研究性開放實驗設計-金屬無機框架Fe-MCM吸附水中抗生素研究

巢艷紅　朱文帥　吳昊峰　劉梅

【摘 要】為提高本科生綜合運用所學知識能力和培養科研創新意識，以金屬無機分子篩Fe-MCM吸附抗生素為例，設計一個兼具研究性和開放式的綜合實驗。運用無機化學和有機化學的理論知識理解金屬負載三維有序介孔材料Fe-MCM的理化性質;利用儀器分析和分析化學所學知識，測定吸附前后水中抗生素左氧氟沙星的含量;運用物理化學表面吸附原理結合origin數據處理軟件考察和分析吸附時間、溫度、pH環境和溶液離子強度等對Fe-MCM吸附左氧氟沙星的影響，探討最佳吸附條件和吸附機制。該研究將理論知識與實驗技能緊密結合，綜合鍛煉了學生實驗操作能力，有效激發了學生的研究興趣。

【關鍵詞】金屬無機分子篩;開放實驗;吸附;污染物

中圖分類號： O643.36文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）33-0076-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.33.036

研究性開放實驗作為新工科理念下實驗教學改革的有益嘗試和突破，近年來引起越來越多高校教育工作者的廣泛關注[1]。研究性開放實驗的開設，可充分利用實驗室資源，讓學生自主查閱文獻，結合所學知識和導師指導設計課題并解決問題，在完整的實驗研究過程中培養學生自主探索能力，提升學生創新意識和實踐能力。

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點，被廣泛用于人類醫療、動物養殖及生物增長劑等。但由于環境對抗生素的降解能力有限，致使越來越多的抗生素蓄積在土壤、地表水、地下水甚至飲用水中。抗生素已被視為一種新興的全球污染物。吸附法，由于其簡便、快捷且經濟有效，被認為是最具前景的污染物處理技術之一。Fe-MCM是一種金屬Fe負載的三維有序介孔材料，比表面積大，孔道有序且可調，被認為是一種極具前景的優良吸附劑，在吸附分離領域得到廣泛研究和關注。

2 實驗目的

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

（2）掌握吸附實驗的操作步驟，熟悉實驗所涉及儀器的操作原理和方法。

（3）熟悉origin數據處理軟件，掌握常用數據圖的制作方法。

（4）了解課題背景，熟悉吸附法去除水環境污染物的研究思路和方法。

3 材料和儀器

3.1 實驗材料

Fe-MCM（實驗室自制），左氧氟沙星（levofloxacin，LOF），氫氧化鈉，鹽酸，蒸餾水。

3.2 實驗儀器

水浴恒溫振蕩器，紫外可見分光光度計，電子分析天平，pH計，離心沉淀器。

4 實驗內容和步驟

4.1 左氧氟沙星標準曲線的制備

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儲備液（100mg/L）。精密移取適量LOF儲備液于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下327nm測定吸光度A。

4.2 吸附實驗

4.2.1 時間對吸附量的影響和吸附平衡時間的確定

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，溫度預先設為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轉速離心10min，然后立即用紫外分光光度計在327nm處測量吸光度At。

4.2.2 溶液不同pH環境對LOF在介孔材料Fe-MCM上吸附量的影響

用0.1mol/L HCL或NaOH調節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項下步驟待吸附達到平衡后取樣測定吸光度Ae。

4.2.3 反應溫度和初始藥物濃度對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），調節其pH值為7.0。 準確量取系列LOF溶液10mL倒入數個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為15、25、35和45℃，按2.2.1項下步驟待吸附達到平衡后取樣測定吸光度Ae。

4.3 數據處理和吸附量的計算

將上述實驗測定的吸光度At和Ae，利用LOF標準曲線，分別求得樣品濃度Ct和Ce，根據下列公式（1）分別計算吸附時間為t和吸附達到平衡時的吸附量qt 和qe（mg/g）：

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

5 結果與討論

5.1 標準曲線

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

5.2 介孔材料Fe-MCM對LOF的吸附性能

本實驗首先考察了接觸時間對LOF在Fe-MCM上吸附量的影響。以時間t為橫坐標，吸附量qt為縱坐標，繪制吸附平衡時間圖，結果見圖5.1（a）。在吸附初始階段，隨著時間的延長，LOF在Fe-MCM上的吸附量迅速增加;隨后，進一步延長吸附時間，吸附速率緩慢下降，并最終逐漸趨于平衡;當吸附時間大于16h后，吸附量幾乎不在增加。LOF在Fe-MCM上的吸附平衡時間約為16h。

進一步考察了在不同pH環境下介孔材料Fe-MCM對LOF的吸附行為，以pH值為橫坐標，吸附量qe為縱坐標，繪制pH-qe圖，結果見圖5.1（b）。pH值對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pH值大于9時，隨著pH值增大，吸附量有降低的趨勢。Fe-MCM在酸性條件下對LOF的吸附量明顯低于堿性時的吸附量。Fe-MCM吸附LOF的最佳pH環境為pH6～10;在pH=9時，Fe-MCM對LOF的吸附量達到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、分散狀態和孔道結構有關，而且與不同 pH 條件下水中LOF的解離程度和荷電狀態有關。

最后，為研究Fe-MCM吸附LOF的等溫線性質，考察了不同溫度條件下初始藥物濃度對LOF在介孔材料Fe-MCM上吸附量的影響，以吸附平衡時藥物在溶液中的殘留濃度Ce為橫坐標，平衡吸附量qe為縱坐標，繪制Ce-qe等溫線圖，結果見圖5.1（c）。在各溫度條件下，隨著藥物溶液初始濃度的增加，Fe-MCM對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，說明吸附過程是一個放熱過程，高溫不利于吸附的進行。

6 結論

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

該研究性開放實驗的設計是實驗教學改革的一種有益嘗試，兼具研究性和開放式特點，通過學生的系統學習和參與，可有效提升高校學生參與科學研究的興趣，對提高實驗教學質量，全面鍛煉學生的實驗技能，培養學生的創新意識和綜合能力具有非常重要的意義。

【參考文獻】

[1]王連會.開放性綜合實驗教學的實踐與探索[J].廣東化工，2018，45（11）：257-259.