綠色化學創意競賽:花蓮高工學生研究二氧化錳的回收再利用 / 陳弘欽、詹秉澄、陳昭華、黃玄智

星期日 , 5, 七月 2015 Leave a comment

綠色化學創意競賽:
花蓮高工學生研究二氧化錳的回收再利用

陳弘欽、詹秉澄、陳昭華、黃玄智*

國立花蓮高級工業職業學校化工科
*hale@msg.hlis.hlc.edu.tw

n  教師指導心得

學生在11月底興奮地傳了簡訊告訴我(通訊作者):「老師,我們綠色化學(減毒減量)專題製作獲獎了,謝謝老師!」,雖然僅是短短的得一句話,卻難以掩蓋學生獲獎的喜悅,以及被肯定的鼓勵,相信這對這群參與製作的學生絕對是正向的加分。擔任化學化工科的教師以來,一直以將學生所學的專業知識能應用在實驗上,並培養學生發現問題和解決問題的科學能力,作為教學最重要的理念,只要學生願意,一定盡全力協助到底。

花蓮高工化工科的學生是一群學業知識刺激較少、但非常純樸的孩子,除了入學的PR值明顯不如西部的學生之外,接受外來資訊的刺激亦是不夠,導致研究的主動性及積極度低落,需要老師更多的關注和協助。這一次有機會參加第一屆綠色化學(減毒減量)的專題競賽就是一種肯定,能獲獎更是加倍的鼓勵。但一路走來:搜尋資料、實驗研究、數據整理、結果呈現、與全國好手同台切磋,最後上台一起領獎,整個過程清楚地看見學生快速的成長與進步,積極參與實驗及研究(見圖一),這對學生來說絕對是一次成功的經驗,對指導老師而言亦是一次難得進化成長的機會。

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圖一:參與學生認真研究討論實驗情況(相片人物:陳弘欽、詹秉澄)

n  設計理念與研究

一、  得獎作品

l   作品名稱:真的不要把我丟掉!雙氧水分解實驗中催化劑二氧化錳的回收再處理。

l   參賽學生:陳弘欽、詹秉澄、陳昭華;指導教師:黃玄智

l   得獎名次:高工組綠色化學(減毒減量)創意競賽銅牌獎。

二、  設計理念

利用二氧化錳催化雙氧水產生氧氣的實驗,是在學習化學知識中第一個接觸催化反應,利用二氧化錳在反應中擔任催化劑加速雙氧水分解為氧氣和水,但經實驗的結果及其他的參考文獻資料顯示,使用過的二氧化錳再次催化雙氧水產生氧氣的效能會變得非常差,因此使用過的二氧化錳往往不被再次使用,而直接依實驗室廢棄物管理規則以重金屬丟棄規定棄置。

而二氧化錳被歸類為「催化劑」,催化劑定義為在某反應步驟中參與反應,形成中間產物後,在接下來的步驟中又變回原物質。所以完成催化反應後催化劑的質量及組成理論上是不會改變的。就是這點讓我們感到好奇,既然它是催化劑那為什麼重複使用後催化效果會差距那麼大?所以我們對此來設計此次的實驗。

三、  實驗原理

過氧化氫可自發地分解而生成氧氣,反應式如式[1]所示。

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雖然二氧化錳可以當此反應的催化劑,加快生成氧氣的速率,但是經過我們實驗後發現二氧化錳在催化過後再次進行催化的反應效能就會大幅下降,所以我們針對要如何回覆二氧化錳催化雙氧水效能這一點來設計實驗。其中有加入酸、鹼、還原劑、氧化劑到反應裡,有在二氧化錳催化雙氧水完後,用各種不同藥品清洗二氧化錳等。最後發現酸會抑制反應、鹼可以增快反應,而用酸來洗過二氧化錳後也可以有效的使二氧化錳回覆效能。

四、  研究過程

實驗一:探討二氧化錳未處理就回收使用的次數與雙氧水生成氧氣速率的關係

1.        實驗器材:錐形瓶(100 mL)、量筒(2000 mL)、攪拌器、磁石、鐵架、固定夾、塑膠管、塑膠盤,

2.        架設實驗裝置如圖二所示。

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圖二:二氧化錳催化雙氧水實驗裝置

3.        秤取0.3克的二氧化錳和3克的雙氧水(35%)。

4.        置入二氧化錳到有側管錐形瓶中,放入磁石,加入10 mL的去離子水,開啟攪拌機,加入3克的雙氧水後迅速蓋上橡皮塞。

5.        計錄時間和氧氣生成的體積。

6.        待反應完成後,把瓶內的液體倒入蒸發皿內,潤洗乾淨。

7.        加熱蒸發皿內液體,剩少許後放入105℃的烘箱內,烘半小時,回收二氧化錳。

8.        重複實驗4次,取4次實驗的平均值。

9.        取第一次實驗回收的二氧化錳,重複4次步驟3.~7.

10.    取第二次實驗回收的二氧化錳,重複4次步驟3.~7.

11.    取第三次實驗回收的二氧化錳,重複4次步驟3.~7.

12.    取第四次實驗回收的二氧化錳,重複4次步驟3.~7.

實驗二:探討二氧化錳回收後加酸處理的次數與雙氧水生成氧氣速率的關係

1.        實驗步驟的前半段與實驗一的步驟1.~6.相同。

2.        回收二氧化錳秤重後,以1克的二氧化錳比1 mL1 M硫酸的比例,加入硫酸到二氧化錳中,攪拌均勻後,靜置5分鐘,然後烘乾。

3.        取第一次回收的二氧化錳、秤取並加酸處理,重複4次實驗一的步驟3.~7.

4.        取第二次回收的二氧化錳、秤取並加酸處理,重複4次實驗一的步驟3.~7.

5.        取第三次回收的二氧化錳、秤取並加酸處理,重複4次實驗一的步驟3.~7.

6.        取第四次回收的二氧化錳、秤取並加酸處理,重複4次實驗一的步驟3.~7.

實驗三:探討二氧化錳回收後加鹼處理的次數與雙氧水生成氧氣速率的關係

1.          實驗步驟的前半段與實驗一的步驟1.~6.相同。

2.          回收二氧化錳秤重後,以1克的二氧化錳比1 mL1 M氫氧化鈉的比例,加入氫氧化鈉溶液到二氧化錳中,攪拌均勻後,靜置5分鐘,然後烘乾。

3.          取第一次回收的二氧化錳、秤取並加鹼處理,重複4次實驗一的步驟3.~7.

4.          取第二次回收的二氧化錳、秤取並加鹼處理,重複4次實驗一的步驟3.~7.

5.          取第三次回收的二氧化錳、秤取並加鹼處理,重複4次實驗一的步驟3.~7.

6.          取第四次回收的二氧化錳、秤取並加鹼處理,重複4次實驗一的步驟3.~7.

五、  研究結果和討論

實驗一:探討二氧化錳未處理就回收使用的次數與雙氧水生成氧氣速率的關係

二氧化錳回收次數與雙氧水生成氧氣速率之關係,如表一和圖三所列。

表一:二氧化錳回收次數與雙氧水生成氧氣速率

二氧化錳
回收次數及說明

新鮮第0

(藥品罐取出)

1

(不處理)

2

(不處理)

2

(不處理)

2

(不處理)

O2平均生成速率

mL/s

5.21

1.00

0.35

0.18

0.18

clip_image011

圖三:二氧化錳回收次數與雙氧水生成氧氣速率之關係圖

從表一和圖三得知,催化劑二氧化錳會隨著回收次數而降低,可能是因為二氧化錳與雙氧水反應後,有某些物質卡在二氧化錳的表面上,而降低了反應速率。也可能是因為在回收二氧化錳時,因為加熱把溶液蒸乾後,有某些物質殘留在二氧化錳表面上,而因表面積下降而降低了反應速率。

再由表一和圖三可得知,在第1次回收後催化速率就明顯下降,而第2~4次回收之催化速率卻很接近。如果是因為有某些物質卡在二氧化錳上的話,那麼在第1次回收後,二氧化錳的表面積就已經被佔據了大部分,因此後續的反應速率才會降低到很接近。

實驗二:探討二氧化錳回收後加酸處理的次數與雙氧水生成氧氣速率的關係

二氧化錳回收後加酸(1 M硫酸)處理的次數與雙氧水生成氧氣速率的關係,如表二和圖四所示。

表二:二氧化錳經「硫酸」處理回收次數與催化生成氧氣速率表

二氧化錳
回收次數及說明

新鮮第0

(藥品罐取出)

回收第1

(硫酸處理)

回收第2

(硫酸處理)

回收第2

(硫酸處理)

回收第2

(硫酸處理)

O2平均生成速率

mL/s

5.20

4.47

3.85

3.03

2.95

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圖四:二氧化錳經「硫酸」處理回收次數與催化生成氧氣速率圖

從表二和圖四得知,回收後加酸處理的二氧化錳之催化效果比回收後沒加酸處理的二氧化錳好很多,這可能是因酸性物質將二氧化錳表面上的物質給作用掉而提高反應速率。

再由表二和圖四看到,在加酸第2次回收時氧氣生成速率最高,而在第3次和第3次回收時又明顯下降,這可能是因雙氧水在酸性環境下較安定而使得反應速率變慢。

實驗三:探討二氧化錳回收後加鹼處理的次數與雙氧水生成氧氣速率的關係

二氧化錳回收後加鹼(1 M氫氧化鈉)處理的次數與雙氧水生成氧氣速率的關係,如表三圖五所示。

表三:二氧化錳經「氫氧化鈉」處理回收次數與催化生成氧氣速率表

二氧化錳
回收次數及說明

新鮮第0

(藥品罐取出)

1

NaOH處理)

2

NaOH處理)

2

NaOH處理)

2

NaOH處理)

O2平均生成速率

mL/s

5.19

13.61

24.89

34.86

45.34

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圖五:二氧化錳經「氫氧化鈉」處理回收次數與催化生成氧氣速率圖

由表三和圖五得知,氫氧化鈉愈多時氧氣生成速率也會愈快,這可能是因雙氧水在鹼性環境下較不安定,或者是二氧化錳會跟氫氧化鈉起作用而提高二氧化錳的催化效能。

n  參賽學生心得

一、參與契機

快暑假時,我們(第一~第三作者)偶然在化工科的網頁上看到了「綠色化學創意競賽」的資料,與科上老師討論後這是一項值得參加的競賽,於是找了志同道合的同學來參加這項科學的專題比賽,那時我和組員對於這個比賽也只是懵懵懂懂,而題目也是和指導老師共同討論而定,實驗研究開始時對原理或是步驟等,其實也都不是很了解,不過在我們指導老師:黃玄智老師與科上其他位老師的指導、幫忙下,讓我們對於此實驗以及其結果都有很好的收穫。

二、瓶頸難題

我們的實驗:二氧化錳催化雙氧水,雖然是一簡單且基礎的實驗,但是要如何準確的紀錄反應速率這可就傷透了我們的腦筋,我們總共試了三個不同的方法,有用薊頭漏斗來加雙氧水,發現雙氧水不會整個下去,導致每次反應都不均,有用針頭從橡皮塞裡加入,但是加入時的時間又會有所差距,到最後則是用最簡單、陽春的直接拿燒杯加入後立刻蓋上蓋子。但此反應因為是非均相反應,所以還得想辦法使每一次的反應環境都相同,所以我們又用了磁石攪拌器。在收集氣體時要注意管子高度以及容器內是否有氣體等,每一個細節都很折騰人呢,不過到最後有好的數據呈現出來那就不會白費了。

三、成功喜悅

我們在實驗室總共進行了數百次的實驗。當第一批的結果出來後,那種成就感真的很棒,感覺一切的努力都值得,不過那一批的結果還不足以我們來完成專題,所以我們只能一直做一直做,並從中找到如何增快二氧化錳催化雙氧水的速度,而最後發現在反應中加鹼可以使反應快上不少,也知道了二氧化錳在催化完雙氧水後其表面可能就受到了污染,使表面積減少,減緩速率,之後發現用硫酸去清洗二氧化錳可以有效的增快其催化反應,此結果真的讓我們開心不少,也使我們的專題結果更完整。

四、競賽報告

在得知初審通過後,科上老師以及我們都很興奮,但也有點擔心,擔心實驗能不能如期完成,擔心口頭報告時是否會順利等,為此在口頭報告前科上老師替我們好好訓練了一翻,使我們更有信心來去面對這次的報告。當天的報告情形我到現在還記憶猶新呢,還記得總共有五位教授在聆聽我們的專題,那種感覺真的很棒,因為這代表著自己的作品有一定的水準可以讓那麼多位教授一起評分,而報告結束後教授也給了我們很多良好的建議,例如說找出此反應的半反應式就會得知鹼確實可以加速反應,而加酸則反之等,真的很感謝那五位教授。

五、得獎心情

得知我們有得獎真的很興奮,我的夥伴以及科上老師也都很開心,因為這是對我們作品最好的肯定,另外北上至台大領獎及刊登在報紙上,更是倍感榮耀(圖六),在這三個多月中,更學到資料收集、實驗研究及結果數據整理的能力,雖然花費的時間很多、少了睡眠及休息的時間,但這絕對是值得的。最後我們非常感謝指導老師以及科上老師的幫忙與指導,若沒有他們的幫忙的話,那我們可能就無法順利完成實驗呢!而在得了這個獎之後我們也要再接再勵地研究我們的專題,希望能夠有更好的收穫,讓自我的能力與實力能更上層樓。

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圖六:獲獎學生綠色化學領獎新聞李蔡彥司長(中)、花工葉日陞校長(左一)、指導老師黃玄智(右一)、詹秉澄(右二)、陳弘欽(右三)及其餘參加同學。

n  結語

本研究有下面四點發現:(一)二氧化錳催化雙氧水效能會隨著使用次數和回收次數而降低。(二)回收並加酸處理之後的二氧化錳能維持一次較高的效果,但第二次回收之後每況愈下,但仍然比未處理的好。(三)回收並加酸處理之後的二氧化錳能一直維持較高的效能,且甚至比未處理得還好上很多。(四)回收過後的二氧化錳只要加入一點氫氧化鈉溶液即可恢復催化的效果,因此二氧化錳不必要丟棄,可重複使用。

這次的專題製作競賽讓東部優秀的孩子能找到可以發展與突破的舞台,就算沒有得到任何獎項,整個過程亦是不斷的在學習,學習時間的管理、學習從錯誤中改進、學習不放棄,人生何嘗不也是這樣的過程循環!學生就如同一顆充滿生命力的種子,老師就像水和空氣,學校是土壤,而給予學生參與的競賽的舞台就如同陽光(方向),只要陽光普照、土壤肥沃以及充足的水和空氣,相信所有的種子都能發芽、成長、茁壯、開花及結果。

n  參考資料

1.        不要把我丟掉,http://www.tyc.edu.tw/files/CD/science45/technical/0911/091103.pdf

2.        普通化學實驗I,謝澤民,台科大圖書股份有限公司。

3.        普通化學III,蔡永昌,台科大圖書股份有限公司。

4.        2-2氧,國中理化,https://market.cloud.edu.tw/content/junior/phy_chem/pd_kc/tag.1.2.1.1.html

5.        二氧化錳,維基百科,http://zh.wikipedia.org/zh-tw/二氧化錳

6.        雙氧水,維基百科,http://zh.wikipedia.org/zh-tw/雙氧水

 

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