环境生态行为综合试验指导书指导书.doc

《环境生态行为综合实验》指导书 实验一 保定电厂储灰场灰水水质测定及灰水对地下水的影响 实验名称：保定电厂储灰场灰水水质测定及灰水对地下水的影响 实验类型: 综合性实验 学 时：8 适用对象: 环境科学及相关专业高年级学生 一、实验目的 保定市属于比较缺水的城市，因此地下水是保定市生活饮用水的重要水源。目前保 定电厂采用水力冲灰，因此灰水中的各种污染物随灰水下渗进入地下水中，势必对灰场 周围地区的地下水造成污染。另外，污染物进入地下水后在水中迁移、扩散，也将对灰 场所在地周围居民的水源地水质安全造成威胁。因此，分析灰水的水质及研究保定电厂 储灰场灰水对地下水的影响是非常必要且有现实意义的。 1.掌握工业废渣渗沥液的渗沥特性和研究方法； 2.掌握用分光光度法测定六价格和总铬的原理和方法； 3.熟练应用分光光度计； 4.了解测定水总硬度的意义及测定方法的原理； 5.掌握测定水总硬度的方法； 6.掌握水中 pH 值的测定方法； 7.掌握氟离子选择性电极的使用方法 二、实验要求 1.学生应通过实验了解初步的环境问题模拟方法。 2.学生应在开始实验之前应熟练掌握水中六价铬、总铬、总硬度、pH 值、氟离子等 水质参数测定方法的理论知识，并通过实验掌握实验室中这些水质参数常用的测定方法 与操作步骤。 3.实验应独立完成，并根据对模拟灰水水样、实际灰水水样及监测井水样的测定结 果进行独立分析，得出保定电厂储灰场灰水对地下水的影响结果。 4.在实验中应善于发现问题、解决问题。 三、实验原理 1.储灰场灰水渗沥液的模拟 实验采用模拟的手段，在玻璃管内填装经粉碎的粉煤灰，以一定的流速滴加蒸馏水， 从测定渗沥液中有害物质的流出时间和浓度变化规律，推断粉煤灰在堆放时的渗沥情况 和危害程度。 2.水样中铬的测定 水中铬的测定方法主要有二苯碳酰二肼分光光度法和硫酸亚铁铵滴定法。其主要原 理分别如下： （1）二苯碳酰二肼分光光度法 在酸性溶液中，六价铬离子与二苯碳酰二肼（DPC）反应，生成紫红色化合物，于波 长 540nm 进行比色测定，其反应式为： 计算公式为： 式中：m—由标准曲线查得的六价铬量（μg） v—水样的体积（ml） （2）硫酸亚铁铵滴定法 在酸性介质中，以银盐作催化剂，用过硫酸铵将三价铬氧化成六价铬。加少量氯化 钠并煮沸，除去过量的过硫酸铵和反应中产生的氯气。以苯基代邻氨基苯甲酸作指示剂， 用硫酸亚铁铵标准溶液滴定，至溶液呈亮绿色。其滴定反应如下： 6Fe(NH4)2(SO4)2 + K2Cr2O7 + 7H2SO4 ＝ 3Fe 2(SO4)3+ Cr2(SO4)3+ K2 SO4 + 6(NH4)2SO4 + 7H2O 根据硫酸亚铁铵溶液的浓度和进行试剂空白校正后的用量，可计算出水样中总铬的量。 对比二苯碳酰二肼分光光度法和硫酸亚铁铵滴定法两种不同方法所测得水样总铬含 量的结果 3.水样的总硬度测定 总硬度是指水中钙镁离子的总浓度，硬度对工业用水关系很大，尤其是锅炉用水。 各种工业对水的硬度都有一定的要求。饮用水中硬度过高会影响肠胃的消化功能，我国 生活饮用水卫生标准中规定总硬度（以 CaCO3计）不得超过 450mg/l。 测量水中总硬度原理如下： 在 pH 值＝10 的缓冲溶液中，钙离子和镁离子都能与 EDTA 定量配合。以铬黑 T 为 指示剂（HIn 2-表示）和钙离子和镁离子都形成桃红色配合物，反应式如下： 22 2MgHInOMgInHO   CaCa   因为 MgY2-和 CaY2-比 MgIn-和 CaIn-稳定，所以在用 EDTA 滴定时 EDTA 首先和溶 液中的 Ca2+、Mg 2+反应，达到滴定终点，稍过量的 EDTA 将夺取 MgIn-（CaIn -）中的 Mg2+（Ca 2+） ，使指示剂游离出来而显示指示剂本身的颜色纯蓝色，指示滴定终点的到达。 根据所消耗的 EDTA 溶液体积计算 Mg2+、Ca 2+总量。 CO56HNCOr6 56HNVmLgCr/6 紫 红 色 络 合 物3rC 水样硬度 XCaCO3（mg/L）按下式计算： ×100 10)(VTbaX 式中：a——滴定水样所消耗 EDTA 标准溶液的体积，ml b——滴定空白溶液所消耗 EDTA 标准溶液的体积， ml T——EDTA 标准溶液对钙硬度的滴定度，mmol/ml V——水样体积，ml 4．水样 pH 值的测定 pH 的测定使用方法是：使用酸度计直接测定，酸度计中电极为复合电极。 水的颜色、混浊度、胶体微粒、氧化剂、还原剂以及较高含盐对玻璃电极的干扰影 响都比较小。但在较强的碱性溶液（pH10）中，因有大量钠离子的存在，产生较大的误 差，使读书偏低，通常称为：“钠差” 。消除“钠差”的方法。除了使用特别的“低钠差” 电极外，还可以选用与被测溶液的 pH 值相近的标准缓冲溶液对仪器进行校正。 复合电极的使用注意事项： 1）电极在测量前必须用已知 PH 值的标准缓冲溶液进行标定，为提高测量精度，缓 冲液的 PH 值要可靠，且愈接近被测值愈好，一般不超过 0.3 个 PH 。 2）电极前端的敏感玻璃球泡不能与硬物接触，任何破损和擦毛都会使电极失效。 3）电极插座必须保持高度清洁和干燥，如有玷污可用医用棉花和无水酒精揩净并吹 干，绝对防止输出二端短路，否则将导致测量失准或失败。 4）测量前，应注意将玻璃泡内的气泡甩去，否则将造成测量误差，测量时，应将电 极在测试溶液中搅动后静止放置，以加速回应。 5）测量前和测量后，都应用去离子水清洗电极，以保证测量精度，在粘稠试样中测 定后，电极需用热去离子水反复冲洗多次，以除去粘在玻璃膜上的试样，或先用适宜的 溶剂清洗，再用去离子水洗去溶剂。 6）电极经长期使用后会产生钝化，其现象是敏感梯度降低，响应慢，读数不准，此 时可将电极下端球泡用 0.1M 稀盐酸浸泡 24 小时， （ 0.1M 稀盐酸配制：9ml 盐酸用蒸馏 水稀释至 1000ml ） ，然后再用 3Mkcl 溶液浸泡数小时，或者将电极下端泡在 4%HF （氢 氟酸）中 3~5 秒钟，用蒸馏水洗净，再在 3Mkcl 溶液中浸泡数小时，使其恢复性能。 5．水样中氟化物的测定 将氟离子选择电极和外参比电极（如甘汞电极）浸入欲测含氟溶液，构成原电池。 该原电池的电动势与氟离子活度的对数呈线性关系，故通过测量电极与已知 F-浓度溶液 组成的原电池电动势和电极与待测 F-浓度溶液组成原电池的电动势，即可计算出待测水 样中 F-浓度。常用定量方法是标准曲线法和标准加入法。 四、实验所需仪器、设备、材料（试剂） 仪器： 1．色层柱（Ф25mm，1300mm）； 2．1000mL 带活塞试剂瓶； 3．500mL 锥形瓶； 4．分光光度计，10mm、30mm 比色皿； 5．50ml 具塞比色管，移液管，容量瓶等； 6．酸度计（配复合电极） 7．5ml、50ml 酸性滴定管； 8．氟离子选择性电极； 9．饱和甘汞电极或银-氯化银电极； 10．离子活度计或 pH 计，精确到 0.1mV； 11．磁力搅拌器、聚乙烯或四氟乙烯包裹的搅拌子； 12．聚乙烯杯：100mL,150mL。 13．其它必须实验仪器，如烧杯、量筒。 试剂： 1．铬标准贮备液： 铬标准贮备溶液：称取 0.2829 克于 110℃干燥两小时的重铬酸钾（基准试剂或优级 纯） ，用水溶解后移入 1000 毫升容量瓶中，加水至刻度，摇匀。此溶液 1.00 毫升=100 微 克铬（六价） 。 2．铬标准使用液： 铬标准使用溶液： 吸取上述铬贮备液 10.0 毫升于 1000 毫升容量瓶中，加水稀释至 标线，摇匀。此溶液 1.00 毫升=1.0 微克铬（六价） 。 3．二苯碳酰二肼溶液： 称取二苯碳酰二肼（简称 DPC，C 13H14N4O）0.2g，溶于 50ml 丙酮中，加水稀释到 100ml，摇匀，贮于棕色瓶内置于冰箱中保存。若溶液颜色变深后，不能再用。 4．（1+1）硫酸。 5．（1+1）磷酸。 6．（1+1）氨水。 7．丙酮。 8．硝酸银 9．过硫酸铵 10．氯化钠 11．苯基代邻氨基苯甲酸 12．硫酸亚铁铵标准溶液 13．0.01mol/l 的 EDTA 标准溶液。 14．pH=10 的氨-氯化铵缓冲溶液（54 克氯化铵溶于 200ml 水中，加 350ml 氨水，用 水稀释至 1000ml）。 15．铬黑 T 指示剂 16．氟化物标准贮备液： 称取 2.210g 基准氟化钠（NaF ） （预先于 105-110℃烘干 2h，或者于 500-650℃烘干 约 40min,冷却） ，用水溶解后转入 1000mL 容量瓶中，稀释至标线，摇匀。贮存在聚乙烯 瓶中。此溶液每毫升含氟离子 1000μg。 17．氟化物标准溶液：用无分度吸管吸取氟化钠标准储备液 10.00mL，注入 1000mL 容量瓶中，稀释至标线，摇匀。此溶液每毫升含氟离子 10μg。 18．0.5mol/L 柠檬酸钠—1.0 硝酸钠总离子强度缓冲液：称取 147 克柠檬酸钠及 85 克硝酸钠溶于 800 毫升水中，用盐酸调 PH 为 5.5，稀释至 1000 毫升。 19．2mol/L 盐酸溶液。 20．pH 值标准溶液：称取 1.179 克 KH2PO4 和 3.533 克 Na2HPO4 于 110~113℃下烘干 2 小时然后溶于 1000 毫升的容量瓶中，准确标定至刻度时此基准溶液的 pH 值为 7.413。 五、实验预习要求、实验条件、方法及步骤 （一）电厂灰水模拟实验 将取出草木、砖石等杂物的粉煤灰置于阴凉通风处，使之风干。研磨后用四分法缩 分，然后通过 0.5mm 孔径的筛，制备样品量约 1000g，装入色层柱，约高 200mm。试剂 瓶中装蒸馏水，以 4.5mL/min 的速度通过色层柱流入锥形瓶，待滤液收集至 400 mL 时关 闭活塞，摇匀滤液，作为待测水样。 （二）Cr 6+的测定 1．二苯碳酰二肼分光光度法 1）标准曲线绘制 吸取 0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 毫升铬标准使用溶液于 50 毫升比色管中，用水稀释至 40 毫升左右，加 0.5 毫升 1+1 硫酸，0.5 毫升 1+1 磷酸， 摇均。加入 2 毫升 0.2%二苯碳酰二肼 —丙酮溶液，立即摇匀，用水稀释至刻度，摇匀。 5~10 分钟后于 540Am 处，用 3 厘米比色皿，蒸馏水作为参比，测定吸光度。 2）水样的测定 取适量模拟灰水，调至中性，按标准曲线操作步骤，测定吸光度。再分别测定实际 灰水水样和监测井水样。 2．硫酸亚铁铵滴定法 用硫酸亚铁铵滴定法分别测定模拟灰水、实际灰水和监测井水样的总铬含量。 （三）水中总硬度的测定 用移液管吸取水样 100ml 于 250ml 锥形瓶中，加入 5mlNH3—NH4+缓冲溶液（3.37g 氯化铵溶于 10ml 水加 28.5ml 浓氨水，稀释至 50ml）和 1 滴铬黑 T 指示剂，在不断摇动 下，用 EDTA 标准溶液进行滴定，接近终点时应缓慢滴定，溶液由红色转为蓝色即为终 点。全过程应于 5min 内完成，温度不应低于 15℃。另取 100mlⅡ级试剂水同理测定空白 值。水样硬度太小应采用 5ml 微量滴定管。根据公式（4 ）即可求出水样的总硬度。 分别测定模拟灰水、实际灰水水样和监测井水样。 （四）水中 pH 值的测定 （1）根据酸度计的仪器使用说明书的要求操作。打开酸度计电源开关后，预热半小 时。 （2）用 pH 值标准溶液校正仪器刻度。 （3）废水的测定 仪器经过校正后方可用于测定。测定时，先用水缓缓淋洗电极 3～5 次，再用被测废 水水样淋洗 3～5 次后，轻轻将电极放入预先在室内放置半小时以上的 25～50 毫升废水 中。注意电极的玻璃必须浸入水中。轻轻摇动使废水水样均匀。反复读取 pH 值，直到读 数稳定为止。 分别测定模拟灰水、实际灰水水样和监测井水样。 （五）水中氟化物的测定 （1）标准曲线 a 取 10 个 50 毫升的容量瓶，分别加入氟化钠标准使用液（1.00 毫升=10 微克氟化 物）0.1、0.2、0.3、0.5、0.7、1.0、1.5、2.0 毫升加 10 毫升 0.5mol/L 柠檬酸钠-1.0M 硝酸 钠总离子强度缓冲溶液。用水稀释至刻度，摇均。 b 将溶液分别注入 100 毫升烧杯中，先取浓度低的溶液，然后，依次升高浓度，放 入电极后，搅拌 5 分钟。 c 待仪器指针稳定后记下毫伏数 d 在对数坐标纸上。绘制标准曲线。 （2）废水样品的测定 准确吸取废水样 10.0 毫升（含氟量 1~10 微克）置于 50 毫升容量瓶中，加入 10 毫升 总离子强度缓冲液，用水稀释至标线，摇均。 将溶液注入 100 毫升烧杯中搅拌，待指针稳定后，读取毫伏数。由标准曲线上查得 氟化物含量。 计算公式 氟化物（毫克/ 升）= vm 式中：m——从标准曲线上查得氟化物的微克数； V——废水体积，毫升 分别测定模拟灰水、实际灰水水样和监测井水样。 六、实验结果分析 利用所测出的模拟灰水、实际灰水和监测井水样数据，再结合以下基础数据，分析 pH、总硬、Cr 6+、F － 在灰场地下土壤层中的迁移转换规律，得出保定电厂灰水中各污染 物对地下水的影响。 一、基础数据 1.冲灰水的基本特征 保定热电厂粉煤灰的化学成分、物理特征及灰水的化学成分见表 1-1、1-2 。 表 1-1 保定市热电厂粉煤灰化学成分表 成分 SiO2 Al2O Fe2O3 CaO MgO TiO K2O Na2O 余碳 % 45.76 28.73 10.97 4.67 0.5 1.35 0.071 0.44 7.39 表 1-2 保定电厂粉煤灰物理特征 不同粒径（mm）百分比 20 20~5 5~1 1~0.1 0.1~0.01 75% 4 = 不论个体多少，盖度为 50～75% 3 = 不论个体多少，盖度为 25～50% 2 = 不论个体多少，盖度为 5～25%，或者盖度虽然5%，但个体数稀少 ＋= 个体数稀少，盖度1% r = 盖度很小，个体数很少（常常只有 1～3 株） 由于这个等级系统使用方便，目前仍被大多数植被生态学家所采用。图 附－9 是多 盖度等级模式图，读者如能按图在野外反复练习，即可正确掌握级别的划分。 图中大写数字代表 Braun-Blauquet 五个多盖度等级，小写数字表示盖度百分数。除 了 Braun-Blauquet 的五级制外，估测种的盖度或多盖度还有许多其它方法，常用的有 Domin 十级制以及修订的 Braun-Blauquet 九级制等，它们都可以与 Braun-Blauquet 的五 级制换算，其换算方式见图 附－10。 此 外 ， 在 以 往 的 文 献 中 用 以 评 定 种 的 数 量 特 征 的 方 法 还 有 Drude 多 度 级 、 Clements 多 度 级 。 Drude 多度级分为：Soc(Sociales)= 极多或背景化，植物地上部分郁闭，铺满地面 形成背景；Cop(Copiosae)= 个体数目很多，但未达到背景化，这一级又可分为三等级： Cop3(很多)，Cop 2(多)，Cop 1(相当多)；Sp(Sparsae)= 数量少，稀疏，散生； Sol(Solitariae)= 稀少，零落出现；Un(Unicum)= 只见一株。Clements 多度级分为： D(Dominant)=优势；A(Abundant)= 丰盛；F(Frequent)=常见；O(Occasional)= 偶见；R(Rare)= 稀少；Vr(Very rare) = 很少。它们和 Braun-Blauquet 多度级之间的对比关系如表 附－2 表示： 图 附－9 多盖度综合级估量的辅助图（引自：Dierschke，1994）