积累，也可为植物所富集，并通过食物链危害人体健康。

重金属在土壤中的迁移转化主要包括吸附作用、配位作用、沉淀溶解作用和氧化还原作用，其中又以吸附作用最为重要。

铜是植物生长所必不可少的微量营养元素，但含量过多也会造成植物中毒。

土壤的铜污染主要来自铜矿开采和冶炼过程。

进入到土壤中的铜会被土壤中的粘土矿物微粒和有机质所吸附，这种吸附能力的大小将影响着铜在土壤中的迁移转化。

因此，研究土壤对铜的吸附作用及其影响因素具有非常重要的意义。

1、实验目的

1.了解影响土壤对铜吸附作用的有关因素。

2.学会建立吸附等温线的方法。

2、实验原理

不同土壤对铜的吸附能力不同，在不同条件下同一种土壤对铜的吸附能力也有很大差别。

而对吸附影响比较大的两种因素是土壤的组成和pH。

为此，本实验通过向土壤中添加一定数量的腐殖质和调节待吸附铜溶液的pH，分别测定上述两种因素对土壤吸附铜的影响。

土壤对铜的吸附可采用Freundlich吸附等温式描述。

即：

式中：

Q——土壤对铜的吸附量，mg/g；

ρ——吸附达平衡时溶液中铜的浓度，mg/L；

K、n——经验常数，其数值与离子种类、吸附剂性质及温度等有关。

将Freundlich吸附等温式两边取对数，可得：

以lgQ对lgρ作图可求得常数K和n，将K、n代入Freundlich吸附等温式，便可确定该条件下的Freundlich吸附等温式方程，由此可确定吸附量Q和平衡浓度ρ之间的函数关系。

3、仪器与试剂

1.仪器

（1）原子吸收分光光度计。

（2）恒温振荡器。

（3）离心机。

（4）酸度计。

（5）复合pH玻璃电极。

（6）容量瓶：

50mL，250mL，500mL。

（7）聚乙烯塑料瓶：

50mL。

2.试剂

（1）0.01mol/L二氯化钙溶液：

称取1.5gCaCl2•2H2O，溶于1L水中。

（2）1000mg/L铜标准溶液：

将0.5000g金属铜（99.9%）溶解于30mL1：

1HNO3中，用水定容至500mL。

（3）50mg/L铜标准溶液：

吸取25mL1000mg/L铜标准溶液于500mL容量瓶中，加水定容至刻度。

（4）0.5mol/LH2SO4溶液。

（5）1mol/LNaOH溶液。

（6）铜标准系列溶液（pH=2.5）：

分别吸取10.00mL、15.00mL、20.00mL、25.00mL、30.00mL的1000mg/L铜标准溶液于250mL烧杯中，加入0.01mol/LCaCl2溶液，稀释至大约240mL，先用0.5mol/LH2SO4溶液调节pH=2，再以1mol/LNaOH溶液调节pH=2.5，将此溶液移入250mL容量瓶中，用0.01mol/L二氯化钙溶液定容，溶液系列浓度为40.00mg/L、60.00mg/L、80.00mg/L、100.00mg/L、120.00mg/L。

按同样方法，配制pH=5.5的铜标准系列溶液。

（7）腐植酸（生化试剂）。

（8）1号土壤样品：

将新采集的土壤样品经过风干、磨碎，过0.15mm（100目）筛后装瓶备用。

（9）2号土壤样品：

取1号土壤样品300g，加入腐植酸30g，磨碎，过0.15mm（100目）筛后装瓶备用。

4、实验步骤

1.标准曲线的绘制

吸取50mg/L的铜标准溶液0、0.50mL、1.00mL、2.00mL、4.00mL、6.00mL、8.00mL、10.00mL分别置于50mL容量瓶中，加2滴0.5mol/LH2SO4用水定容，其浓度分别为0、0.50mg/L、1.00mg/L、2.00mg/L、4.00mg/L、6.00mg/L、8.00mg/L、10.00mg/L。

然后在原子吸收分光光度计上测定吸光度。

根据吸光度与浓度的关系绘制标准曲线。

原子吸收测定条件：

波长：

325.0nm；灯电流：

1mA；光谱通带：

20；增益粗调：

0；燃气：

乙炔；助燃气：

空气；火焰类型：

氧化型。

2.土壤对铜的吸附平衡时间的测定

（1）分别称取1、2号土壤样品各8份，每份1g于50mL聚乙烯塑料瓶中。

（2）向每份样品中各加入50mg/L的铜标准溶液50mL。

（3）将上述样品在室温下进行振荡，分别在振荡1.0h、2.0h、3.0h、3.5h、4.0h、4.5h、5.0.h、6.0h后，离心分离，迅速吸取上层清液10mL于50mL容量瓶中，加入2滴0.5mol/L的H2SO4溶液，用水定容后，用原子吸收分光光度计测定吸光度。

以上内容分别用pH=2.5和5.5的100mg/.L的铜标准溶液平行操作。

根据实验数据绘图以确定吸附平衡所需时间。

3.土壤对铜的吸附量的测定

（1）分别称取1、2号土壤样品各10份，每份各1g，分别置于50mL聚乙烯塑料瓶中。

（2）依次加入50mLpH为2.5和5.5浓度为40.00mg/L、60.00mg/L、80.00mg/L、100.00mg/L、120.00mg/L铜标准系列溶液，盖上瓶塞后置于恒温振荡器上。

（3）振荡达平衡后，取20mL土壤浑浊液于离心管中，离心10min，吸取上层清液5mL于25mL比色管中，用原子吸收分光光度计测定吸光度。

（4）剩余土壤浑浊液用酸度计测定pH。

5、数据处理

1.根据实验数据绘图确定两种土样达到吸附平衡所需时间。

2.土壤对铜的吸附量可通过下式计算：

式中：

Q——土壤对铜的吸附量，mg/g；

ρ0——溶液中铜的起始浓度，mg/L；

ρ——溶液中铜的平衡浓度，mg/L；

V——溶液的体积，mL；

m——烘干土样质量，g。

由此方程可计算出不同平衡浓度下土壤对铜的吸附量。

3.建立土壤对铜的吸附等温线

以吸附量Q对浓度ρ作图即可制得室温下两个不同pH条件下土壤对铜的吸附等温线。

4.建立Freundlich方程

以lgQ对lgρ作图，根据所得直线的斜率和截距可求得两个常数K和n，由此可确定室温时不同pH条件下，不同土壤样品对铜的吸附的Freundlich方程。

6、思考题

1.土壤的组成和溶液的pH对铜的吸附量有何影响？

为什么？

2.本实验中得到的土壤对铜的吸附量应为表观吸附量，它应包括铜在土壤表面上哪些作用的结果？