毕业开题报告-土壤和沉淀物中重金属形态分析研究毕业论文.doc

山 东 科 技 大 学本科毕业设计（论文）开题报告题 目土壤和沉淀物中重金属形态分析研究学 院 名 称 专业班级 学生姓名 学 号 指 导 教 师 填表时间： 2012 年 4月 11 日填表说明1.开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。2.此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期完成，经指导教师签署意见、相关系主任审查后生效。3.学生应按照学校统一设计的电子文档标准格式，用A4纸打印。4.参考文献不少于8篇，其中应有适当的外文资料（一般不少于2篇）。5.开题报告作为毕业设计（论文）资料，与毕业设计（论文）一同存档。设计（论文）题目土壤和沉积物中重金属形态分析研究设计（论文）类型（划“”）工程设计应用研究开发研究基础研究其它一、 本课题的研究目的和意义 土壤中的重金属含量随着工农业生产的发展而增加,严重影响着人类及其它生物的健康与生存。而土壤中的重金属的毒性不仅与其总量有关,更大程度上由其形态分布所决定。因此,土壤中的重金属形态分析己成为现代分析化学特别是环境分析化学领域的一个热门研究方向。20世纪5 0年代日本发生的由汞污染引起的“水俣病”事件和由镉污染引起的“骨痛病”事件,以及在欧洲某些国家陆续发生的由重金属污染而导致的一系列严重生态后果,引起了人们对重金属污染的重视。重金属污染物具有较为复杂的化学性质和极强致毒性。自20世纪70年代以来,重金属污染与防治的研究工作备受关注。目前,重金属污染物已被众多国家列为环境优先污染物。 土壤中的重金属较难迁移,具有残留时间长、隐蔽性强、毒性大等特点,并且可能经作物吸收后进入食物链,或者通过某些迁移方式进入到水、大气中从而威胁人类的健康与其它动物的繁衍生息，因此治理受重金属污染的土壤一直是国内外瞩目的热点和难点研究课题。 重金属的生物毒性不仅与其总量有关,更大程度上由其形态分布所决定。不同的形态产生不同的环境效应,直接影响到重金属的毒性、迁移及在自然界的循环。重金属作为一种持久性有毒的污染物,进入土壤后不能被生物降解,并能通过地面扬尘被人体直接吸入。目前,土壤重金属污染所带来的环境问题日益受到人们的重视,已经成为国际环境土壤学研究的热点。因此,研究土壤重金属形态分析,发现其在土壤中的主要分布形态，从而找到将其从土壤中取出的有效方法十分重要。 土壤中的重金属以不同结合态存在，主要包括可交换态及碳酸盐结合态( 弱酸溶解态)、Fe/Mn 氧化物结合态(可还原态) 、有机物及硫化物结合态( 可氧化态) 和残渣态, 其中前3种形态统称为可提取态。重金属的总量往往很难表征其污染特性和危害,土壤中重金属的迁移转化规律、毒性以及可能产生的环境危害更大程度上取决于其赋存形态,如Cr( III)是人体必需的,而Cr(VI)具有高毒性,其生理毒性比Cr(III)高100倍;As( III)的毒性高于As(V);游离态的铜对水生生物的毒性大于与有机体结合的络合态铜,其络合物越稳定,毒性就越低。所以,将土壤作为研究对象探讨重金属的形态分析具有重要意义。 表征与测定元素在环境中存在的各种物理和化学形态的过程叫形态分析，形态分析的主要目的是确定具有生物毒性的重金属含量，当所测定的部分与重金属生物效应或毒性一致时，形态分析的目的就可实现.环境中重金属的分析方法很多，如溶出伏安法、离子选择电极法、化学修饰电极法、化学分离含量测定法和形态分布规律的数学计算方法.土壤中各种影响因素复杂多变，重金属的形态分析大多采用提取方法，包括单级提取和多级提取。土壤重金属形态分析是指对用各种提取剂对土壤重金属的各个形态进行连续提取进而采用一定的方法测定其各形态含量。重金属进进土壤后，通过溶解、沉淀、凝聚、络合吸附等各种反应，形成不同的化学形态，并表现出不同的活性。土壤重金属形态分析与重金属在土壤中的迁移性、可给性、活性及污染土壤修复有密切关系。重金属形态分析的主要目的是确定具有生物毒性的重金属的含量，其分析的难度比测定元素总量的难度大得多，因而发展可靠的分析方法和检测仪器，正确地测定环境中痕量元素的化学形态还是今后的主要发展方向。 土壤和沉积物中重金属的形态及其转化对研究重金属的环境效应及重金属污染土壤和沉积物的治理修复具有重要意义。并且重金属的生物毒性在很大程度上取决于其存在形态，元素总量已经不能很好地说明环境中痕量金属的化学活性、再迁移性、生物可给性以及最终对生态系统或生物有机体的影响。本文介绍了土壤和沉积物中重金属的形态分析方法及其治理修复方法, 但由于不同形态的重属对动植物有不同生物有效性和毒性, 且当土壤和沉积环境发生变化时, 将导致重金属在颗粒态和溶解态之间的转化,因此, 研究重金属在土壤和沉积物中的形态分布对于了解重金属来源、变化形式迁移规律和对生物的毒害作用等十分必要。 二、本课题的主要研究内容（提纲）1土壤和沉积物重金属研究的现状和发展 1.1土壤和沉积物中重金属的来源 1.2土壤和沉积物中重金属的危害 1.3土壤和沉积物重金属分析的环境学意义 1.3国内外土壤和沉积物中重金属分析的研究现状 1.4本研究的目的和意义2.重金属分析方法 2.1形态分析的定义 2.2土壤和沉积物中重金属形态 2.3影响土壤和沉积物中重金属分布的因素 2.4土壤和沉积物中重金属形态分析方法3.济南土壤及大明湖沉积物的重金属的形态分析 3.1济南土壤重金属形态分析 3.2大明湖沉积物重金属形态分析4.结果及讨论5.治理对策三文献综述（国内外研究情况及其发展）1. 土壤和重金属的研究状况及发展趋势1.1土壤中重金属形态分析国内外发展趋势 国外对土壤重金属的污染的报道最早是可以追溯到十九世纪发生在日本的足尾铜山公害事件。在50年代前后，日本出现了“水俣病”和“骨痛病”，并且查明这是由于汞和铬污染所引起的公害之后，重金属的污染才备受关注。 在城市土壤重金属污染方面，国外许多学者进行了探索。Bilos等人研究认为：城市中污染源较多，可释放大量重金属进入大气和土壤，因此城市绿地土壤一植物受重金属污染更为严重。有研究显示，在特定地物（如建筑物等）周围，土壤重金属的污染程度与该地物的建成时间和位置有关；另外，人类活动越密集的地区重金属污染越严重。工业化程度与城市土壤中重金属的含量（例如Cd,Cu,Pb,Zn）密切相关。Madrid等人对西班牙塞维利亚市主要公园和绿地土壤重金属含量的调查显示，位于居住,休闲地区的土壤样点的Pb,Zn和Cu（尤其是Cu）的含量超出人们可接受的范围。显示机动车辆是土壤中重金属含量增加的一个重要原因。Albasel等人的研究发现，土壤Cu,Pb,Zn的含量在逐渐远离公路时而迅速降低。这不仅是因为汽车尾气会释放重金属进入周围环境，而且车辆的正常损耗同样可以造成土壤中重金属的积累。汽车尾气对重金属增加的贡献主要是Pb,同时也会影响到Zn,Cu。土壤中的Cu,Zn,Cd含量，特别是Pb的含量，与机动车辆有密切关系。Blakel等人的研究还表明，大气沉降会导致土壤以及作物中的重金属增加，包括通过大气降水以及气液悬浮物进入土壤。据Bandnu等人的研究，大气中的重金属与土壤中的重金属有密切的关系。 在中国，土壤研究刚刚起步。这些研究的兴起，使人们逐渐认识到土壤重金属的特殊性、复杂性和其对生态环境的重要影响。卢瑛、马建华、管东生等的研究结果也表明城市土壤不同程度的受到了重金属的污染，而且大部分重金属污染物含量水平都高于郊区农村土壤。华沙、科隆、汉堡、南京、香港等城市的研究结果均说明同一城市的土壤重金属含量存在显著的空间差异，即使在较短距离内重金属含量也会完全不同。在不同的城市之间，同一种重金属的含量也存在显著差异。由于城市的建设，如建筑、修路等以及工业废气物、生活垃圾、交通运输废气等的排放，城市土壤剖面常遭受严重改变，土壤中有许多不同来源物质的混入，最终导致自然土壤发生层被破坏，许多土壤剖面上下土层无发生学上的联系，最终的结果之一就是重金属含量在剖面上的分布无规律，国内外很多城市的研究结果都证实了这一点。1.2沉积物中重金属分析国内外发展趋势 20世纪60年代初在英国以认触bb为首的地球化学家对北爱尔兰、英格兰和威尔士的水系沉积物进行了系统的地球化学测量，编制了主要元素和一些微量元素图，并分析了它们对人类、动物、植物的影响。20世纪70年代，国外学者开展了如莱茵河、洛杉矶湾、死海、日耳曼湾等水体及沉积物中重金属污染的研究。Callnnal等的研究表明，北海易北河上游段沉积物富集Hg、cd和zn已达到自然背景值的10至100倍;澳大利亚的Jackson港，海水沉降颗粒物中Pb的含量高达365一750ug/gZn的含量高达700一 1l00ug/g，Cu的含量高达170一280ug/g;印度和德国学者对恒河的研究揭示，流经德里等都市的河段沉积物中重金属的含量与自然背景值相比较，Cr和Ni的富集超过1.5倍，Cu、Zn、Pb的富集超过3倍，Cd的富集超过14倍。Olivare-Rieumont等通过对古巴哈瓦那Almendares河的沉积物中Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、Co的空间分布的研究，发现该河流重金属含量处于较高水平，其中三元素富集程度最高，富集指数高达10以上。20世纪80年代末，美国、加拿大、日本、德国、意大利等国广泛开展了以水系沉积物研究为手段的区域地质一地球化学调查与研究1。德国学者 FOrsiner1989年出版了专著污染沉积物一书，详细介绍了水体沉积物的各种性质，污染状况，评价方法，基准研究等。20世纪90年代初，美国、加拿大和澳大利亚等国家为了进行严格的实验室质量控制，己研制生产出了统一的沉积物标准物质。经过几十年的努力，国际上水系沉积物重金属质量基准方面的研究也取得了较大的进展，部分国家和地区己经在形态分析的基础上制定了适合于本国和本地区的水系沉积物重金属质量基准(SQC)。 我国自上世纪70年代以来，先后对珠江、长江、黄河口及大陆架等地区开展了河口及近海沉积物地球化学调查和研究，但大多数工作集中于研究沉积物中的重金属的吸附及表面络合方法，从80年代开始特别注重了对重金属等元素地球化学的研究，如金相灿开始对河流沉积物中的重金属吸附特征进行研究。到现在我国的一些大的河流都有学者进行过研究:陈静生J对我国东部20条河流悬浮物与沉积物的地球化学特性及重金属污染物在沉积物中的化学行为和地理分布规律性进行了研究，并对湘江、金沙江、黄河、鸭绿江以及我国东部地区河流沉积物和悬浮物重金属的赋存形态进行了分析和研究。王连生等对淮河沉积物中重金属进行了测定和污染评价，结果显示:淮河沉积物中有一定的重金属污染，其中Cu、Pb、Cr、Ni污染水平较高。周福来等针对淮河淮南段河道沉积物中的Cr、Zn、Cu三种元素在特定条件下做了模拟淋溶实验，得出河道下游的Cr和Cu有很强的积累。众多学者对太湖进行了较为深入的研究，王海等人采用BcR三步分级提取法对太湖表层沉积物中重金属进行形态分析，通过8种重金属不同形态的含量评估了太湖沉积物中重金属的生物有效性。王新伟、何江等人以系统的形态分析实验研究为基础，结合上覆水、悬浮物、沉积物及孔隙水中重金属的分布特征，对黄河包头段、清水段水体及水系沉积物中重金属的存在形式、污染特征及重金属吸附、释放做了大量研究，得出了黄河沉积物中存在等重金属的污染，尤其Pb、Cd等重金属具有较大的潜在生态危害性和风险性。2.3形态分析方法 土壤及水体沉积物中所含的金属形态也直接影响动植物的生物活性。对土壤及沉积物中重金属不同化学相的提取，有许多学者提出了不同的方法和流程，主要包括单级提取法和多级连续提取法。 单级提取法通常指的是生物可利用萃取法，直接以选择性化学试剂5HNO3 或 1mol/L HCl萃取该法操作简便，提取时间短，便于直观地了解土壤的受污染程度，并判断其对农作物的潜在危害性。 多级连续提取法就是利用反应性不断增强的萃取剂对不同物理化学形态重金属的选择性和专一性，逐级提取颗粒物样品中不同有效性的重金属元素的方法。研究者常用的多级连续提取方法有 Forstner 法 Tessier 法及欧共体标准物质局(BCR)法，其中以 Tessier 和 BCR 法最为权威。Forstner法将重金属形态分为可交换态碳酸盐态易还原态(主要是还原物)中等还原态可氧化态残态。Tessier 法将重金属赋存形态分为可交换态碳酸盐结合态铁锰氧化物结合态有机结合态和硫化物结合态残渣态。BCR法把重金属赋存形态分成乙酸可提取态可还原态可氧化态及残渣态。周康民等以 BCR 法为基础进行改进，对 Cu Pb Zn Cd Co Cr Mn Mo Ni As Se Hg 等生态地球化学中重要的目标元素进行更深入的研究，探讨了这一形态分组方案的可行性。3.济南土壤及大明湖沉积物的重金属的形态分析3.1济南土壤中的重金属形态分析 济南周边地区土壤类型依地形、水文、气候、植被、母岩、母质等自然条件的差异及人为生产活动的影响，在全市范围内由南到北、从高到底，依次分布着显域性土壤棕壤、褐土，隐域性土壤潮土、砂姜黑土、水稻土、风砂土等6个土类，13个亚类，27个土属，72个土种。 温超等采用BCR连续提取法对济南周边地区的土壤样品进行了不同存在形态的提取，测得了重金属Cd、Co、Cu、Mn、Ni、pb、Zn、As和 Cr等元素在各个采样点的醋酸可提取态、可还原提取态、可氧化提取态和残渣态等4个形态的含量，结果见下表：形态平均值CdCoCuMnNipbZnAsCr醋酸可提取太潮土0.2381.4281.128113.8980.2307.09717.4580.0350.208褐土0.2470.1351.66582.3290.0436.64517.0520.0500.215棕壤0.1721.7111.394118.0240.2435.43811.491N.D0.201可还原提取太潮土0.1912.5601.619124.7620.55712.33321.651N.D.0.246褐土0.2223.1762.805189.1051.79115.18337.907N.D.0.238棕壤0.2972.4551.806149.8340.4625.97322.746N.D.0.382可氧化提取太潮土0.2911.3852.69730.2254.1444.69825.0070.3280.787褐土0.2571.1211.94030.7543.9365.74417.4870.3820.320棕壤0.0461.1522.75627.1742.5942.95916.7490.2930.716残渣态潮土2.91810.06319.407283.08438.27880.20461.547391.78560.15褐土3.5678.69221.176282.34833.24872.88056.394482.22963.109棕壤4.20510.37921.333267.13932.860124.48274.262337.45953.8833.2大明湖沉积物中的重金属形态分析 大明湖地处山东省济南市区中心，湖面面积46公顷，湖水由市区诸泉汇聚而成。由于市区污水的排放，导致大明湖污染。目前，国内外学者还无人进行大明湖底泥沉积物重金属的形态分析研究工作。冯素萍，李鑫等采用Forstner形态分类法进行了这方面的研究，对底泥沉积物中Pb、Cr、Zn、Mn、Ca、Fe、Cu、Sr八种重金属的形态分布规律进行了总结，其结果见下表：3.3治理对策 土壤的重金属污染具有隐蔽性、长期性和不可逆性，加之有些重金属不易被植物和微生物降解，所以修复重金属污染土壤是比较困难的。污染物不仅会使土壤退化，降低农产品的质量和产量，还能通过食物链在人体内富集，从而危及人类的健康和生命。所以，重金属污染土壤的修复已成为国际研究的热点。重金属污染土壤的治理和修复按原理大致可分为物理、化学、生物和农业等几大类方法。 目前，重金属污染的修复主要有两种途径：改变重金属的存在状态，降低其活性，使其钝化，脱离食物链，减小其毒性。利用特殊植物吸收土壤中的重金属，然后将该植物除去，或用工程技术将重金属变为可溶态、游离态，再经过淋洗，然后收集淋洗液中的重金属，从而达到回收重金属和减少土壤中重金属的双重目的。四、拟解决的关键问题 1.土壤和沉积物中重金属的主要分析方法 2.通过对济南不同土壤及大明湖沉积物中重金属形态分析结果的研究，了解其中重金属主要的存在形态，并针对结果提出可行的治理对策5、 研究思路和方法a) 通过收集丰富的资料以及已有的理论知识，了解土壤和大气金属污染的来源及危害。总结不同的分析方法，了解其污染的特征，并对此作出系统而深入的分析记录。b) 针对不同的分析方法进行研究，通过对济南不同土壤及大明湖沉积物中重金属形态分析结果进行研究，了解其中重金属的主要存在形态，并提出可行性解决措施。六、本课题的进度安排（1）第1-4周：与指导老师联系，确定毕业设计课题，查阅资料，做开题报告及文献综述，翻译相关英文文献。（2）第6-5周：搜集阅读关于土壤中重金属的来源及危害的相关资料并加以整理。（3）第7-8周：搜集阅读土壤中重金属形态分析方法的相关资料并加以整理。（4）第9-10周：搜集阅读土壤中重金属形态分布影响因素相关资料并加以整理。（3）第11-13周：论文撰写阶段，针对所收集的资料并撰写论文。（4）第14-15周：答辩阶段，修改论文，做ppt并准备答辩。6、 参考文献 1.冯素萍,李鑫,赵祥峰,白洁,叶新强,王照军,唐厚全.大明湖底泥沉积物中重金属形态分析. 山东省计量科学研完院:9698 2.邹晓东,朱英,冯素萍. 大明湖底泥沉积物中重金属形态分析:128131 3.汪玉娟,吕文英,刘国光,姬慧民. 沉积物中重金属的形态及生物有效性研究进展.安全与环境工程,2009,16(4):2729 4.张 豪，张松林，张 威，王 旭. 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