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)

1、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(guò)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

2、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 + A In-= HIn b HIn + In- b In-(3)將(1)(2)帶入可得 (4)其中b為光程，HIn為酸式摩爾吸光系數(shù)，In-為堿式摩爾吸光系數(shù)，A為甲基橙溶液的吸

3、光值。當(dāng)b為1cm 時(shí)，上式簡(jiǎn)化為 A = HIn HIn + In- In- 當(dāng)溶液為強(qiáng)酸性條件(pH較低)時(shí)，甲基橙幾乎全部以酸型HIn存在，存在酸式最大吸收波長(zhǎng)(a)。此時(shí)cHIn，則 AHIn = HInHIn HIn c (5)其中，AHIn為強(qiáng)酸性條件下甲基橙溶液的吸光值。因此，測(cè)定強(qiáng)酸性條件下，一定已知濃度甲基橙溶液的吸光度，可得出酸式摩爾吸光系數(shù)HIn (HIn = AHIn/c) 當(dāng)溶液為強(qiáng)酸性條件(pH較高)時(shí)，甲基橙幾乎全部以堿型In-存在，存在堿式最大吸收波長(zhǎng)(b)。此時(shí)c In-，則 AIn-=In-In- In-cAIn-為強(qiáng)堿性條件下甲基橙溶液的吸光值。因此，測(cè)定

4、強(qiáng)堿性條件下，一定已知濃度甲基橙溶液的吸光度，可得出堿式摩爾吸光系數(shù)In- (In- = AIn-/c)。 將HIn、In-代入(4)可得出任一pH條件下，甲基橙溶液的吸光度為 A = AHIn/c + AIn-/c 整理得： (6) 當(dāng)時(shí)，即 ()時(shí)pKa = pH。利用(6)式可以利用單線作圖法或雙線作圖法進(jìn)行pKa的測(cè)定，從而得出甲基橙解離常數(shù)Ka。單線作圖法具體為：選擇酸式最大吸收波長(zhǎng)(a)或堿式最大吸收波長(zhǎng)(b)，固定甲基橙濃度，改變pH，進(jìn)行吸收值的測(cè)量，作A-pH曲線。處，pH = pKa。雙線作圖法為：分別選擇酸性和堿性吸收波長(zhǎng)，固定甲基橙溶液濃度而改變pH，進(jìn)行吸收值的測(cè)量，

5、作A-pH曲線，兩條A-pH曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)pH即為pKa。2 、甲基橙含量測(cè)定及方法評(píng)價(jià)當(dāng)溶液pH較低時(shí)，甲基橙幾乎全部以酸型HIn存在，存在酸式最大吸收波長(zhǎng)(a)。在此吸收波長(zhǎng)下，一定濃度范圍內(nèi)的甲基橙溶液，吸光度與濃度服從郎伯-比爾定律，可以進(jìn)行定量分析。當(dāng)溶液pH較高時(shí)，甲基橙幾乎全部以堿型In-存在，存在堿式最大吸收波長(zhǎng)(b)，在此吸收波長(zhǎng)下，一定濃度范圍內(nèi)的甲基橙溶液，吸光度與濃度服從郎伯-比爾定律服從郎伯-比爾定律，可以進(jìn)行定量分析。酸性吸收曲線和堿性吸收曲線之間存在一個(gè)交叉點(diǎn)，即等吸收點(diǎn)波長(zhǎng)(e)，在這個(gè)波長(zhǎng)下一定濃度范圍內(nèi)的甲基橙溶液，在任何酸堿性條件下，吸光度與濃度均服從郎

6、伯-比爾定律，可以進(jìn)行定量分析。利用逐級(jí)稀釋法配置一系列不同濃度的酸性或堿性甲基橙標(biāo)準(zhǔn)溶液，在a、b、e下，建立三條甲基橙濃度-吸光度工作曲線，可分別進(jìn)行甲基橙含量分析。當(dāng)置信度為95%時(shí)，采用F檢驗(yàn)判斷是否存在精密度的顯著性差異，再利用T檢驗(yàn)法判斷三個(gè)波長(zhǎng)下計(jì)算出的甲基橙含量是否存在系統(tǒng)誤差。3 、廢水中甲基橙的脫色研究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。染料廢水的處理方法很多，主要有氧化、吸附、膜分離、絮凝、生物降解等。其中，物理吸附法是利用吸附劑對(duì)廢水中染料的吸附作用去除污染物。吸附劑是多孔性物質(zhì)，具有很大的比表面積. 活性炭是目前最有效的吸附劑之一，

7、能有效去除廢水中的染料。以過(guò)渡金屬為催化劑、以過(guò)氧化氫為氧化劑的催化氧化體系是目前廣泛應(yīng)用的染料脫色體系。該體系對(duì)染料氧化徹底，不會(huì)帶來(lái)二次污染。過(guò)氧化氫與催化劑Fe2+構(gòu)成的氧化體系是常用的廢水脫色體系，通常稱為Fenton試劑。脫色過(guò)程中，甲基橙被催化劑激發(fā)氧化劑產(chǎn)生的強(qiáng)氧化性自由基所氧化降解。四、實(shí)驗(yàn)儀器與試劑 儀器：分光光度計(jì)(UNICOM 2000)，酸度計(jì)，分析天平，磁力攪拌器，吸量管(1mL、5mL，10mL，25mL)，容量瓶 (50mL，100mL，250mL)。 試劑：未知濃度甲基橙廢水，鹽酸 (6mol/L)，標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液(pH = 4.02、9.18），氫氧化鈉，醋酸（

8、36%），醋酸鈉。五、實(shí)驗(yàn)步驟1、PKa的測(cè)定 （1）用電子天平準(zhǔn)確稱取0.0885g甲基橙固體于燒杯中，充分溶解后轉(zhuǎn)移到250mL的容量瓶中，用蒸餾水洗滌燒杯兩次，定容，搖勻，作為母液。 （2）用移液管準(zhǔn)確移取25.00mL母液于另一個(gè)干凈的250mL的容量瓶中，用蒸餾水定容作為標(biāo)準(zhǔn)液。 （3）分別用吸量管管各移取5.00mL標(biāo)準(zhǔn)液于兩個(gè)50mL容量瓶中，分別用0.1mol/L的鹽酸和0.1mol/L的氫氧化鈉進(jìn)行定容，并編號(hào)A，B。 （4）用分光光度計(jì)測(cè)量溶液A，B在400600nm下的吸光度，每隔10nm測(cè)一次做成A曲線得到在酸性條件下的最大吸收波長(zhǎng)a=510nm，堿性條件下的最大吸收波

9、長(zhǎng)b=460nm，等吸點(diǎn)的波長(zhǎng)e=468nm。 （5）向9個(gè)做好標(biāo)記的50mL容量瓶中分別移取5.00mL標(biāo)準(zhǔn)液，分別用0.1mol/L鹽酸，0.05mol/L鹽酸，0.1mol/L的醋酸，PH=3.8的緩沖液，PH=4.6的緩沖液，PH=5.6的緩沖液，蒸餾水，0.2mol/L的醋酸鈉，0.01mol/L氫氧化鈉溶液定容至50mL，編號(hào)為19。 （6）用標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液校準(zhǔn)酸度計(jì)后，分別測(cè)這9個(gè)樣品的PH值并作記錄，然后分別在波長(zhǎng)為a和b下測(cè)定9種樣品吸光度值并進(jìn)行記錄。 （7）繪制APH曲線，并找出pKa。2、甲基橙含量測(cè)定及方法評(píng)價(jià) （1）取A液用0.1mol/L鹽酸稀釋50倍后測(cè)得吸光度A

10、=0.006后以此為定量檢測(cè)限，分別取適量母液稀釋5000，2000，1250，500，200，125，100，20，12.5倍，編號(hào)19。 （2）在波長(zhǎng)a=510nm下測(cè)定上述九個(gè)樣品的吸光度值并記錄。 （3）取B液用0.1mol/L氫氧化鈉溶液稀釋20倍后測(cè)得吸光度A=0.006后以此為定量檢測(cè)限，分別取適量標(biāo)準(zhǔn)液分別稀釋1000，333，200，125，100，33，20，12.5，10倍，編號(hào)19。 （4）分別在波長(zhǎng)b=460nm,e=468nm下測(cè)定上述九個(gè)樣品的吸光度值并記錄。 （5）選取甲基橙樣品，用移液管準(zhǔn)確移取10.00mL樣品6次于6個(gè)50mL容量瓶中，用0.1mol/L鹽

11、酸和0.1mol/L氫氧化鈉溶液分別標(biāo)定三瓶配成酸式和堿式樣品各三份，酸式在波長(zhǎng)a=510nm下平行測(cè)定三次吸光度值，堿式分別在b=460nm,e=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)e=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(guò)濾后測(cè)量吸光度值并記錄。（2）取一個(gè)堿性廢液測(cè)得PH=12.71，加入母液及0.1mo

12、l/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)。 （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

13、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-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4000.0310.2405100.7130.2034100.0430.2755200.6840.1414200.0660.3105300.6460.0894300.1000.3395400.567

14、0.0544400.1520.3675500.3980.0314500.2220.3885600.2190.0204600.3120.4045700.0950.0144700.4150.4015800.0440.0134800.5140.3785900.0260.0124900.6130.3316000.0190.0125000.6910.272 結(jié)論：由圖可得酸式最大吸收波長(zhǎng)為a=510nm，堿式最大吸收波長(zhǎng)為b=460nm，等吸收點(diǎn)的波長(zhǎng)為e=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（a=510nm）堿式（b=460nm）PH吸光度吸光度1.380.713 0.

15、312 1.500.6780.301 2.760.670 0.329 3.850.289 0.358 4.42 0.196 0.389 5.580.197 0.403 5.980.200 0.407 6.790.190 0.412 12.10 0.187 0.414 （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）a=510nmb=460nme=468nm32.850.043 0.033 0.026 65.700.080 0.061 0.050 131.400.145 0

16、.108 0.088 262.800.299 0.215 0.173 394.200.459 0.309 0.263 657.000.711 0.526 0.430 1642.501.809 1.283 1.086 （3條曲線由上而下分別對(duì)應(yīng)a，b，e） a條件123 吸光度A1.378 1.372 1.379 濃度C 1.24546E-51.23927E-51.24636E-5平均濃度C1.24369E-5 b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-5 e條件123 吸光度A0.8740.8

17、690.877 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a=510nm與堿式b=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。由表與表中的濃度對(duì)應(yīng)相減得C：編號(hào)123濃度差Ci3.346E-072.102E-072.061E-07平均濃度C02.50767E-07Ci-C08.3833E-08-4.0567E-08-4.4667E-08S=7.303E-8 。真值=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b=460nm與

18、堿性溶液e=468n條件下，測(cè)定樣品甲基橙含量是否存在顯著性差異。由表與表中的濃度對(duì)應(yīng)相減得C：編號(hào)123濃度差Ci-3.285E-07-1.946E-07-2.339E-07平均濃度C0-2.52333E-07Ci-C0-7.6167E-085.7733E-081.8433E-8S=6.672E-08真值=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00.723 0.679 0.891 20.054 0.032 0.059 50

19、.021 0.020 0.023 70.016 0.015 0.019 100.014 0.013 0.014 200.013 0.0130.013 300.0120.0110.013400.0110.0090.012脫色率=（AoA)/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

20、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Fe01.127 1.172 1.136 1.145 1.120 1.094 51.1251.165 1.134 1.139 1.117 1.084 101.124 1.152 1.134 1.132 1.114 1.072 151.123 1.139 1.132 1.124 1.112 1.047 201.122 1.124 1.132 1.117 1.112 1.015 251.122 1.112 1.132 1.104 1.112 0.918 301.122 1.088 1.131 1

21、.089 1.112 0.834 351.122 1.064 1.1311.083 1.112 0.788 451.122 1.050 1.131 1.077 1.112 0.724 601.1221.047 1.131 1.071 1.112 0.667 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

22、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(guò)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