材料综合实验中融入节能减排理念的探索与实践

缪菊红，姚义俊，裴世鑫

（南京信息工程大学 化学与材料学院，江苏 南京 210044）

近年来，各高校不断深化专业实验教学改革，在实验内容上引入学科前沿，加强本科实验教学的探索性和创新性，并大力加强课程思政建设，充分发挥课程的思想教育功能。“节能减排”是指节约能源和资源、减少排放及污染，是建设资源节约型、环境友好型社会，实现可持续发展的必由之路，而培养和强化大学生的节能减排意识意义重大[1]。

“材料综合实验”是材料类相关专业学生必修的基础实践课程，对于培养学生创新思维、实践动手能力及解决问题的能力具有重要作用。近年来，经过不断探索与实践，在课程中引入了节能减排的最新科研成果，丰富了实验教学内容，在锻炼学生创新实践能力和科研素养的同时，增强了学生的环保意识。以基于稻壳灰制备硅酸铜吸附剂并用于染料废水处理实验项目为例，该实验将样品制备、现代分析测试仪器使用及吸附动力学理论模型拟合等有机结合在一起，具有前沿性、探索性、易操作性等特点。实验中以稻壳灰为原料焙烧得到SiO2，再将其作为硅源制备的硅酸铜吸附剂，对染料废水的处理效果非常明显。该实验增加了实验操作的趣味性，有利于激发学生的学习兴趣和科研热情。以下介绍该实验的具体设计和实施。

1 实验背景

随着经济的发展，染料废水引发的环境污染问题日益突出。染料废水中有机污染物含量高，染料品种繁多，染料分子化学稳定性好，很难处理干净。染料分子分解时还会产生致癌的中间体[2]，严重危害生态环境和人体健康。目前，对染料废水进行处理的常用方法包括光催化降解、膜过滤、絮凝与沉淀、电化学技术以及吸附等[3-6]。其中，吸附法由于操作简单、投资少、处理后出水水质好等特点而受到重视[7-8]。但大部分吸附剂因成本高、吸附容量低，或难于分离和回收等原因不能得到广泛应用。因此，开发一类易于分离和回收、经济、环境友好的高效吸附剂是目前研究人员关注的重点[9]。

我国是水稻种植大国，年产稻谷2 亿吨以上，稻壳是稻谷加工中的最大副产物，约占稻谷重量的18%～ 22%，加工后可得稻壳4000 余万吨[10]。稻壳表面坚硬、硅含量高，不易被细菌分解，且堆积密度小，直接废弃容易破坏环境。因此，稻壳的综合利用受到广泛关注，例如用于能源、稻壳型材及稻壳灰等方面。稻壳灰中90%以上是SiO2，而低温稻壳灰SiO2比表面积大、活性高，可用于制备高纯二氧化硅、水玻璃等。

2 实验设计

2.1 实验主要试剂与仪器

（1）试剂药品：南京本地稻壳；盐酸、氯化铜、氨水、无水乙醇和亚甲基蓝，均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

（2）仪器：超声波清洗机、电热鼓风干燥箱、箱式高温烧结炉、722S 可见光分光光度计、紫外可见分光光度计、高速离心沉降机、X 射线衍射仪、场发射扫描电镜。

2.2 实验步骤

2.2.1 样品的制备

（1）SiO2的制备。将稻壳用盐酸浸泡，然后用蒸馏水清洗，烘干后燃烧，得到黑色的稻壳灰。将稻壳灰在马弗炉中600 ℃焙烧4 h，研磨后得到白色多孔SiO2粉末。

（2）硅酸铜的制备。称取0.12 g 制得的SiO2，加入30 mL 蒸馏水，超声分散10 min，再加入氯化铜，其中Cu2+离子与SiO2的摩尔比为2∶1。在搅拌过程中滴加2 mL 氨水，20 min 后将悬浊液转移至50 mL反应釜中，在140 ℃水热反应8 h。反应结束后收集沉淀物，分别用蒸馏水和乙醇洗涤2—3 次，烘干后得到淡蓝色硅酸铜吸附剂，如图1 所示。

图1 样品制备流程图

2.2.2 结构、形貌及吸附性能表征

样品的物相结构利用X 射线衍射仪（德国，Bruker D8 Advane）测试，辐射源为Cu Kα 线（λ=0.154 06 nm）。微观形貌采用场发射扫描电子显微镜（日本日立公司，S-4800）分析。

以偶氮染料亚甲基蓝（MB）为目标物，表征SiO2和硅酸铜的吸附性能。实验中，将0.025 g 吸附剂加入50 mL MB 溶液中（浓度为100 mg/L），每隔一段时间吸取～3 mL 的MB 溶液，离心沉降，并过0.22 μm 滤头。采用分光光度计在664 nm 测试吸光度，用公式计算吸附量，其中C0和Ct分别为初始时刻和t时刻MB 溶液的浓度，V为溶液体积，m为加入吸附剂的质量。吸收光谱采用紫外可见分光光度计，在200～800 nm 波长范围测试。

3 实验结果与分析

3.1 物相分析

图2 为所制备的SiO2和硅酸铜的XRD 图。从图2(b)可以看出，SiO2在20～30°之间有一个很宽的衍射峰，这是因为它是无定形结构[11]，同时说明600 ℃焙烧稻壳灰是获得SiO2的一种有效方法。硅酸铜的衍射峰如图2(a)所示，尽管衍射峰很宽并且重叠，但其与CuSiO3·H2O 的标准衍射谱（JCPDS 03-0219）对应良好，并且没有检测到其他杂相，说明制备的硅酸铜为纯相。衍射峰宽化，说明样品中可能存在纳米尺度的晶粒，且结晶度不高。

图2 二氧化硅和硅酸铜的X 射线衍射图

3.2 微观形貌

图3(a)和(b)分别为制备的SiO2和硅酸铜的扫描电镜图。由图3(a)可见，SiO2呈现凹凸不平的表面形貌，其中包含许多大小不规则的孔隙，分布比较杂乱。这是因为在600 ℃焙烧时，稻壳灰中的碳氧化生成CO2气体排出，形成多孔。由图3(b)可见，硅酸铜呈现不规则的球状形貌，由大量纳米针状颗粒松散组装而成。这可能是因为在水热过程中，Cu2+离子不断地由外向内侵蚀SiO2，从而形成了这种三维分级结构。这种结构相比SiO2的微观形貌，具有较大的比表面积，因此预期具有更好的吸附性能[11]。

图3 二氧化硅和硅酸铜的扫描电镜图

3.3 吸附性能分析

3.3.1 不同作用时间MB 溶液的吸收光谱

实验中吸附剂用量为 25 mg，配置 MB 溶液50 mL，初始浓度为100 mg/L。图4 给出了不同吸附时间后MB 溶液的吸收光谱，插图为数码照片。可以看出，随着反应时间延长，MB 溶液的颜色逐渐由深蓝变为浅蓝，到50 min 后，溶液接近于无色。MB 溶液的吸收光谱在664 nm 达到最大，峰值位置没有随反应时间的延长而发生明显偏移。溶液的吸收强度在反应2 min 时显著降低，后随时间延长逐渐下降，说明硅酸铜对MB 具有很好的吸附性能。

图4 不同作用时间后MB 溶液的吸收光谱图

3.3.2 吸附动力学分析

为研究MB 在二氧化硅和硅酸镁上的吸附动力学行为，实验测试了MB 的吸附量随时间的变化关系。分别采用伪一级、伪二级动力学模型对数据进行拟合，其方程如式（1）和（2）所示：

式中，qt和qe分别为t时刻和平衡时的吸附量（mg·g-1），k1为伪一级动力学方程速率常数（min-1），k2为伪二级动力学方程速率常数（g·mg-1·min-1）。

图5 为MB 在二氧化硅和硅酸铜上吸附的实验数据及动力学拟合曲线，相应的动力学参数见表1。由图5 可见，硅酸铜对MB 的吸附量远高于SiO2，这可能是因于硅酸铜具有更高的比表面积。对于硅酸铜和SiO2，伪二级吸附动力学模型的相关系数R2（0.9889和 0.9911）均高于伪一级动力学的R2（0.9461 和0.9551），说明MB 在硅酸铜和SiO2上的吸附行为更符合伪二级动力学模型，表明化学吸附在吸附反应过程中起主导作用[12]。

图5 二氧化硅和硅酸铜对MB 的吸附动力学

表1 二氧化硅和硅酸铜吸附的动力学模型参数

4 实验拓展与教学特色

4.1 实验拓展

若实验课时允许，或结合大学生创新创业训练等活动，本综合实验可从以下几个方向进行拓展：

（1）选用不同的金属盐，与SiO2进行水热反应，制备其他金属硅酸盐吸附剂，如硅酸锰、硅酸镁，并研究其吸附性能；

（2）除吸附动力学外，还可以进行吸附等温线、热动力学及吸附剂重复使用性能的深入研究；

（3）更换目标染料，如刚果红、罗单明B 等，研究吸附剂对这些染料的吸附性能，并进行比较。

4.2 教学特色

本实验综合了材料制备、大型仪器设备使用及理论模型对数据的拟合，并融入节能减排理念，锻炼了学生的创新能力，强化了学生的综合实践技能，其教学特色主要体现在以下方面。

（1）本实验将黑色的稻壳灰在600 ℃焙烧后得到白色的SiO2，SiO2和氯化铜进行水热反应后，得到淡蓝色的硅酸铜，作为吸附剂对亚甲基蓝溶液进行处理时，能将原先很蓝的溶液，最终变成近乎无色，实验效果明显，具有趣味性。

（2）实验引入了最新的科研成果，具有较好的创新性和实践性，并可根据实际情况进行拓展。

（3）节能减排理念的融入，使本实验为稻壳灰的资源化利用提供了一条新的途径，具有重要的社会和经济效益。

5 结语

稻壳灰的资源化利用及染料废水的处理是当前的研究热点。该实验将废弃的稻壳灰转化为SiO2作为硅源，再制备得到硅酸铜吸附剂，用于染料废水的处理。实验集样品制备、结构和形貌表征、吸附性能测试及数据拟合分析为一体，使学生在熟悉科学研究过程的同时，能够接触和了解学科前沿。实验内容与现实生活联系紧密，兼具趣味性、新颖性及实用性的特点，有助于激发学生的学习热情，拓宽视野，强化环保意识，培养科研兴趣。