研究性學(xué)習(xí)一例——近地臭氧污染的監(jiān)測(cè)Ｉ
2007-01-01 00:00:00佘平平熊輝劉海洋石羽茜
化學(xué)教學(xué) 2007年5期
摘要：利用文獻(xiàn)調(diào)查法和實(shí)驗(yàn)研究法。運(yùn)用高一化學(xué)中氧化還原反應(yīng)、I2的性質(zhì)等知識(shí)自制了臭氧測(cè)量工具并對(duì)北京二中及其附近地區(qū)的近地臭氧污染進(jìn)行了測(cè)量。
關(guān)鍵詞：近地臭氧污染；監(jiān)測(cè)方法；氧化還原反應(yīng)；I2的性質(zhì)
文章編號(hào)：1005－6629(2007)05－0039－04中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
1課題的背景[1，2]
臭氧(O3)是天然大氣的重要微量組分，大部分集中在離地面10-30公里的平流層中，在最靠近地面的對(duì)流層中的氧僅占約10%左右。平流層中氧的存在對(duì)于地球生命物質(zhì)至關(guān)重要，因?yàn)樗钃趿烁吣芰康淖贤廨椛涞竭_(dá)地面，已成為地球生命系統(tǒng)的保護(hù)層。但當(dāng)氧過多地聚集在地面附近時(shí)，臭氧更像是一劑猛烈的毒藥。臭氧的強(qiáng)氧化性對(duì)人體健康有危害作用，過多吸入會(huì)引起嚴(yán)重的肺部疾病。一般認(rèn)為臭氧吸入體內(nèi)后，能造成細(xì)胞損傷，引起上呼吸道的炎癥病變。由于氧能引起上呼吸道炎癥，損傷終末細(xì)支氣管上皮纖毛，從而削弱了上呼吸道的防御功能，因此長(zhǎng)期接觸一定濃度的臭氧還易于引發(fā)上呼吸道感染。臭氧濃度在2ppm時(shí)，短時(shí)間接觸即可出現(xiàn)呼吸道刺激癥狀、咳嗽、頭疼。近地臭氧污染受到歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視，但過去我國(guó)對(duì)近地臭氧污染的認(rèn)識(shí)不夠。本課題研究的內(nèi)容為自制工具測(cè)量近地臭氧污染。
2課題的意義
2.1 重要性
目前我國(guó)計(jì)入空氣污染指數(shù)的項(xiàng)目暫定為二氧化硫、氮氧化物和總懸浮顆粒物。說明過去我國(guó)對(duì)近地臭氧污染的認(rèn)識(shí)不夠。[3]
志愿者研究表明接觸0.09ppm臭氧2小時(shí)后，肺活量、用力肺活量和第一秒用力肺活量顯著下降；濃度達(dá)0.15ppm時(shí)，80%以上的人感到眼和鼻粘膜刺激，100%出現(xiàn)頭疼和胸部不適。臭氧濃度在2ppm時(shí)，短時(shí)間接觸即可出現(xiàn)呼吸道刺激癥狀、咳嗽、頭疼。[4]
北京市副市長(zhǎng)吉林日前表示，為確保2008年奧運(yùn)會(huì)期間空氣質(zhì)量達(dá)到要求，北京將制定出臺(tái)《奧運(yùn)空氣質(zhì)量保障方案》，可吸入顆粒物和近地臭氧污染成大氣污染控制重點(diǎn)。[5]
2.2 知識(shí)實(shí)踐性
高一學(xué)習(xí)了氧化還原反應(yīng)的相關(guān)知識(shí)，可利用臭氧的強(qiáng)氧化性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)之。
培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)意識(shí)、科學(xué)方法、環(huán)保意識(shí)。
2.3 實(shí)用性和創(chuàng)新性
可以用測(cè)量的結(jié)果為依據(jù)提出倡議保護(hù)環(huán)境。
目前近地臭氧污染在中學(xué)作為研究性學(xué)習(xí)的課題幾乎未見研究成果報(bào)道。
3研究過程
3.1 初步方案設(shè)想
流程圖
運(yùn)用的研究方法：文獻(xiàn)調(diào)查法、實(shí)驗(yàn)研究法。
3.2查閱文獻(xiàn)
3.2.1臭氧的基本性質(zhì)
數(shù)據(jù)表明O3的氧化還原電位很高，即氧化性很強(qiáng)?？梢岳脕頊y(cè)量O3濃度。
3.2.2 已有的近地臭氧測(cè)量方法[7]
碘量法是最常用的臭氧測(cè)定方法，我國(guó)和許多國(guó)家均把此法作為測(cè)定氣體臭氧的標(biāo)準(zhǔn)方法，我國(guó)建設(shè)部發(fā)布的《臭氧發(fā)生器臭氧濃度、產(chǎn)量、電耗的測(cè)量》標(biāo)準(zhǔn)CJ/T3028.2-94中即規(guī)定使用碘量法。其原理為強(qiáng)氧化劑臭氧(O3)與碘化鉀(KI)水溶液反應(yīng)生成游離碘(I2)，臭氧還原為氧氣。
物理方法分析臭氧在國(guó)際上最流行的是紫外線吸收法。它是利用臭氧對(duì)254nm波長(zhǎng)的紫外線特征吸收的特性，依據(jù)比爾—郎伯(Beer-Lambert)定律制造出的分析儀器，只要選擇合適長(zhǎng)度的吸收池，就可以檢測(cè)0.002mg/m3—5%(vol)濃度的臭氧。其線形在4—5個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)都很好。該法已被我國(guó)作為環(huán)境空氣中測(cè)定臭氧的標(biāo)準(zhǔn)方法(GB1/T1154348)。
靛藍(lán)二磺酸鈉(簡(jiǎn)稱IDS)分光光度法原理是含臭氧的氣體在有多孔玻板的吸收管中通過藍(lán)色的IDS溶液，生成的溶液用分光光度計(jì)在610nm處測(cè)量，通過計(jì)算得出臭氧濃度。這種方法操作比較復(fù)雜，用于檢測(cè)環(huán)境中臭氧濃度或作為基準(zhǔn)用來標(biāo)定物理方法儀器(低濃度)。IDS法也被定為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)用來測(cè)定環(huán)境中的臭氧濃度(GB/T15437)。
化學(xué)發(fā)光法是利用過量的乙烯(或一氧化氮)與臭氧發(fā)生化學(xué)發(fā)光，用光電倍增管接受發(fā)光光強(qiáng)來計(jì)算出臭氧的濃度。此法在上世紀(jì)七、八十年代很盛行，曾經(jīng)被美國(guó)ERP列為環(huán)境檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方法之一?，F(xiàn)已被紫外法所取代。
德國(guó)、日本和我國(guó)都生產(chǎn)臭氧檢測(cè)管，濃度范圍分為高(1000ppm)、中(10ppm)、低(3ppm)三類，用于檢測(cè)空氣臭氧濃度，適于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，使用簡(jiǎn)便，但精度低(為±15%)。
3.3 實(shí)驗(yàn)過程
3.3.1 自制測(cè)量裝置——臭氧試紙
原理：強(qiáng)氧化劑臭氧(O3)與碘化鉀(KI)反應(yīng)生成游離磺(I2)。
O3+2KI+H2O→O2＋I(xiàn)2＋2KOHI2遇淀粉變藍(lán)
依據(jù)：氧化還原反應(yīng)的知識(shí)，I2的化學(xué)性質(zhì)，定捷倫科技資助“清潔空氣的挑戰(zhàn)”教程提供的試紙比色卡。
制作方法：100ml蒸餾水煮沸，加5g淀粉加熱攪拌至液體透明。停止加熱，向混合物中加1g KI，攪拌一段時(shí)間。將濾紙放入混合液中，徹底浸潤(rùn)后，拿出微波爐加熱40s烘干。用保鮮膜包好封存起來(注意隔絕空氣)。
操作方法：使用時(shí)將試紙拿出，暴露在空氣中1h(除特殊指明外，一般避光測(cè)試)，而后將試紙與比色卡做對(duì)比。
實(shí)驗(yàn)效果：基本符合要求。
優(yōu)點(diǎn)：操作方便、攜帶方便、尤其適合室外隨時(shí)測(cè)量。
缺點(diǎn)：定量效果不太理想。
3.3.2 測(cè)量結(jié)果與討論
3.3.2.1 臭氧濃度的日變化
測(cè)量時(shí)間：2006年10月25、26、29日
測(cè)量地點(diǎn)：北京二中化學(xué)辦公室內(nèi)
測(cè)量手段：自制臭氧試紙
測(cè)量結(jié)果：
結(jié)果說明：10月25日～10月29日氣溫相差不大。10月25日：陰氣溫3℃～17℃，早晚溫差大。由于早晚溫差大，中午的臭氧濃度相對(duì)較大。10月26日辦公室開了空調(diào)氣溫約為23℃。由于開了空調(diào)26日室內(nèi)臭氧濃度比25日大得多。說明溫度對(duì)臭氧濃度有正影響。
測(cè)量時(shí)間：2006年10月29日
測(cè)量地點(diǎn)：朝陽(yáng)門南北小街交接處天橋
測(cè)量手段：自制臭氧試紙
測(cè)量結(jié)果：
結(jié)果說明：表2、3的結(jié)果表明，10月29日辦公室內(nèi)和交通樞紐的臭氧濃度相差較大，初步認(rèn)為是由于交通樞紐汽車尾氣引起臭氧濃度增大。
3.3.2.2 臭氧濃度與光照的關(guān)系
測(cè)量時(shí)間：2006年10月26日11:00～12:00
測(cè)量地點(diǎn)：北京二中化學(xué)辦公室內(nèi)、外
測(cè)量手段：自制臭氧試紙
測(cè)量結(jié)果：
結(jié)果說明：光照對(duì)臭氧濃度有正影響。
3.3.2.3臭氧濃度月變化
測(cè)量時(shí)間：2006年10月每日11:00～12:00
測(cè)量地點(diǎn)：北京二中化學(xué)辦公室內(nèi)
測(cè)量手段：自制臭氧試紙
測(cè)量結(jié)果：臭氧濃度10月變化圖(圖1)
結(jié)果說明：10月份前期近地臭氧污染比后期嚴(yán)重?？赡茉蚴翘鞖廪D(zhuǎn)涼，氣溫降低使得光化學(xué)作用逐漸轉(zhuǎn)弱。
3.3.4結(jié)論
臭氧試紙能夠粗略地檢測(cè)大氣臭氧濃度。
近地臭氧濃度受溫度、光照和汽車尾氣的影響。溫度升高，臭氧濃度加大。
光照也會(huì)加大臭氧濃度。交通樞紐汽車流量大，臭氧濃度較大。臭氧日最高濃度一般出現(xiàn)在下午1點(diǎn)。
3.3.5倡議
臭氧是經(jīng)過光化學(xué)反應(yīng)生成的新的污染物(又稱二次污染物)，其危害比一次污染物更為嚴(yán)重。我們的測(cè)量結(jié)果表明汽車排放的氮氧化物、碳?xì)浠衔飮?yán)重影響近地臭氧污染的發(fā)生。而且溫度和光照對(duì)近地臭氧污染有正影響?？蒲泄ぷ髡甙l(fā)現(xiàn)，汽車尾氣排放物產(chǎn)生的光化學(xué)反應(yīng)造成了近地臭氧水平過高。高溫和光照天氣會(huì)加快這種光化學(xué)反應(yīng)，增大了有害氣體的濃度，致使呼吸道疾病人數(shù)明顯增多。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展我國(guó)機(jī)動(dòng)車數(shù)據(jù)持續(xù)增加，使得臭氧污染成為一個(gè)不可忽視的污染源。我們倡議：
學(xué)習(xí)國(guó)外，在空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)中增加對(duì)臭氧的監(jiān)控。
控制機(jī)動(dòng)車尾氣排放，減少對(duì)空氣的污染。推廣使用清潔能源的汽車：電動(dòng)汽車、氫能源汽車等。
在臭氧含量超標(biāo)時(shí)，號(hào)召大家減少戶外活動(dòng)。對(duì)在臭氧超標(biāo)時(shí)必須戶外工作的高危人群如交警等，建議使用一些抗氧化物質(zhì)。
4后續(xù)工作
前期工作已經(jīng)建立了粗略測(cè)量臭氧的方法，并測(cè)量了10月份北京二中的近地臭氧污染。但是測(cè)量數(shù)據(jù)均為北京二中附近的臭氧污染不具備代表性。所以，我們小組下一步的工作計(jì)劃為：
針對(duì)臭氧試紙定量效果差的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于傳感器的測(cè)量方法，增強(qiáng)定量效果。
監(jiān)測(cè)北京市各區(qū)近地臭氧污染的情況。
查文獻(xiàn)了解影響臭氧含量的因素(機(jī)動(dòng)車尾氣，揮發(fā)性有機(jī)物等)。實(shí)地調(diào)查北京市這些影響因素的存在情況。
結(jié)合調(diào)查報(bào)告和研究報(bào)告，針對(duì)北京市的近地臭氧污染現(xiàn)狀提出倡議。
5致謝
感謝安捷倫科技贊助“清潔空氣的挑戰(zhàn)”教程提供的臭氧比色卡。
感謝北京市對(duì)北京二中環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室的資助。
參考文獻(xiàn)：
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[2]http://www.chinaenvironment.com/urgl/2005-06/12/9487.html臭氧也會(huì)污染空氣[OL].下載時(shí)間：2006-09-25.
[3]http://green.gscas.ac.cn/type/view.asp?id=311空氣污染指數(shù)[OL].下載時(shí)間：2006-09-25.
[4]http://www.dchjjc.com/cn/news_show.asp?id=138室內(nèi)環(huán)保知識(shí)手冊(cè)[OL].下載時(shí)間：2006-09-25.
[5]http://www.envir.gov.cn/info/2006/8/84642.htm北京凈化空氣迎奧運(yùn)重點(diǎn)控制可吸入顆粒物和臭氧污染[OL].下載時(shí)間：2006-09-25.
[6]http://www.emn.com.cn/Article/A489454ED6355CCE6.html臭氧介紹[OL].下載時(shí)間：2006-09-25.
[7]http://www.ozoneinfo.net/free/Article/Show Article/asp? ArticleID=786臭氧的檢測(cè)方法[OL].下載時(shí)間：2006-09-25.
[8]曹麗娟.美國(guó)“清潔空氣的挑戰(zhàn)”培訓(xùn)案例介紹[J].化學(xué)教學(xué).2006(11):36-37.
