[ASR+]紫外线对臭氧生成以及植物对臭氧吸收作用的综合探究
ASR项目组附属实验
原文为英文实验报告,上次直接英文的东西发到论坛上被人骂了,这次决定翻译、改写后再发上来
(由于时间拙计,很多地方有删减,而且有些图也没翻译,请见谅)

简介
臭氧是氧的同素异形体,在大气层中主要起到了吸收紫外线的作用。但与此同时也是一种常见的污染气体。氧原子以sp2杂化轨道形成离域π键,构成V状极性分子。臭氧的英文为“ozone”,来源于希腊语“ozien”,意思为“to smell”,是一种具有极强氧化性的气体,常温下高浓度时为淡蓝色,有着极强的刺激性气味。其分子结构如下图。

图片1.jpg


据了解,高压放电、电离辐射以及消毒用紫外线灯等可以产生臭氧,其基本原理均是将氧分子电离为氧自由基,再和新的氧分子结合产生臭氧。实验A主要是针对紫外光进行臭氧生成的探究实验,实验B是利用植物对臭氧进行吸收,同过速率的计算来选择最佳吸收植物。

实验A设计及假设
紫外光是一种电磁辐射,其能量大小与其波长成反比,与其频率成正比。能量计算公式可由以下式子给出:
E=hc/λ
其中E为能量,λ为波长,h为普朗克常数,c为真空光速

紫外线根据波长范围分为4个波段:UVA波段,波长320~400nm;UVB波段,波长275~320nm;UVC波段,波长200~275nm;以及UVD波段,波长100~200nm。能级随排列递增。根据资料,臭氧可吸收UVB、UVC波段的紫外线。碍于实验条件的限制,我们只能找到波长为254nm和365nm的紫外光进行测试。

实验装置为25W暗箱式紫外分析仪,可以为实验提供一个密闭、避光的空间。第一组实验是测量不同波长的紫外灯产生臭氧的能力。首先将臭氧传感器(分度值0.1ppm)放入暗箱,读出初始数据,等待示数稳定后,分别打开254nm和365nm的紫外灯,每隔5s记录一次传感器示数,持续10min。根据紫外线能级和臭氧的生成原理可以大概推断,由于能量较小,电离氧气能力小,365nm的紫外灯产生臭氧的速率要比254nm的紫外灯速率要慢。

装置如下图:
QQ截图20130630154803.jpg


第二组实验是测量不同波长的紫外线对臭氧的分解作用。首先将臭氧传感器(分度值0.1ppm)以及臭氧发生片(产气速率7000mgh-1)放入暗箱,首先将臭氧发生器接电,当暗室内臭氧浓度上升至600ppm时切断电源,3次实验,一次打开254nm紫外灯,一次打开365nm紫外灯,最后一次全部关闭。每隔10s记录一次传感器数据,记录7min。我的预测是365nm的紫外线可能会对臭氧有降解作用,使浓度下降地更快。

实验A数据收集及处理

第一组实验数据

根据记录下的数据,将其绘制成折线图如下
QQ截图20130630161802.jpg


由于臭氧浓度值比较小,故数据波动幅度过于大。为了消除这种波动对数据分析的影响,我利用散点图进行拟合。
拟合后的图像成线性关系,如下图
QQ截图20130630162608.jpg


从图像中,可以得出, 365nm的紫外线对于密闭环境下的臭氧浓度几乎没有任何影响,而254nm的紫外线可以生成臭氧,并且产生速率在低浓度下为一个定值。
鉴于目前生活中绝大部分的消毒用紫外灯都是254nm的波长,在使用紫外线消毒过后,一定要注意通风,使密闭环境内的臭氧浓度回归正常值。

第二组的原始实验数据如下图
QQ截图20130630163056.jpg


同样在本图中,365nm的紫外线对臭氧浓度的自然分解几乎没有什么特别的作用,其曲线和无任何紫外线时贴合完美,而254nm紫外线则对臭氧分解有着显著的反作用,其很明显地降低了臭氧的自分解速率。

简单结论
并非所有紫外线都具备空气的电离能力,电离空气中氧气的波长阀值应该在365nm和254nm之间,从以上的对比实验中可以很容易地看出。
进一步的结论可以通过计算得到。将2个波长带入E=hc/λ式子中,得到E,也就是电离氧气的电磁波能量阀值在5.58X10-19J到7.82X10-19J之间。
+1  学术分    虎哥   2013-06-30   赞扬
+1  科创币    delete   2013-06-30   拜读。这篇东西发西洋文反而比较合适,词汇很少很低端,且都是discovery科普节目经常用的。
+100  科创币    拔刀斋   2013-07-01   水处理紫外线灯属于有臭氧紫外线灯,光谱含有189nm的UVA,淘宝上的鱼缸廉价货已经很明显有气味
+50  科创币    zhaokenb   2013-07-03   大大的加分啊!
来自 化学与化工
 
2013-6-30 16:44:21
bh,王者归来(作者)
1楼
实验B设计及假设
关于臭氧的第二个实验是关于臭氧的吸收速率的实验,考虑到现在家庭和公共场所喜爱利用植物做装饰,对于消除臭氧,我们主要考虑的方向是植物吸收。
经小组同学在花鸟市场调研,我们选择了4种比较常见的植物来进行探究。它们是:虎皮兰,长春花,吊兰和芦荟。每种植物我们购买了2株,用于实验。
实验装置是一个0.4X0.5X0.4(单位:m)的亚克力箱,整箱利用有机玻璃胶紧密粘合,以保证气密性。最顶上一个面是可活动舱盖,可以自由开合。
将2株待测植株放入亚克力箱,同时放入臭氧传感器和温湿度传感器以及臭氧发生器,考虑到此实验臭氧产气量大,泄漏后对实验环境危害巨大,本实验
全部在通风橱内完成。

实验装置如下图:
QQ截图20130630170736.jpg

QQ截图20130630171147.jpg


在实验中,待测量为不同植物的臭氧吸收速率,要控制放出臭氧的量以及传感器位置、环境温湿度相同。由臭氧发生器说明书可知,发生器在一定时间内放出的
臭氧总量一定,于是我将实验设置为:在密闭的空间内让臭氧发生器工作105s,每10s记录一次臭氧浓度数据,记录21分钟45秒(在发生器停止工作后持续记录20min)
我的基本猜测是叶面积较大的植物可能有更高的臭氧吸收速率。

相机将每隔10s拍摄一张照片,以辅助我们的数据记录
相机拍摄的图片
QQ截图20130627105242.jpg


实验A数据收集及处理
实验得到的原始数据
QQ截图20130630171249.jpg


将得到的数据绘制成折线图
QQ截图20130630170943.jpg


可以从图上看出,所有的植物均或多或少地起到了一定的吸收作用,但也有很明显的吸收能力的差距,为了更好地做计算,我将进一步对数据进行处理。
首先我对图像进行了分割,以浓度值达到峰顶为分割接线,然后利用散点进行拟合,使图像的关系式可以直接表达出来:
QQ截图20130630171337.jpg


此实验的主要目的是计算吸收速率这个值,而在密闭空间内,环境臭氧的下降速率值正好对于植物的吸收速率加上臭氧自分解速率。
根据衰变公式,
1.jpg

也就是说 浓度的对时间的导数和浓度成正比,求出k值,即可知道自分解速率和吸收速率。
下面进行公式详细推导:
首先对此关系式进行变形
2.jpg

两边同时积分
3.jpg

4.jpg

变形得
5.jpg

6.jpg
    
7.jpg

所以kt的关系式为
8.jpg

所以只需要将N0/N的自然对数计算出来 ,画图,并且进行拟合,其必然是一个一次函数,其斜率就为k

于是进行这样的计算,得到含有关系式的函数
QQ截图20130630172953.jpg


自分解速率k0,即为没有植物情况下的“吸收速率”即可求出,k0=0.001
所以k(plant)=k-k0
每个植物与自然分解速率相减后得到了绝对吸收速率
吸收速率和时间的函数图象为
QQ截图20130630173245.jpg


总结
很显然,吊兰和长春花具有较强的除臭氧的能力。也基本验证了一开始的hypothesis。本实验的局限性在于高浓度臭氧环境可能并不适用于生活中,但要想完成低浓度臭氧吸收实验,首先需要灵敏度很高的臭氧传感器,其次需要长时间的实验才可得出结论。另外由于条件限制,没有更多种类的植物参与到测试中来,添加更多的植物有利于得出更为精确的结论。

dddjjj.jpg

ASR Extra Experiments
+200  科创币    delete   2013-07-01   再次膜拜。。
+25  科创币    robbie   2013-07-02   
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2楼
要是有关于是用富氧空气培养大型昆虫的相关文章就好了!
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3楼
现在的情况是   家里左边一台放一台臭氧发生仪  右边一盆吊兰么
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4楼
做生物学研究的想提几点。
你的不同植物并不具有可比性,因为不同植物的总叶面积/体积不同,光合速率与呼吸速率亦不相同,另一方面你选择的植物的到底是否处于相似的生理状态期。其次不同种属的植物代谢方面的特征也不同。臭氧的吸收,其实也可以换个说法说是植物的活性氧代谢,对植物是一种氧化应激,建议LZ看一看研究氧化应激方面的文章再重新设计一下检测方案。我是做分子生物学的,对植物生理方面懂得不全面。但是就植物应激实验的方案设计来说,还欠缺很多。
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2013-07-01 23:46:46
2013-7-1 23:46:46
5楼
可以单独测试一下灯具照射空气的效果
水处理紫外线灯属于有臭氧紫外线灯,光谱含有189nm的UVA,淘宝上的鱼缸廉价货已经很明显有气味
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2013-07-02 11:46:54
6楼
回 1楼(乖bill) 的帖子
为什么ln(N0/N)要加负号捏
+1  科创币    delete   2013-07-02   求绝对值
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2013-07-03 22:02:44
2013-7-3 22:02:44
7楼
ASR在南京吗?想去拜访下·[s:274]我在南航·
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2013-07-11 17:44:44
2013-7-11 17:44:44
8楼
玩tc会增加臭氧浓度,哈哈。臭氧闻着神清气爽,很不错哦,呵呵。大气层中的臭氧抵挡了太阳的大部分紫外线。是不是特定的波长的紫外线把臭氧层分解了呢?
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