资源工程与环境修复实验室.pdf
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新技术新方法系列讲座（三） 资源工程与环境修复实验室 雷梅，杨军，周小勇，郭庆军，刘洪涛 2010年11月 实验室定位 资源： 自然资源 �资源科学 (水土气生能矿) 环境影响 资源源源 源流流流 流动动动 动 资资资 �资源工程 �资源管理学 环境： �环境科学 资源消耗者 �环境工程 (国家、行业、人群） �环境管理学 中国科学院地理科学与资源研究所 资源安全部,, 2010 实验室定位 污染土地 土地资源 水资源 生物资源 环境修复 废弃物/污染物 污染水体 废弃物 矿产能源 矿产污染 资源利用 污染环境 资源利用 和区域优 化配置 资源利用与流动 中国科学院地理科学与资源研究所 资源安全部,, 2010 实验室构架 1 室内分析 �前处理（杨军、郭庆军） �定量分析（周小勇、雷梅） 2 环境过程模拟装置与工程技术研发基地（刘洪涛） 3 培养温室与试验基地（雷梅） 中国科学院地理科学与资源研究所 资源安全部,, 2010 1 室内分析 �前处理 （1）干燥 负压通风干燥 热干燥 冷冻干燥 （2）粉碎 三头研磨机 粉碎机 中国科学院地理科学与资源研究所 资源安全部,, 2010 1 室内分析 �前处理 （3）消解 微波消煮炉（杨军） 电热板消解 （4）稳定同位素分析（郭庆军） 中国科学院地理科学与资源研究所 资源安全部,, 2010 微波消解仪（ MARS-5 ） 微波消解仪（MARS-5 MARS-5） 微波消解技术优点 �微波激活特性使溶解和萃取更容易 �快速加热和密闭容器得到的高压，可提高溶解和 萃取温度，获得快速的制样效果 �使用密闭容器使常规易挥发元素如As、Cr、Hg、 Sb、Se、Pb和Sn等不损失 �减少试剂用量，获得低的空白值和降低对环境的 污染 �减少酸雾对实验室空气和分析室工作人员的危害 �制样容易控制，易于实现自动化 微波消解系统-样品制备方法 �奶制品的消解(硝酸-双氧水法) �尿、血浆和生物组织样品消解(硝酸-高锰酸 钾法) �淀粉类样品消解(硝酸-双氧水法) � 面粉、谷物、芝麻、人发和人指甲样品消解 (硝酸法) � 含碳泥浆、磷酸盐岩石样品(HF-HNO3H2O2-H3BO3和CFA-C法) � 液体(水、饮料和污水)样品USEPA 3015法 � 固体样品(沉积物、泥浆、土壤和油类)样品 USEPA 3051法 固体样品(沉积物、泥浆、土壤和油 类)微波消解方法(USEPA 3051) 1. 称取0.5g样品置于分析PFA特氟隆消解罐 中，加10ml硝酸，静置过夜。在消解罐口放 一块安全膜，盖上罐盖。 2. 重复第1步，制备14个消解罐，均匀放在转 动架上。样品量最多的罐为控制罐。 固体样品(沉积物、泥浆、土壤和油 类)微波消解方法(USEPA 3051) 3. 如制备空白样罐，应装有同量的试剂和0.5ml水 4. 把压力控制消解罐和压力控制探头连接起来 5. 校正温度探头后，把温度传感器插到微波炉内， 并插到消解罐内温度传感器套内适当的深度 固体样品(沉积物、泥浆、土壤和油 类)微波消解方法(USEPA 3051) 6. 选择分析微波消解系统的温度控制方式，设计加 热程序如下 步骤 功率/W 温度/℃ 爬坡时间 /min 保持时间 /min 1 1200 100 4 3 2 1200 150 5 5 3 1200 180 5 25 固体样品(沉积物、泥浆、土壤和油 类)微波消解方法(USEPA 3051) 7. 加热结束，取出消解罐冷却至室温，在通 风厨内打开消解罐，把样品转移到容量瓶 内，并用亚沸水洗涤消解罐内壁，洗涤物 一并转移到容量瓶内。 8. 消解完成的样品转移到50ml容量瓶，定容 过滤待测。 重金属分析 前处理 不同形态硫 同位素 冷水 循环仪 稳定同位素分析前处理实验室 ★稳定同位素分析前处理实验室 水、土壤、农作物、岩石 等样品进行稳 通过对 通过对水、土壤、农作物、岩石 水、土壤、农作物、岩石等样品进行稳 硫、碳、铅等的 定同位素分析前处理，提取含 定同位素分析前处理，提取含硫、碳、铅等的 ，追溯 硫、 不同形态物质，进行同位素组成分析 不同形态物质，进行同位素组成分析，追溯 ，追溯硫、 碳、铅等来源、探讨物质循环和进行环境生态 。 风险评估，为环境修复提供依据 风险评估，为环境修复提供依据。 S C Pb 硫同位素 碳同位素 铅同位素 不同形态硫同位素前处理系统： CrCl2盐酸还原硫分析法 冷水循环仪 实验室建设中… … CO2 CO2＋石英管 氧化铜＋样品＋石英管 有机碳同位素分析：封闭氧化铜石英管燃烧法 无机碳同位素分析：饱和磷酸法 铅同位素前处理系统 实验室建设中… … 1 室内分析 �前处理 �定量分析设备 �原子荧光及HPLC－AFS元素形态分析仪（周小勇） �原子吸收光谱仪 �气相色谱 �总碳分析仪 中国科学院地理科学与资源研究所 资源安全部,, 2010 高效液相色谱－原子荧光联用仪 使用介绍 周小勇 中国科学院地理科学与资源研究所 环境修复与资源工程室 2010-11-21 内容 11 Click to add Title 为什么购买 2 仪器组成、原理和性能 13 Click to add Title 仪器的连接 24 Click to add Title 操作软件界面 1.1 元素形态测定的必要性 � 传统元素总量测定不能反映出有关毒性的确切信息，无法 准确反映有毒元素的暴露水平及其对环境、生态的影响， 因此，无法满足目前环境样品分析的需要； � 元素不同形态与价态在环境中的迁移转化规律和对生物的 毒性、可用性也是不同的，元素的形态分析在当今环境分 析中具有特别重要的意义； As( )>As( )>MMA >DMA > � As As不同形态的毒性：As( As(Ⅲ)>As( )>As(Ⅴ)>MMA AsB > AsC AsB AsC AsC，其中海产品中的AsB AsB和AsC AsC被认为无毒， As 因此As As的形态分析就非常必要，其它元素也类似。 1） 1.2 形态的测定方法比较（1 测定方法 分离方法 光谱分析法 HG 色谱法 HPLC HPLC、 GC 毛细管电泳 CE 离子交换法 离子交换 检测方法 优点 AAS AFS ICP- 灵敏度高、成本较 AAS、AFS AFS、ICPICP-AES MS MS、ICP-AES 低 HGHG-AAS HG-AAS、HGICP-AFS、 ICPMS、HG-AFS 缺点 测定部分形态 ，前处理复杂 灵敏度高、操作简 色谱柱易受污 单快捷 染，成本较高 UV、HG-ICP-MS 高效、快速、选择 HG-ICP-AES 、HG-ICP-AES HG-ICP-AES、 性高、抗干扰强 LIF 灵敏度低，检 测限高 价格便宜、操作简 单、选择性好 测定部分形态 AFS 2） 1.2 形态的测定方法比较（2 HPLC-ICP-MS法是砷形态检测分析最常用、最 � HPLC-ICP-MS 有效的方法，检出限低、分离效果好、适用性广 ，但其价格昂贵，难以在一般实验室推广； HPLC-AFS HPLC-ICP-MS HPLC-AFS具有和HPLC-ICP-MS HPLC-ICP-MS相当的灵敏 �HPLC-AFS 度，而仪器价格又远低于后者，且操作简单、选 择性好、线性范围宽、快速、使用方便； �国产仪器的不足：元素检出限偏高；稳定性不足 ；耐用性稍差。 2.1 仪器主要组件 序号 仪器名称 型号 用途 1 原子荧光测汞仪 PSA 10.025 Hg HPLC 测定Hg Hg总量及其形态((与HPLC 联用) 2 原子荧光光谱仪 PSA 10.055 As Se Sb Bi Te 测定As As、Se Se、Sb Sb、Bi Bi、Te Te的总 HPLC 量及其形态((与HPLC HPLC联用)) 3 高效液相色谱 Agilent 1200 各元素形态的分离 4 自动进样器 PSA 20.400 样品进样 5 紫外消解仪 S570U100 形态的消解 6 电脑 lenovo 操作平台 2.2 仪器主要组件的图片 2.3 仪器工作原理 �检测对象：土壤、沉积物、污泥、矿物、水、气 体、植物、动物和食品等 2.4 元素形态及其检出限 形态 总量检出限 ppt （ppt ppt） 形态检出限 ppt （ppt ppt） 砷 As As( As( DMA MMA As(Ⅲ))、As( As(Ⅴ))、DMA DMA、MMA MMA、 AsBet 10 10-20 硒 Se Se( SeSys SeMeCys Se( Se(Ⅳ))、Se( Se(Ⅵ))、SeSys SeSys、SeMeCys 2 10 锑 Sb Sb (CH3)SbCl2 Sb Sb((Ⅲ))、Sb Sb((Ⅴ))、(CH 10 100-200 铋 Bi 10 碲 Te 10 汞 Hg 元素名称 元素符号 Hg(0)、Hg(Ⅱ)、MMC、EtHg 0.1 2-10 3.1 仪器的连接－总量测定 3.2 仪器的连接－形态分析 3.3 HPLC AFS HPLC－AFS 4.1 Hg Hg全量的操作软件界面 C723I009 ChemStation 基础软件 � 系统使用C723I009 4.2 As Sb Bi Te As、Se Se、Sb Sb、Bi Bi、Te Te全量的操作软件界面 4.3 As As的形态操作软件界面 4.3 As As形态的测定图谱 � HPLC-HG-AFS HPLC-HG-AFS测定 1 室内分析 �前处理 �定量分析设备 �原子荧光及HPLC－AFS元素形态分析仪（周小勇） �原子吸收光谱仪 �气相色谱 �总碳分析仪 中国科学院地理科学与资源研究所 资源安全部,, 2010 1 室内分析 中国科学院地理科学与资源研究所 1 室内分析 中国科学院地理科学与资源研究所 2 环境过程模拟装置与工程技术研发基地（刘洪涛） � 环境过程模拟装置 （废弃物无害化处理设备） � 工程技术研发基地 中国科学院地理科学与资源研究所 废弃物处理设备、原理与应用 刘洪涛 环境修复与资源工程研究室 未无害化污泥直接土地利用的环境风险 烧苗(未稳定化) 病虫害(未杀灭病虫卵) 盐害(未淋洗脱盐) 杂草种籽(未高温灭活) 臭气是废弃物(污泥)处理的关键问题 废弃物无害化(堆肥)处理后的效果 1. ◇有机质腐殖化 2. ◇脱水干化(80%---45%) 3. ◇除臭 4. ◇钝化重金属 5. ◇杀灭有害生物(病原菌、杂草) 6. ◇降解有机污染物 自动监控系统工作原理 氧气传感器 温度传感器 温 度 没有气温影 响，堆温变化 曲线 变 频 系 统 气温 波动 幅度 气室 自动控制系统 无害化处理装置-示意图 控 制 柜 CO2 NH 、H H2S探头 3 探头 生 物 滤 池 温度探头 冷凝器 空 气 保 温 层 堆 体 布气室 气 泵 气体流量计 自动控制系 统 O2探头 无害化处理装置-实物图 反应器：内径0.6 m，外径0.8m； 高度1.3m，有效高度0.75 m，有效容积230 L 温度探头 氧气和二氧化碳检测仪 氨气和硫化氢检测仪 冬季堆肥辅助系统的应用效果 水分在线监测系统(TDR时域反射) 土壤：15%～80%含水率； 废弃物：30%～80%含水率。 堆肥专用臭气监测装置 主机 探头 检测项 分辨率 硫化氢 0.01 ppm 响应时间 2s 0.01 ppm 2s 氨气 范围：堆体内部、空气 原位 在线 连续 灵敏 废弃物无害化控制系统参数 序号 设备名称 功能参数 氧气探头 范围：0%~20%(v/v)； 精度：±0.1%； 响应时间：5秒 水分探头 范围：30%~80%(相对湿度)； 精度：±2%相对湿度； 响应时间：20秒 硫化氢探头 范围：0~100ppm； 精度：±0.01ppm； 响应时间：2秒 氨气探头 范围：0~200ppm； 精度：±0.01ppm； 响应时间：2秒 5 远程控制 在有网络通讯场所， 利用互联网登陆操作界面， 进行参数设定与调整。 6 变温控制 范围：0~70 ºC； 精度：±0.5 ºC 1 2 3 4 污泥发酵车间 工程应用情况 温度、氧气、水分和臭气 的实时监测和反馈调控 ∗秦皇岛污泥堆肥工程：日处 理200t，强制通风静态堆肥 平台共享应用 应用潜力： • 有机固废堆肥 • 固体厌氧发酵 • 土壤有机污染修复 • 土壤淋滤 实验室构架 1 室内分析 �前处理 �定量分析 2 环境过程模拟装置与工程技术研发基地 3 培养温室与试验基地（雷梅） 中国科学院地理科学与资源研究所 资源安全部,, 2010 3 培养温室与试验基地 植物培养温室 中国科学院地理科学与资源研究所 3 培养温室 与试验基地 湖南郴州 云南个旧 广西环江 中国科学院地理科学与资源研究所 实验室人员结构 技术支持： 环境修复中心研究人员 实验员 王美英 64888093 马 64886693 杰（硕士）64886693 质量控制 罗金发 研究员 共享登记 徐芮祥 64888060 谢 谢！ 雷梅 leim@igsnrr.ac.cn 64888087