活化过硫酸盐降解染料实验的设计与实施

王晓艳，刘勇，陈宝泉

天津理工大学化学化工学院，天津 300384

高等教育是我国人才培养体系中最重要的环节。本科教学是高校的中心工作，本科教学质量也是高校生存和发展之本。2018年，教育部印发《关于狠抓新时代全国高等学校本科教育工作会议精神落实的通知》，要求全面整顿教育教学秩序，严格本科教育教学过程管理[1]，明确要求强化教师教学主体责任，加强课堂教学管理，严抓教学秩序，提高课堂教学质量；加强学生学习过程管理，淘汰“水课”，增加课程难度、拓展课程深度，全程管到位，努力使每一级在校生都受益。同年，教育部出台《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》，强调本科教学应围绕激发学生学习兴趣和潜能，深化教学改革，加强学习过程管理[2]。《国家教育事业发展“十三五”规划》也明确指出，在提高教育质量方面，要全面落实立德树人根本任务，全面实施素质教育，着力提升学生思想道德水平、社会责任感和法治意识，培养创新创业精神与能力，强化实践动手能力[3]。如何深化教学改革，提高学生动手能力、解决实际问题能力和创新能力是高校教师关注的重点。

我校分析化学实验安排在大一第二学期。如何从大一新生开始着手，落实提高本科教学质量是实验教师需要迫切解决的问题。对于刚入校的大一新生，刚经历高考后的放飞自我，而多年题海经历使得大多数学生重理论、轻实践，多数同学对于实验课程的学习重视程度不够，自主学习能力更是严重匮乏，部分学生甚至出现数据造假、报告抄袭等现象。如何使学生尽快完成高中到大学学习方法的转变，逐步培养其实践动手能力、创新能力和解决实际问题的能力，也是大一教学质量管理的难点。

化学是一门以实验为基础的自然科学，化学实验教学是创新教育的有效途径和重要手段。但目前的化学实验教学内容中验证性实验较多，实验教学过程侧重学生对基本原理、操作步骤的学习，学生仍为被动学习。而多年来，实验教学大多是教师讲解、学生按部就班进行实验，学生实验课主动性不高。因此，实验教学改革已势在必行。在实验教学改革中，如何“以人为本”，提高学生主动性，同时，考虑学生不同认知水平和动手能力，在实验过程中分层次引导，提高学生解决实际问题的能力，并拓宽学生视野，是实验教学改革的突破口。

1 实验背景

随着现代工业的快速发展，染料废水已成为当前最主要的水体污染源。染料废水色度深、有机污染物含量高、组分复杂，如不加处理直接排放，会严重危害人类健康和生态环境[4]。即使染料浓度很低或经过脱色处理后的染料废水排入水体，同样也会影响并破坏水体生态。染料废水的有效处理也是我国水环境污染治理所要解决的重要问题。

对于染料废水的降解，传统处理方法效果并不理想。近年来，高级氧化技术广泛用于染料废水的处理研究[5,6]。其中，基于产生硫酸根自由基的过硫酸盐活化技术，因氧化性与·OH相当，近年来广泛用于有机污染物降解。通常情况下，过硫酸盐(PS)通过活化产生分解有机污染物为小分子，直至生成二氧化碳和水。其活化方式主要有热活化、碱活化、过渡金属离子活化等[7]。热活化中，温度是关键因素，在一定范围内，有机污染物降解速率随温度升高而增大[8,9]。碱活化过程中，除产生外，还产生·OH[10]。此外，过硫酸盐还可被银、铜、铁、钒、钛、钴、锰等过渡金属有效活化[11]。过硫酸盐常温下呈固态，容易储存和运输，高稳定性、高水溶性，且价格相对低廉；比·OH相对稳定，适用pH较宽(约2.5–11)。目前，已广泛用于土壤、水体中有机污染物的降解[12]。

本实验内容基于过硫酸盐不同活化方式，采用开放式条件实验的形式，学生自主选择染料、反应条件，设计实验方案，小组团队合作完成相关实验内容，并撰写实验报告(图1)。

图1 实验设计

2 实验方案

2.1 试剂与仪器

有机污染物选择市售酸性橙、甲基橙、刚果红等染料。试剂过硫酸钠(天津风船化学试剂科技有限公司)、盐酸(永飞化学试剂有限公司)、氢氧化钠(天津风船化学试剂科技有限公司)、硫酸亚铁(天津福晨化学试剂有限公司)、硫酸钴(天津市光复精细化工研究所)、亚硫酸氢钠(天津大学科威公司)等为分析纯试剂。紫外-可见分光光度计(北京普析通用T6)、水浴锅(巩义市予华仪器有限公司)。

2.2 检测方法

染料溶液通过紫外-可见分光光度计测定，确定其最大吸收波长λmax。通过测定最大吸收波长处吸光度，根据公式计算脱色率。降解前后溶液pH、电导率分别通过pH计(上海雷磁pHS-3E)、电导率仪(上海雷磁DDS-307)进行测定。

2.3 实验步骤

各小组首先确定活化方式的选择，各班可以选择不同活化方式，也可选择相同活化方式、不同条件进行实验。如某小组选择热活化过硫酸钠降解甲基橙，小组成员需查阅文献确定所要选择的温度、PS初始浓度、甲基橙初始浓度，设计并撰写实验报告，确定数据记录及数据计算方法，确定实验流程及小组成员在实验过程中各环节团队合作内容。对于实验过程中的各个重要环节，学生忽略或不能确定的环节，教师要进行引导，如热活化的温度可以做不同温度条件的对比；热活化取样时样品的淬灭方法。具体实验流程为：反应溶液配制→反应开始不同时间点取样→淬灭→测定→数据记录→数据计算→报告撰写。

2.4 数据记录与计算

对于基础较弱的学生，仅要求完成实验过程，记录吸光度，并计算脱色率(A0−At)/A0。对于基础较好、操作能力稍好的学生，除记录吸光度外，要求记录初始和反应后溶液的pH和电导率，计算脱色率和速率常数。对于基础好、操作能力好，且团队合作好的小组，除记录吸光度、初始和反应后溶液的pH和电导率，计算脱色率和速率常数外，引导其进行溶液标准曲线的绘制，计算反应过程中的降解率。

2.5 讨论分析

对于大多数大一学生来说，实验结果的讨论往往被忽视。在实验过程中或结束后，教师要引导学生思考，不同条件、PS初始浓度对有机物降解的影响作用；有机污染物的降解过程脱色是否意味着完全降解？降解是否意味着毒性降低？面对每年大量的染料废水排放，科研工作者进行降解实验的意义？

3 实验设计与教学实施特色

3.1 实验现象直观

学生自行选取实验室库存染料酸性橙、甲基橙、刚果红等试剂中任意一种，配制模拟染料废水溶液。以甲基橙为例，学生自行测定染料溶液，确定其最大吸收波长，如图2所示。

图2 甲基橙吸收曲线

在染料降解过程中，学生可使用手机对样品降解过程进行记录，见图3。

图3 甲基橙降解液

3.2 以兴趣为主导培养研究探索能力

学生是实验教学活动的中心；学生兴趣是其主动参与实验的前提。实验过程中的直观现象，激发学生的好奇心，可进一步引导学生探索现象背后的原理。因此，实验教学选择对实验方案采取开放性设计，对分析方法、数据处理也采取开放性选择。学生可选取热活化、碱活化、金属离子活化一种或多种活化方式；实验过程中样品测定可进行一种或多种项目的测定，如底物甲基橙吸光度的测定、降解液pH和电导率测定等；数据处理方面进行脱色率、降解率、速率常数等计算。脱色率随时间变化情况如图4所示。

图4 甲基橙脱色率

3.3 差异化教学

本次实验针对不同知识背景、不同能力学生进行分层次教学，如表1所示。对于基础操作能力较低的学生，建议通过热活化过硫酸盐降解染料溶液，实验过程中2–3人一组，观察实验现象、取样、淬灭、测定、数据处理，掌握实验基本原理，完成不同温度条件下过硫酸钠降解染料实验，使其了解科研内容和基本过程，观察实验现象，在获得对化学反应直观了解的同时，熟练使用紫外-可见分光光度计测定吸光度，并进行脱色率的计算，加深对有机污染物降解过程的认知，拓宽学生视野。

表1 热活化实验的分层次教学

对于操作能力较好的学生，在完成选择条件下吸光度测定过程后，测定降解液pH和电导率的变化情况；计算脱色率的同时，引导学生考查不同温度条件下过硫酸钠活化降解染料动力学情况，计算速率常数，进行条件优化，从而巩固学生的化学理论基础。学生安排实验的过程中，引导学生分工合作，在提升学生的实验技能的同时，提高学生团队合作能力。

对于学有余力的学生，引导他们进行条件优化后，再引导其思考脱色和降解的区别，明确“完全脱色≠完全降解≠无毒性”，后续内容拓展可展开总有机碳浓度测定、降解液毒性测试、不同营养级生物的选择和测定等内容。拓宽学生视野的同时，引导学生打开解决问题的思路，激发学生对科研的兴趣。

4 结语

本文所设计的分析化学实验，将科研项目引入本科教学，在教学过程中，坚持“以学生为中心”，对学生进行多层次引导，通过直观的实验现象激发学生的学习兴趣，引导其探究实验现象背后原因。在实验过程中，加强学生对紫外-可见分光光度计、pH计、电导率仪的使用，强化学生对染料降解理论知识及规律的理解。通过逐级、多层次、循序渐进的化学实验课程训练，充分锻炼学生的动手能力，提高学生自主学习能力，培养解决实际问题的能力，为学生将来成为具有良好科学素养的创新型人才奠定了基础。

本实验尝试将部分科研工作引入本科教学，课后，部分学生表示，完成开放性实验很有成就感；部分学生对水污染控制研究方向感兴趣，教师利用硕博专业知识为其解答。不足之处在于，在教学过程中，发现部分学生有数据抄袭现象，因此，在教学设计环节，增加了不同染料及金属离子的数目，确保每个班实验内容略有不同。对于染料废水排放及危害等内容，学生并无切身经历，后续教学应增加线上教学环节，通过PPT、视频等多媒体资料，为学生呈现环境污染及治理难度，提高学生环保意识。