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目 录

1 引言 2

2 实验样品采集 3

2.1 样品的采集方法 3

2.1.1 直接采样 3

2.1.2 间接采样 4

2.2 样品的采集 4

2.3 样品采集地背景 5

2.3.1 工业生产区 5

2.3.2 生活区 5

2.4采样点分布 6

3 实验样品的检测分析 6

3.1 二氧化碳的检测 6

3.2 甲烷的检测 7

3.3 氧化亚氮的检测 7

4 检测结果与讨论 8

4.1 检测数据 8

4.1.1 二氧化碳检测结果 8

4.1.2 甲烷检测结果 9

4.1.3 氧化亚氮的检测结果 10

4.2 讨论 11

5 结论 11

参考文献 12

致谢 15

南京大厂区不同区域空气中二氧化碳、甲烷和

氧化亚氮的分布研究

陈禺蒙 20121377013

环境科学与工程学院化学系

摘 要：二氧化碳、甲烷、氧化亚氮都是重要的温室气体，其中甲烷与氧化亚氮也是重要的空气污染物。南京大厂地区是历史悠久的重化工工业基地，空气质量令人堪忧，甚至已经影响附近居民的正常生活。 本研究以大厂地区为背景，采样检测了24组样品，得到二氧化碳、甲烷与氧化亚氮的浓度数据，并详细分析了二氧化碳、甲烷、氧化亚氮在大厂地区的分布的状态及其产生原因。

关键词：二氧化碳；甲烷；氧化亚氮；污染物；气体检测；分布

1 引言

从第一次工业革命，瓦特发明了蒸汽机开始，人类就开始大量使用不可再生的化石能源，尤其在二十一世纪之后，由于人口的膨胀与能源需求的增长，化石能源的消耗与日俱增，并由此带来了严重的环境气候问题。化石能源的燃烧会释放出大量的二氧化碳，也会释放部分空气污染物如：二氧化硫，氧化氮等。二氧化碳是最主要的温室气体，其会吸收地球的红外辐射，导致能量无法以红外线的方式散发到宇宙空间中，由此带来全球气候变暖，两极冰川溶化，海平面上升等问题。甲烷是重要空气污染物与温室气体，其主要来源于天然气、沼气、动植物与微生物的生命过程等，其中动植物与微生物占据了甲烷进一半的来源。甲烷是极为重要的化工原料与产品，可以用来生产炭黑、尿素、一氧化碳等，同时甲烷燃烧值高，燃烧后生成水与二氧化碳，属于清洁能源。甲烷也属于温室气体，而且其温室效应比二氧化碳要强25倍。当空气中甲烷浓度高于1%且小于20%时，遇到明火会发生剧烈爆炸，大部分的矿难都是由此引发，所以凡是涉及甲烷生产或者消耗的地方都会非常重视甲烷的监测，以保证人员的生命财产安全。氧化亚氮也同时是污染物与温室气体，其温室效应比甲烷还要强，达到了二氧化碳的近400倍。氧化亚氮俗称“笑气”，在以前被当作麻醉药物使用，由于效果较差已经被淘汰。氧化亚氮多由植物与微生物进行固氮时产生，也有一小部分是高温高压状态下氮气与氧气反应产生。氧化亚氮会被空气中的氧气氧化成为氧化氮，与水汽结合形成硝酸型酸雨。南京市大厂地区是重要的重化工业基地，主要生产石化制品与橡胶制品，具有近百年的历史。整个大厂地区由于长期的工业生产排放，环境问题较为严重，空气质量差，已经影响到大厂地区居民的日常生活。

2 实验样品采集

2.1 样品的采集方法

样品的采集方法主要分为直接采样与间接采样，要根据目标物质的性质分析，选择合适的采样方法。如果目标物质在空气的比例较高或者易于检测时，我们一般选择直接采样法，如：注射器采样、塑料袋采样、真空瓶采样等。与其相反，目标物质在空气中浓度比较低，与其性质相似物质存在且难分离时，我们会选择间接采样。具体在选择方法时，一定要遵循采样气体的真实性与代表性，不能教条。

2.1.1 直接采样

注射器采样^[16]时常用20mL注射器进行采集。在采样过程中，应该先进行多次现场抽吸，保证注射器中不会残留不明气体，然后再抽取定量的样品气体，然后快速封口，放入密封箱中。由于很多目标物质会与样品中其他物质发生缓慢的反应，会影响检测结果，所以一般当天取样当天检测。

塑料袋采样时应选择不与样品中任何物质发生反应的材质塑料袋，同时也要保证塑料带不泄露，不变形。如果目标气体具有特殊的性质，如腐蚀性、酸性、氧化性等，则可以选择采用金属薄膜作衬里（如衬银、衬铝）的塑料袋。采样时，先用现场的气体冲洗塑料袋，然后再充满待测气体，然后用专用的夹子进行密封，依然优先遵循当天采集当天检测的原则。

采气管容积一般为100-1000mL。采样时，打开两端旋塞，用二联球或抽气泵接在管的一端，迅速抽进比采气管容积大6-10倍的欲采气体，使采气管中原有气体被完全置换出，关上旋塞，采气管体积即为采气体积。

真空瓶是一种具有活塞的耐压玻璃瓶，容积一般为500-1000mL。在采样之前，先用真空机反复抽送空气，保证样品代表性，然后用真空机准确抽出气体，使瓶内压保持在1.33kpa，之后，打开进去口，使空气进入。

运用直接法进行采样的样品，其数据一般显示了对应气体的瞬间浓度或者短时间内的浓度。直接法更加适合对于大气成分的检测，而某些较为特殊的样品则适合选择间接法。

2.1.2 间接采样

当大气中目标物质的浓度很低时，或者直接法不能满足实验要求时，会选择富集法进行采样。富集采样是通过让大量的待测气体通过某一特殊装置，用一些特殊的物质使目标物质遗留在装置中进行浓缩，特别适用于浓度较低的物质检测。

溶液吸收法是采集大气中气态、蒸汽态及某些气溶胶状态污染物质的常用方法。采样时，用抽气装置将待测空气以一定流量抽入装有吸收液的吸收管，使被测物质的分子阻留在吸收液中，以达到浓缩的目的。采样结束后，倒出吸收液进行测定，根据测得的结果及采样体积计算大气中污染物的浓度。吸收效率主要决定于吸收速度和样气与吸收液的接触面积。吸收液的选择原则有：与被采集的物质发生不可逆化学反应快或对其溶解度大，污染物质被吸收

液吸收后，要有足够的稳定时间，以满足分析测定所需时间的要求，污染物质被吸收后，应有利于下一步分析测定，最好能直接用于测定。

填充柱是用一根6-10cm长,内径3-5mm的玻璃管或塑料管,内装颗粒状填充剂制成。采样时，让气样以一定流速通过填充柱，使欲测组分因吸附、溶解或化学反应而被阻留在填充剂上，达到浓缩采样的目的。填充法检测结果非常准确，但是过程较长，适合对某一特殊物质进行准确检测。

低温冷凝法是用低温使空气中某些沸点比较低的气体被冷凝成为液体，从而提取出目标物质。这种方法主要运用于大气中某些沸点较低的气态污染物，如烯烃类、醛类等。这种方法的优点主要有：采样量可以很大，由于是运用沸点来分别各物质，区分效果好，而且低温可以使样品更加稳定。

自然富集法主要利用不同物质具有不同的物理化学性质，如自重、空气动力等来采集大气中的一般不易被检测的物质。这种方法的优点是比较方便快捷，成本比较低，不需要什么特殊的设备，采样时间长，具有代表性，能比较好的反应当地的真实空气质量状态。

2.2 样品的采集

大气采样的方法选择要根据采样的目的和现场情况，在保证样品的真实性，时效性，典型性时，尽量选择简单便捷的采样方法。本文的研究对象为二氧化碳、甲烷、氧化亚氮，他们在空气的浓度比较高，故没有必要使用富集法，应当采用直接法。本文的实验样本就采用的注射器采样，分别在位于工厂聚集的化工园区、居民区、居民住房内进行多次样品采集。

首先前往大厂化工园区西路,在园区大门进行第一次采样，首先取出20ml专用注射器，多次抽取排出空气，待确认注射器中样品为当地一般空气样品再进行密封存贮，保证取样的真实性。随后在化工园区内进行了2次随机采样，并将采集得到的样品进行密封保存。由于方巷新村就位于化工园区偏西方向，下一步在新区人员流动大的公交站进行采样，完成后前往小区内部，先在小区停车场进行采样，最后在小区绿化带进行采样，完成后前往扬子石化乙烯路。我在取得管理人员的同意下在厂区大门、停车场、厂内绿化带分别进行采样。最后我们到达南京化工厂，同样在厂区大门、停车场、绿化带进行采集。生产区采集完毕后，前往居民区。我先到了距离化工园区较近的扬子十村，可以明显闻到空气中的“化学气息”。然后分别在十村的马路旁、绿化带以及居民点进行随机取样。随后前往扬子十七村进行采集，依然按照上一居民点的采集原则，最后，回到宿舍进行宿舍内取样。民居内采样分别在宿舍走廊，宿舍内部，以及阳台进行取样。为了采集较长时间空气不流通的样品，关闭了宿舍的门窗24小时，在后一天下午进行了密闭宿舍的采样。采集详细地点如图4所示。

2.3 样品采集地背景

2.3.1 工业生产区

南京化学工业园位于南京市六合区，是国家级化学工业园区，是中国第二家重点石油化工基地。化工园区将按照“世界一流，中国第一”的标准，以乙烯、醋酸、氯化工为三大支柱产业，其中又以石油化工为支柱产业，是重要的有机原料生产基地。

扬子石化是中国石油化工股份有限公司的子公司，坐落于南京市高新开发区，其主要生产石油制品与烯烃衍生物。扬子石化主要生产品包括：聚烯烃塑料、聚酯原料、橡胶原料、基本有机化工原料、成品油等5大类，年产约700多万吨，为全国各行各业提供必须的原料。

南化公司，全称中国石化南京工业有限公司，即原南京化工厂。该厂是中国最早的化工基地，具有近百年历史，主要产品为无机化工原料、无机肥、含苯有机化工原料和以橡胶助剂为主体的精细化工产品，是中国重要的有机中间体与橡胶助剂的生产基地。

2.3.2 生活区

扬子十七村位于南京地铁s8号线葛唐站东处十分近的位置，毗邻国道205。205国道是非常重要的交通道路，直接连接南京长江大桥，是江北民众的主要过江线路，并且是北方车辆进入南京的主要通道之一，交通十分繁忙。扬子十七村也很靠近扬子石化，仅仅只有1公里左右，所以其空气质量不是很好，空气中时常可以闻到刺鼻的气味。

扬子十村位于南京地铁s8号线葛唐站东处大约4公里，毗邻国道205，同时比十七村更加靠近扬子石化与南京化工厂，几乎只有一墙之隔，日常生活会受到工业生产的巨大影响。虽然其植被覆盖率很高，但是空气中依然可以闻到重化工业特有的刺鼻气味。

方巷新村位于南京地铁s8号线南京化工园区站附近，同时毗邻国道205，东侧即为南京化工园。其虽然是居民聚居地，但是空气中明显可以闻出化工厂特有的异味，空气质量堪忧。

宿舍位于南大门，距离车流较多丁永线只有不到50米的直线距离，同时背靠覆盖树木的龙王山国家风景区。学校附近重化工生产基地十分少见，多为轻工业生产基地，比如电子厂，毛绒玩具厂等，没有十分明显的空气污染，空气质量一般。

2.4采样点分布

具体采样点已经在如下图中用黑点标出，方巷区域和化工园区位于地图右上角。扬子石化，扬子十七村与十村处于地图中部，与南化公司也很靠近。最后一点宿舍位于地图左下角。

图4 采样点位置

3 实验样品的检测分析

3.1 二氧化碳的检测

二氧化碳的检测有滴定法、气象色谱法、红外光谱法、电化学传感器法^[4]。

滴定法中通常使用标准强氧化钠溶液吸收样品中的二氧化碳生成碳酸钠，然后在双重指示剂的作用下，用标准盐酸溶液进行分布滴定。此法的优点是原料简单易得，安全没有危险，价格低廉，但是也存在着缺点，比如：反应器材多、反应时间长、精确度不高。研究人员也在不断完善此种方法。

气象色谱法是一种物理分离的方法，利用被测物质各组分在不同相之间不同的分配系数（溶解度）的微小差异，来计算目标物质的含量。当分辨不清时，可以多次在两相间分配，扩大物质之间的差距。其优点主要是灵敏度很高，可以检测出10^-10g的物质，可以用来分析空气中的各种微量物质；相对于传统的酸碱滴定法，可以有效去除空气中各种酸性碱性物质的干扰；速度很快，一次检测仅需几分钟就可以完成。在最近的研究中，研究人员加入了氢火焰检测器，使其结果更加准确。

红外光谱法^[7]利用了二氧化碳对4.26微米波长的红外光有强烈的吸收性质，再根据郎伯-比尔定律，即可算出待测物质中二氧化碳的含量。红外光谱法测定的结果更加稳定和准确。运用这一原理，甚至可以对某一对象的二氧化碳的含量进行实时的监控。与其他方法相比，红外光谱法分析速度快，结果准确，不产生废弃物质，操作简单，特别适用于在生产中的实时监控。

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