环境化学实验自制包覆型纳米铁材料吸附还原亚甲基蓝Word文档格式.docx
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t--反应时间，min;
η--亚甲基蓝脱色率，%;
C--溶液中亚甲基蓝的初始浓度，mg/L;
0
C--反应tmin时亚甲基蓝的浓度，mg/L。
t
2.反应动力学分析
环境化学实验
由于包覆型纳米铁材料与水中亚甲基蓝的反应属于非均相反应，反应过程可用方
程式（5-2）-（5-3）来描述:
dC………………（5-2）vkC,,,
dt
积分得:
Cln（）,,ktC0……………………（5-3）
式中:
C--t时刻溶液中溶质的浓度，mg/L;
C--溶液中溶质的初始浓度，mg/L;
k--还原反应的准一级速率常数。
将ln（C/C）对反应时间t进行线性拟合，分析CA-Fe去除亚甲基蓝的反应动力学。
三、仪器与药品
1.仪器
（1）分光光度计
（2）恒温振荡器
（3）分析天平
（4）磁力搅拌器
2.药品
（1）绿茶
（2）硫酸亚铁
（3）海藻酸钠
（4）氯化钙
5）亚甲基蓝（
四、实验步聚
1.标准曲线的绘制
（1）吸取50mg/L的亚甲基蓝溶液0.00、0.50、1.00、2.00、4.00、6.00、8.00、
10.00mL分别置于50mL容量瓶中，用纯水定容，其浓度分别为0.00、0.50、1.00、2.00、
4.00、6.00、8.00、10.00mg/L亚甲基蓝溶液。
（2）对于亚甲基蓝溶液，工作波长应选择665nm，但由于各台分光光度波长刻度
略有差别，所以，实验者应自行选取工作波长。
用6mg/L的亚甲基蓝溶液在645-675nm范围内测定吸光度，以吸光度最大时的波长作为工作波长。
2.制备材料
2.1制备海藻酸钙小球
）称取1.5007g的海藻酸钠溶于100mL的蒸馏水中，置于磁力搅拌器上搅拌（1
均匀形成海藻酸钠溶胶，静置20-30min，排除溶胶中的气泡。
（2）称取36.8g无水CaCl于装有250mL纯水的蒸发皿中。
2
（3）用针筒吸取海藻酸钠溶胶缓慢滴入250mL的1.32mol/L的CaCl水溶液中，2小球在CaCl溶液中交联时间约0.5h，沥干，并用蒸馏水清洗3遍，即制得海藻酸钙2
小球（CA）。
2.2制备包覆型纳米铁材料
（1）移取100.00mL绿茶提取液于200mL的干净干燥的烧杯中。
（2）称取2.25g海藻酸钠于
（1）的烧杯中，置于磁力搅拌器上搅拌均匀形成海藻酸钠绿茶提取液溶胶。
）称取2.7802g的七水合硫酸亚铁于烧杯中搅拌溶解后，定容在100mL的容（3
2+量瓶当中配制成0.1mol/L的Fe溶液
2+（4）移取50.00mL0.1mol/L的Fe溶液至海藻酸钠绿茶提取液溶胶中，玻棒搅拌15min。
（5）称取55.2g的无水CaCl于450mL烧杯中，加入380mL的蒸馏水，搅拌溶2
解得到氯化钙溶液。
（6）用针筒吸取粘稠的纳米铁悬液滴入到（5）步骤已配好的CaCl溶液中，用玻棒2不断搅拌，交联时间约0.5h，即制备成包覆型纳米铁（CA-Fe）颗粒材料。
3.比较不同材料对亚甲基蓝的去除效果
（1）吸取40.00mL的1g/L亚甲基蓝溶液于500mL容量瓶中，纯水定容。
亚甲基蓝溶液浓度为80.00mg/L。
（2）移取5份25.00mL的80.00mg/L的亚甲基蓝溶液于装有2.5gCA的聚乙烯塑料管中，将上述样品在室温下进行振荡，振荡反应时间分别为5min、10min、20min、30min、50min后，迅速吸取上层清液5mL于50mL比色管中，用水定容后，用可见分光光度计，在工作波长下测定不同振荡时间后亚甲蓝溶液的吸光度。
（3）移取5份25.00mL的80.00mg/L的亚甲基蓝溶液于装有2.5gCA-Fe的聚乙烯塑料管中，将上述样品在室温下进行振荡，振荡反应时间分别为5min、10min、20
min、30min、50min后，迅速吸取上层清液5mL于50mL比色管中，用水定容后，用可见分光光度计，在工作波长下测定不同振荡时间后亚甲蓝溶液的吸光度。
4.CA-Fe对亚甲基蓝吸附还原动力学实验
（1）分别吸取5.00、40.00mL的1g/L亚甲基蓝溶液于250mL容量瓶中，纯水定容。
亚甲基蓝溶液浓度分别为20.00、160.00mg/L。
（2）移取5份25.00mL的20.00mg/L的亚甲基蓝溶液于装有2.5g的CA-Fe聚乙烯塑料管中，将上述样品在室温下进行振荡，振荡反应时间分别为5min、10min、20min、30min、50min后，迅速吸取上层清液15mL于25mL比色管中，用水定容后，用可见分光光度计，在工作波长下测定不同振荡时间后亚甲蓝溶液的吸光度。
分析数据，获得自制包覆型纳米铁材料对亚甲蓝吸附还原平衡时间。
（3）移取5份25.00mL的160.00mg/L的亚甲基蓝溶液于装有2.5g的CA-Fe聚乙烯塑料管中，将上述样品在室温下进行振荡，振荡反应时间分别为5min、10min、20min、30min、50min后，迅速吸取上层清液2.5mL于50mL比色管中，用水定容后，用可见分光光度计，在工作波长下测定不同振荡时间后亚甲蓝溶液的吸光度。
五、数据处理
1.绘制亚甲蓝溶液的标准曲线。
表5-1工作波长的测定
序号12345678
波长/nm645650655660663664665670
吸光度A0.8180.8940.9671.0251.0321.0431.0390.985
由上表可知，用6mg/L的亚甲基蓝溶液在645-675nm范围内测定吸光度，吸光度最大时的波长为664nm，以此作为工作波长。
表5-2亚甲蓝溶液的标准曲线（在664nm下测定）
体积v/mL0.000.501.002.004.006.008.0010.00
浓度C/0.000.501.002.004.006.008.0010.00（mg/L）
吸光度A0.0150.0950.1900.3760.7451.0931.3991.654
图5-1亚甲蓝溶液的标准曲线
2.根据不同浓度、不同时间样品的吸光度值，从标准曲线上查得各样品所对应的浓度。
不同振荡时间后亚甲蓝溶液的吸光度的测定:
亚甲基蓝溶液浓度为80.00mg/L，吸附材料分别为CA和CA-Fe
根据不同时间样品的吸光度值，把吸光度代入标准曲线y=0.1681x+0.0341中，可以求得各样品所对应的浓度:
表5-3CA对亚甲基蓝的去除测定
序号12345
振荡反应时间510203050/min
吸光度A1.2221.2171.1801.1641.161
浓度C/（mg/L）7.077.046.826.726.70
表5-4CA-Fe对亚甲基蓝的去除测定
吸光度A0.8320.5460.3780.3210.270
浓度C/（mg/L）4.743.052.051.711.40
各甲基蓝溶液浓度原液，在未加吸附材料情况下的吸光度测定情况:
表5-5各浓度原液的吸光度
甲基蓝溶液原液20.0080.00160.00浓度C/（mg/L）
吸光度A0.9871.4581.444
浓度C/（mg/L）5.678.478.34
3.比较不同材料对亚甲基蓝的去除效果。
CC,0t,100%,，C0
分别为5min、10min、20min、30min、50minη--亚甲基蓝脱色率，%;
亚甲基蓝溶液浓度见表5-3，为8.47mg/L0
C--反应tmin时亚甲基蓝的浓度，mg/L，见表5-4和表5-5t
原液浓度为80.00mg/L
表5-5不同材料对亚甲基蓝的去除效果
序号123456
振荡反应时间0510203050/min
CA1.4581.2221.2171.1801.1641.161吸光度
ACA-Fe1.4580.8320.5460.3780.3210.270
CA8.477.077.046.826.726.70浓度C/
（mg/L）CA-Fe8.474.743.052.051.711.40
CA016.5316.8819.4820.6620.90脱色率
η/%CA-Fe044.0463.9975.8079.8183.47
图5-2CA和CA-Fe对亚甲基蓝浓度为80.00mg/L原液的去除效果
图表数据分析:
在同一浓度下，CA-Fe对亚甲基蓝浓度的去除效果明显好于CA对亚甲基蓝浓度的去除效果。
4.三种浓度的亚甲基蓝溶液随着反应时间的延长的脱色率变化图。
Fe，亚甲基蓝原液浓度分别为20.00mg/L、80.00mg、1160.00mg/L，吸附材料为CA-分别测定在三种浓度下的亚甲基蓝溶液随着反应时间的延长的脱色率变化
表5-6CA-Fe对亚甲基蓝浓度为20.00mg/L原液的去除测定
振荡反应时0510203050间/min
吸光度A0.9870.4910.3840.3600.2150.200
浓度C/5.672.722.081.941.080.99（mg/L）
脱色率η/%052.0363.3265.7880.9582.54
表5-7CA-Fe对亚甲基蓝浓度为80.00mg/L原液的去除测定
吸光度A1.4580.8320.5460.3780.3210.270
浓度C/8.474.743.052.051.711.40（mg/L）
脱色率η/%044.0463.9975.8079.8183.47
表5-8CA-Fe对亚甲基蓝浓度为160.00mg/L原液的去除测定
吸光度A1.4441.0720.9330.7300.6230.566
浓度C/8.346.175.354.143.503.16（mg/L）
脱色率η/%026.0235.8550.3658.0362.11
表5-9CA-Fe对三种浓度的亚甲基蓝溶液随着反应时间的延长的脱色测定
序号123456振荡反应时间/min0510203050
20.00mg/L052.0363.3265.7880.9582.54（CA-Fe）
80.00mg/L脱色率044.0463.9975.8079.8183.47η/%（CA-Fe）
160.00mg/026.0235.8550.3658.0362.11L（CA-Fe）
图5-3CA-Fe对三种浓度的亚甲基蓝溶液随着反应时间的延长的脱色测定
由上图可知，对于同一种高效率的亚甲基蓝溶液去除材料CA-Fe，初始浓度不一样的话，去除效率也不一样。
理论效果为初始浓度低的亚甲基蓝溶液的去除率高于浓度高的，即理论上20.00mg/L的亚甲基蓝溶液去除效果最好，其次是80.00mg/L，160.00mg/L的去除效果最差。
然而此次实验，20.00mg/L的亚甲基蓝溶液
去除效果和理论值有所偏差，也没有达到80%以上的去除率，可能由于多种原因导致实验失败。
5.绘制三种浓度的亚甲基蓝溶液反应动力学图，并求出准一级速率常数k。
反应动力学分析:
由于包覆型纳米铁材料与水中亚甲基蓝的反应属于非均相反应，反应过程可用下列方程式来描述:
dCvkC,,,
Cln（）,,ktC0
将ln（C/C）对反应时间t进行线性拟合，可以分析活得CA-Fe去除亚甲基蓝的反应0
动力学并求出准一级速率常数k值。
表5-10CA-Fe对三种浓度的亚甲基蓝溶液随着反应时间的反应动力学
20.00mg/L5.672.722.081.941.080.99（CA-Fe）浓度C/80.00mg/L（mg/L8.474.743.052.051.711.40（CA-Fe））160.00mg/8.346.175.354.143.503.16L（CA-Fe）
20.00mg/L0-0.735-1.003-1.073-1.658-1.745（CA-Fe）
ln（C/C80.00mg/L0-0.580-1.021-1.419-1.600-1.800）（CA-Fe）0
160.00mg/0-0.301-0.444-0.700-0.868-0.970L（CA-Fe）
图5-420.00mg/L的亚甲基蓝溶液反应动力学图由上图可知，20.00mg/L的亚甲基蓝溶液的准一级速率常数k值为0.0308
图5-580.00mg/L的亚甲基蓝溶液反应动力学图由上图可知，80.00mg/L的亚甲基蓝溶液的准一级速率常数k值为0.0328
图5-6160.00mg/L的亚甲基蓝溶液反应动力学图
由上图可知，160.00mg/L的亚甲基蓝溶液的准一级速率常数k值为0.0183六、实验讨论
1.去除水中亚甲基蓝的方法有哪些,
答:
亚甲基蓝废水具有水量大、色度深、碱度大、有致癌致畸变效应等特点，属于较难处理的工业废水。
目前处理染料废水的方法主要有:
吸附法、混凝沉降法、化学氧化法、生物处理法等。
吸附法，由于具有效率高、操作简单等优点，在处理有机染料废水中具有很大的优势。
常用的吸附剂有活性炭、沸石分子筛、粘土矿物类[1]等。
碳纳米管、SMA_环糊精聚合物、马尾松针和柚子皮、硅藻土、改性小麦秸秆、镍改性MCM_41介孔分子筛、锰氧化物修饰铁酸钴纳米棒、天然沸石、壳聚糖交联天
[2-13]然沸石、泥、生物质炭等也被用来处理亚甲基蓝。
2.不同亚甲基蓝浓度引起脱色率不同的原因,
由图5-3可见，在CA-Fe投加量一定的情况下，去除率随着初始浓度的增大而降低。
当亚甲基蓝溶液的初始浓度较小时，CA-Fe表面的吸附点位相对亚甲基蓝分子是过量的，可迅速的与亚甲基蓝分子发生吸附作用，CA-Fe的去除效率较高;
随着亚甲基蓝浓度的增加，活性炭上的吸附点位逐步达到饱和状态，过量的亚甲基蓝分子只能在溶液中处于游离状态，无法吸附在CA-Fe上，致使去除率较低。
3.准一级速率常数k的物理意义。
由准一级速率常数k可知反应快慢
4.自制包覆型纳米铁材料对亚甲蓝去除机理?
实验将绿茶提取液作为包覆材料，利用先合成后修饰的制备方法，将液相还原法与表面修饰相结合，在纳米零价铁合成的过程中进行同步修饰，使其包覆在纳米零价铁的外层，达到稳定纳米零价铁的目的，同时可改善表面疏水性能，使其更易同酯溶性难降解污染物接触并发生还原作用将其降解。
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