巢艷紅　朱文帥　吳昊峰　劉梅

【摘 要】為提高本科生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)能力和培養(yǎng)科研創(chuàng)新意識(shí)，以金屬無(wú)機(jī)分子篩Fe-MCM吸附抗生素為例，設(shè)計(jì)一個(gè)兼具研究性和開放式的綜合實(shí)驗(yàn)。運(yùn)用無(wú)機(jī)化學(xué)和有機(jī)化學(xué)的理論知識(shí)理解金屬負(fù)載三維有序介孔材料Fe-MCM的理化性質(zhì);利用儀器分析和分析化學(xué)所學(xué)知識(shí)，測(cè)定吸附前后水中抗生素左氧氟沙星的含量;運(yùn)用物理化學(xué)表面吸附原理結(jié)合origin數(shù)據(jù)處理軟件考察和分析吸附時(shí)間、溫度、pH環(huán)境和溶液離子強(qiáng)度等對(duì)Fe-MCM吸附左氧氟沙星的影響，探討最佳吸附條件和吸附機(jī)制。該研究將理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)技能緊密結(jié)合，綜合鍛煉了學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力，有效激發(fā)了學(xué)生的研究興趣。

【關(guān)鍵詞】金屬無(wú)機(jī)分子篩;開放實(shí)驗(yàn);吸附;污染物

中圖分類號(hào)： O643.36文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）33-0076-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.33.036

研究性開放實(shí)驗(yàn)作為新工科理念下實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的有益嘗試和突破，近年來(lái)引起越來(lái)越多高校教育工作者的廣泛關(guān)注[1]。研究性開放實(shí)驗(yàn)的開設(shè)，可充分利用實(shí)驗(yàn)室資源，讓學(xué)生自主查閱文獻(xiàn)，結(jié)合所學(xué)知識(shí)和導(dǎo)師指導(dǎo)設(shè)計(jì)課題并解決問題，在完整的實(shí)驗(yàn)研究過程中培養(yǎng)學(xué)生自主探索能力，提升學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力。

1 課題背景

喹諾酮類抗生素作為一類廣譜抗生素，因其特定的抗菌性以及較小的毒副作用等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于人類醫(yī)療、動(dòng)物養(yǎng)殖及生物增長(zhǎng)劑等。但由于環(huán)境對(duì)抗生素的降解能力有限，致使越來(lái)越多的抗生素蓄積在土壤、地表水、地下水甚至飲用水中?？股匾驯灰暈橐环N新興的全球污染物。吸附法，由于其簡(jiǎn)便、快捷且經(jīng)濟(jì)有效，被認(rèn)為是最具前景的污染物處理技術(shù)之一。Fe-MCM是一種金屬Fe負(fù)載的三維有序介孔材料，比表面積大，孔道有序且可調(diào)，被認(rèn)為是一種極具前景的優(yōu)良吸附劑，在吸附分離領(lǐng)域得到廣泛研究和關(guān)注。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

（1）掌握文獻(xiàn)檢索方法，了解金屬負(fù)載三維有序介孔材料Fe-MCM的理化性質(zhì)。

（2）掌握吸附實(shí)驗(yàn)的操作步驟，熟悉實(shí)驗(yàn)所涉及儀器的操作原理和方法。

（3）熟悉origin數(shù)據(jù)處理軟件，掌握常用數(shù)據(jù)圖的制作方法。

（4）了解課題背景，熟悉吸附法去除水環(huán)境污染物的研究思路和方法。

3 材料和儀器

3.1 實(shí)驗(yàn)材料

Fe-MCM（實(shí)驗(yàn)室自制），左氧氟沙星（levofloxacin，LOF），氫氧化鈉，鹽酸，蒸餾水。

3.2 實(shí)驗(yàn)儀器

水浴恒溫振蕩器，紫外可見分光光度計(jì)，電子分析天平，pH計(jì)，離心沉淀器。

4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟

4.1 左氧氟沙星標(biāo)準(zhǔn)曲線的制備

精密稱取左氧氟沙星（LOF）100mg，用蒸餾水溶解并定容至1000mL，制得LOF儲(chǔ)備液（100mg/L）。精密移取適量LOF儲(chǔ)備液于100mL容量瓶中，用蒸餾水定容得5、10、20、30、40、50、60mg/L系列樣品液，以蒸餾水為參比，于紫外可見分光光度計(jì)下327nm測(cè)定吸光度A。

4.2 吸附實(shí)驗(yàn)

4.2.1 時(shí)間對(duì)吸附量的影響和吸附平衡時(shí)間的確定

精密稱取介孔材料Fe-MCM 20mg，置于100mL錐形瓶中，再加入20mL 100mg/L的LOF溶液，振搖使Fe-MCM材料分散開，錐形瓶加塞后置于恒溫水浴振蕩鍋中，溫度預(yù)先設(shè)為25℃，以130rpm的速度避光振蕩吸附。分別在吸附0.5、1、1.5、2、3、4、6、8、10h抽取約5mL上清液以4000rpm轉(zhuǎn)速離心10min，然后立即用紫外分光光度計(jì)在327nm處測(cè)量吸光度At。

4.2.2 溶液不同pH環(huán)境對(duì)LOF在介孔材料Fe-MCM上吸附量的影響

用0.1mol/L HCL或NaOH調(diào)節(jié)LOF溶液（60mg/L）的pH分別為2、3、4、5、6、7、8、9、10、11，分別量取10mL上述溶液加入到50 mL錐形瓶中，再精密稱取Fe-MCM 10mg放入錐形瓶中，振搖使Fe-MCM材料分散開，按2.2.1項(xiàng)下步驟待吸附達(dá)到平衡后取樣測(cè)定吸光度Ae。

4.2.3 反應(yīng)溫度和初始藥物濃度對(duì)LOF在介孔材料Fe-MCM上吸附量的影響

配制不同濃度的樣品液（濃度分別為20、40、60、80、100mg/L），調(diào)節(jié)其pH值為7.0。 準(zhǔn)確量取系列LOF溶液10mL倒入數(shù)個(gè)50mL錐形瓶中，再精密稱取介孔材料Fe-MCM 10mg置于錐形瓶中，振搖使Fe-MCM材料分散開，恒溫水浴震蕩鍋溫度分別設(shè)為15、25、35和45℃，按2.2.1項(xiàng)下步驟待吸附達(dá)到平衡后取樣測(cè)定吸光度Ae。

4.3 數(shù)據(jù)處理和吸附量的計(jì)算

將上述實(shí)驗(yàn)測(cè)定的吸光度At和Ae，利用LOF標(biāo)準(zhǔn)曲線，分別求得樣品濃度Ct和Ce，根據(jù)下列公式（1）分別計(jì)算吸附時(shí)間為t和吸附達(dá)到平衡時(shí)的吸附量qt 和qe（mg/g）：

其中：C0，Ct和Ce分別為L(zhǎng)OF的初始藥物濃度，吸附時(shí)間為t時(shí)溶液中的殘留濃度以及吸附達(dá)到平衡時(shí)溶液中的殘留濃度（mg/L）;V是溶液的體積（L），m是介孔材料Fe-MCM的質(zhì)量（g）。

5 結(jié)果與討論

5.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線

以濃度C（mg/L） 為橫坐標(biāo)，吸光度A為縱坐標(biāo)，采用origin數(shù)據(jù)處理軟件線性擬合，所得標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為：A=0.0288C-0.002（R2=0.9997），線性范圍0～60mg/L。

5.2 介孔材料Fe-MCM對(duì)LOF的吸附性能

本實(shí)驗(yàn)首先考察了接觸時(shí)間對(duì)LOF在Fe-MCM上吸附量的影響。以時(shí)間t為橫坐標(biāo)，吸附量qt為縱坐標(biāo)，繪制吸附平衡時(shí)間圖，結(jié)果見圖5.1（a）。在吸附初始階段，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，LOF在Fe-MCM上的吸附量迅速增加;隨后，進(jìn)一步延長(zhǎng)吸附時(shí)間，吸附速率緩慢下降，并最終逐漸趨于平衡;當(dāng)吸附時(shí)間大于16h后，吸附量幾乎不在增加。LOF在Fe-MCM上的吸附平衡時(shí)間約為16h。

進(jìn)一步考察了在不同pH環(huán)境下介孔材料Fe-MCM對(duì)LOF的吸附行為，以pH值為橫坐標(biāo)，吸附量qe為縱坐標(biāo)，繪制pH-qe圖，結(jié)果見圖5.1（b）。pH值對(duì)Fe-MCM吸附LOF的影響較大。在酸性條件下，隨著pH值增大，吸附量逐漸增加;當(dāng)pH值大于9時(shí)，隨著pH值增大，吸附量有降低的趨勢(shì)。Fe-MCM在酸性條件下對(duì)LOF的吸附量明顯低于堿性時(shí)的吸附量。Fe-MCM吸附LOF的最佳pH環(huán)境為pH6～10;在pH=9時(shí)，F(xiàn)e-MCM對(duì)LOF的吸附量達(dá)到50mg/g。該吸附過程的pH依賴性不僅與介孔材料Fe-MCM的表面性質(zhì)、分散狀態(tài)和孔道結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與不同 pH 條件下水中LOF的解離程度和荷電狀態(tài)有關(guān)。

最后，為研究Fe-MCM吸附LOF的等溫線性質(zhì)，考察了不同溫度條件下初始藥物濃度對(duì)LOF在介孔材料Fe-MCM上吸附量的影響，以吸附平衡時(shí)藥物在溶液中的殘留濃度Ce為橫坐標(biāo)，平衡吸附量qe為縱坐標(biāo)，繪制Ce-qe等溫線圖，結(jié)果見圖5.1（c）。在各溫度條件下，隨著藥物溶液初始濃度的增加，F(xiàn)e-MCM對(duì)藥物的吸附量也隨之升高;此外，在各相同的初始濃度下，LOF在Fe-MCM上的吸附量均隨著溫度的升高而下降，說(shuō)明吸附過程是一個(gè)放熱過程，高溫不利于吸附的進(jìn)行。

6 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)選用實(shí)驗(yàn)室自制的金屬負(fù)載三維有序介孔材料Fe-MCM為吸附劑，通過改變時(shí)間、溫度、初始濃度、溶液pH和離子強(qiáng)度，系統(tǒng)考察了Fe-MCM對(duì)抗生素左氧氟沙星（LOF）的吸附性能。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，LOF在Fe-MCM上的吸附平衡時(shí)間約為16h;吸附過程具有明顯的pH依賴性，最佳吸附pH環(huán)境為pH6～10;LOF的吸附量隨著藥物初始濃度的增加而增加，但隨著環(huán)境溫度的上升而下降，低溫更有利于吸附的進(jìn)行，該吸附過程主要為放熱的物理吸附過程。

該研究性開放實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一種有益嘗試，兼具研究性和開放式特點(diǎn)，通過學(xué)生的系統(tǒng)學(xué)習(xí)和參與，可有效提升高校學(xué)生參與科學(xué)研究的興趣，對(duì)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，全面鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和綜合能力具有非常重要的意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王連會(huì).開放性綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐與探索[J].廣東化工，2018，45（11）：257-259.