1、概述

2018年，教育部在全国高等学校本科教育工作会议上强调了以本为本，推进四个回归(回归常识、回归本分、回归初心、回归梦想)的教育理念[1]。2019年，教育部发布了《教育部关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》,其中明确提出要“推动科研反哺教学”。因此，设计专业性研究型教学实验，旨在让学生更好地掌握理论知识、培养基本的科研思维和创新能力，从而解决实际问题。

随着铬盐、印染、电镀等行业的发展，重金属铬污染问题日益严重，对农产品安全和人体健康构成威胁[2-3]。稻壳作为农业废弃物，常被燃烧处理，但这种做法不仅产生大量稻壳灰造成二次污染，还浪费了潜在的资源价值[4]。因此，有效处理稻壳灰堆积与重金属铬污染问题备受关注。

沸石，作为一种具有独特晶体结构的铝硅酸盐，由硅氧(SiO4)四面体和铝氧(AlO4)四面体构成，这些四面体组合成环状结构，进而形成多样的三维多面体，并通过排列形成不同的立方晶体结构[5-6]。由于其优异的热稳定性、丰富的微孔结构和高比表面积，沸石作为吸附剂、离子交换剂和催化载体等，广泛应用于工农业生产、环境治理等领域[7-8]。稻壳灰因含有高达90%的无定形SiO2,为沸石的制备提供了充足的硅源，具有环境友好的特点，利用稻壳灰制备沸石不仅能高效利用这一农业废弃物，降低生产成本，还能有效减少金属铬污染，具有良好的前景和应用价值。

《矿物学》作为矿物加工工程专业的一门基础课程，其传统教学模式往往侧重于理论知识的传授，对学生实践能力和创新思维的培养关注不足。为此，本文结合科研课题设计了基于稻壳灰基沸石的矿物制备与表征研究型实验教学项目。该实验项目合成条件简单，便于学生操作，有助于学生直观了解矿物的合成以及X射线衍射、扫描电镜、比表面积分析、紫外-可见分光光度计等测试分析技术。此外，该实验涉及矿物学、化学、环境科学、材料科学、仪器分析等多个学科领域，有利于增强学生的交叉学科认知，提升实验操作能力、数据分析能力及知识综合应用能力，进而培养学生的实践、创新和独立思考能力。

2、实验目的

1)掌握沸石的结构和性质，了解沸石作为吸附材料的应用现状。2)了解稻壳灰制备沸石的常用方法。理解沸石等矿物的表征方法。3)利用紫外-可见分光光度法测定稻壳灰基沸石对Cr(Ⅵ)的吸附效果，直观理解其在去除水溶液中重金属离子的应用，拓展知识领域，并强化环保意识和可持续发展的观念，体现科学研究在环境治理中的实际应用。

3、实验原理

Cr(Ⅵ)是一种高度毒性的重金属离子，通过工业过程如电镀、皮革制造、染料生产等被排放到环境中，不仅对水体造成严重污染，还会对人体健康构成重大威胁。因此，从废水中有效去除Cr(Ⅵ)对于保护环境和公共健康具有重要意义。吸附法由于其操作简便性、低设备投资和运行成本、高去除效率，以及适用于处理多种类型的废水等优势，被广泛应用于废水处理。稻壳灰基沸石以其独特的结构和官能团对Cr(Ⅵ)展现出较强吸附能力，成为有效的废水处理材料。这种材料不仅来源广泛、成本低廉，而且其应用有利于环境保护，实现了废物资源的有效利用。

4、实验部分

4.1 主要原料、试剂和仪器

主要原料与试剂：稻壳灰是稻壳经盐酸浸出-煅烧后的剩余残渣，主要由SiO2组成，其含量(质量分数)可达98.15%,其他成分含量较少；氢氧化钠、铝酸钠、重铬酸钾、二苯碳酰二肼、硫酸、磷酸、丙酮均为分析纯。实验过程中的用水均为蒸馏水。

主要仪器：电子天平、集热式磁力搅拌器、超纯水机、反应釜、电热恒温鼓风干燥箱、水浴恒温振荡器。

4.2 稻壳灰基沸石的制备

取一定量稻壳灰与2.5 mol/L氢氧化钠溶液以1 g∶6 mL的比例混合，随后在80 ℃下持续搅拌1.5 h; 然后，按照二氧化硅与氧化铝的摩尔比为1.4∶1缓慢添加铝酸钠溶液，凝胶后在室温下继续搅拌2 h; 之后，将该反应液移入反应釜，置于烘箱中，在100 ℃下晶化6 h; 待反应釜自然冷却至室温后，对所得混合物进行抽滤、洗涤和干燥处理，最终制得稻壳灰基沸石。

4.3 稻壳灰基沸石的表征

扫描电子显微镜(SEM,JSM-67005型)被用于观察稻壳灰基沸石的表面形貌；X射线衍射仪(XRD,DX-2700型)则用于揭示稻壳灰基沸石的晶体结构；全自动比表面积及孔隙率分析仪(ASAP2020型)负责测定稻壳灰基沸石的比表面积和孔径大小；紫外可见分光光度仪(T6型)可用来测定稻壳灰基沸石吸附的Cr(Ⅵ)溶液在540 nm波长处的紫外可见吸收光谱。通过这些分析，学生能够学习如何综合运用不同的分析方法来解决实际问题，从而提升学生的科研思维和学科素养。

4.4 稻壳灰基沸石的吸附实验

在反应温度为(25±2) ℃的条件下，首先准确量取50 mL的一定初始浓度的Cr(Ⅵ)溶液倒入锥形瓶中，其次称取一定质量的稻壳灰基沸石加入到锥形瓶中，然后将锥形瓶放置在振荡器上振荡，直至吸附达到平衡状态，完成振荡后，对混合物进行离心处理，并利用二苯碳酰二肼分光光度法测定滤液中剩余Cr(Ⅵ)的浓度。

稻壳灰基沸石的平衡吸附量qe(mg/g)计算公式见式(1):

其中，C0,Ce分别为Cr(Ⅵ)溶液的初始和平衡后的浓度，mg/L;V为溶液的体积，L;m为吸附剂的质量，g。

5、实验结果与分析

5.1 稻壳灰基沸石的表征

5.1.1 SEM分析

水热反应后得到的稻壳灰基沸石的形貌特征，采用SEM对其形貌进行表征，结果如图1所示。由图1可知，稻壳灰基沸石呈现立方体结构且晶体完整，表面光滑，表明利用稻壳灰经过水热反应可合成出A型沸石。

图1 稻壳灰基沸石的SEM图

通过对稻壳灰基沸石的SEM分析，不仅能够进一步加深学生对沸石矿物微观形貌的直观了解，还能够提升学生将理论知识应用于实际问题解决的能力，有助于学生更好地掌握和运用矿物学知识，探索材料的科学特性。

5.1.2 XRD分析

为了进一步验证稻壳灰基沸石的晶型结构，采用XRD对其进行表征，结果见图2。由图2可以看出，稻壳灰基沸石在2θ=7.18°,10.16°,12.46°,16.11°,21.66°,23.98°,26.09°,27.14°,29.95°,34.38°处出现了较大的衍射峰，与A型沸石XRD谱图完全一致[9-10],且晶相单一，表明利用此实验方法可将稻壳灰转化为纯度较高的A型沸石。

图2 稻壳灰基沸石的XRD谱图

通过分析稻壳灰基沸石的XRD图谱，既能让学生了解X射线衍射分析法对于确定矿物晶相结构的作用，还能提升学生对X射线衍射分析法的熟悉度，从而在今后学习和工作中更有效地运用。

5.1.3 比表面积及孔径分析

为了研究稻壳灰基沸石的比表面积与孔径分布，利用N2吸附-脱附对其进行测试，结果如图3所示。由图3可知，稻壳灰基沸石的等温线属于Ⅰ型等温线，主要由孔径分布均匀的微孔组成，其比表面积为44.468 m2/g, 孔容为0.065 cm3/g, 表明利用稻壳灰合成的A型沸石具有一定的吸附能力。

通过测量比表面积和孔径分布，不仅能够让学生从微观角度了解沸石的吸附性能，还能培养学生对实验现象的敏锐观察力和解决问题的耐心与意志。

图3 稻壳灰基沸石的N2吸附-脱附测试结果

5.2 稻壳灰基沸石的吸附性能测试

吸附性能研究主要是利用静态批式实验法考察不同环境条件对稻壳灰基沸石吸附Cr(Ⅵ)的影响，将“吸附”“吸附剂”“动力学”等有关理论知识应用于实验过程，可以让学生切身体会到沸石吸附Cr(Ⅵ)的作用，拓展知识领域并激发学生的好奇心，让学生思考实验现象背后的科学原理，培养学生独立自主的科研素养。

5.2.1 Cr(Ⅵ)初始浓度的影响

在稻壳灰基沸石用量为0.1 g、吸附时间为240 min的条件下，考察了Cr(Ⅵ)初始浓度对吸附效果的影响，结果如图4所示。从图4中可以看出，当Cr(Ⅵ)溶液初始浓度比较低时，去除率较高，吸附量较低，此时吸附并未达到饱和状态；随着Cr(Ⅵ)溶液初始浓度的增加，沸石的活性位点能接触到更多的Cr(Ⅵ),使得吸附量逐渐增加，当Cr(Ⅵ)溶液初始浓度(质量浓度)为50 mg/L时，吸附量的增加趋势开始放缓，而去除率随着初始浓度的增加有所减少，说明沸石表面的吸附位点全部被占用，吸附达到饱和状态。因此，为了使得稻壳灰基沸石具有高吸附量的同时，也能确保其对Cr(Ⅵ)的去除率保持在较高水平，后续实验将选用30 mg/L作为溶液的初始浓度(质量浓度)。

图4 Cr（Ⅵ）初始浓度对稻壳灰基沸石吸附Cr（Ⅵ）的影响

5.2.2 稻壳灰基沸石用量的影响

在Cr(Ⅵ)溶液初始浓度(质量浓度)为30 mg/L、吸附时间为240 min的条件下，考察了稻壳灰基沸石用量对吸附效果的影响，结果如图5所示。由图5可知，随着沸石用量的增加，去除率逐渐上升，当沸石用量为5.0 g/L时达到峰值，去除率为93.91%,随后继续增加沸石用量，Cr(Ⅵ)去除率变化不大，但沸石对Cr(Ⅵ)的吸附量在这一过程中是不断减少的。出现这种情况的原因主要是由于沸石用量不断增加，吸附位点也随之增加，当Cr(Ⅵ)溶液浓度一定时，Cr(Ⅵ)无法全部占满所有的吸附位点，致使沸石的吸附量下降，去除率基本不再上升。因此，在沸石的最大利用率的前提下，使得去除Cr(Ⅵ)尽可能增多，沸石用量在后续实验中选取为2.5 g/L。

图5 稻壳灰基沸石用量对稻壳灰基沸石吸附Cr（Ⅵ）的影响

5.2.3 吸附时间的影响

在稻壳灰基沸石用量为0.1 g, Cr(Ⅵ)溶液初始浓度为30 mg/L的条件下，考察了吸附时间对吸附效果的影响，结果如图6所示。从图6中可以看出，随着吸附时间的增加，沸石对Cr(Ⅵ)的吸附量增加，180 min后吸附量基本保持不变，达到吸附平衡。吸附前期阶段，吸附量迅速增加的原因是此时沸石上的活性位点比较多，随着吸附时间的推移，吸附剂上的活性位点多数已饱和，导致吸附量不再增加，溶液体系之间的静电引力减弱，反应速率也不再增加。

图6 吸附时间对稻壳灰基沸石吸附Cr（Ⅵ）的影响

5.2.4 吸附动力学研究

吸附实验经常用动力学来确定吸附过程中涉及的反应类型，揭示出稻壳灰基沸石吸附Cr(Ⅵ)的吸附机理。其中，常用的拟一级动力学模型和拟二级动力学模型的线性方程分别如式(2),式(3)所示：

其中，qt为t时刻对Cr(Ⅵ)的吸附量，mg/g;qe为平衡时对Cr(Ⅵ)的吸附量，mg/g;K1(min-1),K2分别为拟一级动力学和拟二级动力学的速率常数，g·mg-1·min-1。

拟合后结果如图7所示。稻壳灰基沸石吸附Cr(Ⅵ)的拟一级动力学和拟二级动力学模型的相关性系数R2分别为0.979和0.993(见图7),说明沸石吸附Cr(Ⅵ)更接近拟二级动力学模型，吸附过程主要以化学吸附为主。

图7 Cr（Ⅵ）吸附到稻壳灰基沸石的动力学拟合曲线

6、撰写实验报告，回答思考题

在完成实验后，学生需要根据科研标准编写实验报告。报告应当遵循规范的撰写格式，确保叙述明晰、数据可靠以及结论准确无误。此外，报告中还需包含对以下思考题的解答：

1)沸石的哪些结构特征使其适合用于物质的吸附和离子交换。2)为什么稻壳灰会被视为制备沸石的有潜力原料。3)除了吸附方法，矿物学领域还有哪些其他技术或材料可以用于处理或减轻重金属污染。这些方法的特点是什么。

7、教学效果及反思

在传统实验教学模式的基础上，引入了以学生为中心的教育理念，并结合科研实践活动来设计实验项目，激发了学生参与实验的积极性与主动性，使学生在进行实验操作、数据分析、参与结果讨论以及撰写实验报告的过程中的综合素养明显提高。

1)在《矿物学》课程中，将稻壳灰基沸石吸附Cr(Ⅵ)的实验纳入教学，有助于将抽象的理论知识具象化。学生通过观察沸石的合成与吸附过程，能够直观地理解沸石的微观结构和作用机理。这种实践操作不仅加深了学生对沸石特性的认识，还更好地把握吸附技术在处理重金属废水中的应用，从而有效地将课堂理论与现实问题相结合，提升学习效率和兴趣。

2)实验过程中，学生将学习如何运用数据分析方法来解读实验结果，提高科研分析能力。此外，教师可以引导学生查阅相关领域的科研文献，了解最新的研究进展和学术动态，这有助于学生形成自主学习和持续探究的习惯，从而逐步提升其科研素养。

3)通过该实验的开展，学生能够在实践中学习到如何操作实验设备以及处理和分析实验数据等技能。同时，面对实验中出现的各种问题，学生需要动用所学的《矿物学》知识进行判断和解决，这不仅锻炼了解决问题能力，也激发了创新思维，为未来从事科学研究或相关行业的工作打下坚实的基础。

4)稻壳灰基沸石吸附Cr(Ⅵ)的实验，涉及矿物学、化学、环境科学、材料科学、仪器分析等多个学科领域。通过该实验，学生能够认识到矿物学与其他学科之间的联系，理解到跨学科合作在解决复杂环境问题中的重要性。同时，该实验也向学生展示了如何将废弃物资源化利用的实际案例，引导学生思考可持续发展的重要性，培养环境保护的意识。

8、结论

以科研课题为基础，在解决实际工程中重金属废水污染问题的背景下，引导学生利用稻壳灰作为原料，成功合成了沸石，并对其化学结构、物相以及吸附性能进行了测试与表征。通过参与稻壳灰基沸石吸附废水中Cr(Ⅵ)的实验，学生能够将所学的专业理论知识与环境保护的实践需求紧密结合起来。实验过程涵盖了材料合成、表征分析以及吸附性能测试等多个环节，不仅加深了学生对矿物学理论知识的理解，还使学生对科研过程中“合成-表征-分析”的整体流程有了更清晰的认识。此外，实验还强化了学生对现代测试方法的应用能力，从而提升了学生的创新精神和多维度问题解决技能。

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基金资助:黑龙江省高等教育教学改革研究项目(SJGY20210777);

文章来源:程妍,康华,丁淑芳,等.稻壳灰基沸石吸附废水中Cr(Ⅵ)的教学实验探究[J].山西建筑,2024,50(20):106-109+152.