应用型人才培养模式下的仪器分析实验设计

夏卉　刘兴利　赵志刚

摘  要：以介质阻挡放电降解和紫外-可见吸收光谱法测定相结合，设计了有机染料的降解与监测实验用于仪器分析实验教学。对放电电压和放电时间进行了实验条件优化，在150V电压下放电15分钟，甲基橙和亚甲基蓝的降解率分别达到86.7%和93.6%，降解效果理想。实验设备、方法简单，降解和检测快速、高效，有助于学生在掌握紫外-可见吸收光谱仪的基本原理和操作的基础上了解染料降解和检测过程，增强学生的创新意识和环保意识，提高其知识应用及解决实际问题的能力，促进学科交叉融合。

关键词：紫外-可见吸收光谱法;应用性实验;学科交叉;染料降解

中图分类号：G640       文献标志码：A         文章编号：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

仪器分析实验是化学、化工、材料、环境等相关专业本科生的必修基础实验课程，旨在通过实验引导学生理论联系实际，熟悉仪器结构和基本操作，了解仪器和方法的具体应用。为了更好地适应21世纪人才培养的需要，鼓励和培养应用型和创新型人才，以原有实验课程中涉及的仪器及分析方法为基础，结合实际问题和科研前沿引入具体的应用案例，丰富和改进仪器分析实验课程，可有效提高课程的教学效果，培养学生的创新能力和解决实际问题的能力，达到“学以致用”的教学目的[1-6]。紫外-可见分光光度法是仪器分析实验课程的重点内容之一，该方法具备操作简便、灵敏度高、选择性好、分析速度快且对样品要求不高等优点，在水质监测、药物分析等领域具有广泛的应用[7，8]。由于多数有机染料具有共轭结构，其紫外-可见吸收强，最大吸收波长明确，常用作紫外-可见分光光度法教学实验的分析对象。然而有机染料是工业废水的主要组成之一，易造成环境污染，影响人体健康[9，10]。随着人们环保意识的增强，环境污染控制与治理已成为社会关注的问题，设计开展集有机染料在线降解与定量检测为一体的综合性仪器分析实验具有实际应用意义。目前主要的有机染料降解方法包括光催化法、微波法、超声法、电化学法等[11，12]，其中，光催化法有赖于催化材料的使用，微波法和超声法对仪器设备要求较高，而电化学法设备及条件简单，适合用于本科教学实验。介质阻挡放电（dielectric barrier discharge，DBD）是一种大气压下的等离子体放电，具有放电温和、设备小巧等特点[13]，已有研究将其用于降解有机染料，处理效果令人满意，被认为是一种很有前景的环境治理方法[14，15]。本实验在紫外-可见分光光度法测定有机染料实验基础上，自主设计搭建了小型化DBD装置，以甲基橙和亚甲基蓝为代表，对染料进行快速、高效的降解，通过紫外-可见吸收光譜仪对处理前后染料的吸光度值进行测定与分析。该实验方法简单，易于实现，有助于学生了解染料废液降解和检测过程，掌握紫外-可见吸收光谱仪的基本操作，加深对紫外-可见吸收、吸光度、最大吸收波长等概念的理解，同时提高学生的创新意识和环保意识，引导学生将仪器分析知识应用于解决实际问题。

一、实验

（一）主要试剂与仪器

试剂：本实验中所用的甲基橙、亚甲基蓝均购自成都科龙化学品有限公司，实验用水均为去离子水，构建电极用铜丝购自成都万贯机电市场。

仪器：UV-1800PC型紫外-可见分光光度计（上海美普达仪器有限公司）用于定量分析。实验中所使用的DBD染料降解装置及流程如图1所示。实验室自行组装的介质阻挡放电装置由作为阻挡介质的同心石英管（外管：150mm长×12mm外径×10mm内径;内管：170mm长×6mm外径×4mm内径）和两个金属电极（直径1mm铜丝）组成，内电极插于石英内管中，外电极缠绕于石英外管表面，双层石英管壁之间间隙为DBD放电区域。石英管的两端分别有一个支管作为样品进出口。内外电极与TS-80WKT型高频高压臭氧电源（功率：80W，输出电压3-4.8kV可调，频率5-12kHz可调，广州粤佳环保科技有限公司）的输出端相连以维持DBD放电。放电电压由TDGC2型接触式调压器（浙江德力西电气有限公司）控制。实验通过BT100-02型蠕动泵（保定齐力恒流泵有限公司）进样。紫外灯（6W，254nm、365nm波长，杭州亚光照明灯饰有限公司）用于对照实验。

（二）标准溶液配制

取一定质量甲基橙、亚甲基蓝分别配制成浓度为0、1、5、10、25mg/L的标准溶液，分别在463nm和664nm波长下测定甲基橙和亚甲基蓝的吸光度值，绘制标准曲线。

（三）样品处理流程

取6mL 10mg/L的标准溶液经蠕动泵从反应器一端进入，待溶液全部进入反应器，关闭蠕动泵，打开接触调压器和臭氧电源，对样品进行降解，反应后，关闭接触调压器和臭氧电源，打开蠕动泵，得到处理后的溶液，測定其吸光度。

（四）检测方法

在光度模式下分别输入两种染料的最大吸收波长，以去离子水作试剂空白进行背景校准后，依次将处理前和处理后溶液放入检测窗口，待读数稳定后，记录吸光度值。

（五）紫外光照降解对照实验流程

取4ml 10mg/L待处理样品经蠕动泵通入缠绕于紫外灯管外的石英盘管中，待处理样品全部进入石英管，关闭蠕动泵，打开紫外灯，对样品进行降解，反应30min后，关闭紫外灯，打开蠕动泵，得到处理后的溶液，测定其吸光度。

二、结果与讨论

（一）放电时间的优化

放电时间，即反应时间，与染料降解率息息相关，是反应过程中非常重要的一个待考察的条件。实验在放电电压为150V，染料浓度为10mg/L条件下，对反应时间分别为5、10、15、20min时染料的降解效果进行考察。结果如图2所示，随反应时间的增加，甲基橙吸光度值逐渐降低，而对于亚甲基蓝而言，反应10min后，吸光度值趋于平稳，说明反应10min已经能够将亚甲基蓝完全降解，为了达到理想的降解效果，同时缩短处理时间，实验中选择15min对两种染料进行降解处理。

（二）放电电压的优化

DBD放电用于染料降解过程中，降解效率还受到放电电压的影响。较低的放电电压不能提供足够的能量，从而易导致染料降解不充分;而在更高的放电电压下，则可能引起副反应，带来二次污染。实验中，在放电时间为15min，染料浓度为10mg/L条件下，考察了放电电压分别为105、120、135、150V时染料的降解情况。结果表明，两种染料吸光度值均随电压的增高而逐渐降低，说明在较高的放电电压下，染料的降解效果明显，结果如图3所示。然而，继续增加放电电压会影响放电的稳定性，且更高的放电电压可能会击穿阻挡介质，具有一定的危险性，因此，为了同时确保染料降解效率和实验的安全性、稳定性，最终选择150V作为实验的放电电压。

（三）定量分析

在463nm和664nm波长下分别对甲基橙和亚甲基蓝标准系列进行测定，得到甲基橙标准曲线方程为A1=0.0616c1+0.0452，亚甲基蓝标准曲线方程为A2=0.0688c2-0.0287，线性相关系数均大于0.99。通过实验优化，在放电电压为150V，放电时间为15min的条件下，考察了两种染料的降解效果。对10mg/L染料处理前后的吸光度值进行测定，结果列于表1。从表1可以得出，经过DBD处理后，甲基橙和亚甲基蓝吸光度值明显降低，带入标准曲线计算得到其浓度分别降至1.33mg/L和0.64mg/L，降解率达到86.7%和93.6%，从照片中可以看到两种染料处理后几乎显示无色，说明本实验对两种染料具有理想的降解效果。

（四）紫外光降解对照实验

由于介质阻挡放电过程中，会产生紫外光，实验利用254nm和365nm紫外灯对两种染料进行30min照射，考察了DBD和紫外灯两种处理方式对染料的降解效果。如图4所示，对甲基橙而言，254nm和365nm光辐射对其几乎没有降解作用，而在365nm光辐射下，亚甲基蓝有所降解，但DBD处理效果更为明显。由此可以推测，紫外光照对染料有一定的降解效果，而DBD在放电过程当中产生的还原性电子和自由基是导致染料降解的主要原因。该对比实验可引导创新班或高年级学生进行进一步的机理探讨。

三、结束语

本实验围绕紫外-可见分光光度法理论及实验课程，在指导学生理解紫外-可见吸收原理、掌握仪器结构和操作的基础上，将介质阻挡放电降解有机染料的方法引入实验课堂教学，引导学生理解并建立了实验室小型化染料处理方案及监测方法，培养了学生学以致用的能力，增强了其学习兴趣和环保意识，达到了良好的教学效果。

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