應用型人才培養模式下的儀器分析實驗設計

夏卉　劉興利　趙志剛

摘? 要：以介質阻擋放電降解和紫外-可見吸收光譜法測定相結合，設計了有機染料的降解與監測實驗用于儀器分析實驗教學。對放電電壓和放電時間進行了實驗條件優化，在150V電壓下放電15分鐘，甲基橙和亞甲基藍的降解率分別達到86.7%和93.6%，降解效果理想。實驗設備、方法簡單，降解和檢測快速、高效，有助于學生在掌握紫外-可見吸收光譜儀的基本原理和操作的基礎上了解染料降解和檢測過程，增強學生的創新意識和環保意識，提高其知識應用及解決實際問題的能力，促進學科交叉融合。

關鍵詞：紫外-可見吸收光譜法;應用性實驗;學科交叉;染料降解

中圖分類號：G640? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）23-0060-04

Abstract： Based on the combination of dielectric barrier discharge degradation and UV-Vis absorption spectrometry， an experiment on degradation and monitoring of organic dyes was designed for instrument analysis experiment teaching. Conditions including voltage of discharge and time of reaction were optimized. As a result， under the voltage at 150 V， the degradation rates of methyl orange and methylene blue reached to 86.7% and 93.6% respectively within 15 min. The equipment and method of the experiment are simple， degradation and detection are fast and efficient， which is helpful for students to understand the basic principle and operation of UV-Vis absorption spectrometer as well as the degradation and determination process. Meanwhile， students' awareness of innovation and environmental protection is improved， so are their ability of knowledge application and solving practical problems， and also promote multidisciplinary cross fusion.

Keywords： UV-Vis absorption spectrometry; applied experiments; multidisciplinary cross; dye-degradation

引言

儀器分析實驗是化學、化工、材料、環境等相關專業本科生的必修基礎實驗課程，旨在通過實驗引導學生理論聯系實際，熟悉儀器結構和基本操作，了解儀器和方法的具體應用。為了更好地適應21世紀人才培養的需要，鼓勵和培養應用型和創新型人才，以原有實驗課程中涉及的儀器及分析方法為基礎，結合實際問題和科研前沿引入具體的應用案例，豐富和改進儀器分析實驗課程，可有效提高課程的教學效果，培養學生的創新能力和解決實際問題的能力，達到“學以致用”的教學目的[1-6]。紫外-可見分光光度法是儀器分析實驗課程的重點內容之一，該方法具備操作簡便、靈敏度高、選擇性好、分析速度快且對樣品要求不高等優點，在水質監測、藥物分析等領域具有廣泛的應用[7，8]。由于多數有機染料具有共軛結構，其紫外-可見吸收強，最大吸收波長明確，常用作紫外-可見分光光度法教學實驗的分析對象。然而有機染料是工業廢水的主要組成之一，易造成環境污染，影響人體健康[9，10]。隨著人們環保意識的增強，環境污染控制與治理已成為社會關注的問題，設計開展集有機染料在線降解與定量檢測為一體的綜合性儀器分析實驗具有實際應用意義。目前主要的有機染料降解方法包括光催化法、微波法、超聲法、電化學法等[11，12]，其中，光催化法有賴于催化材料的使用，微波法和超聲法對儀器設備要求較高，而電化學法設備及條件簡單，適合用于本科教學實驗。介質阻擋放電（dielectric barrier discharge，DBD）是一種大氣壓下的等離子體放電，具有放電溫和、設備小巧等特點[13]，已有研究將其用于降解有機染料，處理效果令人滿意，被認為是一種很有前景的環境治理方法[14，15]。本實驗在紫外-可見分光光度法測定有機染料實驗基礎上，自主設計搭建了小型化DBD裝置，以甲基橙和亞甲基藍為代表，對染料進行快速、高效的降解，通過紫外-可見吸收光譜儀對處理前后染料的吸光度值進行測定與分析。該實驗方法簡單，易于實現，有助于學生了解染料廢液降解和檢測過程，掌握紫外-可見吸收光譜儀的基本操作，加深對紫外-可見吸收、吸光度、最大吸收波長等概念的理解，同時提高學生的創新意識和環保意識，引導學生將儀器分析知識應用于解決實際問題。

一、實驗

（一）主要試劑與儀器

試劑：本實驗中所用的甲基橙、亞甲基藍均購自成都科龍化學品有限公司，實驗用水均為去離子水，構建電極用銅絲購自成都萬貫機電市場。

儀器：UV-1800PC型紫外-可見分光光度計（上海美普達儀器有限公司）用于定量分析。實驗中所使用的DBD染料降解裝置及流程如圖1所示。實驗室自行組裝的介質阻擋放電裝置由作為阻擋介質的同心石英管（外管：150mm長×12mm外徑×10mm內徑;內管：170mm長×6mm外徑×4mm內徑）和兩個金屬電極（直徑1mm銅絲）組成，內電極插于石英內管中，外電極纏繞于石英外管表面，雙層石英管壁之間間隙為DBD放電區域。石英管的兩端分別有一個支管作為樣品進出口。內外電極與TS-80WKT型高頻高壓臭氧電源（功率：80W，輸出電壓3-4.8kV可調，頻率5-12kHz可調，廣州粵佳環保科技有限公司）的輸出端相連以維持DBD放電。放電電壓由TDGC2型接觸式調壓器（浙江德力西電氣有限公司）控制。實驗通過BT100-02型蠕動泵（保定齊力恒流泵有限公司）進樣。紫外燈（6W，254nm、365nm波長，杭州亞光照明燈飾有限公司）用于對照實驗。

（二）標準溶液配制

取一定質量甲基橙、亞甲基藍分別配制成濃度為0、1、5、10、25mg/L的標準溶液，分別在463nm和664nm波長下測定甲基橙和亞甲基藍的吸光度值，繪制標準曲線。

（三）樣品處理流程

取6mL 10mg/L的標準溶液經蠕動泵從反應器一端進入，待溶液全部進入反應器，關閉蠕動泵，打開接觸調壓器和臭氧電源，對樣品進行降解，反應后，關閉接觸調壓器和臭氧電源，打開蠕動泵，得到處理后的溶液，測定其吸光度。

（四）檢測方法

在光度模式下分別輸入兩種染料的最大吸收波長，以去離子水作試劑空白進行背景校準后，依次將處理前和處理后溶液放入檢測窗口，待讀數穩定后，記錄吸光度值。

（五）紫外光照降解對照實驗流程

取4ml 10mg/L待處理樣品經蠕動泵通入纏繞于紫外燈管外的石英盤管中，待處理樣品全部進入石英管，關閉蠕動泵，打開紫外燈，對樣品進行降解，反應30min后，關閉紫外燈，打開蠕動泵，得到處理后的溶液，測定其吸光度。

二、結果與討論

（一）放電時間的優化

放電時間，即反應時間，與染料降解率息息相關，是反應過程中非常重要的一個待考察的條件。實驗在放電電壓為150V，染料濃度為10mg/L條件下，對反應時間分別為5、10、15、20min時染料的降解效果進行考察。結果如圖2所示，隨反應時間的增加，甲基橙吸光度值逐漸降低，而對于亞甲基藍而言，反應10min后，吸光度值趨于平穩，說明反應10min已經能夠將亞甲基藍完全降解，為了達到理想的降解效果，同時縮短處理時間，實驗中選擇15min對兩種染料進行降解處理。

（二）放電電壓的優化

DBD放電用于染料降解過程中，降解效率還受到放電電壓的影響。較低的放電電壓不能提供足夠的能量，從而易導致染料降解不充分;而在更高的放電電壓下，則可能引起副反應，帶來二次污染。實驗中，在放電時間為15min，染料濃度為10mg/L條件下，考察了放電電壓分別為105、120、135、150V時染料的降解情況。結果表明，兩種染料吸光度值均隨電壓的增高而逐漸降低，說明在較高的放電電壓下，染料的降解效果明顯，結果如圖3所示。然而，繼續增加放電電壓會影響放電的穩定性，且更高的放電電壓可能會擊穿阻擋介質，具有一定的危險性，因此，為了同時確保染料降解效率和實驗的安全性、穩定性，最終選擇150V作為實驗的放電電壓。

（三）定量分析

在463nm和664nm波長下分別對甲基橙和亞甲基藍標準系列進行測定，得到甲基橙標準曲線方程為A1=0.0616c1+0.0452，亞甲基藍標準曲線方程為A2=0.0688c2-0.0287，線性相關系數均大于0.99。通過實驗優化，在放電電壓為150V，放電時間為15min的條件下，考察了兩種染料的降解效果。對10mg/L染料處理前后的吸光度值進行測定，結果列于表1。從表1可以得出，經過DBD處理后，甲基橙和亞甲基藍吸光度值明顯降低，帶入標準曲線計算得到其濃度分別降至1.33mg/L和0.64mg/L，降解率達到86.7%和93.6%，從照片中可以看到兩種染料處理后幾乎顯示無色，說明本實驗對兩種染料具有理想的降解效果。

（四）紫外光降解對照實驗

由于介質阻擋放電過程中，會產生紫外光，實驗利用254nm和365nm紫外燈對兩種染料進行30min照射，考察了DBD和紫外燈兩種處理方式對染料的降解效果。如圖4所示，對甲基橙而言，254nm和365nm光輻射對其幾乎沒有降解作用，而在365nm光輻射下，亞甲基藍有所降解，但DBD處理效果更為明顯。由此可以推測，紫外光照對染料有一定的降解效果，而DBD在放電過程當中產生的還原性電子和自由基是導致染料降解的主要原因。該對比實驗可引導創新班或高年級學生進行進一步的機理探討。

三、結束語

本實驗圍繞紫外-可見分光光度法理論及實驗課程，在指導學生理解紫外-可見吸收原理、掌握儀器結構和操作的基礎上，將介質阻擋放電降解有機染料的方法引入實驗課堂教學，引導學生理解并建立了實驗室小型化染料處理方案及監測方法，培養了學生學以致用的能力，增強了其學習興趣和環保意識，達到了良好的教學效果。

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