曹振興，袁 鳳，秦余楊，梁鳳芝

(常熟理工學(xué)院材料工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500)

基于設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)方法探索材料學(xué)教學(xué)新模式是一種創(chuàng)新的教學(xué)方式，旨在提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。本文將以創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目《二硫化鉬納米片對(duì)汞污染水的穩(wěn)定化研究》為例，介紹基于設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)方法探索材料化學(xué)教學(xué)模式，使得學(xué)生能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對(duì)材料或化學(xué)領(lǐng)域中相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)、工藝設(shè)計(jì)及產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的復(fù)雜工程問題進(jìn)行研究，包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析與解釋，并通過信息綜合等得到最后合理有效的結(jié)論[1]。

1 問題分析

要求：能夠運(yùn)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程科學(xué)的基本原理，結(jié)合文獻(xiàn)研究，識(shí)別、分析和表達(dá)相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)、工藝設(shè)計(jì)及產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的復(fù)雜工程問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并通過影響因素分析，獲得有效結(jié)論[2]，具體如下：

(1)針對(duì)高分子材料或化學(xué)領(lǐng)域中相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)、工藝設(shè)計(jì)及產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的復(fù)雜工程問題，能夠通過自然科學(xué)、工程科學(xué)的基本原理，識(shí)別和判斷其關(guān)鍵環(huán)節(jié)；

(2)針對(duì)高分子材料或化學(xué)領(lǐng)域中相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)、工藝設(shè)計(jì)及產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的復(fù)雜工程問題，能夠通過數(shù)學(xué)及工程科學(xué)的方法對(duì)復(fù)雜工程問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行正確表達(dá)；

(3)能認(rèn)識(shí)到解決問題有多種方案可選擇，會(huì)通過文獻(xiàn)研究尋求不同的解決方案；

(4)能運(yùn)用工程科學(xué)的基本原理，借助文獻(xiàn)研究，分析材料科學(xué)與工程專業(yè)領(lǐng)域中相關(guān)復(fù)雜工程問題關(guān)鍵環(huán)節(jié)的影響因素，并通過影響因素分析，獲得有效結(jié)論。

本課程指導(dǎo)老師提出的科學(xué)問題為：如何解決水中重金屬汞嚴(yán)重超標(biāo)的問題？同學(xué)們根據(jù)研究主題和關(guān)鍵詞，制定了合適的檢索策略，以便從大量的文獻(xiàn)中篩選出相關(guān)度較高、質(zhì)量較好的文獻(xiàn)。隨后對(duì)檢索到的文獻(xiàn)進(jìn)行篩選，排除不相關(guān)或者質(zhì)量較低的文獻(xiàn)，保留相關(guān)度較高、質(zhì)量較好的文獻(xiàn)。對(duì)篩選出來的文獻(xiàn)進(jìn)行仔細(xì)閱讀和分析，了解已有研究的情況和進(jìn)展，以及研究的不足之處。最終選擇了二硫化鉬納米片作為吸附材料，文獻(xiàn)分析二硫化鉬吸附汞的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①高吸附容量：二硫化鉬具有高比表面積，可以提供大量的吸附位點(diǎn)，從而有效地吸附廢水中的汞離子。其吸附容量遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)吸附劑，這使得二硫化鉬在處理含汞廢水時(shí)具有更高的效率。

②選擇性吸附：二硫化鉬對(duì)汞離子具有良好的選擇性，可以高效吸附汞離子而不影響其他離子的吸附。這種選擇性吸附特性有助于在復(fù)雜的廢水環(huán)境中實(shí)現(xiàn)汞的有效去除。

③易于再生：二硫化鉬具有良好的可再生性，可以通過簡(jiǎn)單的處理方法實(shí)現(xiàn)吸附劑的再生和重復(fù)利用。這不僅可以降低處理成本，還有助于減少廢棄物的產(chǎn)生。

④環(huán)境友好：二硫化鉬作為一種無機(jī)材料，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和環(huán)境友好性。在使用過程中不會(huì)產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，對(duì)環(huán)境和人體健康無害。

⑤多種去除機(jī)制：二硫化鉬不僅可以通過吸附作用去除汞離子，還可以通過光催化、電催化等方式對(duì)汞進(jìn)行降解，進(jìn)一步提高其治理效果。這種多種去除機(jī)制的協(xié)同作用使得二硫化鉬在處理含汞廢水時(shí)具有更高的靈活性和適應(yīng)性。

2 設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案

要求：能夠針對(duì)高分子材料或化學(xué)領(lǐng)域中相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)、工藝設(shè)計(jì)及產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的復(fù)雜工程問題，提出設(shè)計(jì)出解決方案，解決方案中能夠體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)，考慮社會(huì)、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素[3]。

(1)掌握高分子材料或化學(xué)領(lǐng)域中相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)的基本方法和技術(shù)，了解影響產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)方案的各種因素；

(2)具備高分子材料或化學(xué)領(lǐng)域中相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)/開發(fā)的技能，能夠針對(duì)復(fù)雜工程問題的解決方案，設(shè)計(jì)滿足特定需求的技術(shù)路線或工藝方法；

(3)能夠針對(duì)高分子材料或化學(xué)領(lǐng)域中相關(guān)產(chǎn)品，綜合設(shè)計(jì)其工藝流程、技術(shù)路線，在設(shè)計(jì)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)；

本課程同學(xué)設(shè)計(jì)了采用二硫化鉬納米片對(duì)汞污染水進(jìn)行吸附處理，研究過程包括不同摻比及反應(yīng)時(shí)間。同時(shí)將高吸汞能力的二維納米片用于汞污染水的處理，通過SEM及XPS等分析測(cè)試手段來確定二硫化鉬納米片吸附汞離子的機(jī)理。

3 項(xiàng)目研究

在掌握專業(yè)知識(shí)、常用檢測(cè)儀器與設(shè)備使用和實(shí)驗(yàn)技能的基礎(chǔ)上，能針對(duì)高分子材料或化學(xué)領(lǐng)域中相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)、工藝設(shè)計(jì)及產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的復(fù)雜工程問題開發(fā)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、組織實(shí)施實(shí)驗(yàn)工作、收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析與解釋，最終得到有效結(jié)論。體現(xiàn)了學(xué)生在新材料領(lǐng)域開展實(shí)驗(yàn)研究應(yīng)具備的能力[4]。

(1)能夠基于材料科學(xué)原理，通過文獻(xiàn)研究或相關(guān)方法，調(diào)研和分析高分子材料或化學(xué)領(lǐng)域中相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)、工藝設(shè)計(jì)及產(chǎn)品生產(chǎn)過程中復(fù)雜工程問題的解決方案；

(2)能夠根據(jù)高分子材料或化學(xué)領(lǐng)域中相關(guān)復(fù)雜工程問題的技術(shù)特征，選擇恰當(dāng)?shù)难芯柯肪€，并設(shè)計(jì)出具體的實(shí)驗(yàn)方案；

(3)能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括實(shí)驗(yàn)原料選擇，裝置選擇與安裝，工藝參數(shù)設(shè)定與監(jiān)控等，并能安全地開展實(shí)驗(yàn)，正確地采集數(shù)據(jù)；

(4)能夠?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和解釋，撰寫報(bào)告，并通過信息綜合得到合理、有效的結(jié)論。

本課程的具體研究?jī)?nèi)容如下：

①起始汞濃度和吸附時(shí)間對(duì)吸附的影響

二硫化鉬有類似石墨烯的片層結(jié)構(gòu)，中間是由一層鉬原子組成，兩邊由硫原子組成，這樣的片層結(jié)構(gòu)使得二硫化鉬中的硫原子充分暴露，使得與重金屬汞離子有很多的吸附位點(diǎn)，因此二硫化鉬是目前已知的汞吸附容量最高的材料[5]。在前期的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中，本實(shí)驗(yàn)通過二硫化鉬處理汞污染水來驗(yàn)證二硫化鉬的吸附汞的效果。分別考慮了起始汞濃度和吸附時(shí)間對(duì)二硫化鉬吸附汞的效果，并計(jì)算二硫化鉬對(duì)汞的吸附容量。

為探討不同起始汞濃度對(duì)二硫化鉬吸附行為的影響，本課程設(shè)計(jì)了以下實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：設(shè)置吸附溫度為25 ℃、pH為6。分別向5個(gè)燒杯中加入理論濃度為25、50、100、200、250 mg/L的汞溶液15 mL，分別加入預(yù)先配制好的濃度為100 mg/L的二硫化鉬分散液15 mL，將配好的分散液在25 ℃超聲吸附60 min后進(jìn)行抽濾，用ICP測(cè)試吸附后汞污染水的汞濃度。

從圖1可以看出，當(dāng)起始汞濃度低于60 mg/mL時(shí)，二硫化鉬對(duì)汞的吸附容量急劇上升，汞吸附容量從430 mg/mL上升至602 mg/mL，但當(dāng)起始汞濃度繼續(xù)上升時(shí)，二硫化鉬對(duì)汞的吸附容量增加緩慢，這主要?dú)w因于二硫化鉬對(duì)汞的吸附達(dá)到飽和，二硫化鉬上對(duì)汞的吸附位點(diǎn)減少。從圖中可知，二硫化鉬對(duì)汞的最大吸附容量為641 mg/mL。據(jù)報(bào)道，活性炭去除汞的最大容量大致為50 mg/g到95 mg/g。二硫化鉬納米片具有較大的比表面積，使得其比常見的吸附材料具有更高的汞吸附容量。

圖1 起始汞濃度對(duì)二硫化鉬吸附Hg的影響

②二硫化鉬納米片吸附性能微觀表征

通過SEM-EDS分析二硫化鉬吸附重金屬汞后的微觀形貌和化學(xué)組成。從圖2可知，SDBS協(xié)助水熱法制備的二硫化鉬是由很多納米小球堆積而呈現(xiàn)一種納米花狀球形結(jié)構(gòu)，這與Bai等制備的二硫化鉬有相同的形貌，這種形貌使得二硫化鉬具有較大的比表面積，從而有充分的硫原子暴露，使得二硫化鉬實(shí)際最大汞吸附容量達(dá)到641 mg/mL。同時(shí)本實(shí)驗(yàn)對(duì)吸附過汞的二硫化鉬進(jìn)行EDS面掃以分析Hg、S、Mo三種元素的分布情況，二硫化鉬上Hg元素的分布情況和密度與S和Mo相一致，這表明二硫化鉬有效吸附了重金屬汞[6]。

圖2 吸附汞的二硫化鉬掃描電鏡和能譜圖

圖3 吸附前和吸附后二硫化鉬的XPS全譜(a)，Hg4f、S2p、Mo3d和O1s的XPS精細(xì)譜(b～d)

4 結(jié) 論

通過設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)方法的實(shí)施，本課程成功探索了材料化學(xué)教學(xué)模式在解決實(shí)際問題中的應(yīng)用。研究結(jié)果表明，二硫化鉬納米片作為一種高效的汞吸附材料，在汞污染水處理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施過程中，不僅加深了對(duì)材料化學(xué)理論知識(shí)的理解，還提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析和解釋等實(shí)踐能力。此外，本課程的成功實(shí)施也為今后類似研究提供了有益的參考和借鑒。通過基于設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)方法的材料化學(xué)教學(xué)模式的探索與實(shí)踐，有望培養(yǎng)更多具備創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問題能力的高素質(zhì)人才。