活性红2的微波辅助芬顿脱色处理——一个开放综合实验的设计

陈毅挺，黄 露，李艳霞，邱桢丽，林晓森

(闽江学院材料与化工学院，福建 福州 350108)

仪器分析实验作为应用化学等专业的必修课，涉及了物理、化学以及电子技术等多个学科[1].随着我国第三方检测市场的蓬勃发展，分析仪器的应用能力成为毕业生是否适应分析测试行业机构对员工要求的重要指标.目前仪器分析实验的教学中存在一些问题，如学生操作机会不足、教师讲解不够透彻等.问题的根源一般为受制于仪器台数的限制，学生们需要通过循环的方式开展实验，其结果就是一个实验需要安排多个时间段.而在传统教学过程中，教师们一般先介绍实验原理、仪器操作，然后学生再开始实验.这种安排导致实验教师重复讲解工作量大，集中讲解效果差.针对于此，以开放实验的模式开展仪器分析实验教学成为提高仪器利用率，提升教学效果的有效方法[2-3].同时，为了提高学生仪器综合使用能力，将仪器分析方法与其他操作技术相结合，并将不同的仪器分析方法串联，形成相应的综合实验，则能在有限的实验时长中尽可能的训练学生利用分析仪器解决实际问题的能力[4-5].

目前我国染料年产量和用量都十分巨大，即使少许的染料排入水里，也会引起人们不适的视觉冲击，同时染料在水中会吸收太阳光，阻碍阳光和水中生物的接触，从而影响水中植物的光合作用，破坏生物的多样性[6].将染料废水的脱色处理引入仪器分析综合实验，可以将实验教学内容与生产实践有效结合，唤起学生的实验兴趣.目前，染料废水的脱色处理方法有物理法[7-8]、化学法[9-11]、生物法[12-13]等.Fenton法利用H2O2与Fe2+反应,生成强氧化性的羟基自由基从而降解有机物[14-17]，在实际研究中常常和其他技术结合使用，提高降解效率和降低能耗.如将微波技术和Fenton法结合后，微波的热效应使反应的分子运动加快.而非热效应能改变分子排列所带来的熵效应，减小所需活化能，加快溶液反应的进行，从而降低相应的耗损[18-19].而且微波辅助Fenton降解所使用的试剂较为安全，将染料废水的降解与分析仪器表征相结合，有助于学生学以致用，提升环保意识与解决实际问题的能力.通过综合实验的开放，也可以有效提高分析仪器设备的使用效率[20].

1 实验目的

(1) 了解科学研究基本思路，培养学生阅读科技文献的能力.(2) 掌握各降解条件对活性红2微波辅助芬顿法脱色效果的影响.(3) 掌握紫外可见光谱、红外光谱、高效液相色谱的原理及其应用.

2 实验原理、方法和手段

目前，染料废水的脱色处理方法有物理法、化学法、生物法等.芬顿法的实质是二价亚铁离子和双氧水之间的链反应催化生成羟基自由基，因而Fenton试剂可氧化大多数有机物.通过微波场对吸波物质的选择性加热、低温催化、快速穿透等功能，促进有机物的降解和絮凝，能大幅缩短芬顿反应时间.本实验利用微波辅助芬顿法对活性红2(结构式如图1所示)实施脱色处理，分别考察过氧化氢用量、Fe2+用量、酸度、微波功率、微波时间对活性红2脱色率(如式1所示)的影响，并通过降解前后的紫外可见光谱、红外光谱、化学需氧量、高效液相色谱进行比较.

图1 活性红2结构式

(1)

式中，R为脱色率，%；A0为降解处理前活性红2的吸光度(560 nm处)；A1为降解处理后活性红2的吸光度(560 nm处).

3 实验内容

3.1 仪器与试剂

微波反应器(MCR-3S，巩义市予华仪器有限公司)；紫外可见分光光度计(UV-2550，日本岛津公司)；红外光谱仪(Nicolet iS5，美国赛默飞世尔科技公司)；化学需氧量测定仪(5B-3C，北京连华永兴科技发展有限公司)；高效液相色谱仪(Agilent 1260，安捷伦科技有限公司)；721可见分光光度计(上海宇隆仪器有限公司).

活性红2(100%)，购自北京沃凯生物科技有限公司；过氧化氢(30%)、磷酸氢二钠、磷酸二氢钾购自国药集团化学试剂有限公司；硫酸亚铁购自天津市福晨化学试剂厂；所用化学试剂除注明外均为分析纯.

3.2 降解工艺优化

3.2.1 过氧化氢用量对活性红2脱色率的影响

取0.25 mL过氧化氢溶液(质量分数为0.3%)于50 mL容量瓶中，加入5 mL活性红2溶液(1 mg/mL)和1 mL硫酸亚铁溶液(2 mg/mL)，迅速以pH为5.0的磷酸盐缓冲溶液定容后混匀.将溶液转入烧瓶，置于微波反应器中，以80 W功率施加微波3 min.将溶液取出后置于室温冷却20 min，吸取上层清液，于560 nm处测其吸光度.

依次控制过氧化氢溶液(质量分数为0.3%)的加入量为0.5、1.0、1.5、2.0 mL，同以上步骤操作，并测定560 nm处上层清液的吸光度，以确定最优的过氧化氢用量.

3.2.2 Fe2+用量对活性红2脱色率的影响

按3.2.1的操作步骤，各取0.3、0.5、0.8、1.0、1.5 mL硫酸亚铁溶液(2 mg/mL)于5个50 mL容量瓶中，均加入5 mL 活性红2溶液(1 mg/mL)和1 mL过氧化氢溶液(质量分数为0.3%)，迅速以pH为5.0的磷酸盐缓冲溶液定容混匀，以80 W功率施加微波3 min.将溶液取出后置于室温冷却20 min，于560 nm处测定上层清液的吸光度，以确定最优的Fe2+用量.

3.2.3 酸度对活性红2脱色率的影响

按3.2.1的操作步骤，在5个50 mL容量瓶中均加入5 mL活性红2溶液(1 mg/mL)、1 mL硫酸亚铁溶液(2 mg/mL)和1 mL过氧化氢溶液(质量分数为0.3%)，迅速分别使用pH为3.0、4.0、5.0、6.0、7.0的磷酸盐缓冲溶液定容，以80 W功率施加微波3 min，置于室温冷却20 min，测定560 nm处上层清液的吸光度，以确定最优的酸度.

3.2.4 微波功率对活性红2脱色率的影响

按3.2.1的操作步骤，在5个50 mL容量瓶中均加入5 mL活性红2溶液(1 mg/mL)、1 mL硫酸亚铁溶液(2 mg/mL)和1 mL过氧化氢溶液(质量分数为0.3%)，迅速以pH为5.0的磷酸盐缓冲溶液定容，分别以20、40、60、80、100 W功率施加微波3 min.将溶液取出后置于室温冷却20 min，吸取上层清液，于560 nm处测其吸光度，以确定最优的微波功率.

3.2.5 微波时间对脱色率的影响

按3.2.1的操作步骤，在5个50 mL容量瓶中均加入5 mL 活性红2溶液(1 mg/mL)、1 mL硫酸亚铁溶液(2 mg/mL)和1 mL过氧化氢溶液(质量分数为0.3%)，迅速以pH为5.0的磷酸盐缓冲溶液定容，以80 W功率分别施加微波1、2、3、4、5 min.将溶液取出后置于室温冷却20 min，吸取上层清液，于560 nm处测定其吸光度，以确定最优的微波施加时间.

3.2.6 响应面法优化降解脱色工艺(选做)

在以上实验结果的基础上选择合理的因素和水平，脱色率为响应值，设计三因素三水平的响应面分析实验，并对结果进行响应面分析.

3.2 .7 最佳条件下脱色率的测定

在以上获得的最优条件下，平行进行5份活性红2溶液的脱色处理，计算其脱色率以及相对标准偏差.

3.3 活性2降解前后的表征

3.3.1 紫外可见光谱图比较

在以上获得的最优条件下，分别取电解前后的活性红2溶液，利用紫外可见分光光度计读取200～700 nm间的紫外可见吸收光谱图，并进行比较，讨论其谱图变化可能的原因.

3.3.2 红外光谱图比较

在以上获得的最优条件下，分别取电解前后的活性红2溶液，扫描电解前后溶液的红外光谱图，并进行比较，讨论其红外光谱产生变化的可能原因.

3.3.3 化学需氧量(COD)比较

在以上获得的最优条件下，分别取电解前后的活性红2溶液.使用化学需氧量测定仪测定电降解前后溶液中的COD.

3.3.4 高效液相色谱图比较

在以上获得的最优条件下，分别取电解前后的活性红2溶液.使用高效液相色谱-紫外检测器在波长330、560 nm处分别对降解前后的活性红2进行定性分析.

4 思考题

(1) 为什么实验中选择560 nm来监测活性红2的脱色情况.(2) 除了实验中的紫外可见光谱法、红外光谱法、化学需氧量测定、高效液相色谱法之外，你还能想到什么表征手法.如有，请设计一个用来表征活性红2降解产物的实验步骤.

5 总结

本实验的开设必须同步结合现代教学模式，借助网络教学平台.课前将相关教学资源，包括实验指导书、教师授课视频、仪器使用视频等发送给学生，安排学生课前完成自学.这些教学资料特别是各种视频的时长就不受限于实验时间，但是不宜过多过长，以免影响学生自主学习动力.

实验内容3.3部分，对于具体的仪器参数等不做详细的介绍，学生需要在课前通过查阅文献，并与实验教学人员和仪器管理教师讨论后确定.因此，学生通过本实验的课前准备部分，能完成对相关知识、技术的梳理.

完成课前准备的学生可以预约时段，并按预定时间到场实验，授课教师可在实验进展过程中，比如等待仪器稳定或者等待数据产生的过程中，结合当前实验对诸如国家或行业标准中的相应分析方法进行剖析，将所涉及仪器知识穿插其中，让学生对所学知识如何运用于生产实践有具体和感性的认识.实验后学生要完成相应的实验报告，教师应针对其中问题，通过班级群等及时进行讲解，对学生创造性的总结和延伸，教师应该给予鼓励并肯定.

思考题的设计紧密联系实验内容，如思考题1就考察了学生对检测波长选取方法的理解.思考题2则培养学生的发散思维，引导学生自行查阅相关资料来提升自主学习的能力和意识，获得分析问题和解决问题的能力.同时，实验的设计考虑了学生的不同需求，比如设置了3.2.6的选做部分，以供学有余力的学生进行训练.该部分实验所需时间长，要对单因素实验的结果进行充分分析后，自行设计响应面实验，并使用相关软件进行数据分析，因此训练了学生不同学科间交叉融合的能力.

开放实验的开设不代表教师对实验过程的“放任不管”，而是将以往学生机械按照指导书按部就班完成实验，变为在教师的引导下，学生独立、自主地完成相关知识体系的整合与操作能力的训练.教师在实验的准备、开展、总结阶段应积极帮助学生，同时对实验的进程有所控制，特别要关注学生实验过程中的安全问题，从而通过该实验综合锻炼学生的实验技能，并培养学生的环保意识和解决问题能力，从而提升学生的仪器综合能力.