研究性开放实验设计-金属无机框架Fe-MCM吸附水中抗生素研究

巢艳红　朱文帅　吴昊峰　刘梅

【摘 要】为提高本科生综合运用所学知识能力和培养科研创新意识，以金属无机分子筛Fe-MCM吸附抗生素为例，设计一个兼具研究性和开放式的综合实验。运用无机化学和有机化学的理论知识理解金属负载三维有序介孔材料Fe-MCM的理化性质;利用仪器分析和分析化学所学知识，测定吸附前后水中抗生素左氧氟沙星的含量;运用物理化学表面吸附原理结合origin数据处理软件考察和分析吸附时间、温度、pH环境和溶液离子强度等对Fe-MCM吸附左氧氟沙星的影响，探讨最佳吸附条件和吸附机制。该研究将理论知识与实验技能紧密结合，综合锻炼了学生实验操作能力，有效激发了学生的研究兴趣。

【关键词】金属无机分子筛;开放实验;吸附;污染物

中图分类号： O643.36文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）33-0076-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.33.036

研究性开放实验作为新工科理念下实验教学改革的有益尝试和突破，近年来引起越来越多高校教育工作者的广泛关注[1]。研究性开放实验的开设，可充分利用实验室资源，让学生自主查阅文献，结合所学知识和导师指导设计课题并解决问题，在完整的实验研究过程中培养学生自主探索能力，提升学生创新意识和实践能力。

1 课题背景

喹诺酮类抗生素作为一类广谱抗生素，因其特定的抗菌性以及较小的毒副作用等优点，被广泛用于人类医疗、动物养殖及生物增长剂等。但由于环境对抗生素的降解能力有限，致使越来越多的抗生素蓄积在土壤、地表水、地下水甚至饮用水中。抗生素已被视为一种新兴的全球污染物。吸附法，由于其简便、快捷且经济有效，被认为是最具前景的污染物处理技术之一。Fe-MCM是一种金属Fe负载的三维有序介孔材料，比表面积大，孔道有序且可调，被认为是一种极具前景的优良吸附剂，在吸附分离领域得到广泛研究和关注。

2 实验目的

（1）掌握文献检索方法，了解金属负载三维有序介孔材料Fe-MCM的理化性质。

（2）掌握吸附实验的操作步骤，熟悉实验所涉及仪器的操作原理和方法。

（3）熟悉origin数据处理软件，掌握常用数据图的制作方法。

（4）了解课题背景，熟悉吸附法去除水环境污染物的研究思路和方法。

3 材料和仪器

3.1 实验材料

Fe-MCM（实验室自制），左氧氟沙星（levofloxacin，LOF），氢氧化钠，盐酸，蒸馏水。

3.2 实验仪器

水浴恒温振荡器，紫外可见分光光度计，电子分析天平，pH计，离心沉淀器。

4 实验内容和步骤

4.1 左氧氟沙星标准曲线的制备

精密称取左氧氟沙星（LOF）100mg，用蒸馏水溶解并定容至1000mL，制得LOF储备液（100mg/L）。精密移取适量LOF储备液于100mL容量瓶中，用蒸馏水定容得5、10、20、30、40、50、60mg/L系列样品液，以蒸馏水为参比，于紫外可见分光光度计下327nm测定吸光度A。

4.2 吸附实验

4.2.1 时间对吸附量的影响和吸附平衡时间的确定

精密称取介孔材料Fe-MCM 20mg，置于100mL锥形瓶中，再加入20mL 100mg/L的LOF溶液，振摇使Fe-MCM材料分散开，锥形瓶加塞后置于恒温水浴振荡锅中，温度预先设为25℃，以130rpm的速度避光振荡吸附。分别在吸附0.5、1、1.5、2、3、4、6、8、10h抽取约5mL上清液以4000rpm转速离心10min，然后立即用紫外分光光度计在327nm处测量吸光度At。

4.2.2 溶液不同pH环境对LOF在介孔材料Fe-MCM上吸附量的影响

用0.1mol/L HCL或NaOH调节LOF溶液（60mg/L）的pH分别为2、3、4、5、6、7、8、9、10、11，分别量取10mL上述溶液加入到50 mL锥形瓶中，再精密称取Fe-MCM 10mg放入锥形瓶中，振摇使Fe-MCM材料分散开，按2.2.1项下步骤待吸附达到平衡后取样测定吸光度Ae。

4.2.3 反应温度和初始药物浓度对LOF在介孔材料Fe-MCM上吸附量的影响

配制不同浓度的样品液（浓度分别为20、40、60、80、100mg/L），调节其pH值为7.0。 准确量取系列LOF溶液10mL倒入数个50mL锥形瓶中，再精密称取介孔材料Fe-MCM 10mg置于锥形瓶中，振摇使Fe-MCM材料分散开，恒温水浴震荡锅温度分别设为15、25、35和45℃，按2.2.1项下步骤待吸附达到平衡后取样测定吸光度Ae。

4.3 数据处理和吸附量的计算

将上述实验测定的吸光度At和Ae，利用LOF标准曲线，分别求得样品浓度Ct和Ce，根据下列公式（1）分别计算吸附时间为t和吸附达到平衡时的吸附量qt 和qe（mg/g）：

其中：C0，Ct和Ce分别为LOF的初始药物浓度，吸附时间为t时溶液中的残留浓度以及吸附达到平衡时溶液中的残留浓度（mg/L）;V是溶液的体积（L），m是介孔材料Fe-MCM的质量（g）。

5 结果与讨论

5.1 标准曲线

以浓度C（mg/L） 为横坐标，吸光度A为纵坐标，采用origin数据处理软件线性拟合，所得标准曲线方程为：A=0.0288C-0.002（R2=0.9997），线性范围0～60mg/L。

5.2 介孔材料Fe-MCM对LOF的吸附性能

本实验首先考察了接触时间对LOF在Fe-MCM上吸附量的影响。以时间t为横坐标，吸附量qt为纵坐标，绘制吸附平衡时间图，结果见图5.1（a）。在吸附初始階段，随着时间的延长，LOF在Fe-MCM上的吸附量迅速增加;随后，进一步延长吸附时间，吸附速率缓慢下降，并最终逐渐趋于平衡;当吸附时间大于16h后，吸附量几乎不在增加。LOF在Fe-MCM上的吸附平衡时间约为16h。

进一步考察了在不同pH环境下介孔材料Fe-MCM对LOF的吸附行为，以pH值为横坐标，吸附量qe为纵坐标，绘制pH-qe图，结果见图5.1（b）。pH值对Fe-MCM吸附LOF的影响较大。在酸性条件下，随着pH值增大，吸附量逐渐增加;当pH值大于9时，随着pH值增大，吸附量有降低的趋势。Fe-MCM在酸性条件下对LOF的吸附量明显低于碱性时的吸附量。Fe-MCM吸附LOF的最佳pH环境为pH6～10;在pH=9时，Fe-MCM对LOF的吸附量达到50mg/g。该吸附过程的pH依赖性不仅与介孔材料Fe-MCM的表面性质、分散状态和孔道结构有关，而且与不同 pH 条件下水中LOF的解离程度和荷电状态有关。

最后，为研究Fe-MCM吸附LOF的等温线性质，考察了不同温度条件下初始药物浓度对LOF在介孔材料Fe-MCM上吸附量的影响，以吸附平衡时药物在溶液中的残留浓度Ce为横坐标，平衡吸附量qe为纵坐标，绘制Ce-qe等温线图，结果见图5.1（c）。在各温度条件下，随着药物溶液初始浓度的增加，Fe-MCM对药物的吸附量也随之升高;此外，在各相同的初始浓度下，LOF在Fe-MCM上的吸附量均随着温度的升高而下降，说明吸附过程是一个放热过程，高温不利于吸附的进行。

6 结论

本实验选用实验室自制的金属负载三维有序介孔材料Fe-MCM为吸附剂，通过改变时间、温度、初始浓度、溶液pH和离子强度，系统考察了Fe-MCM对抗生素左氧氟沙星（LOF）的吸附性能。由实验结果可知，LOF在Fe-MCM上的吸附平衡时间约为16h;吸附过程具有明显的pH依赖性，最佳吸附pH环境为pH6～10;LOF的吸附量随着药物初始浓度的增加而增加，但随着环境温度的上升而下降，低温更有利于吸附的进行，该吸附过程主要为放热的物理吸附过程。

该研究性开放实验的设计是实验教学改革的一种有益尝试，兼具研究性和开放式特点，通过学生的系统学习和参与，可有效提升高校学生参与科学研究的兴趣，对提高实验教学质量，全面锻炼学生的实验技能，培养学生的创新意识和综合能力具有非常重要的意义。

【参考文献】

[1]王连会.开放性综合实验教学的实践与探索[J].广东化工，2018，45（11）：257-259.