关于海洋化学分析的研究进展论文

时间:2018-09-22 化学毕业论文 我要投稿

  当今世界,人类采用多种化学方法检测海水的酸碱度、溶解氧含量、以及各种盐类含量分布在什么样的地区,研究近海的资源。随着海洋技术研究的快速发展,目前的海洋化学研究已经变得系统化,已经从最开始的描述性化学进入了元素的状态分析,从海洋物质简单的化学定性研究逐渐发展到定量分析研究,我国高校和大型研究院所也在积极开展研究,中国科学院、青岛海洋研究所、厦门大学海洋化学研究都在开展关于海洋化学的研究,也取得了巨大的成果,这些科学成果为我国的海洋建设起到了巨大的推动作用,这些海洋分析方法为我们今后开发海洋资源提供了保障。

  一、各种营养盐的化学检测

  海洋中含有大量的盐类物质。盐类在人类的生活中起到巨大的作用,海水中的盐类充当各种海洋植物的生存的必须元素,是一些微量的盐类物质,如氮类的盐、磷酸盐、以及硅酸盐等,是食物链中最基础的食物,是所有生物生存的保障。

  海水中磷主要以溶解磷和颗粒磷的状态存在。H3PO4是以各种状态存在着,不断的保持着一定的平衡。磷酸根离子多与 Ca2+和 Mg2+相结合,在不同的压力和温度下存在的浓度都有所不同,有很多化学方法进行检测,例如:采用过氧化物进行氧化处理,然后进行化学自动化仪器分析,这种方法可以将溶液中的硝酸盐也一起检测出来。紫外消化法也常常被用来检测磷酸盐的含量。

  海洋中最主要的是氮类的盐,也是主要以溶解氮和颗粒氮的形式存在,溶氮解的氮又具体包括无机氮类物质(例如N2、NO2、NH4+、NO2-、NO3-等等)和有机氮类物质(例如蛋白质类物质、尿素等等);颗粒氮是一种颗粒状存在的有机氮。海洋中氮元素是不断的在进行一个循环的过程,只是在做一个形态方面的转化:最初一般是有机氮例如尿素、氨基酸类物质经过还原反应变成 NH4+,然后 NH4+在紫外线的照射下或是氧气的氧化将其氧化成 NO2,最后变成 NO3-与一些金属离子结合变成硝酸盐,硝酸盐等作为生物的养料被吸收,然后进行硝酸盐转化成废物或是死亡转化成有机氮,完成整个氮元素的循环。主要反应的方程式为:

  目前检测氮盐的方法主要有光学检测法、荧光法进行检测和其他营养盐也可以通用的检测方法在线分析仪进行检测。

  海洋中的硅元素也占有很大的比重,硅的形态主要有:

  溶解硅和颗粒硅,溶解硅主要是以水和物的状态存在,是一种活性硅状态,颗粒硅主要是一些粘土矿物质和生源硅,H4SiO4是一种弱酸,一般在海水中会存在着两级电离平衡如下所示:

  硅酸主要以分子状态存在,处于不饱和状态,不能有固体沉淀析出。氮盐和磷盐主要是通过微生物进行分解,而硅则必须是海洋对其进行分解重新进入氮的循环。

  我国目前在积极研究在线营养盐的检测方法,并开发在线检测系统,以后的发展方向就是在近海海域建立自动检测营养盐的各种成分。

  二、碳循环的研究过程

  碳循环在整个海洋具有举足轻重的,是整个海洋的生命之本,自从人类开始了大规模的工业生产、汽车使用量急剧增加,造成了环境中 CO2的浓度占比急剧增加,气温逐年升高,人类也开始逐渐的开始重视海洋中碳的循环。一般研究者将水中溶解性的和悬浮性的有机碳统称为总有机碳,因为海洋中有机物的种类十分繁多,目前的检测技术不能完全将其分离,只能采用总有机碳作为整个海洋有机物的统称,这个指标也同时作为海洋污染的评价指标,一般其检测方法但由于它不能反映水中有机物的种类和组成,因而不能反映总量相同的总有机碳所造成的不同污染后果。

  目前最广泛应用的有机碳的测定方法是燃烧法,所谓的燃烧法是指将所有有机物进行燃烧,从而氧化所有有机物,通过红外气体分析仪来测定 CO2的含量,确定总的有机物的含量。

  采用差减法检测炭的含量,将被检测试样和已经净化后的空气(去除了水、二氧化碳和其他杂质),然后分别通入高温的加热燃烧和温度在 160 摄氏度的试管当中,通入高温反应器的海水样本在高温和催化剂的条件下,进行氧化还原反应,将各种化合物和碳酸盐氧化成 CO2,然后利用红外线检测法进行选择性吸收 CO2,检测出所有含碳物质的总量,低温反应中的水样与酸进行反应产生 CO2,进入到红外线进行检测,就能检测出 CO2的浓度,通过这两个值就可以判定样本当中有机碳和无机碳的含量。

  直接检测法是将样本首先进行加酸处理,通入氮气,然后中的无机碳酸盐分解出的 CO2去除,最后在高温条件下有机碳产生 CO2,从而检测出有机碳的总量。

  电导法来检测总有机碳的含量,这种方法是通过检测水体的电导率来进行判断水中含有总有机碳的含量,因为纯水中电导率很小当有了有机碳溶解之后就会电导率上升,这种方法需要注意的是电导率在使用前一定要进行校正,做出标准溶液作为参考标准。但是这种方法具有一定的局限性就是海洋中会存在很多影响电导率的杂质,在实验前得首先去除这些影响因素。

  中国目前在世界上占有最丰富的海洋资源,但在近海海域,我国检测技术的发展还不是很高,海洋检测技术还有待提高。有很多家公司正在参与海洋碳元素的在线检测仪的研究当中,目前的研究状态多数是在实验室内进行研究,但是水体环境十分复杂,社会的发展要求实时的对水体进行检测,将各种复杂的环境综合到一起考虑,所以目前主要的研究方向就是实时的、在线检测 TOC 含量。

  三、海水中金属离子的利用

  海洋中富含大量的金属离子,他们对海洋的生物有着很大的作用。如 Na+、Mg2+、Ca2+、K+都是海洋中比较重要的金属离子,可以利用这些金属离子来提取相应的金属,例如镁的提取过程为:将海水样本中加入石灰乳进行反应,反应后生成 Mg(OH)2,然后加入 HCl,生成了 MgCl2,然后进行通电生成 Mg 金属。具体方程式如下。

  (1)MgCl2+ Ca(OH)2== Mg(OH)2↓+ CaCl2

  (2)Mg(OH)2+ 2HCl == MgCl2+ 2H20

  (3)MgCl2=== Mg + Cl2↑(通电)

  海水中含量最多的盐类就是 NaCl,可以将其提取成精盐,具体步骤就是将海水中的粗盐经过盐田进行晒出,然后加入试剂使得 Ca2+和 Mg2+沉淀从而进行去除 Ca2+和 Mg2+,接着在过滤一次,加上盐酸得到我们平时所用的工业用盐 NaCl.

  可见海洋的金属离子对我们的生活具有很大的作用,我们应该积极的开展研究,从而能够更好的利用这些金属离子。

  四、海水的淡化

  目前,地球淡水资源短缺,可以利用海水的淡化来得到淡水这也是目前广泛研究的课题。海水淡化首先要去除原水中的各种杂质、细菌类物质,然后经过过滤、软化等化学过程进行处理样本,主要的目的就是把盐类和水分离开,将海洋水变成人们生产生活所用的水,现在被广泛应用的方法主要有蒸馏的方法、电渗析的方法和膜法。

  蒸馏法的原理是,将海水进行加热,然后进行蒸馏,蒸馏后的水蒸汽冷凝后的水就是所谓的蒸馏水,但是这种方法的缺点就是所需要耗费的能源太大,后来一些学者提出为了避免这一缺陷,学者根据 PV=nRT,得到在环境一致的条件下,所以压力下降的情况下,沸点就会降低。因此在这种情况下就可以在很低的温度下进行提取蒸馏水。该方法简单易行,因此被广泛的应用。

  电渗析法是根据选择性膜对阴、阳离子的选择性进行工作,在电的作用下,水中的各种离子进行定向移动,也就是阴离子通过交换膜来到了阳极区,相对应的阳离子透过交换膜来到阴极区,从而达到海水的淡化,这种方法的关键就是选出高效的半透膜来提高效率。

  目前最引人关注的海水淡化方法是太阳能海水淡化法:

  这种方法主要应用太阳的能量进行海水的淡化处理,也就是利用太阳的热量来进行蒸馏处理,但是这种方法主要适用于那种日照时间比较长的地区,可以更好地利用太阳能,由于其投资较大,产水量很少,所以目前被应用的很少,但是在以后的发展中,这是一种新的环保能源的利用,必将会得到更广泛的研究。

  五、海洋微量物质的化学检测

  人类对海洋化学中懂得的最少的就是海洋的微量物质,由于其种类繁多,结构复杂,所以很难进行检测,目前,也有一些学者对海洋的微量物质进行检测,例如王若苹]采用固相微萃取联合气相色谱 - 质谱技术进行酚类和苯类化学物质的检测,吕景才利用气相色谱与质谱仪的联用,来检测海洋表面的农药的含量,牟德海利用高效液相色谱研究氨基酸的分布情况,以及水中氨基酸的含量,吴永森通过分析胶州湾的黄色物质,检测出其的荧光度,确定黄色物质的整体分布。

  以下将介绍目前被应用较广的几种方法:

  (1)分光光度法:这种方法操作很简便,常被用来检测一些海洋的微量金属及微量有机物,这种方法的原理就是通过检测某种物质对某一个波长或某一段波长的范围内的光的吸收情况,来判断物质的性质和多少,但是其灵敏度较低。

  (2)射线荧光法:这种方法是利用各种同位素进行发射的X 射线,照射纤维素交换剂结合多道探测器以及分析器来检测微量的金属发出的一些射线,该方法具有高度的选择性,而且具有无损检测,同时可以进行多种微量元素进行检测。

  (3)光谱法:这是一种利用等离子发光特性作为原理的检测方法,当被检测样品进入等离子体火焰中被迅速升温置 10000K,实现了样品的原子化状态和进行完全激发,该方法具有高度的灵敏性,可以多种元素一起检测,方法十分简单,是海洋微量元素的一种有效的方法。

  六、结论

  海洋的分析化学在近些年来已经成为了社会研究的热点,在目前资源严重匮乏的时代,海洋化学分析方法的发展无疑已经成为了目前科学发展的焦点,但是目前还有很多我们亟待解决的海洋的化学分析的问题,例如如何现场进行取样并进行检测;如何进行超痕量的元素和有机物的检测;如何提高各种检测的准确性和可靠性;如何能解决无污染的检测等等,但是我相信在今后各种技术都在飞速发展的时代,有全面的知识作为海洋化学的研究基础,海洋化学分析方法也会有突飞猛进的进步,会为人类的进步做出其巨大的贡献。

  参考文献

  [1]吕景才,赵元风。大连湾、辽东湾养殖水域有机氯农药污染状况[J].中国水产科学,2002,9(1):73--77.

  [2]牟德海,商世平。大亚湾沉积物中氨基酸的垂直分布 -沉积物柱样 W9 中的水解氨基酸和游离氨基酸[J].暨南大学学报。2002,23(1):113-118.

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