綠色化學:倒「洗」相「螢」–螢光棒毒性降低之研究 / 劉獻文、許申霖、王翊誠

星期五 , 6, 3 月 2020 Leave a comment

綠色化學:倒「洗」相「螢」–螢光棒毒性降低之研究

劉獻文*、許申霖、王翊誠

國立臺南一中

教育部高中化學學科中心
*
betterman0925@gmail.com

  • 前言

    Arduino 是常見的電子互動平台,具有使用簡單、功能多樣、價格低廉等優點,廣泛應用於電子系統設計和互動產品開發。筆者於107年指導學生參加綠色化學創意競賽,利用arduino uno板與照度偵測器等,討論如何在維持一定照度下降低螢光棒廢棄物的毒性。以下為作品相關介紹,也鼓勵同學在有限經費下,妥善運用資訊課學習到的程式撰寫,輔以平價的arduino板及相關偵測器,完成科學探究。

  • 綠色發想

    螢光棒中的染料具有毒性,使用過即丟棄容易造成環境汙染,文獻指出添加部分過渡金屬離子或添加含胺、炔官能基之有機物可提升螢光亮度,然而此類添加物皆具一定毒性,我們原本發想以天然色素,如葉綠素、胡蘿蔔素、茄紅素等天然色素取代有毒染料,實驗結果發現不可行,可能是過氧化酯釋出之能量搭配無法與天然色素之能階搭配,因此無法產生化學螢光。而查閱相關科展作品後,我們發現洗衣粉內添加的增白劑(CBS)能使螢光棒的亮度增加,便以此方向進行研究,希望能以洗衣粉這種低毒性較低的物質取代螢光棒內的染料成分。

    另外,Arduino光感測器模組與照度計相較於市面上的螢光光譜儀,價格較低且在一般電子材料行即可取得,加上能夠測得螢光數值的連續變化,便決定採用此方式偵測。

綜合以上幾點,本實驗以洗衣粉取代螢光劑符合低毒與可解原則,利用Arduino光感測器模組來進行連續測量,希望能藉此實踐綠色化學的目標。

  • 研究目的

一、  Arduino研究市售螢光棒發光照度與RGB數值的關係

二、  探討螢光棒中藥品濃度與發光照度及RGB數值的關係

三、  探討洗衣粉對螢光棒發光照度及RGB數值的關係

四、  製作出毒性較低的螢光棒

  • 器材與藥品

一、藥品:

    螢光棒、第三丁醇(tert-Butyl alcohol, C4H10O)、乙醯檸檬酸三丁酯(Acetyl tri-n-butyl citrate, C20H34O8,簡稱ATBC)、4,4′-雙(2-磺酸鈉苯乙烯基)聯苯(Disodium 4,4-Bis(2- Sulfonatostyryl)Biphenyl , C28H20Na2O6S2)、甲苯Toluene , C6H5CH3四氫呋喃C4H8O,簡稱THF)。

二、器材

    平底試管、Arduino開發板、磁石攪拌加熱板、薊頭漏斗、Arduino 光感測器模組、秤量匙、燒杯、Arduino 照度計模組、分度吸量管、量筒、自製暗箱、安全吸球。下圖1,2分別為Arduino 光感測器模組與自製暗箱。clip_image002[6]

1Arduino模組示意圖

clip_image002[4]


2自製暗箱

  • 研究步驟

一、以Arduino研究市售螢光棒發光照度與RGB數值的關係

1.      設計Arduino照度計模組與光感測器模組

2.      分別測量螢光棒的發光照度與RGB數值,相關實驗裝置圖如下所示:

clip_image001


3:實驗裝置與架構示意圖

二、探討稀釋後的螢光棒與發光照度及RGB數值的關係

1.      將螢光棒分成內管與外管,分別以第三丁醇、甲苯、THF以及市售配方作為溶劑稀釋成不同濃度

2.      測量其發光照度與RGB數值

三、探討洗衣粉對螢光棒發光照度及RGB數值的關係

1.      加入不同劑量的洗衣粉

2.      測量其發光照度與RGB數值

四、製作出毒性較低的螢光棒

   1.  降低螢光棒中有毒物質的濃度,並將其替換成洗衣粉。相關研究流程如下圖所示:

 

clip_image008

4:實驗流程

 

  • 實驗結果與討論

 因版面限制,僅就效果最好的洗衣粉,探討加入洗衣粉對螢光棒RGB的影響。

一、探討添加洗衣粉對螢光棒照度的影響

1.      0.8g洗衣粉充分溶於80毫升ATBC後過濾,即得到飽和的洗衣粉-ATBC溶液,再將此溶液分別稀釋為0.8倍、0.64倍,分別以不同濃度溶液稀釋內液為0.8倍,測得結果圖5、圖6所示:

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5:不同濃度的洗衣粉與稀釋內液0.8倍混合的照度比較圖

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6不同濃度的洗衣粉稀釋液與市售直接稀釋的照度比較圖(這和圖五的標題文字基本上是一樣,看不懂差異為何)

 

 

【討論】

由上方圖表可知加入洗衣粉明顯提高照度,雖然發光時間稍微減少,圖形面積卻增加,我們推斷洗衣粉中的螢光增白劑(CBS)也參與螢光反應才會造成這樣的結果。釋後加入洗衣粉照度接近市售螢光棒,是目前降低毒性最具成效的方式。

二、探討加入洗衣粉對螢光棒RGB的影響


  為了確認洗衣粉是否參與螢光反應,我們除了以照度的數據討論,也加入了RGB數值進行推斷若洗衣粉確實參與反應,除了會改變照度外,洗衣粉本身的螢光應該會改變RGB數值間的比例,測量後結果如下:

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7:市售螢光棒RGB數值

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8:將螢光棒內管稀釋0.8倍下量測的RGB數值

 

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9:加入洗衣粉後RGB數值

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10:加入洗衣粉0.8RGB數值比較

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11:加入洗衣粉0.64RGB數值比較

 

【討論】

   已知RGB值與照度大小呈正相關,實驗使用的是紅色螢光棒,因此紅光皆高過其他色光,至於數據產生波動是因為感測器靈敏度不足,尤其在照度低的情況參考價值不高,這部分是今後改進的目標。

  • 延伸實驗

一、以光敏電阻模組取代照度計模組偵測

    因為原本的照度計模組是以光電元件測得的數值經過運算轉換成照度,會產生靈敏度不佳、數據不連續的問題,因此決定採用光敏電阻直接偵測電壓數值。下列圖12, 13, 14, 15, 16 分別為兩種感測方式數據曲線的比較圖。

clip_image023

12Arduino光敏電阻模組示意圖

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13:以照度計模組測得數據

 

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14:以光敏電阻模組測得數據

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15:以照度計模組測得ATBC稀釋0.8倍數據

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16:以光敏電阻模組測得ATBC稀釋0.8倍數據

 

【討論】

比較以照度計模組偵測與以光敏電阻偵測的圖形,可以發現以光敏電阻偵測的圖形較為連續,可以有效解決原先模組靈敏度不足的問題。

 

  • 結論

一、利用Arduino器材可連續偵測得到螢光棒照度與RGB數值,達到監測的效果。

二、探討稀釋螢光棒後對照度的影響,發現以配方溶液稀釋對照度影響較小,效果最佳。

三、發現在螢光棒中加入洗衣粉可以增加照度,因為洗衣粉會參與化學發光。

四、稀釋後雖然降低螢光棒毒性但照度降低,加入洗衣粉可以提升照度,且洗衣粉較螢光棒中的染劑易於分解,可達成低毒可解的目標。

五、改用光敏電阻可解決照度計不靈敏的問題,RGB偵測模組也是以類似原理偵測,希望能用同樣方法解決RGB的問題,進而分析CBS有沒有參與化學發光,並且會將先前實驗以此方法重新偵測。

  • 原理與概念

    演唱會上五光十色的螢光棒,主要包含兩種化學成分及螢光染料。使用時將隔開內外管的玻璃折破進而發光。

 

clip_image032             

17:螢光棒的結構示意圖

   發光原理是基礎化學中能階與躍遷概念的延伸:將草酸酯(內管)與雙氧水(外管)混合產生化學反應:酯類被氧化,產生兩個苯酚分子和一分子的過氧化酯(二氧雜環二丁酮),過氧化酯接著自發分解為二氧化碳,並釋放出能量使染料成為激發態,受激發的染料回到基態的過程會藉由放出光子釋出能量,而光的波長則取決於該染料之結構。本實驗使用發黃光的螢光劑,但廠商製造時添加色粉,外觀看起來是發紅光的螢光棒。下圖為相關反應方程式。

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圖18:螢光棒內的化學反應式

    螢光增白劑(CBS):在某些牌子中的洗衣粉會添加「螢光增白劑(CBS)」,這是一種螢光染料,當照射到紫外線時會激發出藍光,由於藍光跟黃光是成互補色,於是會讓原來偏黃的衣服或紙張纖維呈現潔白及鮮豔的視覺感。螢光增白劑的特徵結構是含有一連串的共軛雙鍵,含有能被340-400nm光波激發的π電子,其中我們選擇的洗衣粉內的螢光增白劑(CBS)的結構如下:

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3:螢光增白劑的化學結構式

 

  • 參加心得

   筆者對於程式設計可說是一竅不通,因緣際會下參加化學學科中心辦理之arduino增能研習,才對此有初步認識,而在與學生討論科展題目時,得知高二的他們已有初步程式語言能力,使用arduino及偵測器也可即時、全程監控反應過程,亦符合綠色化學原則。而其價格便宜、偵測器多樣可供選擇,對於收集數據、定性分析方面,可說友善、方便許多,然而須注意各式偵測器收集訊號之原理,才能對數值做出解讀,可惜偵測器常以模組化包裝,對於訊號如何收集未清楚標示,這方面便需下功夫對電子元件做認識,以免事倍功半。另外在數據的定量測量,建議仍需與研究室之專業儀器分析做比對、校正,以求精準。

   此作品的測量與分析尚有許多待改良之處,但抱著嘗試心態鼓勵學生參加了第四屆綠色化學競賽,得知初選通過時相當振奮,而後北上參加複賽、頒獎典禮,亦深刻感受主辦單位的重視與用心,感謝教育部及評審們辛苦籌辦,讓學化學的孩子們能將所學用於改善環境,也對生態的永續發展更加重視。

  • 安全注意及廢棄物處理

螢光棒不屬於回收物,外殼是聚乙烯塑膠材質,拆解後清洗可丟於一般垃圾,然而管內液體具有毒性,接觸可能引起皮膚炎或過敏反應,操作時應配戴手套、護目鏡,並於抽風櫥進行實驗,廢液須在老師或管理員指引下倒入有機類廢液。

  •  參考文獻:

1.          盧宜佳;周恩如;游凱淩;林新茹(2005)。螢光棒的驚鴻一瞥。中華民國45屆中小學科學展會。

2.          溫立先;賴勁愷;方澄祐(2014)。歡「螢」「光」臨烯、炔化合物對螢光發光效率的影響。中華民國第54屆中小學科學展覽會。

3.          林希珍;郭純萍;林家祺;陳紀樺(2006)。我怕光—螢光棒的照光研究。中華民國第46屆中小學科學展覽會。

4.          朱韋銘; 莊濬鴻;許令煌;黃品翔(2007)。深思熟「綠」才會螢葉綠素螢光的探討。中華民國第47屆中小學科學展覽會。

5.          吳靜惠;林羽珊;康心柔;謝舫柔(2010)。螢光秘辛。中華民國第50屆中小學科學展覽會。

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