韩金根¹，冯月茹²

(1.华东师范大学上海200062；2.朱泾中学上海201500)

1　引言

　　研究性学习是以问题为中心的专题式学习活动，强调学生的主体地位和自主探究过程。而“问题”是研究性学习中教与学的载体，选择一个好的课题无疑是研究性学习中至关重要的环节。选题有多种形式：学生自己提出研究的课题；师生共同选择课题；由教师选择课题学生去做。学生由于受学科知识的限制，考虑兴趣比较多，随着课题研究的深入，一旦碰到困难往往难以坚持下去。教师在研究性学习中应在选题上充分发挥指导作用，从学生的兴趣出发，选择的课题应具有一定的社会价值，在化学学科知识上稍微高于高中学生的认知水平，研究内容较为丰富，可供学生根据自己的兴趣和条件选择其中的一至二项研究内容展开研究。本文就一个案例：半导体光催化降解印染染料工业废水，谈谈化学研究性学习的课题选择。

2 案例《半导体光催化降解印染染料工业废水》

2.1　研究目的和意义

　　当今世界上有80多个国家的20亿人口正面临淡水资源危机，其中包括我国。我国淡水资源仅占全球8%，人均水量为2670m³，远低于美国的人均13500m³和日本的4716m³。其原因之一是水资源时空分布不均匀性，另一个原因就是水体污染。目前我国每年排放的污水总量达300亿吨，其中80%以上未经任何处理，直接排入水域，严重污染水体。黄浦江上游某些工厂的印染染料工业废水的排放已影响到黄浦江的水质。通过本课题的研究，唤起学生环保意识和“可持续发展”理念，培养学生创造性思考问题，解决实际问题能力及团队协作精神。该课题以化学学科为主，涉及数学、物理、生物及计算机科学等自然学科，系多学科综合性实验课题。有利培养学生的多学科综合应用能力，学会自主学习。

2.2　课题简介

2.2.1　背景

　　光催化氧化在八十年代后期开始应用于环境污染控制领域。由于该技术能有效地破坏许多生物难降解污染物，与传统水处理技术中，以污染物的分离、浓缩以及相转移等为主的物化方法相比较，具有明显的高效，不引入化学试剂，污染物降解彻底等优点，已受到世界各国的普遍重视。目前用于光催化的半导体粉末已达10余种(例TiO₂、Fe₂O₃、WO₃等)，降解对象涉及染料、杀虫剂、除草剂、表面活性剂、烃类和多环芳烃、卤代芳香化合物、羧酸、酚等多种重要有机化合物和部分无机化合物。所用光源有日光及多种人工光源(可见光、紫外光及激光等)。再加上其他技术联用(如通过O₃、O₂，加入H₂O₂等光氧化剂或光敏化剂等)，使有机污染物的脱色率、降解率和COD去除率均能达到90%以上，效果十分显著。

2.2.2　原理

　　当用能量大于禁带宽度的光照射半导体光催剂时，其满带上电子被激发，越过禁带进入导带，同时在满带上产生相应的空穴。若半导体此时处于溶液中，则在电场的作用下，电子与空穴分离，并迁移到粒子表面的不同位置。光产生的空穴有很强的获得电子的能力，可夺取半导体颗粒表面的有机物或溶剂中的电子，使原本不吸收入射光的物质被活化氧化，而电子接受体则可以通过接受表面上的电子而被还原。水溶液中的光催化氧化还原反应，在半导体表面上失去电子的主要是水分子，水分子经变化后生成氧化能力极强的羟基自由基·OH。·OH是水中存在的氧化剂中反应活性最强的，对作用物几乎无选择性，可以氧化各种有机物，并使之矿化。经测定被降解的有机物主要形成CO₂和N₂，不会造成二次污染。

2.2.3　实验装置示意图

2.2.4　可供选择的药品与仪器

　　(1)药品：印染、染料工厂原废水(主要成分：偶氮化合物)；酸性品红、酸性糊兰、直接黄棕(配制模拟染料废水)；H₂O₂、空气(氧化剂)；WO₃、TiO₂、Fe₂O₃(催化剂)；

　　(2)仪器：2L高型烧杯；TI-92图形计算器；CBL系统 ；pH传感器；721分光光度计；300W直型紫外灯；石英玻璃套管；微型气泵；试管、烧杯、量筒等玻璃仪器。

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