王 慧，畢慧琴，顏 瑞，衛(wèi)艷新

（1.合肥師范學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，安徽合肥 230601；2.安徽工程大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，安徽蕪湖 241000）

水是人類賴以生存和社會(huì)發(fā)展的自然資源，也是社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。隨著社會(huì)工業(yè)的不斷發(fā)展，水的重金屬污染越來(lái)越嚴(yán)重，重金屬容易通過(guò)食用水、糧食等途徑進(jìn)入人體內(nèi)部，對(duì)人體健康造成影響[1]。因此找到一些方法去除廢水中的重金屬尤為重要。近年來(lái)，各國(guó)學(xué)者都在積極研制價(jià)格低廉、高吸附性能的新型吸附劑，其中生物質(zhì)材料在吸附方面的應(yīng)用研究引起了人們的關(guān)注，其具有低成本、可再生、安全無(wú)毒、可重復(fù)利用、節(jié)能減排等特點(diǎn)，在處理重金屬方面占據(jù)了很重要的地位。茶葉是一種具有多孔結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)材料，具有優(yōu)異的空隙結(jié)構(gòu)，使其可以與被吸附物質(zhì)充分接觸，達(dá)到良好的吸附效果[2]。

傳統(tǒng)的物理化學(xué)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)一般難度較低，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，實(shí)驗(yàn)成績(jī)考核方式較簡(jiǎn)單，無(wú)法達(dá)到培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的目的。物理化學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展有助于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的過(guò)程中培養(yǎng)創(chuàng)新能力和獨(dú)立思考能力。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)不只是簡(jiǎn)單地重復(fù)一些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，而是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的提升，要求學(xué)生對(duì)于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容學(xué)以致用。本次物理化學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是在大三上學(xué)期開(kāi)課，學(xué)生已經(jīng)在分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)、儀器分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)、有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)和無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)基本技能操作訓(xùn)練，擁有了一定的實(shí)驗(yàn)基本技能，通過(guò)物理化學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究能力。本實(shí)驗(yàn)利用茶葉良好的吸附性能，研究影響茶葉吸附重金屬的初始濃度、吸附時(shí)間、pH、吸附溫度等因素，分析學(xué)習(xí)吸附能力及吸附動(dòng)力學(xué)內(nèi)容。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

（1）了解吸附法的基本原理和主要應(yīng)用領(lǐng)域，理解吸附量、飽和吸附量、等溫吸附方程。

（2）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，研究茶葉對(duì)金屬離子的吸附性能。

（3）設(shè)計(jì)水中金屬離子的定量分析方法。

2 實(shí)驗(yàn)要求

（1）設(shè)計(jì)一種重金屬離子溶液的配制和含量測(cè)定方法。

（2）優(yōu)化茶葉對(duì)重金屬離子的吸附條件，考查茶葉對(duì)重金屬離子的等溫吸附方程。

（3）處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，歸納總結(jié)茶葉對(duì)重金屬離子的性能影響，提出吸附的最佳工藝條件。

3 實(shí)驗(yàn)原理

吸附量按下式計(jì)算：

式中：Г—吸附量，mol/g；C0、C—吸附前后金屬離子濃度，mol/L；V—被吸溶液的體積，L；w—吸附劑茶葉的質(zhì)量，g。

若為單分子層吸附，平衡吸附量與吸附平衡濃度之間符合Langmiur等溫吸附方程：

式中：Г—吸附量，mol/g；Г∞—飽和吸附量，mol/g；c—吸附平衡溶液濃度，mol/L；b—吸附系數(shù)，L/mol。

Fe3+的檢測(cè)方法：鄰二氮雜菲分光光度法測(cè)定Fe2+，測(cè)定之前需要先加鹽酸羥胺將Fe3+全部還原為Fe2+，其反應(yīng)方程式為：

在pH=2～9 的條件下，F(xiàn)e2+與鄰二氮雜菲生成穩(wěn)定的橘紅色配合物[Fe（Phen）3]2+，該配合物的最大吸收峰在510 nm 處，摩爾吸光系數(shù)ε510=1.1×104L/（mol·cm）。測(cè)定時(shí)，控制溶液的酸度（pH=1左右），防止Fe2+水解，影響顯色。本實(shí)驗(yàn)主要研究茶葉對(duì)水中Fe3+的吸附。

分光光度法在測(cè)定物質(zhì)含量時(shí)，一般要經(jīng)過(guò)取樣、顯色和測(cè)量等步驟。為了得到較高的靈敏度、選擇性和準(zhǔn)確度，必須選擇適宜的顯色條件和吸光度測(cè)量條件。吸光度測(cè)量條件主要有測(cè)量波長(zhǎng)、吸光度范圍和參比溶液等，該測(cè)定方法不僅靈敏度高，穩(wěn)定性好，而且選擇性高。

茶葉中含有大量的吸附活性中心，如-OH、=NH、＞C=C＜、＞C=O、二氮雜環(huán)及多元酚類等，這些基團(tuán)在適宜條件下與金屬離子發(fā)生不同反應(yīng)，即可將金屬離子吸附在茶葉上，并且多元酚類物質(zhì)具有活性羥基，可使多種金屬離子沉淀，用甲醛處理后發(fā)生酚醛縮合，既提高了物理吸附能力，又增強(qiáng)了化學(xué)吸附能力[4]。

4 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

4.1 實(shí)驗(yàn)試劑

1 g/L 鄰二氮雜菲溶液，1 mol/L NaAc 溶液，2 mol/L HCl溶液，10 μg/mL鐵標(biāo)液，100 g/L鹽酸羥胺溶液（用時(shí)現(xiàn)配），1 000 μg/mL Fe3+溶液。

4.2 實(shí)驗(yàn)儀器

50 mL容量瓶若干，圓底燒瓶，紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)，電子天平，1 000 mL 容量瓶若干，1 mL、2 mL、3 mL、10 mL吸量管若干，100 mL碘量瓶若干，燒杯，恒溫水浴鍋等。

5 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果討論

5.1 改性茶葉的制備

稱取10 g茶葉于圓底燒瓶中，依次加入50 mL 40%的甲醛溶液，200 mL 0.02 mol/L 的稀硫酸溶液，充分振蕩，60℃水浴加熱回流4 h，用水洗至中性，烘干，備用。

5.2 不同濃度Fe3+溶液的配制

分別從1 000 μg/mL 鐵貯備液的容量瓶中移取20 mL、40 mL、60 mL、80 mL、100 mL的鐵溶液加入到對(duì)應(yīng)的1 000 mL 容量瓶中，調(diào)至pH=1 左右，定容搖勻得到對(duì)應(yīng)的鐵溶液，即濃度為20 μg/mL、40 μg/mL、60 μg/mL、80 μg/mL、100 μg/mL的鐵溶液。

5.3 吸收曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

取6 個(gè)容積為50 mL 的容量瓶，編號(hào)1～6，分別準(zhǔn)確移取10 μg/mL 鐵標(biāo)液0.0 mL、2.0 mL、4.0 mL、6.0 mL、10.0 mL于6個(gè)容量瓶中（其中不加鐵標(biāo)液的所得為空白溶液，用來(lái)作參比溶液），然后向容量瓶中各加入1 mL 鹽酸羥胺溶液，搖勻靜置2 min，依次加入5 mL NaAc溶液和3 mL 鄰二氮雜菲溶液，加入蒸餾水定容放置10 min。以空白溶液作參比，用1 cm的比色皿，選擇4 號(hào)容量瓶（即濃度為1.2 μg/mL 的鐵標(biāo)液）中的溶液，在430～560 nm 之間，每隔10 nm 測(cè)定一次吸光度（其中在490～530nm 之間每隔5 nm 測(cè)定一次），并記錄數(shù)據(jù)，找到最大吸收波長(zhǎng)。從測(cè)試的數(shù)據(jù)可以看出最大吸收波長(zhǎng)為510 nm，見(jiàn)圖1。

圖1 鐵標(biāo)液的吸收波長(zhǎng)與對(duì)應(yīng)的吸光度

以空白溶液作參比溶液，用1 cm比色皿，在最大波長(zhǎng)處分別測(cè)定2～6號(hào)容量瓶的溶液吸光度，記錄數(shù)據(jù)并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，見(jiàn)圖2。

圖2 鐵標(biāo)液標(biāo)準(zhǔn)曲線圖

從濃度為20 μg/mL、40 μg/mL、60 μg/mL、80 μg/mL、100 μg/mL 的五個(gè)鐵溶液容量瓶中分別移取1 mL溶液加入到50 mL 容量瓶中，編號(hào)7～11。向容量瓶中分別加入1 mL鹽酸羥胺溶液，搖勻靜置2 min之后依次加入5 mL NaAc 溶液和3 mL 鄰二氮雜菲溶液，加入蒸餾水定容搖勻放置10 min。以空白溶液作參比，用1 cm 比色皿，在最大吸收波長(zhǎng)510 nm 處測(cè)定編號(hào)為7～11 的容量瓶中溶液的吸光度，記錄數(shù)據(jù)并對(duì)照吸收曲線，確定各濃度溶液的準(zhǔn)確濃度，見(jiàn)表1。

表1 各濃度鐵溶液的吸光度對(duì)應(yīng)的濃度大小

5.4 吸附時(shí)間對(duì)吸附的影響

量取50 mL 初始濃度為60 μg/mL 的鐵溶液加入到碘量瓶中，加入約0.5 g（準(zhǔn)確稱量并記錄）改性后的茶葉，在50℃水浴鍋中水浴加熱，從加入茶葉開(kāi)始計(jì)時(shí)，每隔半個(gè)小時(shí)（30 min、60 min、90 min、120 min、150 min）從碘量瓶中吸取1 mL 的溶液轉(zhuǎn)移到50 mL 容量瓶中，按照時(shí)間順序容量瓶編號(hào)12～16，向容量瓶中分別加入1 mL 鹽酸羥胺溶液，搖勻靜置2 min 之后依次加入5 mL NaAc 溶液和3 mL 鄰二氮雜菲溶液，加入蒸餾水定容搖勻放置10 min。以空白溶液作參比，用1 cm 比色皿，在最大吸收波長(zhǎng)510 nm 處測(cè)定編號(hào)為12～16 容量瓶中溶液的吸光度，并記錄數(shù)據(jù)，吸附時(shí)間對(duì)吸附的影響結(jié)果如圖3所示。

圖3 吸附時(shí)間對(duì)吸附的影響

由圖3 可知，在60 min 時(shí)吸附增長(zhǎng)減慢，在此之前吸附量與時(shí)間呈直線上升關(guān)系，吸附量增長(zhǎng)迅速，顯示出離子交換的特征。60 min 之后，增長(zhǎng)較緩慢，吸附時(shí)間越長(zhǎng)，曲線越趨于平緩。另外，由于茶葉中的茶氨酸、茶多酚和咖啡因以及酚類衍生物對(duì)重金屬有絡(luò)合作用，因此這個(gè)過(guò)程還包括Fe3+被快速絡(luò)合和吸附[4]。由此可以看出，最佳的吸附時(shí)間為60 min 左右。吸附時(shí)間小于60 min 時(shí)，吸附量隨時(shí)間變化增長(zhǎng)較快，時(shí)間越短，吸附效果越差；吸附時(shí)間大于60 min時(shí)，吸附量隨時(shí)間增長(zhǎng)變化不大，沒(méi)有實(shí)際意義。

5.5 初始濃度對(duì)吸附的影響

量取50 mL 不同初始濃度的鐵溶液（20 μg/mL、40 μg/mL、60 μg/mL、80 μg/mL、100 μg/mL）加入到碘量瓶中，置于50℃的水浴鍋中預(yù)熱10 min，然后向碘量瓶中分別加入0.5 g（準(zhǔn)確稱量并記錄）改性后的茶葉，加入茶葉后開(kāi)始計(jì)時(shí)，吸附進(jìn)行90 min后，分別從碘量瓶中移取1 mL溶液至50 mL容量瓶中，編號(hào)17～21。向容量瓶中分別加入1 mL鹽酸羥胺溶液，搖勻靜置2 min之后依次加入5 mL NaAc 溶液和3 mL 鄰二氮雜菲溶液，加入蒸餾水定容搖勻放置10 min。以空白溶液作參比，用1 cm 比色皿，在最大吸收波長(zhǎng)510 nm 處測(cè)定編號(hào)為17～21的容量瓶中溶液的吸光度，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 初始濃度對(duì)吸附的影響

由圖4可知，當(dāng)初始濃度C0＜1.20 mol/L時(shí)，隨著初始濃度C0的增加，吸附劑對(duì)Fe3+的吸附量逐漸增加，并且初始濃度C0與吸附量呈直線的增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)初始濃度C0＞1.20 mol/L 時(shí)，吸附量隨初始濃度的增長(zhǎng)變化較小，增長(zhǎng)緩慢，當(dāng)初始濃度C0≈1.70 mol/L 時(shí)，達(dá)到吸附劑對(duì)Fe3+的最大吸附量，吸附達(dá)到飽和。之后隨著初始濃度C0的增加，吸附量呈現(xiàn)緩慢的減少趨勢(shì)。由此可以看出，實(shí)驗(yàn)最佳的初始濃度在1.20～1.30 mol/L，小于最佳初始濃度達(dá)不到最好的吸附效果，大于該濃度隨初始濃度的增長(zhǎng)吸附量增長(zhǎng)較小，達(dá)不到理想效果。

5.6 吸附溫度對(duì)吸附的影響

量取50 mL 初始濃度為60 μg/mL 的鐵溶液加入到碘量瓶中，在不同溫度（30℃、50℃、70℃、90℃）的環(huán)境下進(jìn)行吸附。在不同溫度（30℃、50℃、70℃、90℃）的水浴鍋中水浴預(yù)熱10 min，然后分別加入約0.5 g（準(zhǔn)確稱量并記錄）改性后的茶葉，從加入茶葉開(kāi)始計(jì)時(shí)，90 min后從4 個(gè)碘量瓶中分別吸取1 mL 的溶液轉(zhuǎn)移到50 mL 容量瓶中，容量瓶編號(hào)22～25，向容量瓶中分別加入1 mL鹽酸羥胺溶液，搖勻靜置2 min 之后依次加入5 mL NaAc溶液和3 mL鄰二氮雜菲溶液，加入蒸餾水定容搖勻放置10 min。以空白溶液作參比，用1 cm比色皿，在最大吸收波長(zhǎng)510 nm處測(cè)定編號(hào)為22～25容量瓶中溶液的吸光度，并記錄數(shù)據(jù)，吸附溫度對(duì)吸附的影響如圖5所示。

圖5 吸附溫度對(duì)吸附的影響

由圖5可知，溫度較低時(shí)，吸附鍵的強(qiáng)度大，鍵能分布較寬，吸附活性點(diǎn)較多[5]，因此吸附量較大。在T＜50℃時(shí)，隨著溫度的升高，吸附劑對(duì)Fe3+的吸附量增加迅速；當(dāng)溫度T＞50℃時(shí)，隨著溫度的升高，吸附量會(huì)急劇減少，溫度過(guò)高會(huì)加速溶液中Fe3+的水解，不利于吸附劑對(duì)Fe3+的吸附。除此之外，溫度過(guò)高會(huì)使得吸附劑過(guò)度溶脹，破壞了表面吸附，使得吸附減弱[4]。由此可以看出，吸附溫度在48℃～53℃之間，吸附效果較好。

6 教學(xué)建議

在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)之前，老師首先應(yīng)給出實(shí)驗(yàn)課題，講解一些設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的要點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)室具備的儀器和試劑條件等，對(duì)學(xué)生進(jìn)行啟發(fā)引導(dǎo)，鼓勵(lì)學(xué)生先查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，將理論知識(shí)掌握理解透徹再設(shè)計(jì)方案。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)正式開(kāi)展之前應(yīng)提前上交自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，教師審查實(shí)驗(yàn)方案的可行性和安全性，對(duì)于存在問(wèn)題的設(shè)計(jì)方案，及時(shí)給出修改意見(jiàn)，讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)有更深層次的理解，不斷優(yōu)化自己的實(shí)驗(yàn)方案。老師最終提交可行性方案和所需試劑及儀器設(shè)備清單給相關(guān)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員，提前準(zhǔn)備相關(guān)儀器設(shè)備以確保實(shí)驗(yàn)正常進(jìn)行。

對(duì)于本設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的課時(shí)安排，實(shí)驗(yàn)前安排1個(gè)課時(shí)給學(xué)生講解設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的要點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)室具備的儀器和試劑條件等，要求學(xué)生在課余時(shí)間完成設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告內(nèi)容的撰寫，并在實(shí)驗(yàn)正式進(jìn)行之前審核學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)課程安排3～4個(gè)課時(shí)，學(xué)生需要獨(dú)立完成整個(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)探索過(guò)程中學(xué)生遇到問(wèn)題，老師應(yīng)及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生分析問(wèn)題，允許實(shí)驗(yàn)失敗，但應(yīng)給出盡可能詳細(xì)的分析說(shuō)明。

對(duì)于本設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)，參考其他院校的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合學(xué)校實(shí)際情況，教師應(yīng)從以下幾個(gè)方面對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)做出評(píng)價(jià)：實(shí)驗(yàn)方案是否簡(jiǎn)潔，基本操作是否準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)報(bào)告的條理性和表達(dá)能力，是否進(jìn)行相關(guān)問(wèn)題的分析與討論[6]。按照總評(píng)=實(shí)驗(yàn)前設(shè)計(jì)性預(yù)習(xí)報(bào)告撰寫*0.3+實(shí)驗(yàn)操作*0.4+實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析及科技報(bào)告的撰寫*0.3，給予學(xué)生物理化學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課程的成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)。

7 結(jié)束語(yǔ)

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到，改性茶葉對(duì)Fe3+吸附時(shí)，最佳溶液pH在0.9～1.0之間；Fe3+初始濃度在1.20～1.30 mol/L 之間吸附量較大，吸附50 min 基本達(dá)到飽和，吸附溫度范圍為48℃～53℃有較大的吸附量。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以鍛煉查閱文獻(xiàn)、收集和整理數(shù)據(jù)的能力。本實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，應(yīng)用性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要以學(xué)生為主，實(shí)驗(yàn)綜合性較強(qiáng)，學(xué)生可以通過(guò)本實(shí)驗(yàn)將之前學(xué)習(xí)的理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)過(guò)程建立鏈接，深化學(xué)生對(duì)專業(yè)理論知識(shí)的理解與認(rèn)知，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力和科研探究能力。