环境化学实验(讲义)

环境化学实验（讲义）

课程英文名称：The e xperiment of Environmental Chemistry

课程总学时：17总学分：0.5

推荐使用教材：自编

一、课程教学目标与基本要求：

《环境化学实验》包括环境分析化学、环境污染化学和污染控制化学三部分内容，重点是环境污染化学部分，着重探讨污染物来源及其在环境介质中的存在形态、浓度水平和迁移、转化与降解等环境行为及其影响因素等。通过《环境化学实验》课程的学习，深化《环境化学》课程讲授的基本知识，促进对环境化学领域研究动态及前沿的理解，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。

二、相关教学环节安排

整个教学环节分为“基础实验”和“综合实验”两个部分，增加了以独立科研能力培养为目标的“综合实验”环节。在此环节中，教师设计了多个研究题目供学生参考选择，要求学生在查阅文献的基础上，写出开题报告，并在教师的配合下自行设计实验方案、自行准备实验所需的材料。在研究过程中，实验室（包括仪器设备）向学生开放，在教师的配合下，学生自主进行实验活动。在学期末，学生应完成一篇符合规范的研究论文。

三、课程的主要内容及学时分配

第一部分基础实验

1、有机物的正辛醇—水分配系数5学时

第二部分综合实验

2、水中重金属的污染评价6学时

3、海洋沉积物中砷的污染分析6学时

四、考试要求

依据平时实验进行情况进行考查（包括预习和知识准备情况、实验过程中操作动手能力及判断和解决问题能力、对实验得到的数据结果进行科学思考能力、实验报告的写作水平等）。

五、学习参考书：

1、环境化学实验．董德明，朱利中主编．北京：高等教育出版社，2002．

2、环境化学实验．康春莉，徐自力和冯小凡主编．长春：吉林大学出版社，2000．

3、环境化学实验．孔令仁主编．南京：南京大学出版社，1990．

4、土壤农业化学分析方法．鲁如坤主编．中国农业科技出版社，2000．

实验一有机物的正辛醇—水分配系数

有机化合物的正辛醇—水分配系数（）是指平衡状态下化合物在正辛醇和水相中ow K 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化学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。

一、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。

二、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：

（1）

w

o ow c c K =

式中：——分配系数；

ow K ——平衡时有机化w 合物在水相中的浓度；o c ——平衡时有机化合物在水相中的浓度。

w c 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。三、仪器与试剂1、仪器：

（1）紫外可见分光光度计。（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。

四、实验步骤：

1、标准曲线的绘制

移取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1.00、2.00、3.00、4.00和5.00mL ，用水稀释至刻度，揺匀，在紫外分光

光度计上于波长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，静止分层后，两相分离，分别保存备用。

3、平衡时间的确定

(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/mL。

(2)分别移取1.00mL对二甲苯于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0.5、1.0、1.5、2.0、2.5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，为避免正辛醇的污染，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。

五、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，由此确定实验所需要的平衡时间。

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。

六、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？

实验二水中重金属的污染评价

由于重金属在工业生产过程中应用广泛，因此，每年都有大量的重金属随着工业废水的排放而进入天然水体，从而导致水体的重金属污染。由于重金属进入水体后很难消除，而且特别容易在生物体内累积，因此重金属对生态环境和人体健康的危害是非常严重的。尽管重金属在进入环境后会以各种形态存在，而且不同形态的重金属其生物毒性是不一样的，但水体中重金属的测定对于我们了解水体重金属污染状况，指定相应的污染控制对策是很有帮助的。

一、实验目的：

1、了解原子吸收法测定水体中重金属的原理，掌握其基本操作，

2、评价水体重金属的污染状况，了解水体重金属污染的特点及危害。

二、方法原理：

在pH4～5条件下，铅、镉与吡咯烷基二硫代甲酸铵(APDC)和二乙氨基二硫代甲酸钠(DDTC)形成螯合物，经甲基异丁酮(MIBK)和环己烷混合溶液萃取分离，用硝酸溶液反萃取，于217.0nm波长测定铅的原子吸光值，于228.8nm波长测定镉的原子吸光值。

三、仪器与试剂

1、仪器：

——原子吸收分光光度计，配有氘灯背景校正器和石墨炉附件；

——镉空心阴极灯、铅空心阴极灯；

——洁净操作台或洁净单元；

——微量吸液管：50，100，200，500，1000μL；

——移液吸管：1mL；

——分液漏斗：250mL；

——具塞瓶；

——量瓶：50mL；

——烧杯：50mL；

——石英亚沸蒸馏器；

——锥形分液漏斗：250，500mL；

——量瓶：100，500mL；

——聚乙烯瓶：10，30，50mL；

——一般实验室常备仪器和设备。

2.试剂

（1）水：二次去离子水或等效纯水。

（2）亚沸水：二次去离子水经石英亚沸蒸馏，流速约100mL/h。

（3）硝酸(HNO3)：ρ=1.42g/mL，超级纯。

（4）硝酸溶液：1+1

（5）硝酸溶液：1+99

（6）氨水溶液：约为6mol/L

（7）乙酸(CH3COOH)：ρ=1.05g/mL，优级纯。

（8）甲基异丁酮(MIBK)-环己烷混合溶液：

将240mL MIBK和60mL环己烷在锥形分液漏斗中混合，加3mL硝酸(9.1.3.3)，振荡0.5min，用水(9.1.3.1)洗涤有机相两次，弃去水相，按此重复处理3次，最后用亚沸水洗涤至水相pH6～7，收集有机相。

（9）吡咯烷二硫代甲酸铵(APDC)-二乙氨基二硫代甲酸钠(DDTC)溶液：分别称取APDC(C5H12N2S2)和DDTC(C5H10NS2Na)各1.0g，溶于水亚沸水中，经滤纸过滤后稀释至100mL。用MIBK-环己烷混合溶液萃取三次，每次10mL。收集的水溶液保存于冰箱中，一周内使用有效。

（10）乙酸铵溶液

量取100mL乙酸(9.1.3.7)于锥形分液漏斗中，用氨水溶液中和至pH5。加2mL APDC-DDTC溶液，30mL MIBK-环己烷混合溶液，振荡1min，弃去有机相，重复萃取提纯三次，存于试剂瓶中。

（11）溴甲酚绿指示溶液

称取0.1g溴甲酚绿溶于100mL20%乙醇中。

（12）镉标准贮备溶液：1.00mg/mL-Cd

称取0.5000g金属镉(纯度99.99%)，用5mL（1+）硝酸溶液加热溶解，冷却后转入500m L 量瓶中，用1+99硝酸溶液稀释至标线，混匀。

（13）镉标准中间溶液：10.0μg/mL

移取1.00mL镉标准贮备溶液于100mL容量瓶中，用1+99硝酸溶液稀释至标线，混匀。

（14）镉标准使用溶液：0.100μg/mL

移取1.00mL 镉标准中间溶液于100mL 量瓶中，用1+99硝酸溶液稀释至标线，混匀。当日配制。

四、实验步骤

1、绘制标准曲线

取6个50mL 量瓶，分别加入0，0.20，0.50，1.00，1.50，2.00mL 镉（铅）标准使用溶液，用（1+99）硝酸溶液［使用前，加入少量的MIBK-环己烷混合溶液，振荡1min ，弃去有机相］稀释至标线，混匀，系列各点镉（铅）浓度为0，40.0，100，200，300，400μg/L 。按选定的仪器工作条件测定镉（铅）的吸光值A i 。

以吸光值A i -A 0(标准空白)为纵坐标，相应的镉浓度(μg/L)为横坐标，绘制标准曲线。2、水样测定

量取400mL 经0.45μm 滤膜过滤的酸化(pH=2)水样于500mL 锥形分液漏斗中，用氨水溶液和（1+99）硝酸溶液调pH 至4～5，加入1.0mL 乙酸铵溶液、2.0mL APDC-DDTC 混合溶液、20mL MIBK-环己烷混合溶液，振荡2min ，静置分层。

将下层水相转入另一500mL 锥形分液漏斗中，加入0.50mL APDC-DDTC 混合溶液10mL MIBK-环己烷混合溶液，振荡2min ，静置分层，弃去水相，将第二次萃取液并入第一次萃取的有机相中。

加10mL 水(1)洗涤有机相，静置约5min ，仔细弃尽水相。加入0.40mL 硝酸(3)，振荡1min ，继加入9.60mL 水，再振荡1分钟，静置分层，收集下层硝酸萃取液于10mL 聚乙烯瓶中(此为反萃取液D)，按绘制标准曲线的仪器工作条件测定镉、铅的吸光值A w ，同时测定分析空白镉、铅的A b 。

五、数据处理

由A w -A b 查标准曲线或用线性回归方程计算得反萃取液D 中镉、铅的浓度C Cd ，C Pb 按下式计算水样中镉、铅的浓度：

（6）

40010

Cd/Pb 1

2Cd/Pb Cd ×=

=

C V V C ρ式中：ρCd/Pb ——水样中镉、铅的浓度，μg/L ；

C Cd/Pb ——反萃取液

D 中镉、铅的浓度，μg/L ；V 2——反萃取液D 的体积，mL ；V 1——水样体积，mL 。

线性回归计算水样中镉、铅的浓度：

（7）

1

2

b w Cd/Pb )(V V b a A A ?

??=

ρ式中：a ——相对应的镉、铅标准曲线截距；

b ——相对应的镉、铅标准曲线斜率。

六、注意事项：

1、器皿均须用1+3硝酸溶液浸泡24h 以上，使用前用水(1)洗净。

2、所用试剂必须检查纯度后使用，不合要求的试剂应提纯。

3、萃取与反萃取过程中，溶液放出前须用水（1）洗净锥形分液漏斗出口管下端的内外壁，避免沾污。

4、根据原子吸收分光光度计的型号，选定最佳仪器工作条件。表2、3为WFX-1B 型原

子吸收分光光度计的仪器工作条件。

表2WFX-1B 型原子吸收分光光度计的工作条件

表3WFX-1B 型原子吸收分光光度计工作条件

5、用细玻璃棒沾微量溶液试验其pH 值时，要防止沾污。

七、思考题

1、在进行原子吸收测定时常见的干扰因素有哪些？如何消除？

2、根据国家有关环境标准对所测定水样的重金属污染状况进行评价。

3、试述水体重金属污染的特点及危害。

实验三海洋沉积物中砷的污染分析

砷（As ）是人体非必需元素。元素砷的毒性极低，而砷的化合物均有剧毒，三价砷化合物比其他砷化合物毒性更强。砷的污染主要来自采矿、冶金、化工、化学制药、农药生产，纺织、玻璃、制革等部门的工业废水。砷可以通过呼吸道、消化道和皮肤接触进入人体。如摄入量超过排泄量，砷就会在人体的肝、肾、肺、脾、子宫、胎盘、骨骼、肌肉等部位，特别是在毛发、指甲中蓄积，从而引起慢性中毒，潜伏期可长达几年甚至几十年。一、实验目的：

1、了解原子原子荧光法测定海洋沉积物中砷的原理，掌握其基本操作，

2、评价海洋沉积物中砷的污染状况，了解海洋沉积物中砷污染的特点及危害。

二、方法原理：

沉积物样品在在酸性介质中消化，用硼氢化钾把溶液中的砷（Ⅲ）转化成砷化氢气体，由氩气载入石英原子化器，在特制砷空心阴极灯下进行原子荧光测定。

元素Cd 吸收线波长，nm 228.8缝宽，mm 0.1灯电流，mA 1.0燃烧器高度，mm

6.6流量计读数

压缩空气320乙炔

80

元素Pb 吸收线波长，nm 217.0缝宽，mm 0.2灯电流，mA 1.0燃烧器高度，mm 5.5燃烧器高度，mm

5.5流量计读数

压缩空气320乙炔

80

三、仪器与试剂

1、仪器：

——原子荧光光度计：

——砷空心阴极灯；

——氩气：氩气纯度99.99%；

——恒温水浴：1000C；

——玻璃器皿：容量瓶、比色管、吸液管；

——实验常用仪器与设备。

原子荧光光度计应满足如下工作条件：

——灯电流：50mA（主），50mA（辅）；

——负高压：240V；

——原子化器温度：240C°；

——载气流量：800mL/min；

——加液时间：7s；

——积分时间：8s。

该方法检出限：0.06×10?6

2、试剂

（1）王水溶液：1+1；

（2）盐酸溶液：1+1；

（3）氢氧化钠(NaOH)溶液（40g/L）：称取4.0g氢氧化钠（4.1.c）加水溶解并稀释至100mL；

（4）混合还原剂溶液（5%）：称取5.0g硫脲（4.1.e）和5.0抗坏血酸( 4.1.f)，加水溶解并稀释至100mL,混匀（当天配制）；

（5）硼氢化钾（KBH4）溶液(0.7%)：称取2.00g氢氧化钾（4.1.h）溶于1000mL水中，溶解后加入7.00g硼氢化钾（4.1.g）。此溶液现用现配；

（6）砷标准贮备溶液（0.1000mg/mL）：称取0.1320g三氧化二砷（As2O3，优级纯，预先在105℃烘干2h,置于干燥器中保存）置于50mL烧杯中，加入10mL氢氧化钠溶液，使之溶解后，加10mL盐酸溶液(4.2.b)，转入1000mL容量瓶中,用水定容至标线，混匀；

（7）砷标准中间溶液(1.00μg/mL)：移取1.00mL砷标准贮备溶液（4.2.f）于100mL 容量瓶中，用盐酸溶液(4.2.b)稀释至标线，混匀；

（8）砷标准使用溶液(0.10μg/mL)：移取10.00mL砷标准中间溶液(4.2.g)于100mL容量瓶中，用盐酸溶液(4.2.b)稀释至标线，混匀。

四、实验步骤

1、制作标准曲线

依次量取0.00mL、0.50mL、1.00mL、2.00mL、4.00mL、8.00mL、10.00mL砷标准使用溶液至100mL容量瓶中，分别加入10mL盐酸，定容至标线。砷标准系列各点的浓度为0.00μg/L、0.50μg/L、1.00μg/L、2.00μg/L、4.00μg/L、8.00μg/L、10.00μg/L。按选定的仪器工作条件，测定砷标准溶液系列的荧光强度（I i）及标准空白荧光强度（I o）。

以荧光强度（I i-I o）为纵坐标，相应的砷浓度（μg/L）为横坐标，绘制标准曲线（给出线性回归方程）并计算线性回归系数。

2、样品消化

称取0.1g～0.2g （±0.0001g）沉积物干样于25mL比色管中，加几滴水润湿样品，加入10mL 王水溶液，摇动比色管混合均匀，在水浴中加热1h，期间摇动数次。取下冷却，加水溶解并稀释至标线，放置澄清20分钟。吸取2mL上层清液于100mL容量瓶中，加入10mL盐酸及5mL硫脲—抗坏血酸混合溶液定容到100mL，摇匀。此为样品消化液。3、分析空白

不加沉积物样品，其余步骤完全同于样品消化（2）。由此制备的溶液为分析空白液。4、样品测定

分别移取2mL分析空白液（3）和2mL样品消化液（2）于氢化物发生器中，分别读取分析空白荧光强度（I b ）和生物样品荧光强度（I s ）。以（I s -I b ）由标准曲线查得砷的浓度，或用线性回归方程计算得出砷的浓度。五、数据处理

海洋沉积物样品中砷含量按下式计算：

(8)

1000

2

1

××××=

M V C W V

V 式中：

W —沉积物中砷的含量(10?6)；

C —标准曲线上查得的砷的浓度(μg/L)；V ——样品消化后定容的体积(mL)；V 2—量取样品消化液的体积(mL)；

V 1—量取样品消化液制备分析液定容的体积(mL)；M —样品的称取量(g)。

六、注意事项：

1、所用的器皿需用15%硝酸溶液浸泡24小时,用水淋洗干净后使用；

2、所用的试剂，在使用前必须作空白试验；

3、空白高的试剂，特别是盐酸将严重影响方法的测定下限和准确度；七、思考题

1、根据测定结果，评价海洋沉积物中砷的污染状况。

2、除了原子荧光法以外，还有哪些方法可以测定砷，它们各有什么特点？