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碘量法的基本原理范文1
关键词：大气SO2；检测方法；研究
引言
进入21世纪，人类进入又一个文明时代，各种工业技术迅速发展，给人们生活带来极大的方便，各种智能电器和交通工具逐步改变着人们的生活习惯。但是在智能电气生产和制造过程中产生大量工业尾气，另外，人类重要的交通工具――汽车也排放大量尾气到大气中，这些尾气中含有大量的有毒有害气体，造成了严重的环境污染，这些有毒有害气体主要包括：硫氧化物、NOX、有机化合物、PM2.5等。其中危害最大的是二氧化硫，它是环境污染的主要物质，造成空气质量严重下降，对人们的人体健康造成极大的危害，因引，对大气中二氧化硫浓度的检测是十分必要的。
1 二氧化硫的来源
由于二氧化硫的来源十分广泛，对环境污染最严重，对人们生活的影响最大，很多国家把二氧化硫在空气中的含量作为衡量空气污染的主要指标。产生的二氧化硫的源头有很多，但主要包括以下几个方面。
火山爆发是二氧化硫的一个重要源头，火山爆发主要产生的气体就是二氧化硫和水蒸气，它们夹杂在火山灰中随大气流动到较远的地方，根据有关部门估算，全球火山爆发每年释放出数百亿千克的二氧化硫。
生物腐烂过程同样产生大量的二氧化硫气体，而世界上各种浮游植物、各种鱼类及活动在地球表面的动物种类繁多，数量巨大，在它们腐烂的过程中都会直接产生二氧化硫气体。或者先产生其它气体。例如：硫化氢、有机硫化物，这些物质在大气中经过各种化学反应，最终被氧化成二氧化硫气体，排放到大气中。
2 二氧化硫的危害
SO2的危害直接表现是酸雨，在中国近四成的面积已经受到酸雨的污染和危害。我们国家酸雨形成的主要是由SO2引起的，这些SO2主要来源于人为排放，很多地方的生态环境已经被酸雨造成不同程度的损害，人类的生活环境受到严重影响，归根到底，这些都是随意排放SO2造成的，因此，对SO2造成的环境污染受到社会各界的广泛关注。
人若在含有SO2的环境中，身体的各部位会有明显的不适，而人能闻到的SO2深度仅为4umol/mol，如果环境中的SO2浓度达到8-12umol/mol时，就会刺激人体的咽喉，引发剧烈咳嗽；如果环境中的SO2浓度达到20umol/mol时，就会影响到人的视觉神经，造成眼睛流泪；如果SO2浓度更高时会引起人的呼吸系统疾病，严重时造成肺癌。目前，人们的很多身体健康问题都与SO2的污染息息相关。SO2除了对动物造成危害外，对植物同样存在危害，并且很小浓度的SO2就会对植物造成危害，如果环境中的SO2浓度达到0.2umol/mol临界浓度时，就会造成植物枯萎，严重时能造成大面积死亡。
针对SO2的强危害性，我国已经把治理SO2污染，减小SO2排放量，列为环境治理的重要任物，并在相当长的时间内严格执行下去。目前，我们需要做的就是找到理想的监测SO2浓度的方法，确定SO2排放的各个要点，控制排放源。特别是针对排放比较多的地方，例如，电厂烟气排放。采用合适的监测方法能有效控制SO2的排放量，减少环境污染。
3 SO2的检测方法
在国内SO2在大气中的含量通常用质量体积比mg/m3表示，国际上采用体积比ppm来表示，近年来我国也采用气体体积比umol/mol来表示，国际上对SO2含量的测量，主要有以下几种方法。
3.1 电量法
电量法，顾名思义就是通过测量电荷的多少来确认样品中气体浓度的含量，该方法早在几十年前就被用于测量二氧化硫的浓度。其基本原理是利用二氧化硫与碘相互反应的机理，将取样气体通入到电解液中，加外一个恒流源，恒流源的阳极上发生氧化反应，源源不断的产生元素碘，同时在恒流源的阴极上反生还原反应，使电解液中的碘元素达到一个平衡状态，在另一个参比电极上就没有电荷流过。如果样气中含有二氧化硫时，碘与二氧化硫就发生化学反应，这样在电解液中的碘元素就会减少，破坏了电解液中的平衡，部分电荷就会流向参比电极，电荷的移动形成电流，电流的大小与样气中二氧化硫浓度成正比，通过检测参比电极电流的大小就可以确认样气中二氧化硫的含量。这种方法的测量范围为0-10umol/mol，检测下限为0.01umol/mol。这种方法相对实验室测量液体试剂的量要方便很多，但由于采用的是化学反应的方法，所有可以与碘反应的气体例如硫化物，都会被误认为是二氧化硫，该方法选择性相对较差，但如果能做出过滤器来过滤掉干扰气体，该方法也较为实用。
3.2 电导法
科学家们发现溶液导体靠的是溶液中的浓度，如果液体中离子浓度大时，其电导率就大。依靠这种原理，把含有二氧化硫的样气通入到弱酸性过氧化氢溶液中，二氧化硫被氧化成硫酸，这样溶液中的离子浓度就会增加，溶液的电导率就会变强，通过计算电导率的变化得知二氧化硫的浓度。这种方法的测量范围为0-1umol/mol，此方法简便、快捷、可靠，适合在线连续测量，目前主要应用于自动仪表，主要干扰因素是对电导率有影响的其它物质。
3.3 比色法
该方法主要用于微量二氧化硫的测量，主要应用于空气质量监测，是相对标准的二氧化硫检测方法。其原理是过氧化氢-高氯酸吸收，高氯酸钡沉淀，过量钡与钍试剂生成有色络合物，用比色法测量该络合物体系在一定波长（显示溶液磷酸含量少、红紫色548nm；显示溶液磷酸含量多，蓝紫色575nm：甲醛吸收、紫红色577nm）的吸收，来确认二氧化硫的浓度。该方法优点是灵敏度高，准确。缺点是操作复杂，伴生物含有污染物质，易受温度和时间影响，重复性不好。
3.4 离子色谱法[2]
该方法是利用离子交换原理，对硫酸根离子定量分析得知二氧化硫浓度大小。把采样气体通入到含有碳酸钠-碳酸氢钠的溶液中，再经过双氧水氧化成硫酸根离子，再用电导检测器测量酸性阴离子的电导值，经过数据处理，测定峰值面积，得知硫酸根离子含量，再推算出二氧化硫的含量，该方法主要用于实验室的精确测量，精度高。
3.5 紫外荧光法[1、4]
由于物质分子具有吸收光谱和荧光光谱能级跃迁能力，所以在紫外光的照射下，具有吸收光子能力的物质可在瞬间发射出荧光，其荧光强度与物质浓度呈线性关系，从而可测出该物质浓度。二氧化硫分子受紫外光照射后会发出荧光，浓度越高，荧光强度越强，两者成正比关系，由此测量出二氧化硫的浓度。紫外荧光法的优点是抗干扰性强，检测速度快，分辨率高，并且能够实现自动连续监测，应用前景十分广泛。
3.6 光谱吸收法[3]
红外技术用于检测气体的浓度有成熟的理论基础，并且已经得到广泛应用。其基本原理是利用大气分子吸收红外辐射光谱特性，不对分子吸收波长在不同位置出现极值，利用谱线位置来确定分子的数量和种类。通过在实验发现，二氧化硫在7.30um红外区域吸收波最强，当一束恒定的7.30um红外光通过含有二氧化硫的气体时，部分光会被二氧化硫吸收，光强变弱，通过测量光强来确认二氧化硫浓度。该方法以响应时间快，抗干扰能力强等优点得到迅速应用，但成本偏高制约了它的推广。
3.7 电化学传感器法
电化学气体传感器是利用电化学控制电位电解的基本原理，将电极恒定在选定的电位下（不同气体在某电位下的反应信号较大），使被测气体在该电极上发生氧化还原反应，产生氧化还原电流，该电流与气体浓度成正比，可以实现精确定量检测，在宽的浓度范围内呈现良好的线性关系，因此测量准确度高，又因其体积小、使用维护简单，可现场连续检测，得到极为广泛的应用，二氧化硫电化学传感器目前主要应用于工业安防现场、空气质量检测、污水治理等。
4 结束语
综上所述，关于二氧化硫的危害比较清晰，二氧化硫的检测方法也比较多，文章分析了七种常用的检测方法，它们有各自的应用场所和环境，可根据实际的应用来选择合适的检测方法。例如，对于目前应用最为广泛的燃料燃烧或工艺尾气中高浓度SO2的检测，紫外吸收法和红外法以灵敏度高、稳定性好、抗干扰性强得到广泛应用，由于此类仪器设计复杂，费用高，专业性强等特点，主要以发达国家产品为主，主要用于特定场所的测量。目前，电化学传感器法具有低价位、高实用性的特点，无论是在大型锅炉企业，还是中小型污染源排放企业应用最为广泛，有较高的性价比，易于推广普及。SO2的检测方法可能还有很多，需要我们不懈的研究，找到更加实用的检测方法，更加准确的检测出二氧化硫的浓度，为控制二氧化硫的排放提供更多有效的工具。
参考文献
[1]杨初平.ppb级大气二氧化硫紫外荧光检测理论与实现技术研究[D].华南师范大学，2002，12.
[2]龙绮云.离子色谱法测定大气中二氧化硫方法的探讨[J].铁道劳动安全卫生与环保，2001，2（28）.
碘量法的基本原理范文2
关键词：核素扫描机；核医学；数据采集；图像处理
中图分类号：R445 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）17-0070-03
扫描机是现代医学上一项成功可靠的诊断仪器，特别是与微型计算机、微控制器的结合，更加显示出其优越的性能。核素扫描机的基本原理是利用放射性同位素示踪技术，用探测器探测γ射线，实现脏器的显影，即将放射性同位素标记在药物上并引入人体，然后通过探测器在体外扫描脏器部位，探测其产生的γ射线，并记录放射性药物在体内的分布情况，以形成扫描图像。由于脏器对药物的选择性吸收以及同一脏器中正常组织和病变组织吸收的差异性，医生就能根据扫描图像进行诊断或鉴别某些脏器的占位性病变和一些功能的变化。扫描机的开发和生产又为医院核医学科提供了一个重要的诊断仪器。
1 工作原理
核素扫描机由主机、微型计算机、彩色打印机和隔离电源组成。扫描机是一种核医学诊断仪器，它借助于γ射线扫描探测实现对脏器的显影。其基本工作原理是将放射性同位素标记在药物上并引入人体，然后通过对脏器的逐点扫描，记录放射性药物在人体内的分布情况。由于脏器对药物的选择性吸收以及同一脏器中正常组织与病变组织的吸收差异，临床医生可根据扫描图像诊断或鉴别某些脏器的占位性病变和一些功能的变化。扫描机自动化程度高，操作方便，性能优越。它由微型计算机控制，自动完成设定部位扫描、数据采集、图像处理、彩色报告单打印以及病人资料管理等。
扫描机扫描时采用“定步距计数”测量法，即在X方向设定X步距，当探头在此X步距内移动时进行计数为n，同时测量所需时间t，则此步距点的单位时间计数值为：
n/t （1）
式中：
n――计数
t――时间
这样，对电机的转速要求就降低了，同时也保证了整个图像的像素点均匀度。
每一测试点的位置，以X步距中间点的坐标（X，Y）来标定，即：
X=（X1+X2）/2 （2）
式中：
X――步距
X1――每点X步距起始点X坐标
X2――每点X步距结束点X坐标
这样就消除了双向扫描带来的回差。
扫描区域大小及扫描区域位置可自由设定，扫描区域一般为长方形（X方向扫描区域∶Y方向扫描区域=1∶1.2）。
2 数据采集过程与方法
使用两片74LS161级连成为16位的计数器，扫描机的最大计数率为65535cps。可能有人要问，会不会在扫描时出现计数率值溢出的情况？回答是否定的。因为在通常情况下，临床上甲状腺扫描的病人服药量仅为100～200μCi，最大也不会超过250μCi，而我们通过用点源做试验时发现，活度为0.8mCi左右的点源放在准直器焦点处的最大计数率也不会超过60000cps，所以即便病人的甲状腺吸碘率为100%，那么在扫描时也不会有超过65535cps计数率的现象发生。
核素扫描机的数据采集是通过上位机与下位机的串行通讯来实现的。下位机是51系列的单片机，进行串行通讯时，上位机与下位机通讯模式的设置一定要一致，如果设置不一致两者将不能通讯。在核素扫描机中，上位机与下位机的设置为：波特率为9600，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验位。上位机与下位机接收数据均在串口中断中进行。下位机本身不能控制核素扫描机，而是通过上位机发送控制指令来实现控制的。如果上位机发送一条指令让核素扫描机开始扫描，下位机接收到指令后立即响应，便控制核素扫描机开始扫描了。
通过“定步距计数”测量法来读取计数，此时单片机记录下测量一点所需的时间、实际X值、实际Y值及计数值，将它们放入单片机所开辟的缓冲区中（这个缓冲区大小是一定的，最大可以存贮100个点的数据），等待上位机向它发出读取指令。上位机与下位机是通过RS232来进行串口通讯的。它们之间有约定好的通讯协议，当下位机接收到读取指令后，下位机便通过串口向上位机发送扫描数据，当上位机接收完成一组数据后紧接着向下位机发送下一个读取指令，这样就能保证下位机所采集的数据能够及时地传送到上位机，既不会覆盖缓冲区中的数据，也节省了时间。
上位机将接收来的计数按照X与Y的位置模拟显示在坐标图上，用灰度图的形式进行显示，直至整个扫描结束。上位机将接收到的所有原始数据存放在数据库中，这些数据不能被修改，也不能被删除。当扫描工作全部结束后，便可以对该幅图像进行处理了。
3 位图图像的形成与降噪处理
图像处理包括三个部分：第一是生成24位真彩色图像并进行降噪处理；第二是扣除仪器本底，以得到真正的扫描图像；第三是可以在图像中任意标注文字与病变区的位置，可以改变图像的对比度，以便对图像进行分析。
位图文件由三部分组成：文件头+位图信息+位图像素数据。位图文件头主要用于识别位图文件。以下是位图文件头结构的定义：
tagBITMAPFILEHEADER=packed record
bfType：Word；
bfSize：DWORD；
bfReserved1：Word；
bfReserved2：Word；
bfOffBits：DWORD；
end；
其中的bfType值应该是“BM”（0x4d42），标志该文件是位图文件。bfSize的值是位图文件的大小，对于24位真彩色，如果图像的宽度为W，高度为H，bfSize就等于W×H×3+54。
位图信息头包含了单个像素所用字节数以及描述颜色的格式，此外还包括位图的宽度、高度、目标设备的位平面数、图像的压缩格式。以下是位图信息头结构的定义：
tagBITMAPINFOHEADER=packed record
biSize：DWORD；
biWidth：Longint；
biHeight：Longint；
biPlanes：Word；
biBitCount：Word；
biCompression：DWORD；
biSizeImage：DWORD；
biXPelsPerMeter：Longint；
biYPelsPerMeter：Longint；
biClrUsed：DWORD；
biClrImportant：DWORD；
end；
表1是对结构体当中各个成员的说明。
对于24位真彩色图，位图像素数据中每3个字节表示一个像素，每个字节表示一个RGB分量。从扫描数据中找出最大计数值与最小计数值，按照一定的规律将各点的计数值换算成各点的颜色值，然后按照位图图像的数据格式将它们写入位图文件。
在软件中可以设置生成的位图图像是原始图像还是优化图像，如果生成原始图像则在生成位图图像时不进行平滑与降噪处理，如果选择生成优化图像，则在生成位图图像的过程中，用到了降噪处理中一种方法是中值滤波。
中值滤波是一种常用的非线性平滑滤波器，其基本原理是把数字图像或数字序列中一点的值用该点的一个领域中各点值的中值代换。设f（x，y）表示数字图像像素点的灰度值，滤波窗口为A的中值滤波器可以定义为：
f^（x，y）=MED{f（x，y）}，（x，y）∈A
其主要功能是让周围像素灰度值的差比较大的像素改取与周围的像素值接近的值，从而可以消除孤立的噪声点，所以中值滤波对于滤除图像的椒盐噪声非常有效。中值滤波器可以做到既去除噪声又能保护图像的边缘，从而获得较满意的复原效果，而且，在实际运算过程中不需要图像的统计特性，这也带来不少方便，但对一些细节多，特别是点、线、尖顶细节较多的图像不宜采用中值滤波的方法。如果希望强调中间点或距中间点最近的几个点的作用，则可采用加权中值滤波。其基本原理是改变窗口中变量的个数，可以使一个以上的变量等于同一点的值，然后对扩张后的数字集求中值。这种方法比简单中值滤波性能更好地从受噪声污染的图像中恢复出阶跃边缘以及其他细节。另有一种可以处理具有更大概率的冲激噪声的是自适应中值滤波器，在进行滤波处理时，能依赖一定条件而改变领域的大小。其优点是在平滑非冲激噪声时可以保存细节，所以既能除去“椒盐”噪声，平滑其他非冲激噪声，还能减少诸如物体边界细化或粗化等失真。
4 图像的后处理
当图像生成并显示在窗体中后，还需要一些功能来对图像进行分析。在图像上进行标注、测量、画矩形、画多边形等是比较适用方法。当需要在脏器的某一位置注明病变性质时，可以利用标注在图像上描述。测量包括画直线、箭头，并依据图像的实际大小计算出直线与箭头的长度，以便操作者对图像进行分析。画矩形与画多边形是对计算脏器的病变面积而设计的，由于病变区形状不规则，画多边形是常用的方法，当你画多边形把病变区的大小确定之后，就可以使用计算多边形的面积按钮来计算病变区的面积了。
图像是以1∶1方式显示的，根据需要可对图像的显示比例进行调整。若需要对脏器的某一部位进行放大分析时，可以使用局部放大功能。图像颜色的分配是图像分辨率的关键。如果图像的颜色搭配不合理，有些病变部位将不容易被识别。针对这一情况，系统提供了十种颜色方案，并且每一种颜色方案都可以取反，都可以通过更改R、G、B的值来得到新的颜色方案，最终使图像具有较高的分辨率，方便医生的诊断。
5 结语
核素扫描机已经在全国各地很多医院使用，收效甚好。为了使用户更加方便操作我们的核素扫描机，我们不断收集用户所提出的宝贵意见，取其精华，将它们应用到我们的核素扫描机中去。
碘量法的基本原理范文3
关键词 滴定；多层次滴定；实验体系；教学改革
中图分类号 G642.423
文献标识码 A
文章编号 1005-4634（2012）05-0084-04
0 引言
滴定分析法自19世纪中期形成以来，经历了指示剂滴定法、电位滴定法（包括借助于其他仪器的滴定法，如光度滴定法等）及计算滴定法等发展阶段。其中，电位滴定法突破了指示剂滴定法的局限，可以用于没有合适指示剂、有色或不透明溶液的测定，而且便于滴定的自动化；计算滴定法突破了传统滴定法（包括指示剂滴定法和电位滴定法）要求滴定曲线在化学计量点附近必须有明显突跃的限制，可以用于滴定产物稳定性小的单组分（如极弱酸）及滴定产物稳定性接近的多组分混合物（如离解常数接近的混合酸）的测定。时至今日，虽然仪器分析法的应用日渐增多，新的分析仪器不断出现，但滴定分析法仍然具有其独特的优势。具体表现如下：
1）滴定分析法在教学和应用中扮演着不可或缺的角色。（1）在常量分析中，滴定分析法的准确度往往高于一般的仪器分析法；（2）在某些分析中，滴定分析法有着不可替代的作用，如环境水样化学耗氧量（COD）的测定（高锰酸钾法和重铬酸钾法）、生化需氧量（BOD）和溶解氧（DO）的测定（碘量法）；水中氯离子的测定（沉淀滴定银量法）：有机物中微量水份的测定（卡尔费休法）；有机物中氮含量的测定（凯氏定氮法）等；（3）在某些行业（如环境监测和药物含量）的测定中，滴定分析法（包括非水滴定法）仍然占有很大的比例；（4）在实验教学中，滴定分析法的基本内容和实验技术，是整个分析化学实验（包括化学分析实验和仪器分析实验）及其他化学实验的基础。
2）计算滴定法是滴定原理与数学方法及计算技术相结合的产物，包括线性滴定法、单点滴定法、双点滴定法及校正滴定法等基本内容。根据滴定形式、计算模型、测定原理及滴定剂的性质等特点，可以将计算滴定法分为控制体积滴定法（包括线性滴定法、单点滴定法及双点滴定法）和控制电位滴定法（即校正滴定法）两个大类。计算滴定法的形成和发展，赋予了滴定分析法新的内涵，扩大了滴定分析法的应用范围。
3）全自动电位滴定仪在工业分析中的应用和普及，使得滴定分析的效率大大提高，滴定分析的自动化和在线化成为可能，同时也改变了人们对滴定分析操作繁琐、仪器落后的偏见。
本文将不同层次的滴定分析实验（包括指示剂滴定法、电位滴定法、全自动电位滴定法、虚拟滴定法及校正滴定法等实验）作为一个整体，构建了一个多层次的滴定分析实验体系。这个实验体系具有多层次、综合性、系统性、科学性、新颖性、独创性、趣味性及可持续性等特点。多层次滴定分析实验的培养目标，是通过一系列不同层次的滴定实验，使学生对滴定分析法的发展和历史有全面的了解，对滴定分析的方法和技术有全面的掌握。在实验过程中，要求学生既注重基础，又注重前沿；既注重单一方法和技术的应用，又注重多种方法和技术的综合应用，为后续课程的学习及毕业以后的工作打下坚实的基础。
1 多层次滴定实验体系的基本内容
1.1指示剂滴定法
指示剂滴定法实验的基本内容包括滴定分析的基本操作（电子分析天平的使用、试样的称量和溶解、溶液的转移和定容，容量瓶、移液管及滴定管的校正和使用等）；酸碱、配位、氧化还原及沉淀滴定法的有关操作。在测定对象的选择上，考虑各专业的特点，尽可能与实际应用相结合，如氧化还原滴定法测定化学耗氧量（COD），配位滴定法测定水的硬度（钙和镁），沉淀滴定法测定氯离子含量，配位滴定法（含重量分析法）分别测定水泥熟料中铁、铝、钙、镁及硅的含量等。
指示剂滴定法实验具体涉及的内容有：（1）移液管、容量瓶、滴定管等仪器的使用和校正，减量法称量的操作；（2）氢氧化钠标准溶液的配制和标定，酸碱滴定法对有机多元酸（如草酸、酒石酸或柠檬酸等）M/n的测定（需自行设计实验方案）；（3）EDTA标准溶液的配制和标定，配位滴定法对自来水硬度（钙、镁及总量）的测定；（4）复杂样品（水泥熟料）的预处理，配位滴定法对水泥熟料中铁、铝、钙及镁的测定，重量分析法对水泥熟料中二氧化硅的测定；（5）高锰酸钾标准溶液的配制和标定，高锰酸钾法对自然水体中化学耗氧量的测定；（6）复杂样品（三氧化二铁）的预处理，高锰酸钾法对三氧化二铁的测定；（7）硫代硫酸钠标准溶液的配制和标定，碘量法对铜的测定；（8）硝酸银标准溶液的配制和标定，沉淀滴定法对氯离子的测定等等。
在实验过程中，要求学生熟练掌握滴定分析法的基本原理和常用分析仪器的操作；熟悉各类滴定分析法（酸碱、配位、氧化还原及沉淀滴定法）的应用特点和测定对象。
1.2电位滴定法
电位滴定法实验的基本内容包括工作电池的概念，复合电极的构造，确定滴定终点的方法（一阶微商法和二阶微商法，尤其是二阶微商法的线性内插法）。电位滴定法实验以氢离子选择性复合电极为工作电极，盐酸标准溶液为滴定剂，测定对象是由氢氧化钠与碳酸钠构成的混合碱溶液。
通过本实验，学生应该了解电位滴定法与直接电位法的区别和联系，了解电位滴定法与指示剂滴定法的区别和联系；掌握电位滴定法确定滴定终点常用的方法，并熟练掌握二阶微商法的线性内插法的原理及数据处理方法。
1.3全自动电位滴定法
全自动电位滴定法实验的测定对象是由盐酸和磷酸构成的混合酸溶液。在实验过程中，用全自动电位滴定仪自动测出滴定数据和滴定终点，并通过计算机上传到网络。学生从网络下载滴定数据和测定结果，写出实验报告，再经网络上缴实验报告。
在全自动电位滴定法实验中，要求学生了解和掌握全自动电位滴定仪的原理和功能，全自动电位滴定仪与普通电位滴定仪的区别和联系，仪器有关参数的设置及仪器的基本操作。
此外，在电位滴定法或全自动电位滴定法测定混合碱或混合酸实验中，还应该引导学生注意并讨论以下问题：（1）多元酸（碱）、混合酸（碱）分步滴定的条件（或判据），不同滴定体系可以出现的滴定突跃（滴定终点）的个数，各个滴定突跃对应的滴定反应及滴定产物，各种酸（碱）含量的分别计算等；（2）电位滴定法或全自动电位滴定法测定多元酸（碱）、混合酸（碱）的有关规律与双指示剂（酚酞和甲基橙）滴定法的关系；（3）在指示剂滴定法中，碱溶液对空气中二氧化碳的吸收是影响酸碱滴定法测定结果准确度的重要因素。在电位滴定法（或全自动电位滴定法）中，这种影响同样是存在的。在实验过程中，可以通过在混合碱试液或标准碱溶液中人为吹入二氧化碳的方式，比较含二氧化碳与不含二氧化碳的混合碱试液或标准碱溶液所得到的滴定曲线的差异及对测定结果的影响。
1.4虚拟滴定法
虚拟滴定法实验的基本内容是：利用本课题组制作的计算软件。在网上进行虚拟滴定模拟实验。该实验的操作，仅需输入滴定剂的浓度，待测酸的种类数，各种酸的元数、离解常数及浓度，便可以自动绘出滴定曲线。根据模拟得到的滴定曲线，可以对不同酸碱体系滴定曲线的形状、滴定突跃的位置、指示剂的选择等问题展开讨论；利用二阶微商法的线性内插法，求出滴定终点，并与设定的酸浓度进行比较。
在这个实验中，学生除了应该掌握虚拟滴定程序的操作，还应该了解模拟计算所依据的模型及其导出的原理，设计和编制计算程序的过程。指导教师还可以引导部分编程能力强的学生，自己编制计算程序。
1.5校正滴定法
校正滴定法（又被称作控制电位滴定法或恒电位滴定法）属于计算滴定法的范畴。该法的基本思想是，滴定曲线上一定电位对应的滴定剂体积与待测物质的含量（浓度或物质的量）有确定的关系，测出滴定至一定电位所消耗的滴定剂体积，便可以求出待测物质的含量。其计算模型如下：
V=k·c+k0 （1）
式（1）中，c是待测物质的浓度；V是滴定到一定电位所消耗的滴定剂体积；k和k0是该电位对应的常数，在待测溶液体积、滴定剂浓度、离子强度、实验温度及电位等一定的条件下，可以用一系列校准溶液测出。校正滴定法无需对电极系统校正，无需知道滴定剂的准确浓度，可以用于滴定产物稳定性小的单组分及滴定产物稳定性接近的多组分混合物的测定。
校正滴定法实验分两步进行：第一步，在m（m>1）个电位下，测出L（L>2）个浓度为c1（1=1，2，…，L）的校准溶液所消耗的滴定剂体积Vjl（j=1，2，…，m；1=1，2，…，L），将Vjl分别代入式（1），可以得到对应m个电位的m个超定方程组（每个方程组由L个方程构成，含两个待求参数kj和koj），用最小二乘法求出m组kj和koj（j=1，2，…，m）。第二步，在上述m个电位下，测得试液所消耗的滴定剂体积Vj（j=1，2，…，m），将Vj及kj和koj分别代入式（1），按下式可以求出试液的浓度：
式（2）中性氨基酸（如丝氨酸或甘氨酸）是两性物质，其作为酸的离解常数一般介于10-9～10-10之间，属于极弱酸：作为碱的离解常数一般介于10-11～10-12之间，属于极弱碱。在传统指示剂滴定法或电位滴定法中，均无法用标准碱或标准酸溶液直接滴定中性氨基酸。本实验体系将校正滴定法用于中性氨基酸的测定，实验仪器是全自动电位滴定仪，滴定剂是氢氧化钠溶液，测定对象是丝氨酸或甘氨酸。在实验过程中，需要学生了解和掌握校正滴定法的原理和特点、氨基酸的分类和性质、全自动电位滴定仪的原理和操作、滴定控制的工作电位的选择及最小二乘法计算程序的编制等内容。
2 多层次滴定实验体系的特点
2.1多层次
（1）实验内容的多层次。本实验体系包括传统的指示剂滴定法、普通的电位滴定法、全自动电位滴定法、虚拟滴定法及校正滴定法等不同的实验内容；（2）仪器使用的多层次。本实验体系所使用的仪器，不但包括玻璃滴定仪器、普通的电位滴定仪及比较先进的全自动电位滴定仪，而且还包括与虚拟滴定有关的网络设施；（3）操作技能训练的多层次。本实验体系涉及最基础的玻璃仪器的操作，普通电位滴定仪的操作，全自动电位滴定仪的操作，与网络技术相关的虚拟滴定操作，结合最小二乘算法与计算机编程技术的校正滴定操作等多重实验技能的训练；（4）实验类别的多层次。本实验体系包括验证性实验、综合性实验（如水泥熟料中铁、铝、钙、镁、硅的测定）及设计性实验（如校正滴定法对中性氨基酸的测定）等不同的实验类别；（5）涉及课程的多层次。多层次滴定分析实验的教学内容，并非集中在一门课程完成，而是遵循由浅入深、循序渐进的原则，贯穿于一系列相关的分析化学实验课程（《化学分析实验》、《仪器分析实验》及《仪器分析综合实验》等课程）。授课的学生涉及同济大学化学系、环境学院、材料学院及生命学院等多个院系。
2.2系统性和综合性
如前所述，本实验体系包括传统的指示剂滴定法、普通的电位滴定法、比较先进的全自动电位滴定法、结合网络技术的虚拟滴定法及结合计算方法的校正滴定法等。从内容上而言，本实验体系涉及滴定分析法的各个发展阶段，构成了一个比较完整的滴定分析实验体系。
本实验体系涉及多重理论知识和实验技能，综合利用各种现代化教育资源，具有较强的综合性。如在水泥熟料全分析实验中，从方法而言，涉及样品的预处理、重量分析法及配位滴定法等多种方法；从操作技能而言，涉及过滤、洗涤、灼烧及恒重等多种技能：从测定对象而言，涉及铁、铝、钙、镁及硅等多种物质。又如在校正滴定实验中，涉及校正滴定法的原理、氨基酸的性质、自动滴定仪的操作、最小二乘法的应用、计算程序的编制及滴定控制的工作电位的选择等多重知识和技能。再如在虚拟滴定实验中，涉及pH的模拟计算、滴定曲线的绘制、滴定终点的计算、计算程序的编制及网络技术的应用等多重概念和技术。通过上述各类实验，可以使学生初步具备科研工作或实际样品测定的能力，提高分析问题、解决问题及理论联系实际的能力。
2.3科学性和趣味性
在本实验体系中，实验方案的设计、实验内容的安排由浅入深，循序渐进，从使用传统玻璃仪器的滴定实验技术，到普通的电位滴定技术，到利用计算机和网络的虚拟滴定技术，再到比较现代的全自动电位滴定技术及校正滴定技术，不仅包含着滴定技术的衍化和发展，也包含着实验理念的升华。学生通过亲自参与这一系列实验，不但可以提高实验操作能力，而且还可以从中体会到滴定技术的发展和变迁，以及各个学科之间的渗透和交叉，对分析化学实验技术有更加科学和全面的认识。
由于接触的仪器及方法多样，虚拟滴定和校正滴定实验形式新颖，将学生比较感兴趣的计算技术与网络技术相结合，涉及的知识面广、形式多样，知识性与趣味性相结合，从而可以调动学生的学习积极性。虚拟滴定实验软件提供远程下载，实验室开辟专门的bbs讨论网页，为学生与教师，学生与学生之间在网络上的讨论提供了媒介，也为实验兴趣的营造创造了条件。
2.4新颖性、独创性及可持续性
（1）虚拟滴定法实验，利用计算机和网络的媒介作用，对学生理解滴定分析法的原理、滴定过程中的有关规律有一定的帮助。虚拟滴定模拟计算的程序，由本课题组自行编制，具有新颖性；（2）校正滴定法的理论和应用研究时有报道，但却未见将该方法应用于实验教学的报道。本课题组对包括校正滴定法的计算滴定法进行了长期的研究，发表了一系列科研和教学论文，出版了专著…，在此基础上，编写了校正滴定法测定中性氨基酸的实验讲义，具有独创性；（3）全自动电位滴定仪是比较先进的滴定仪器，具有操作简单、测定速度快、测定结果准确等特点，而且便于在线分析。目前，该仪器在质量检测、环境监测、工农业生产和科学研究中的应用越来越多，但在面向本科的实验教学中的应用却不多见。通过全自动电位滴定实验和校正滴定实验，可以使学生提早接触全自动电位滴定仪，熟悉该仪器的功能和操作，为后续课程的学习和工作打下基础，具有可持续性。
碘量法的基本原理范文4
关键词：下沙地区 富营养化 生物浮岛技术 水体修复
中图分类号：X171.3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）05（b）-0008-02
富营养化是由于人类活动的生活污水、工业废水、以及含氮、磷等营养物质的水，进入缓流水域后，促使水体中许多大型绿色植物和微型藻类旺盛生长、繁殖，使水体向生产力水平较高的营养状态转化的过程。水体富营养化是自养生物（浮游藻类）在水体中建立优势的过程，包含着一系列生物、化学和物理的变化，与水体的化学性质、物理性状，底质，以及气候、地理等众多因素有关。从上个世纪中叶，全球出现海洋和淡水水体富营养化不断加剧之势，水体富营养化已成为人类普遍关注的水质污染问题。水体富营养化使许多湖泊、水库成为主要环境问题，严重的妨碍了水体利用，造成了环境和经济的重大损失。目前富营养化水污染处理技术的研究认为人工湿地、生物浮岛等生物等处理技术，通过原位构建水生植物体系，利用植物根系的吸附、吸收作用，削减水中的氮、磷等营养物质，从而达到净水效果，具有无二次污染，且兼具景观美化作用的特点，是目前富营养化水体主流修复措施[1]。
下沙高教园区地处杭州的东北，是近十年发展起来的新城区。杭州的平均降雨量约在1100～1600 mm之间。全年有两个雨季和一个多雨时段。3～4月为一多雨时段，称春雨期；5月初至6月上底为一个雨季；8月底到9月底为第二个雨季。占全年降雨总量的65%左右。杭州的年平均蒸发量为1150～1400 mm，全年以6～8月为最大，约占总蒸发量的50%。从整体来看，区内水域基本上是自成平衡体系。区内的几条小河流均为四、五级河道，主要功能为排洪。区域内部和四周有人工修建的河道，道路敷设雨水管道，收集路面雨水就近排入河道。外界污染物的大量输入与底泥营养物的内源释放所共同引起的生态退化，水质变差，面临的严重的水环境问题。由于水置分散、水质复杂、源头多，不能采用收集集中处理的方法，同时也不可能投入巨大的水体处理资金。利用生物浮岛技术修复具有投入少、运行费用低、应用规模可灵活变动、无二次污染等优点，非常适合这类小型开发区富营养化水体的处理[2]。
1 生物浮岛技术的基本原理
生物浮岛技术是一种快速发展的原位水处理方法。主要的思路是通过提高微生物降解功能，加强水生植物吸收作用，促进二者之间的协同作用，实现水体原位高效生物降解[3]。
生物浮岛系统的工作原理是先通过投加填料，加大微生物附着面积，以便微生物富集成膜；然后添加可富集在填料表面的特效功能菌，加强多菌种协同作用，高效降解氮、磷等营养物质；进一步构建植物与微生物的复合生物体系；从而改善微生物生长环境，一方面人工曝气提高水体溶氧量，增强微生物代谢；另一方面利用人工造流，加快水体传质，从而实现高效的原位生物降解。
具体实现是由浮床单元拼接、组合而成。浮床单元内部种植水生植物，水下增加填料并接种特效氮、磷处理菌，整体环绕于曝气造流系统。在植物和微生物的共同作用下，实现水体修复目的。
对水体进行曝气是改善微生物生长环境、提高降解效率的必不可缺的步骤。由于常用的机械曝气存在设备能耗高、充氧效率低、运行存在安全隐患等不足，可考虑在充分利用水体自身藻类光合作用复氧和大气复氧前提下，改变曝气充氧模式，提高充氧效率，控制充氧时间，实现低能耗供氧。同时改变单一曝气充氧方式，利用直接曝气制造循环流，在直接曝气的基础上，搅动水流，提高液面更新速率，提高充氧效率。根据水体中溶解氧自然变化规律，控制人工充氧时间，从而实现原位低能耗高效供氧[4]。
2 原位能源供给
能源消耗是影响水体处理工程成本的重要因素。能耗高，成本和运行费用制约了水污染治理体系不能长期工作。开发无污染，少投入的能源是解决治污的关键。近年来太阳能等绿色能源应用快速发展，利用太阳能光伏发电供给能源是非常适合下沙高教园区的水体处理。杭州市年平均太阳总辐射量在420～460 kJ/cm2之间，日照时数1800～2100 h。大部分自然水体表面光照条件充分，水域开阔，阳光照射条件良好，通过悬浮载体将太阳能发电系统利用于设备当中，无需外界能源输入，在能源自给的同时实现水体修复的目标，节能降耗，消除污染[5]。
在富营养化水体中，藻类含量较高，其光合作用释放出氧气，供菌种降解有机物，是一种太阳能的自然生物利用方式。如果能充分利用水体原位生态修复功能和藻类的充氧功能，构建以原位太阳能发电与原位生物修复相结合的一体化水体修复设备，将突破现有富营养化水体处理技术屏障，为浅层水体修复和日常维护提供新型有效的技术手段，具有广泛的市场应用前景。
另外风力发电作为一种重要的可再生能源形式，越来越受到人们的广泛关注。由于风电设备制造技术的日益成熟和风电价格的逐步降低，近些年来，无论是在发达国家还是在发展中国家都在大力发展风力发电。近30年来风电场并网容量发展最为迅猛，对常规电力系统的运行造成的影响明显增大。杭州市大部分地区年平均风速在1.3～2.4 m/s，下沙地处杭州东北部平原，位于钱塘江两岸的滨海平原，年平均风速超过3 m/s。这种风速适宜小型风力发电的风能，很好解决了地区无电、缺电的困难，特别是弥补了阴雨、无阳光时太阳能发电不能工作的不足[6]。
3 修复体系设计方案
以下简介利用太阳能、风能进行生物浮岛技术修复富营养化水体整体结构设计方案。根据太阳的花形状，曝气造流系统的浮床为结构主体，浮床采用双曲面球体构型，上承太阳能电池板，内置蓄电池和空气泵等所有配套设备，下方以丝杆连接悬挂导流装置，周围环绕生物浮岛单元，曝气盘通过管道连接固定在导流装置内部[6]。
生物浮岛系统由浮床单元拼接、组合而成，浮床单元内部种植水生植物，水下增加填料并接种特效氮、磷处理菌，整体环绕于曝气造流系统，通过植物和微生物的共同作用，实现水体修复目的。
曝气造流系统由空气泵、曝气盘、悬浮载体和导流装置四部分组成。空气泵压缩的空气通过导气管进入曝气盘，再以微小气泡的形式释放到深层水体中，并与其混合，增加水体溶氧；水气混合后的液体因密度减小而在导流筒内垂直上升到达浅层水体，同时，深层水体因导流筒内的压力较小而被不断吸入到导流筒内，形成一个以压力差为动力的循环流，实现水体最大效率供氧。
光照充足的白天，太阳能电池板通过控制器向蓄电池供电，夜间蓄电池放电带动空气泵工作；利用时间控制开关控制空气泵的工作状态；空气泵的工作时间初步可考虑安排在午夜至凌晨连续6小时。阴雨天气，太阳能控制器直接控制蓄电池充放电，保证蓄电池提供空气泵18小时工作能力。同时小型风力发电系统产生辅助作用，保证修复体系的正常用电[7]。
4 水体修复效果实验分析
在实验区域采用太阳能、风能生物浮岛修复系统运行（白天充电，夜间供氧6小时），测定实验区域的溶解氧平均值A与对照区域溶解氧平均值B的变化连续，溶解氧采用在线溶解氧仪及碘量法]测定。试验数据表明，在富营养化水体中存在着水体溶解氧昼夜变化幅度大的特点，昼间溶解氧变化并不完全符合富营养化水体溶氧规律变化，昼间溶氧会达到高点，但是夜间溶氧并不会降低到预计低点。各项水质指标均已经达到富营养化的状况，水体夜间的耗氧量低，可能是由于底泥含量低、悬浮微生物少、水体微生物活动较弱的原因[8]。
通过相同条件下对水溶氧变化与微生物量的关系的实验，可知夜间水中溶解氧持续下降，日出前达到最低值5.8 mg/L。开始曝气后，溶解氧浓度上升，能在日出前补充到最低值7.4 mg/L。
生物浮岛的水体修复主要通过以下几个方面实现：设备直接曝气充氧促进好氧微生物代谢，加快水体有机污染物降解速率；设备曝气形成环流，加快水体液面更新速率，提高大气复氧效率；浮岛植物根系吸收水体内营养物质，拦截固体颗粒、沉降胶体物质，提高净化效果；浮岛中的生物填料，通过富集微生物，提高水体中的微生物数量和降解能力；曝气形成的环流，有利于净化后水体与污染水体的交换，扩大设备有效的净化面积。
如此构建立体式的生物体系，使富营养化水体在植物、微生物的协同作用下，通过太阳能、风能供电强化曝气和水体循环，实现富营养化水体的快速修复[9]。
5 结论
基于水体原位修复的理念，通过组合太阳能、风能等低能耗充氧和高效生物降解措施，构建了一体化的立体式生物处理设备。对于改善水环境课题，本文提出使用太阳能、风能等绿色能源取代其他能源；应用植物、微生物反应代替化学方法的大量化学药剂，实现零成本运行、无二次污染，与水体和谐共处，有着明显经济优势和社会效益。
参考文献
[1] 金相灿，屠清瑛.湖泊富营养化调查规范[M].2版.北京：中国环境科学出版社，1987.
[2] 国家环境保护总局.水和废水监测标准方法[M].4版.北京：中国环境科学出版社，2002.
[3] 李英杰，金相灿，年跃刚，等.人工浮岛技术及其应用[J].水处理技术，2007，33（10）：49-51.
[4] 马风有，李强，邓辅商.人工浮岛载体设计研究[J].中国农村水利水电，2007（5）：85-87.
[5] 赵祥华，田军.人工浮岛技术在云南湖泊治理中的意义及技术研究[J].云南环境科学，2005，24（A1）：130-132.
[6] 马蕊，林英，牛翠娟.淡水水域富营养化及其治理[J].生物学通报，2003，38（11）：22-26.
[7] 李家就，钱望新.富营养化湖泊水源生物预处理研究[J].中国给水排水，1992，8（2）：4-7.