研究性學(xué)習(xí)一例——近地臭氧污染的監(jiān)測Ｉ

摘要：利用文獻調(diào)查法和實驗研究法。運用高一化學(xué)中氧化還原反應(yīng)、I₂的性質(zhì)等知識自制了臭氧測量工具并對北京二中及其附近地區(qū)的近地臭氧污染進行了測量。

關(guān)鍵詞：近地臭氧污染；監(jiān)測方法；氧化還原反應(yīng)；I₂的性質(zhì)

文章編號：1005－6629(2007)05－0039－04中圖分類號：G633.8 文獻標(biāo)識碼：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，在最靠近地面的對流層中的氧僅占約10%左右。平流層中氧的存在對于地球生命物質(zhì)至關(guān)重要，因為它阻擋了高能量的紫外輻射到達地面，已成為地球生命系統(tǒng)的保護層。但當(dāng)氧過多地聚集在地面附近時，臭氧更像是一劑猛烈的毒藥。臭氧的強氧化性對人體健康有危害作用，過多吸入會引起嚴(yán)重的肺部疾病。一般認為臭氧吸入體內(nèi)后，能造成細胞損傷，引起上呼吸道的炎癥病變。由于氧能引起上呼吸道炎癥，損傷終末細支氣管上皮纖毛，從而削弱了上呼吸道的防御功能，因此長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，短時間接觸即可出現(xiàn)呼吸道刺激癥狀、咳嗽、頭疼。近地臭氧污染受到歐美發(fā)達國家的高度重視，但過去我國對近地臭氧污染的認識不夠。本課題研究的內(nèi)容為自制工具測量近地臭氧污染。

2課題的意義

2.1 重要性

目前我國計入空氣污染指數(shù)的項目暫定為二氧化硫、氮氧化物和總懸浮顆粒物。說明過去我國對近地臭氧污染的認識不夠。[3]

志愿者研究表明接觸0.09ppm臭氧2小時后，肺活量、用力肺活量和第一秒用力肺活量顯著下降；濃度達0.15ppm時，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，短時間接觸即可出現(xiàn)呼吸道刺激癥狀、咳嗽、頭疼。[4]

北京市副市長吉林日前表示，為確保2008年奧運會期間空氣質(zhì)量達到要求，北京將制定出臺《奧運空氣質(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。[5]

2.2 知識實踐性

高一學(xué)習(xí)了氧化還原反應(yīng)的相關(guān)知識，可利用臭氧的強氧化性設(shè)計實驗檢測之。

培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)意識、科學(xué)方法、環(huán)保意識。

2.3 實用性和創(chuàng)新性

可以用測量的結(jié)果為依據(jù)提出倡議保護環(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道。

3研究過程

3.1 初步方案設(shè)想

流程圖

運用的研究方法：文獻調(diào)查法、實驗研究法。

3.2查閱文獻

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。可以利用來測量O₃濃度。

3.2.2 已有的近地臭氧測量方法[7]

碘量法是最常用的臭氧測定方法，我國和許多國家均把此法作為測定氣體臭氧的標(biāo)準(zhǔn)方法，我國建設(shè)部發(fā)布的《臭氧發(fā)生器臭氧濃度、產(chǎn)量、電耗的測量》標(biāo)準(zhǔn)CJ/T3028.2-94中即規(guī)定使用碘量法。其原理為強氧化劑臭氧(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際上最流行的是紫外線吸收法。它是利用臭氧對254nm波長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，只要選擇合適長度的吸收池，就可以檢測0.002mg/m3—5%(vol)濃度的臭氧。其線形在4—5個數(shù)量級內(nèi)都很好。該法已被我國作為環(huán)境空氣中測定臭氧的標(biāo)準(zhǔn)方法(GB1/T1154348)。

靛藍二磺酸鈉(簡稱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色的IDS溶液，生成的溶液用分光光度計在610nm處測量，通過計算得出臭氧濃度。這種方法操作比較復(fù)雜，用于檢測環(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法也被定為國家標(biāo)準(zhǔn)用來測定環(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)光光強來計算出臭氧的濃度。此法在上世紀(jì)七、八十年代很盛行，曾經(jīng)被美國ERP列為環(huán)境檢測標(biāo)準(zhǔn)方法之一。現(xiàn)已被紫外法所取代。

德國、日本和我國都生產(chǎn)臭氧檢測管，濃度范圍分為高(1000ppm)、中(10ppm)、低(3ppm)三類，用于檢測空氣臭氧濃度，適于現(xiàn)場應(yīng)用，使用簡便，但精度低(為±15%)。

3.3 實驗過程

3.3.1 自制測量裝置——臭氧試紙

原理：強氧化劑臭氧(O₃)與碘化鉀(KI)反應(yīng)生成游離磺(I₂)。

O₃+2KI+H₂O→O₂＋I₂＋2KOHI₂遇淀粉變藍

依據(jù)：氧化還原反應(yīng)的知識，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，攪拌一段時間。將濾紙放入混合液中，徹底浸潤后，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：使用時將試紙拿出，暴露在空氣中1h(除特殊指明外，一般避光測試)，而后將試紙與比色卡做對比。

實驗效果：基本符合要求。

優(yōu)點：操作方便、攜帶方便、尤其適合室外隨時測量。

缺點：定量效果不太理想。

3.3.2 測量結(jié)果與討論

3.3.2.1 臭氧濃度的日變化

測量時間：2006年10月25、26、29日

測量地點：北京二中化學(xué)辦公室內(nèi)

測量手段：自制臭氧試紙

測量結(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。說明溫度對臭氧濃度有正影響。

測量時間：2006年10月29日

測量地點：朝陽門南北小街交接處天橋

測量手段：自制臭氧試紙

測量結(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

測量時間：2006年10月26日11:00～12:00

測量地點：北京二中化學(xué)辦公室內(nèi)、外

測量手段：自制臭氧試紙

測量結(jié)果：

結(jié)果說明：光照對臭氧濃度有正影響。

3.3.2.3臭氧濃度月變化

測量時間：2006年10月每日11:00～12:00

測量地點：北京二中化學(xué)辦公室內(nèi)

測量手段：自制臭氧試紙

測量結(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。可能原因是天氣轉(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。

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。我們的測量結(jié)果表明汽車排放的氮氧化物、碳氫化合物嚴(yán)重影響近地臭氧污染的發(fā)生。而且溫度和光照對近地臭氧污染有正影響。科研工作者發(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)濟的發(fā)展我國機動車數(shù)據(jù)持續(xù)增加，使得臭氧污染成為一個不可忽視的污染源。我們倡議：

學(xué)習(xí)國外，在空氣質(zhì)量日報中增加對臭氧的監(jiān)控。

控制機動車尾氣排放，減少對空氣的污染。推廣使用清潔能源的汽車：電動汽車、氫能源汽車等。

在臭氧含量超標(biāo)時，號召大家減少戶外活動。對在臭氧超標(biāo)時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)建立了粗略測量臭氧的方法，并測量了10月份北京二中的近地臭氧污染。但是測量數(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劃為：

針對臭氧試紙定量效果差的缺點，設(shè)計基于傳感器的測量方法，增強定量效果。

監(jiān)測北京市各區(qū)近地臭氧污染的情況。

查文獻了解影響臭氧含量的因素(機動車尾氣，揮發(fā)性有機物等)。實地調(diào)查北京市這些影響因素的存在情況。

結(jié)合調(diào)查報告和研究報告，針對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。

感謝北京市對北京二中環(huán)境監(jiān)測實驗室的資助。

參考文獻：

[1]http://www.bjepb.gov.cn/bjhb/tabid/68/InfoID/3461/Default.aspx高空臭氧層與近地臭氧污染[OL].下載時間：2006-09-25.

[2]http://www.chinaenvironment.com/urgl/2005-06/12/9487.html臭氧也會污染空氣[OL].下載時間：2006-09-25.

[3]http://green.gscas.ac.cn/type/view.asp?id=311空氣污染指數(shù)[OL].下載時間：2006-09-25.

[4]http://www.dchjjc.com/cn/news_show.asp?id=138室內(nèi)環(huán)保知識手冊[OL].下載時間：2006-09-25.

[5]http://www.envir.gov.cn/info/2006/8/84642.htm北京凈化空氣迎奧運重點控制可吸入顆粒物和臭氧污染[OL].下載時間：2006-09-25.

[6]http://www.emn.com.cn/Article/A489454ED6355CCE6.html臭氧介紹[OL].下載時間：2006-09-25.

[7]http://www.ozoneinfo.net/free/Article/Show Article/asp? ArticleID=786臭氧的檢測方法[OL].下載時間：2006-09-25.

[8]曹麗娟.美國“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.