“黑面包”實(shí)驗(yàn)固態(tài)產(chǎn)物回收利用的研究

黃正翔 高倩倩

摘要：對(duì)高級(jí)中學(xué)教材中演示實(shí)驗(yàn)“黑面包”實(shí)驗(yàn)所生成的固態(tài)產(chǎn)物的回收及重新利用進(jìn)行了探究。研究發(fā)現(xiàn)，洗滌干燥后的固態(tài)產(chǎn)物比實(shí)驗(yàn)室常用活性炭在重金屬離子、有色離子和色素的吸附方面具有較高的優(yōu)越性。同時(shí)發(fā)現(xiàn)該固態(tài)產(chǎn)物具有較好的除濕效果，因此該物質(zhì)在廢水處理、冰箱和房間除濕等方面具有較高的實(shí)用價(jià)值，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室廢棄物的循環(huán)利用，符合綠色化學(xué)的理念。

關(guān)鍵詞：“黑面包”實(shí)驗(yàn)；固態(tài)產(chǎn)物；回收利用；綠色化學(xué)

文章編號(hào)：1008-0546（2018）11-0082-04 中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2018.11.027

“黑面包”實(shí)驗(yàn)是高中教材中的演示實(shí)驗(yàn) [1]。按照教材中的實(shí)驗(yàn)配比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)象明顯，有較好的演示效果，但是產(chǎn)生較多的生成物，這些物質(zhì)往往作為垃圾直接扔掉 [2]，反應(yīng)中也會(huì)產(chǎn)生少量醚、烯烴等有機(jī)物 [3]及一氧化碳 [4]等氣體 [5]，既造成原料和產(chǎn)物的浪費(fèi)，也會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染。而且目前暫時(shí)沒(méi)有較為有效的回收利用方法。

“黑面包”實(shí)驗(yàn)的生成固態(tài)產(chǎn)物主要成分是炭，密度很小，能漂浮于無(wú)水乙醇中 [6]，該產(chǎn)物松軟多孔，對(duì)于某些金屬離子及有色物質(zhì)可能具有一定的吸附效果，因此本文重點(diǎn)對(duì)于其在離子、有色分子的吸附、除濕及催化能力方面進(jìn)行了研究。

一、“黑面包實(shí)驗(yàn)”最佳配比探究

（1）實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

燒杯，20mL量筒，濃硫酸（分析純AR），蔗糖（分析純AR），電子天平，蒸餾水，藥匙。

（2）實(shí)驗(yàn)步驟

在通風(fēng)櫥中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使用電子天平稱(chēng)量不同質(zhì)量的蔗糖固體，加入一定量的蒸餾水，再加入濃硫酸，攪拌均勻，靜置片刻觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如下所示（見(jiàn)表1、圖1）。

研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)1過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大量刺激性氣體，而實(shí)驗(yàn)4則幾乎沒(méi)有發(fā)生膨脹，實(shí)驗(yàn)2和3也是目前高中教材中推薦的配比，該配比具有比較明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可以起到較好的演示效果，同時(shí)與實(shí)驗(yàn)1相比藥品用量較少。具有實(shí)用性，且用量越多膨脹所需的時(shí)間越久。

在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，也繼續(xù)采用了以上前三次實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的固態(tài)產(chǎn)物作為實(shí)驗(yàn)原料。

二、固態(tài)產(chǎn)物預(yù)處理

為避免固體中殘留的多種磺酸影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，筆者對(duì)實(shí)驗(yàn)固態(tài)產(chǎn)物進(jìn)行洗滌與干燥。

將以上實(shí)驗(yàn)得到的固態(tài)產(chǎn)物用40℃溫水和無(wú)水乙醇交替洗滌，除去可溶性雜質(zhì)及部分有機(jī)物，并過(guò)濾。由于固體顆粒較大，采用將紗布覆蓋在燒杯上的方法進(jìn)行過(guò)濾，取下固體顆粒放入烘箱，在80℃的溫度下烘烤2小時(shí)，在實(shí)際中曬干即可。（見(jiàn)圖2）。再將其倒出置于表面皿上。

三、固態(tài)產(chǎn)物燃燒測(cè)試

用鑷子夾取一塊經(jīng)洗滌、干燥、冷卻處理后的固態(tài)產(chǎn)物，放在酒精燈上進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)。固態(tài)產(chǎn)物炭在接觸到外焰的瞬間開(kāi)始燃燒，由于固態(tài)產(chǎn)物上有酒精的殘余，剛開(kāi)始燃燒時(shí)火焰呈淡藍(lán)色，其后又產(chǎn)生橙色火焰。將產(chǎn)物炭從酒精燈上移開(kāi)，放入燒杯內(nèi)，用小紙條靠近固態(tài)產(chǎn)物，紙條立即燃燒，說(shuō)明固態(tài)產(chǎn)物在離開(kāi)酒精燈后仍在燃燒。

選取未經(jīng)洗滌干燥的固態(tài)產(chǎn)物，進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)步驟，實(shí)驗(yàn)結(jié)果、現(xiàn)象一樣。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)說(shuō)明：“黑面包”實(shí)驗(yàn)中的固態(tài)產(chǎn)物可燃性很強(qiáng)，燃燒效率高，實(shí)驗(yàn)效果明顯。這一現(xiàn)象與其疏松多孔的結(jié)構(gòu)密不可分。較大的比表面積也為其吸附性能提供了可能。

四、固態(tài)產(chǎn)物吸附性能探究

1.對(duì)Fe3+、Cu2+、MnO-4吸附能力

該固體產(chǎn)物硬且疏松多孔的結(jié)構(gòu)可能具有較好的吸附效果，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)室常使用的活性炭（符合HG3-1290-80標(biāo)準(zhǔn)）與固態(tài)產(chǎn)物對(duì)Fe3+的吸附效果，具體內(nèi)容如下表2、圖3所示。

由上述實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，黑面包實(shí)驗(yàn)的固態(tài)產(chǎn)物相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室常用活性炭對(duì)于Fe3+的吸附方面更加優(yōu)越。為進(jìn)一步研究固態(tài)產(chǎn)物對(duì)Fe3+吸附方式是化學(xué)吸附還是物理吸附，因此向?qū)嶒?yàn)吸附后的FeCl3溶液中加入雙氧水，發(fā)現(xiàn)溶液由淺黃綠色（Fe2+）變成紅棕色（鐵的過(guò)氧衍生物 [7]）。靜置片刻，最終液體顏色較吸附后黃色加深（重新變成Fe3+）（如圖4所示）。可推斷固態(tài)產(chǎn)物炭在吸附過(guò)程中將Fe3+還原成了Fe2+。由此可知，固態(tài)產(chǎn)物除了吸附性之外，還具有良好的還原性。溶液中的Fe3+的減少能保護(hù)下水管道不被腐蝕，這對(duì)于回收廢水中含有的Fe3+具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

對(duì)于MnO-4吸附，固態(tài)產(chǎn)物明顯更加高效，具體實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果如下圖5，表3所示。

2.對(duì)有色分子的吸附能力的對(duì)比實(shí)驗(yàn)

化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中有時(shí)會(huì)產(chǎn)生某些有害物質(zhì)，例如，氯氣性質(zhì)演示實(shí)驗(yàn)中剩余的氯氣等（圖6），難以儲(chǔ)存，需要及時(shí)處理。實(shí)驗(yàn)中取1.01g固態(tài)產(chǎn)物放入盛有Cl2的集氣瓶中，塞上塞子，振蕩，氣體略微變淺，但整體顏色變化較不明顯。在對(duì)于相同濃度的亞甲基藍(lán)溶液的吸附中固態(tài)產(chǎn)物吸附效果較好（如下圖7）。

對(duì)有色單質(zhì)碘單質(zhì)的吸附能力的對(duì)比實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)表5）。

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，固態(tài)產(chǎn)物比實(shí)驗(yàn)室常用活性炭更能有效地吸附Fe3+，可用于實(shí)驗(yàn)中廢水處理，以減少重金屬污染并保護(hù)金屬管道。固態(tài)產(chǎn)物炭對(duì)氯氣有一定吸附效果，可通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間放置，以吸收實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的氯氣，凈化環(huán)境。此外，固態(tài)產(chǎn)物具有吸附有機(jī)色質(zhì)的能力，可用于脫色處理一些實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的有色廢液，減少環(huán)境污染。

此外，由其對(duì)氧化劑吸附性較好，也能得出其強(qiáng)還原性的特點(diǎn)。

3.吸水性實(shí)驗(yàn)探究

（1）實(shí)驗(yàn)過(guò)程

取3個(gè)干凈的150mL錐形瓶，向其中分別加入相同質(zhì)量的固態(tài)產(chǎn)物、活性炭顆粒、活性炭顆粒研磨而成的粉末。將錐形瓶塞緊，并插入相對(duì)濕度傳感器，采集數(shù)據(jù)制作前150秒圖像（圖8），記錄310秒時(shí)錐形瓶濕度，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表6、圖9所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出的除濕效率與效果，得到固態(tài)產(chǎn)物的除濕性好壞。實(shí)驗(yàn)中使用的活性炭是一般實(shí)驗(yàn)室常用的。

（2）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

結(jié)合以上圖表可以發(fā)現(xiàn)，三條吸附曲線整體變化趨勢(shì)相同，一開(kāi)始斜率很大，后逐漸趨于平緩，對(duì)比發(fā)現(xiàn)說(shuō)明固態(tài)產(chǎn)物吸附效果十分迅速，大約90s后吸附已接近飽和。活性炭顆粒和活性炭粉末吸附曲線變化始終十分平緩，斜率很小且斜率變化不明顯?；钚蕴款w粒和活性炭粉末吸附曲線在開(kāi)始90s時(shí)間內(nèi)斜率變化明顯小于固態(tài)產(chǎn)物吸附曲線。100s后，三者對(duì)水蒸氣的吸附都接近飽和，故下降趨勢(shì)都變緩慢?；钚蕴糠勰┪叫Ч詢?yōu)于活性炭顆粒，由于研磨之后的活性炭與水蒸氣接觸面積較大，故而吸附效果相對(duì)較好。比較三者濕度初值與終值的差值，我們不難發(fā)現(xiàn)，不論是活性炭顆粒還是活性炭粉末，其對(duì)密閉空間中水蒸氣的吸附效果都比固態(tài)產(chǎn)物差很多。

因此在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)除濕效果：固態(tài)產(chǎn)物炭>活性炭粉末>活性炭顆粒。并且我們可以發(fā)現(xiàn)固態(tài)產(chǎn)物有能力將密閉容器中的相對(duì)濕度降至比外環(huán)境更低的值，如果將其直接露置于與空氣濕度接近的密閉空間中時(shí)，想必效果會(huì)很好。

在較短時(shí)間中三者的除濕效率：固態(tài)產(chǎn)物炭>活性炭（顆粒與粉末差距不大，據(jù)兩者的效果好壞推測(cè)，因?yàn)橄嗤瑫r(shí)間粉末效果好，時(shí)間相同，效率與效果呈正相關(guān)，所以粉末>顆粒）。如此以來(lái)，我們不難發(fā)現(xiàn)，經(jīng)洗滌的大量固態(tài)產(chǎn)物炭是能對(duì)冰箱、櫥柜，甚至對(duì)房間有效除濕，之后還能用于處理廢水。這樣固態(tài)產(chǎn)物炭的利用率有所提高。實(shí)現(xiàn)了量大高效的回收利用。

五、催化效果探究

研究比較固態(tài)產(chǎn)物，活性炭與MnO2對(duì)雙氧水分解的催化效果，具體內(nèi)容如下表7，圖10所示。

以上實(shí)驗(yàn)說(shuō)明固態(tài)產(chǎn)物并不能對(duì)雙氧水分解進(jìn)行良好的催化，但是對(duì)于某些有機(jī)反應(yīng)具有較好的催化效果 [8]。另一方面，一般的活性炭卻可以進(jìn)行催化，且具有較好的催化效果?；钚蕴坑辛己玫奈叫允且?yàn)楸缺砻娣e較大，而固態(tài)產(chǎn)物炭的形成如同玄武巖的形成過(guò)程——結(jié)晶過(guò)程短，結(jié)晶顆粒大。然而這兩者結(jié)構(gòu)完全不同，才導(dǎo)致了性質(zhì)上完全的不同。

從結(jié)果來(lái)看，固態(tài)產(chǎn)物完全有能力處理含有某些特定離子的廢水、廢氣，并能有效除濕。

六、研究結(jié)論

通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)探究了固態(tài)產(chǎn)物的吸附性、除濕、催化作用。發(fā)現(xiàn)其在廢水處理、吸附色素，去除濕氣方面的良好效果，當(dāng)然其吸附具有一定的選擇性。可以運(yùn)用在實(shí)驗(yàn)室廢水處理，冰箱、櫥柜除濕等方面。雖然其在催化過(guò)氧化氫分解方面效果不理想，但是擁有良好的還原性，在吸附過(guò)程中能將Fe3+還原成Fe2+，還可將其應(yīng)用在一些金屬氧化物的還原等方面。

研究對(duì)近年倡導(dǎo)的“綠色化學(xué)”理念進(jìn)行了較好的詮釋?zhuān)_(dá)到了對(duì)“黑面包”實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物有效、充分利用的研究目標(biāo)。同時(shí)，這一實(shí)驗(yàn)也給予其它廢棄物的回收利用，提供很好的借鑒作用，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室廢棄物的綜合利用，達(dá)到藥品利用效率的最大化。當(dāng)然由于條件限制，本實(shí)驗(yàn)未對(duì)產(chǎn)物的化學(xué)本質(zhì)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，將在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步探索。

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