基于生物质资源化理念以及环境工程专业人才培养需求，设计了“三维生物质水凝胶吸附剂制备及性能测定”实验。以秸秆为原料优化制备了生物质水凝胶吸附剂，通过扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）、X射线衍射仪（XRD）表征了其理化性质，并初步考察了其对水中重金属离子Cr(Ⅵ)的吸附性能及动力学模型，最后设置了涉及相关影响因素考察和机理探讨的开放性拓展实验。该实验将专业理论知识、实验操作技能及前沿科技成果相结合，能够为学生后续进行研究性、创新性实验以及进一步深造打下坚实基础，也有利于强化他们的环保意识。

【目的】制备一种兼温度响应与高选择识别性能于一体的分子印迹水凝胶(T-MIHs)。【方法】以磷酸三(2-氯丙基)酯[Tris (2-chloropropyl) phosphate, TCPP]为模板分子，丙烯酸为功能单体，N-异丙基丙烯酰胺为温敏单体，N,N′-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，过硫酸铵为引发剂，采用自由基聚合法制备了温度敏感的T-MIHs。利用红外光谱、核磁共振波谱、扫描电镜、差示扫描量热表征原料的结构，考察水凝胶对模板分子的特异识别性能。【结果】成功制备T-MIHs，其最低临界溶解温度为39℃；等温吸附符合Langmuir吸附理论模型，吸附动力学符合准一级吸附动力学模型。该分子印迹水凝胶对TCPP显示了良好的选择识别性，对模板分子的吸附容量为119.32 mg·g~(-1)，印迹因子α=3.75，选择因子β=2.75，对TCPP的识别具有温度响应性。【结论】T-MIHs对水溶液中TCPP具有优异的吸附效果，同时对构筑有机磷阻燃剂高选择识别性的温敏印迹水凝胶具有重要参考。图9表4参30

废水中有机染料和重金属离子由于会对生态环境和人类健康造成重大威胁而受到广泛关注。通过β-环糊精（β-CD）和4-氨基-2,3,5,6-四氟吡啶（ATFP）之间简单的亲核取代反应制备了一种聚合物吸附剂PCD-ATFP，可同时用于染料和重金属的吸附。利用红外、扫描电子显微镜、CO_2吸附-解吸和ζ-电位测试等手段表征了PCD-ATFP的结构特点。PCD-ATFP对染料罗丹明B(RB)和重金属镉（Cd(Ⅱ)）的吸附分别只需45 min和60 min就能达到吸附平衡，最大吸附量分别为173.2mg·g~(-1)和64.2mg·g~(-1)，吸附过程符合Langmuir等温吸附模型。在RB-Cd(Ⅱ)混合溶液中，PCD-ATFP表现出理想的同时吸附效果，未出现染料和重金属相互抑制吸附情况。实验还通过X射线光电子能谱证实了吸附机理。

为了提高学生对所学知识的综合运用能力,培养科研创新能力,设计了研究二肽衍生物水凝胶的染料吸附性能的综合化学实验。考察了染料种类、吸附时间、染料浓度等条件对吸附效果的影响。实验结果表明,水凝胶对亚甲基蓝染料的吸附效果比甲基橙好,并对二者的混合染料溶液表现出良好的吸附选择性。水凝胶对亚甲基蓝的吸附行为符合准二级动力学方程,且同时符合Langmuir和Freundlich吸附等温线。该实验涉及的知识点多、可操作性强,十分适合面向高年级本科生开设。

为了有效吸附水体中重金属,使用离子交联法合成制备了一种低成本、低毒性的磁性壳聚糖纳米重金属吸附材料。调节多聚磷酸钠与壳聚糖溶液的比例,制备得到一系列不同粒径大小的重金属吸附材料并比较其吸附性能的差异。通过电子透射显微镜、傅里叶红外光谱仪、粉末X射线衍射仪等一系列表征,确定壳聚糖纳米微粒成功包裹磁性Fe_3O_4纳米粒子,并得到粒径范围介于164.05~768.69 nm尺寸颗粒。重金属吸附铜、镉、锌实验结果表明,小粒径重金属材料的吸附效果优于大粒径吸附材料,其最大吸附效率分别为51.66%,97.86%及82.24%。此外,该材料吸附原理符合准二级动力学模型(R~2=0.998-0.999),属化学吸附类型。通过与人乳腺癌细胞MCF-7细胞共培养验证其生物相容性及毒性,细胞活性达到100%。该研究阐明小尺寸壳聚糖磁性纳米颗粒可作为一种低成本、低毒性且吸附率高的重金属吸附材料,基于该优势其在污水处理及农业环境治理具有潜在价值。

设计了一种新型的荧光Eu(Ⅲ)干凝胶的制备、表征及其传感性能研究的科学研究型综合实验。通过溶胶-凝胶法合成荧光Eu(Ⅲ)干凝胶;采用红外光谱、荧光光谱、热失重分析等对其结构、发光性质和热稳定性进行测试和表征;通过对不同有机溶剂和阴离子进行筛选,所合成的荧光Eu (Ⅲ)干凝胶对有机溶剂小分子N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和氟离子具有可视化选择性识别。整个实验合成包含了涉及材料的制备、测试及传感性能评价等多个知识点,可以培养学生了解荧光功能材料的发光性能和其在传感领域的应用等科研情况,掌握稀土发光干凝胶材料的合成方法,熟悉荧光光谱仪、扫描电镜、红外光谱仪等大型仪器的操作步骤,同时可培养学生的安全意识、科学探究精神,提高学生的操作能力、创新能力、分析和解决问题的能力。

【目的】以废报纸为原料,通过氮气(N2)保护在不同热解温度下制备生物质炭,并探讨废报纸基生物质炭对铜离子(Cu~(2+))的吸附性能和吸附机制。【方法】采用元素分析、比表面积分析仪(BET)、傅里叶红外光谱(FTIR)、 X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)、 X射线衍射仪(XRD)和原子吸收光谱仪(AAS)等对生物质炭进行表征。【结果】所制备的生物质炭具有多孔结构,比表面积高(211 m~2·g~(-1)),有利于从水中去除Cu~(2+)。生物质炭的物理和化学性质随着热解温度的变化而变化。随着热解温度的升高,生物质炭的芳香性、比表面积、 pH和灰分含量逐渐增加,而氢、氮和氧含量下降。同时进行批量吸附试验,分析溶液初始pH、吸附时间、初始浓度、不同吸附温度对生物质炭吸附容量的影响。热解温度为400、 500、 600℃的生物质炭在30℃、 pH为5.0的条件下最大吸附容量分别为107、 115和138 mg·g~(-1)。伪二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型能很好地模拟吸附过程,表明在此吸附过程中,化学吸附是限速步骤,吸附发生在吸附剂内特定的均相位点(单层吸附)。通过热力学模型计算所得ΔH~o为正值,表明吸附过程是吸热反应。此外,生物质炭的吸附机制包括沉淀作用、离子交换、π—π作用和络合反应。【结论】本研究以废报纸为原料,所制备的生物质炭是具有一定应用前景的、环境友好的、高效的Cu~(2+)吸附材料。图6表1参34

【目的】探究马尾松树皮纳米木质纤维素气凝胶吸附剂对Cr~(3+)、Cu~(2+)、Pb~(2+)、Ni~(2+)的吸附性能,阐明马尾松树皮和纳米木质纤维素气凝胶吸附重金属离子的相关机理,以更好地利用农林废弃物马尾松树皮制备出成本低廉、便于产业化的生物质吸附材料,为其大规模应用奠定理论基础。【方法】将抽提后的马尾松树皮绝干样品在80℃水浴加热搅拌条件下使用对甲苯磺酸溶液处理1 h,反应结束后趁热过滤并透析滤渣。滤渣样品通过微射流均质机20次,得到马尾松树皮纳米木质纤维素。固含量2%的马尾松树皮纳米木质纤维素样品-20℃冷冻120 min后进行冷冻干燥,得到马尾松树皮纳米木质纤维素气凝胶。研究马尾松树皮纳米木质纤维素气凝胶吸附剂对Cr~(3+)、Cu~(2+)、Pb~(2+)、Ni~(2+)的最大吸附容量(q_e)以及其等温吸附特性、吸附热力学特性和吸附动力学特性。【结果】马尾松树皮纳米木质纤维素气凝胶吸附剂对Cr~(3+)、Cu~(2+)、Pb~(2+)和Ni~(2+)的最大吸附容量(q_e)分别为132.7、130.4、186.7和123.4 mg·g~(-1)。马尾松树皮纳米木质纤维素气凝胶吸附Cr~(3+)符合Temkin等温吸附(R~2=0.990 1),且为不均匀的单层吸附。吸附热力学特性研究表明,马尾松树皮纳米木质纤维素气凝胶吸附Cr~(3+)的过程符合热力学规律,R~2=0.992 9,且为非自发复合吸附过程,升高温度对吸附过程的促进作用与放热反应对吸附过程的抑制作用甚至会出现相互抵消的情况。马尾松树皮纳米木质纤维素气凝胶吸附Cr~(3+)符合准二级动力学模型(R~2=0.991 0),其吸附Cr~(3+)的速率主要受化学作用而非物质传输步骤影响,特别是二者之间电子的化学分享或共价键交换等过程。【结论】基于廉价的生物质———马尾松树皮制备的马尾松树皮纳米木质纤维素气凝胶可作为重金属离子的有效吸附剂,表现出较为理想的吸附容量,静态吸附涉及的条件较为简单,具有一定的可试验推广性,马尾松树皮基吸附剂的开发也可推动廉价生物质的资源化利用。马尾松树皮和纳米木质纤维素气凝胶2种吸附剂的吸附性能稳定可靠,有望通过优化工艺提升性能;但是需要基于大规模甚至中试规模试验才能检验其有效性,进而指导工艺优化,得到性能更加出色的马尾松树皮纳米木质纤维素气凝胶作为重金属离子吸附剂。

介绍离子液体键合硅胶的制备与表征,以及在吸附重金属中的应用的综合实验教学设计。以硅胶为原料,利用氯丙基硅烷将1-甲基咪唑和1-乙基咪唑分别键合在硅胶上,制备两种离子液体键合硅胶,并将这两种硅胶用于吸附重铬酸根离子,并对吸附行为进行理论分析。该实验条件简单,实验试剂易得,涉及高分子材料的制备、结构表征、静态吸附、量子化学计算等多方面内容,有利于提高学生的综合运用知识和理论与实践相结合的研究能力。

以天然产物壳聚糖为原料,经过交联聚合、接枝改性、模板离子处理制备改性壳聚糖小球。对其结构进行了红外表征,并用于从水溶液中吸附去除Cr(Ⅵ)。分别探讨了吸附时间、pH值、初始物浓度对吸附容量的影响,使用改性壳聚糖小球重复做了8次吸附、脱附实验。实验结果表明,改性壳聚糖小球具有较高的吸附容量和良好的重复使用性,适合作为一种Cr(Ⅵ)的吸附剂。该实验条件简单、结果可靠,涉及多学科知识,有利于提高学生的动手能力和综合思考能力。

该文针对当前含油污泥热解处理后残渣的资源化利用问题,进行了含油污泥热解残渣的制备及吸附亚甲基蓝的综合性教学实验设计。该实验采用热解法制备了含油污泥热解残渣,对其进行了FT-IR、XRD、SEM结构表征,利用紫外-可见分光光度计分析了残渣对亚甲基蓝的吸附效果。该实验可操作性强,涵盖了含油污泥资源化处理、材料表征和吸附性能测试等多方面知识,可激发学生的学习兴趣,提高学生的综合实验能力。

文章设计了纳米复合光响应性抗菌水凝胶的制备与性能研究的创新性综合化学实验。通过将MXene纳米结构和卟啉分子引入海藻酸钠水凝胶,赋予其优良的抗菌性能,并对其抗菌能力和抗菌机制进行了研究。实验结果表明,MXene和卟啉分子的复合结构可以在光照条件下大幅度提高单线态氧的产生速率,使所制备的复合海藻酸钠水凝胶具有高效的抗菌能力。通过该实验可以大大激发学生的科研兴趣,培养学生的科研能力,提高学生的创新思维和综合素质。

以竹纤维为主要原料制备得到一种新型竹纤维生物膜载体。载体比表面积达5393m2·m-3,亲水性能良好,30min后基本浸湿完全。研究了竹纤维生物膜载体在低浓度生活污水处理中的挂膜性能,结果表明:载体挂膜速率快,7天后载体表面即出现大量黏性黄褐色生物膜,第12天基本完成挂膜,膜厚达3～5mm。生物相观察表明:以固着型纤毛虫为主的后生动物数量较稳定,生物膜趋于成熟。载体生物膜耐水力剪切冲击能力和恢复能力强,对CODCr和NH+4-N的去除率在80%以上。

该文以生物质材料作为原料制备了单组分膨胀型阻燃剂，并将其加入聚乳酸中制备了复合材料。实验结果表明，该阻燃剂能够显著提高聚乳酸的阻燃性能和抗熔滴性能，且热稳定性良好。该实验涉及高分子材料配方设计、成型加工、性能测试、结构表征等专业知识，可使学生掌握高分子材料阻燃机理，熟练使用相关仪器设备进行测试与分析，有利于他们提高综合运用知识的能力，并针对高分子材料与工程领域的复杂工程问题设计解决方案。

该文设计了[Emim]NTF₂/MIL-53（Al）复合材料制备及其硫酸羟基氯喹（HCQ）吸附性能探索型实验。采用溶剂热法和浸渍法制备了[Emim]NTF₂/MIL-53（Al）复合材料，通过静态吸附法考察了p H值、离子浓度、吸附时间和温度等因素对复合材料HCQ吸附性能的影响，并探讨了吸附机理。实验结果表明，[Emim]NTF₂的负载量为20%时，复合材料在20min的吸附容量可达230.95mg/g。高吸附容量可归因于材料骨架原子和离子液体与HCQ分子之间的氢键和π-π堆积相互作用。该探索型实验涉及配位化学、物理化学和仪器分析等专业知识，有助于引导学生将专业理论知识与科研前沿相链接，有利于激发学生科研兴趣，扩展学生视野。