浙理綜合實(shí)驗(yàn)甲基橙解離常數(shù)測(cè)定印染廢水中甲基橙含量測(cè)定及脫色實(shí)驗(yàn)

浙理綜合實(shí)驗(yàn)甲基橙解離常數(shù)測(cè)定印染廢水中甲基橙含量測(cè)定及脫色實(shí)驗(yàn)綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告甲基橙解離常數(shù)測(cè)定、印染廢水中甲基橙含量測(cè)定及脫色實(shí)驗(yàn)應(yīng)用化學(xué)（1）班I09140108王倩云2012年5月11日一、實(shí)驗(yàn)背景印染染料廢水排放量大、有機(jī)物濃度高、難于生化降解，是備受關(guān)注的工業(yè)廢水。甲基橙是常見的印染染料之一，具有較高毒性、難以生物降解。測(cè)定甲基橙的解離常數(shù)、建立廢水中甲基橙含量測(cè)定及脫色去除方法具有重要意義。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)掌握分光光度法測(cè)定解離常數(shù)的原理及方法；(2)掌握甲基橙含量測(cè)定方法及方法評(píng)價(jià)；(3)掌握廢水中甲基橙物理脫色及催化氧化脫色的原理和過程；(4)學(xué)會(huì)單因素法確定最佳實(shí)驗(yàn)條件的方法。三、實(shí)驗(yàn)原理1、甲基橙pKa的測(cè)定甲基橙是一種典型的偶氮染料，存在下列解離平衡:(堿型，偶氮式)黃色(酸型，錕式）紅色以HIn代表甲基橙的酸式結(jié)構(gòu)，In-代表甲基橙的堿式結(jié)構(gòu)，則解離平衡簡(jiǎn)式為：則Ka=[H+][In-]/[HIn]若甲基橙總濃度為c，則c=[HIn]+[In-]，所以就有：………(1)……(2)甲基橙的酸式和堿式具有不同顏色即具有不同的吸收光譜。利用分光光度法，將酸式、堿式甲基橙的吸光度疊加，得出不同pH下甲基橙溶液吸收值為：A=AHIn+AIn-=εHInb[HIn]+εIn-b[In-]……………(3)將(1)(2)帶入可得……(4)在λb=460nm,λe=468nm下平行測(cè)定三次吸光度值，記錄數(shù)據(jù)。3、活性炭脫色（1）取一個(gè)酸性廢液測(cè)得PH=1.42，加0.1mol/L鹽酸調(diào)節(jié)吸光度值為0.993后，取200mL此溶液到燒杯中，加入攪拌子，根據(jù)λe=468nm下的工作曲線算得加入0.5816g的活性炭為宜，稱取0.59g活性炭加入燒杯中開始攪拌并計(jì)時(shí)，前15分鐘每隔兩分鐘，15至30分鐘每隔5分鐘取出約10mL，過濾后測(cè)量吸光度（2）取一個(gè)堿性廢液測(cè)得PH=12.71，加入母液及0.1mol/L氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)吸光度值為0.998后，取200mL此溶液到燒杯中，加入攪拌子，并加入0.60g活性炭，按上述步驟操作并記錄不同時(shí)間的吸光度值共九個(gè)。（3）取一個(gè)中性廢液測(cè)得PH=3.70，加入0.1mol/L醋酸鈉調(diào)節(jié)吸光度值為1.000后，取200mL此溶液到燒杯中，加入攪拌子，并加入0.61g（4）繪制脫色動(dòng)力學(xué)曲線。4、催化氧化脫色。（1）分別取上述酸性廢液200mL于兩個(gè)燒杯中，同時(shí)加入0.2mL3%的雙氧水溶液后開始攪拌，其中一杯作為空白組，向另一杯溶液中每隔一分鐘加入1至2滴事先配置的10%Fe2+溶液共2mL，三十分鐘后不再滴加，分別每隔五分鐘測(cè)一次兩杯溶液的吸光度，脫色一個(gè)小時(shí)，記錄不同時(shí)間兩杯溶液的吸光度值。（2）按照上述方法分別測(cè)定中性和堿性廢液并記錄數(shù)據(jù)。（3）繪制脫色動(dòng)力學(xué)曲線。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄及數(shù)據(jù)分析1、PKa的測(cè)定（1）吸收曲線（A-λ曲線）確定酸式堿式最大吸收波長(zhǎng)和等吸收點(diǎn)波長(zhǎng)酸式堿式最佳吸收波長(zhǎng)的確定A（酸式）B（堿式）A（酸式）B（堿式）波長(zhǎng)/nm吸光度吸光度波長(zhǎng)/nm吸光度吸光度4000.0310.2405100.7130.2034100.0430.2755200.6840.1414200.0660.3105300.6460.0894300.1000.3395400.5670.0544400.1520.3675500.3980.0314500.2220.3885600.2190.0204600.3120.4045700.0950.0144700.4150.4015800.0440.0134800.5140.3785900.0260.0124900.6130.3316000.0190.0125000.6910.272結(jié)論：由圖可得酸式最大吸收波長(zhǎng)為λa=510nm，堿式最大吸收波長(zhǎng)為λb=460nm，等吸收點(diǎn)的波長(zhǎng)為λe=468nm不同PH的酸式堿式甲基橙溶液在各自最大吸收波長(zhǎng)下的波長(zhǎng)酸式（λa=510nm）堿式（λb=460nm）PH吸光度吸光度1.380.7130.3121.500.6780.3012.760.6700.3293.850.2890.3584.420.1960.3895.580.1970.4035.980.2000.4076.790.1900.41212.100.1870.414（2）不同酸度甲基橙溶液的PH與吸光度曲線結(jié)論：由圖可得兩線焦點(diǎn)的PH為3.74。即PKa值為3.742.甲基橙含量測(cè)定工作曲線的繪制及樣品含量測(cè)定濃度（*0.00001）λa=510nmλb=460nmλe=468nm32.850.0430.0330.02665.700.0800.0610.050131.400.1450.1080.088262.800.2990.2150.173394.200.4590.3090.263657.000.7110.5260.4301642.501.8091.2831.086（3條曲線由上而下分別對(duì)應(yīng)λa，λb，λe）①λa條件123吸光度A1.3781.3721.379濃度C1.24546E-51.23927E-51.24636E-5平均濃度C1.24369E-5②λb條件123吸光度A0.9780.9830.989濃度C1.212E-51.21825E-51.22575E-5平均濃度C1.21867E-5③λe條件123吸光度A0.8740.8690.877濃度C1.24485E-51.23771E-51.24914E-5平均濃度C1.2439E-5方法評(píng)價(jià)分析在酸性溶液λa=510nm與堿式λb=460nm條件下，測(cè)定樣品甲基橙含量時(shí)是否存在顯著性差異。由表①與表②中的濃度對(duì)應(yīng)相減得ΔC：編號(hào)123濃度差ΔCi3.346E-072.102E-072.061E-07平均濃度ΔC02.50767E-07ΔCi-ΔC08.3833E-08-4.0567E-08-4.4667E-08S=7.303E-8。真值μ=0所以得t=4.856查資料知P=0.95，f=2時(shí)，t1=4.3，t>t1,故兩種方法之間存在顯著性的差異。在堿性溶液λb=460nm與堿性溶液λe=468n條件下，測(cè)定樣品甲基橙含量是否存在顯著性差異。由表②與表③中的濃度對(duì)應(yīng)相減得ΔC：編號(hào)123濃度差ΔCi-3.285E-07-1.946E-07-2.339E-07平均濃度ΔC0-2.52333E-07ΔCi-ΔC0-7.6167E-085.7733E-081.8433E-8S=6.672E-08真值μ=0所以得t=5.349查資料知P=0.95，f=2時(shí)，t1=4.3，t>t1,故兩種方法之間存在顯著性的差異。3.廢水中甲基橙的脫色研究1、活性炭對(duì)甲基橙脫色效果的影響C吸附時(shí)間/min吸光度酸性堿性中性00.7230.6790.89120.0540.0320.05950.0210.0200.02370.0160.0150.019100.0140.0130.014200.0130.0130.013300.0120.0110.013400.0110.0090.012脫色率=（Ao－A)/Ao×100%，所以經(jīng)計(jì)算得：酸性條件下脫色率為98.3%，中性為98.2%，堿性為98.7%從脫色動(dòng)力學(xué)曲線可以看出，整體趨勢(shì)且時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)堿性條件下活性炭的吸附能力更強(qiáng)，中性和酸性次之，但基本在10min左右吸附達(dá)到平衡。不同pH值條件下，甲基橙的電離程度不同，活性炭進(jìn)行吸附脫色時(shí)，屬于物理吸附，特點(diǎn)是沒有選擇性，且迅速達(dá)到吸附平衡。2、催化氧化脫色及脫色動(dòng)力學(xué)曲線的繪制催化吸附時(shí)間/min吸光度酸性堿性中性不加Fe加Fe不加Fe加Fe不加Fe加Fe01.1271.1721.1361.1451.1201.09451.1251.1651.1341.1391.1171.084101.1241.1521.1341.1321.1141.072151.1231.1391.1321.1241.1121.047201.1221.1241.1321.1171.1121.015251.1221.1121.1321.1041.1120.918301.1221.0881.1311.0891.1120.834351.1221.0641.1311.0831.1120.788451.1221.0501.1311.0771.1120.724601.1221.0471.1311.0711.1120.667酸性堿性中性經(jīng)計(jì)算得：酸性條件下脫色率為54.5%,堿性為29.3%，中性為82.1%從脫色動(dòng)力學(xué)曲線中可以看出Fe2+催化氧化在中性條件下最有利于脫色，在酸性條件下次之，堿性條件下最差，可能在堿性條件Fe2+與之發(fā)生反應(yīng)生成干擾物質(zhì)而影響催化效果。進(jìn)行催化氧化脫色時(shí)，F(xiàn)e2+的加入大大的提高了吸附率，在不同pH條件下，H2O2的電離程度不同，與Fe2+反應(yīng)生成強(qiáng)氧化性自由基的數(shù)目不同，脫色效率就不同，其過程為化學(xué)吸附，其特點(diǎn)為選擇性強(qiáng)，不易達(dá)到吸附平衡。物理脫色和催化氧化脫色相比，從圖表數(shù)據(jù)中可以明顯的看出，物理脫色的脫色率均在95%以上，而催化氧化脫色的脫色率最高也在85%以下，所以物理脫色，即活性炭脫色效果更好。從速率上看，物理脫色在10min左右就達(dá)到吸附平衡，而氧化脫色則在30min左右達(dá)到吸附平衡，綜合判斷可以明顯得出物理脫色方法效率更高，效果更好。七、實(shí)驗(yàn)結(jié)論（1）實(shí)驗(yàn)測(cè)得的甲基橙pKa值為3.74（2）用分光光度計(jì)，分別在甲基橙酸式和堿式最大吸收波長(zhǎng)及等吸點(diǎn)的吸收波長(zhǎng)下，測(cè)定甲基橙的含量的方法之間，存在顯著性差異。酸性分別與堿性及中性都存在顯著性差異，但中性和堿性之間不存在顯著性差異，即系統(tǒng)誤差。（3）活性炭在堿性條件下脫色效果最好。（4）雙氧水與Fe2+催化氧化脫色在中性條件下效果最好。（5）物理脫色比催化氧化脫色效率更高，效果更好。八、問題討論1、實(shí)驗(yàn)測(cè)得的甲基橙的pKa值為3.74，而理論上甲基橙的pKa值為3.4.實(shí)驗(yàn)值與理論值存在差異是由于，實(shí)驗(yàn)中甲基橙的pKa值是通過雙線做圖法讀出的，根據(jù)，該公式進(jìn)行了近似處理，即，強(qiáng)酸性條件時(shí)，甲基橙幾乎全部以酸型HIn存在，而在強(qiáng)堿性條件下，甲基橙幾乎全部以In-存在，所以，使得實(shí)驗(yàn)值與理論值存在誤差。2、廢水中可能存在少量懸浮雜質(zhì)，首先給定量移取帶來干擾，其次是影響吸光度的測(cè)量，因此可在測(cè)定之前先對(duì)廢液進(jìn)行過濾，濾去不溶性的雜質(zhì)。但是此時(shí)溶液的吸光度，也并非完全是由甲基橙的吸收所引起的，因此應(yīng)選擇合適的參比液。3、Fe2+催化氧化甲基橙的效率，可能與以下幾個(gè)因素有關(guān)：溶液的PH值、過氧化氫濃度、亞鐵離子濃度、體系溫度、反應(yīng)時(shí)間、攪拌速率等（在該次試驗(yàn)中不做詳細(xì)探討）。4、分析化學(xué)中用于控制溶液酸度的緩沖溶液的種類非常多，通常根據(jù)實(shí)際情況，選不同的緩沖溶液。選擇緩沖溶液的原則是