陳毅挺，黃 露，李艷霞，邱楨麗，林曉森

(閩江學(xué)院材料與化工學(xué)院，福建 福州 350108)

儀器分析實(shí)驗(yàn)作為應(yīng)用化學(xué)等專業(yè)的必修課，涉及了物理、化學(xué)以及電子技術(shù)等多個(gè)學(xué)科[1].隨著我國(guó)第三方檢測(cè)市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，分析儀器的應(yīng)用能力成為畢業(yè)生是否適應(yīng)分析測(cè)試行業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)員工要求的重要指標(biāo).目前儀器分析實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中存在一些問(wèn)題，如學(xué)生操作機(jī)會(huì)不足、教師講解不夠透徹等.問(wèn)題的根源一般為受制于儀器臺(tái)數(shù)的限制，學(xué)生們需要通過(guò)循環(huán)的方式開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果就是一個(gè)實(shí)驗(yàn)需要安排多個(gè)時(shí)間段.而在傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中，教師們一般先介紹實(shí)驗(yàn)原理、儀器操作，然后學(xué)生再開(kāi)始實(shí)驗(yàn).這種安排導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教師重復(fù)講解工作量大，集中講解效果差.針對(duì)于此，以開(kāi)放實(shí)驗(yàn)的模式開(kāi)展儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為提高儀器利用率，提升教學(xué)效果的有效方法[2-3].同時(shí)，為了提高學(xué)生儀器綜合使用能力，將儀器分析方法與其他操作技術(shù)相結(jié)合，并將不同的儀器分析方法串聯(lián)，形成相應(yīng)的綜合實(shí)驗(yàn)，則能在有限的實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)中盡可能的訓(xùn)練學(xué)生利用分析儀器解決實(shí)際問(wèn)題的能力[4-5].

目前我國(guó)染料年產(chǎn)量和用量都十分巨大，即使少許的染料排入水里，也會(huì)引起人們不適的視覺(jué)沖擊，同時(shí)染料在水中會(huì)吸收太陽(yáng)光，阻礙陽(yáng)光和水中生物的接觸，從而影響水中植物的光合作用，破壞生物的多樣性[6].將染料廢水的脫色處理引入儀器分析綜合實(shí)驗(yàn)，可以將實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與生產(chǎn)實(shí)踐有效結(jié)合，喚起學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣.目前，染料廢水的脫色處理方法有物理法[7-8]、化學(xué)法[9-11]、生物法[12-13]等.Fenton法利用H2O2與Fe2+反應(yīng),生成強(qiáng)氧化性的羥基自由基從而降解有機(jī)物[14-17]，在實(shí)際研究中常常和其他技術(shù)結(jié)合使用，提高降解效率和降低能耗.如將微波技術(shù)和Fenton法結(jié)合后，微波的熱效應(yīng)使反應(yīng)的分子運(yùn)動(dòng)加快.而非熱效應(yīng)能改變分子排列所帶來(lái)的熵效應(yīng)，減小所需活化能，加快溶液反應(yīng)的進(jìn)行，從而降低相應(yīng)的耗損[18-19].而且微波輔助Fenton降解所使用的試劑較為安全，將染料廢水的降解與分析儀器表征相結(jié)合，有助于學(xué)生學(xué)以致用，提升環(huán)保意識(shí)與解決實(shí)際問(wèn)題的能力.通過(guò)綜合實(shí)驗(yàn)的開(kāi)放，也可以有效提高分析儀器設(shè)備的使用效率[20].

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

(1) 了解科學(xué)研究基本思路，培養(yǎng)學(xué)生閱讀科技文獻(xiàn)的能力.(2) 掌握各降解條件對(duì)活性紅2微波輔助芬頓法脫色效果的影響.(3) 掌握紫外可見(jiàn)光譜、紅外光譜、高效液相色譜的原理及其應(yīng)用.

2 實(shí)驗(yàn)原理、方法和手段

目前，染料廢水的脫色處理方法有物理法、化學(xué)法、生物法等.芬頓法的實(shí)質(zhì)是二價(jià)亞鐵離子和雙氧水之間的鏈反應(yīng)催化生成羥基自由基，因而Fenton試劑可氧化大多數(shù)有機(jī)物.通過(guò)微波場(chǎng)對(duì)吸波物質(zhì)的選擇性加熱、低溫催化、快速穿透等功能，促進(jìn)有機(jī)物的降解和絮凝，能大幅縮短芬頓反應(yīng)時(shí)間.本實(shí)驗(yàn)利用微波輔助芬頓法對(duì)活性紅2(結(jié)構(gòu)式如圖1所示)實(shí)施脫色處理，分別考察過(guò)氧化氫用量、Fe2+用量、酸度、微波功率、微波時(shí)間對(duì)活性紅2脫色率(如式1所示)的影響，并通過(guò)降解前后的紫外可見(jiàn)光譜、紅外光譜、化學(xué)需氧量、高效液相色譜進(jìn)行比較.

圖1 活性紅2結(jié)構(gòu)式

(1)

式中，R為脫色率，%；A0為降解處理前活性紅2的吸光度(560 nm處)；A1為降解處理后活性紅2的吸光度(560 nm處).

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3.1 儀器與試劑

微波反應(yīng)器(MCR-3S，鞏義市予華儀器有限公司)；紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV-2550，日本島津公司)；紅外光譜儀(Nicolet iS5，美國(guó)賽默飛世爾科技公司)；化學(xué)需氧量測(cè)定儀(5B-3C，北京連華永興科技發(fā)展有限公司)；高效液相色譜儀(Agilent 1260，安捷倫科技有限公司)；721可見(jiàn)分光光度計(jì)(上海宇隆儀器有限公司).

活性紅2(100%)，購(gòu)自北京沃凱生物科技有限公司；過(guò)氧化氫(30%)、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；硫酸亞鐵購(gòu)自天津市福晨化學(xué)試劑廠；所用化學(xué)試劑除注明外均為分析純.

3.2 降解工藝優(yōu)化

3.2.1 過(guò)氧化氫用量對(duì)活性紅2脫色率的影響

取0.25 mL過(guò)氧化氫溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%)于50 mL容量瓶中，加入5 mL活性紅2溶液(1 mg/mL)和1 mL硫酸亞鐵溶液(2 mg/mL)，迅速以pH為5.0的磷酸鹽緩沖溶液定容后混勻.將溶液轉(zhuǎn)入燒瓶，置于微波反應(yīng)器中，以80 W功率施加微波3 min.將溶液取出后置于室溫冷卻20 min，吸取上層清液，于560 nm處測(cè)其吸光度.

依次控制過(guò)氧化氫溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%)的加入量為0.5、1.0、1.5、2.0 mL，同以上步驟操作，并測(cè)定560 nm處上層清液的吸光度，以確定最優(yōu)的過(guò)氧化氫用量.

3.2.2 Fe2+用量對(duì)活性紅2脫色率的影響

按3.2.1的操作步驟，各取0.3、0.5、0.8、1.0、1.5 mL硫酸亞鐵溶液(2 mg/mL)于5個(gè)50 mL容量瓶中，均加入5 mL 活性紅2溶液(1 mg/mL)和1 mL過(guò)氧化氫溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%)，迅速以pH為5.0的磷酸鹽緩沖溶液定容混勻，以80 W功率施加微波3 min.將溶液取出后置于室溫冷卻20 min，于560 nm處測(cè)定上層清液的吸光度，以確定最優(yōu)的Fe2+用量.

3.2.3 酸度對(duì)活性紅2脫色率的影響

按3.2.1的操作步驟，在5個(gè)50 mL容量瓶中均加入5 mL活性紅2溶液(1 mg/mL)、1 mL硫酸亞鐵溶液(2 mg/mL)和1 mL過(guò)氧化氫溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%)，迅速分別使用pH為3.0、4.0、5.0、6.0、7.0的磷酸鹽緩沖溶液定容，以80 W功率施加微波3 min，置于室溫冷卻20 min，測(cè)定560 nm處上層清液的吸光度，以確定最優(yōu)的酸度.

3.2.4 微波功率對(duì)活性紅2脫色率的影響

按3.2.1的操作步驟，在5個(gè)50 mL容量瓶中均加入5 mL活性紅2溶液(1 mg/mL)、1 mL硫酸亞鐵溶液(2 mg/mL)和1 mL過(guò)氧化氫溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%)，迅速以pH為5.0的磷酸鹽緩沖溶液定容，分別以20、40、60、80、100 W功率施加微波3 min.將溶液取出后置于室溫冷卻20 min，吸取上層清液，于560 nm處測(cè)其吸光度，以確定最優(yōu)的微波功率.

3.2.5 微波時(shí)間對(duì)脫色率的影響

按3.2.1的操作步驟，在5個(gè)50 mL容量瓶中均加入5 mL 活性紅2溶液(1 mg/mL)、1 mL硫酸亞鐵溶液(2 mg/mL)和1 mL過(guò)氧化氫溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%)，迅速以pH為5.0的磷酸鹽緩沖溶液定容，以80 W功率分別施加微波1、2、3、4、5 min.將溶液取出后置于室溫冷卻20 min，吸取上層清液，于560 nm處測(cè)定其吸光度，以確定最優(yōu)的微波施加時(shí)間.

3.2.6 響應(yīng)面法優(yōu)化降解脫色工藝(選做)

在以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上選擇合理的因素和水平，脫色率為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)三因素三水平的響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面分析.

3.2 .7 最佳條件下脫色率的測(cè)定

在以上獲得的最優(yōu)條件下，平行進(jìn)行5份活性紅2溶液的脫色處理，計(jì)算其脫色率以及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差.

3.3 活性2降解前后的表征

3.3.1 紫外可見(jiàn)光譜圖比較

在以上獲得的最優(yōu)條件下，分別取電解前后的活性紅2溶液，利用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)讀取200～700 nm間的紫外可見(jiàn)吸收光譜圖，并進(jìn)行比較，討論其譜圖變化可能的原因.

3.3.2 紅外光譜圖比較

在以上獲得的最優(yōu)條件下，分別取電解前后的活性紅2溶液，掃描電解前后溶液的紅外光譜圖，并進(jìn)行比較，討論其紅外光譜產(chǎn)生變化的可能原因.

3.3.3 化學(xué)需氧量(COD)比較

在以上獲得的最優(yōu)條件下，分別取電解前后的活性紅2溶液.使用化學(xué)需氧量測(cè)定儀測(cè)定電降解前后溶液中的COD.

3.3.4 高效液相色譜圖比較

在以上獲得的最優(yōu)條件下，分別取電解前后的活性紅2溶液.使用高效液相色譜-紫外檢測(cè)器在波長(zhǎng)330、560 nm處分別對(duì)降解前后的活性紅2進(jìn)行定性分析.

4 思考題

(1) 為什么實(shí)驗(yàn)中選擇560 nm來(lái)監(jiān)測(cè)活性紅2的脫色情況.(2) 除了實(shí)驗(yàn)中的紫外可見(jiàn)光譜法、紅外光譜法、化學(xué)需氧量測(cè)定、高效液相色譜法之外，你還能想到什么表征手法.如有，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)用來(lái)表征活性紅2降解產(chǎn)物的實(shí)驗(yàn)步驟.

5 總結(jié)

本實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)必須同步結(jié)合現(xiàn)代教學(xué)模式，借助網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái).課前將相關(guān)教學(xué)資源，包括實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)、教師授課視頻、儀器使用視頻等發(fā)送給學(xué)生，安排學(xué)生課前完成自學(xué).這些教學(xué)資料特別是各種視頻的時(shí)長(zhǎng)就不受限于實(shí)驗(yàn)時(shí)間，但是不宜過(guò)多過(guò)長(zhǎng)，以免影響學(xué)生自主學(xué)習(xí)動(dòng)力.

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容3.3部分，對(duì)于具體的儀器參數(shù)等不做詳細(xì)的介紹，學(xué)生需要在課前通過(guò)查閱文獻(xiàn)，并與實(shí)驗(yàn)教學(xué)人員和儀器管理教師討論后確定.因此，學(xué)生通過(guò)本實(shí)驗(yàn)的課前準(zhǔn)備部分，能完成對(duì)相關(guān)知識(shí)、技術(shù)的梳理.

完成課前準(zhǔn)備的學(xué)生可以預(yù)約時(shí)段，并按預(yù)定時(shí)間到場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，授課教師可在實(shí)驗(yàn)進(jìn)展過(guò)程中，比如等待儀器穩(wěn)定或者等待數(shù)據(jù)產(chǎn)生的過(guò)程中，結(jié)合當(dāng)前實(shí)驗(yàn)對(duì)諸如國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的相應(yīng)分析方法進(jìn)行剖析，將所涉及儀器知識(shí)穿插其中，讓學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)如何運(yùn)用于生產(chǎn)實(shí)踐有具體和感性的認(rèn)識(shí).實(shí)驗(yàn)后學(xué)生要完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師應(yīng)針對(duì)其中問(wèn)題，通過(guò)班級(jí)群等及時(shí)進(jìn)行講解，對(duì)學(xué)生創(chuàng)造性的總結(jié)和延伸，教師應(yīng)該給予鼓勵(lì)并肯定.

思考題的設(shè)計(jì)緊密聯(lián)系實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如思考題1就考察了學(xué)生對(duì)檢測(cè)波長(zhǎng)選取方法的理解.思考題2則培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維，引導(dǎo)學(xué)生自行查閱相關(guān)資料來(lái)提升自主學(xué)習(xí)的能力和意識(shí)，獲得分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力.同時(shí)，實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)考慮了學(xué)生的不同需求，比如設(shè)置了3.2.6的選做部分，以供學(xué)有余力的學(xué)生進(jìn)行訓(xùn)練.該部分實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間長(zhǎng)，要對(duì)單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行充分分析后，自行設(shè)計(jì)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，并使用相關(guān)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，因此訓(xùn)練了學(xué)生不同學(xué)科間交叉融合的能力.

開(kāi)放實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)不代表教師對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的“放任不管”，而是將以往學(xué)生機(jī)械按照指導(dǎo)書(shū)按部就班完成實(shí)驗(yàn)，變?yōu)樵诮處煹囊龑?dǎo)下，學(xué)生獨(dú)立、自主地完成相關(guān)知識(shí)體系的整合與操作能力的訓(xùn)練.教師在實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備、開(kāi)展、總結(jié)階段應(yīng)積極幫助學(xué)生，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程有所控制，特別要關(guān)注學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的安全問(wèn)題，從而通過(guò)該實(shí)驗(yàn)綜合鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，并培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)和解決問(wèn)題能力，從而提升學(xué)生的儀器綜合能力.