滲透汽化在化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中的教學(xué)探索*

鐘亞蘭 黃馳 羅運(yùn)柏 于萍

(武漢大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 湖北武漢430072)

化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是為理科院校化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)生開設(shè)的一門重要的工程類實(shí)踐課程。為培養(yǎng)學(xué)生扎實(shí)的化工實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，使他們掌握實(shí)驗(yàn)新方法和新技術(shù)，我們對該課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法不斷地進(jìn)行改革探索［1］。滲透汽化(又叫滲透蒸發(fā)，簡稱PV)是一種具有廣泛應(yīng)用前景的綠色、無污染、低能耗、選擇性高、操作簡便、過程不受氣液平衡限制的膜分離過程。與微濾、超濾、反滲透等膜分離技術(shù)的篩分原理不同，滲透汽化是利用膜對液體混合物中各組分的溶解與擴(kuò)散性能的不同來實(shí)現(xiàn)混合溶液組分的分離。滲透汽化技術(shù)主要用于有機(jī)物脫水和有機(jī)物/有機(jī)物共沸體系或近沸體系組分的分離，可以代替精餾、萃取、吸附等傳統(tǒng)分離方法或與這些傳統(tǒng)分離方法串聯(lián)使用，達(dá)到降低污染、能耗和成本的目的，是近年來的研究開發(fā)熱點(diǎn)［2］。

2004年，我校利用實(shí)驗(yàn)中心的“實(shí)驗(yàn)教學(xué)-理論教學(xué)-科學(xué)研究相結(jié)合平臺”，將學(xué)院科研課題組有關(guān)滲透汽化的科研成果改編成教學(xué)實(shí)驗(yàn)，開設(shè)了滲透汽化分離己內(nèi)酰胺/水體系和碳酸二甲酯/甲醇共沸體系的實(shí)驗(yàn)，通過以課外開放實(shí)驗(yàn)形式制備滲透汽化膜及膜的分析表征，以滲透汽化操作為課堂實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，取得了一些經(jīng)驗(yàn)，受到學(xué)生的歡迎。

1 滲透汽化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)思路

傳統(tǒng)的化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)主要涉及質(zhì)量傳遞(蒸餾、吸收、萃取、干燥等)、動(dòng)量傳遞(流體輸送、過濾、沉降、固體流態(tài)化等)和熱量傳遞(加熱、冷卻、蒸發(fā)、冷凝等)等化工單元操作，實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程基本上是因循以往的程序:預(yù)習(xí)教材—撰寫預(yù)習(xí)報(bào)告—課堂中教師的講解—實(shí)驗(yàn)操作—寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。在這些傳統(tǒng)的單元操作中，學(xué)生的主觀能動(dòng)性不易得到充分發(fā)揮，團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力也沒有得到很好的鍛煉;同時(shí)還會使學(xué)生認(rèn)為化工實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐性操作和單元操作與傳統(tǒng)的化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)沒有關(guān)系。

武漢大學(xué)是理科高校，學(xué)生對化學(xué)理論課及基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程興趣較高，而對工程類的化工實(shí)驗(yàn)興趣不是很高。為了加強(qiáng)化工實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐性教學(xué)，我們利用理科學(xué)生扎實(shí)的化學(xué)理論基礎(chǔ)，結(jié)合有機(jī)、分析、物化等化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)來提高學(xué)生對化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的興趣。我們在化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程中開設(shè)滲透汽化實(shí)驗(yàn)的思路是將化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與四大基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合。具體做法是:只提供給學(xué)生滲透汽化實(shí)驗(yàn)的基本信息及參考資料，而不提供完善的實(shí)驗(yàn)教材。學(xué)生通過查閱資料，分組(一般3人一組)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，寫出預(yù)習(xí)報(bào)告。在實(shí)驗(yàn)方案中，要求學(xué)生利用高分子科學(xué)、物理化學(xué)、有機(jī)化學(xué)的知識，設(shè)計(jì)并制備出新型的滲透汽化膜，并評價(jià)這些膜的滲透汽化性能。在通過討論確定實(shí)驗(yàn)方案后，在教師的指導(dǎo)下完成實(shí)驗(yàn)，寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。最后學(xué)生集中在一起交流討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果和心得體會。

2 滲透汽化實(shí)驗(yàn)的開設(shè)方式

2.1 實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)

教師提供給學(xué)生滲透汽化實(shí)驗(yàn)的基本信息和資料，要求學(xué)生通過在實(shí)驗(yàn)前查閱文獻(xiàn)，了解滲透汽化分離的重要性和意義，利用物理化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、材料化學(xué)、分析化學(xué)和高分子科學(xué)的基礎(chǔ)知識，了解和分析滲透汽化實(shí)驗(yàn)的原理和主要應(yīng)用、滲透汽化膜的選擇與分離體系的關(guān)系、膜的制備與表征方法、評價(jià)滲透汽化膜性能的主要參數(shù)指標(biāo)(分離因子、滲透通量)及相互影響因素等，然后設(shè)計(jì)出自己的實(shí)驗(yàn)方案，包括實(shí)驗(yàn)操作步驟、所需采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)記錄表格等，寫出實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告并經(jīng)教師審核。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案審核與教師講解

指導(dǎo)教師對學(xué)生提交的預(yù)習(xí)報(bào)告進(jìn)行審核后，反饋給學(xué)生。學(xué)生根據(jù)教師的意見修訂實(shí)驗(yàn)方案，然后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)前，指導(dǎo)教師會對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行初步點(diǎn)評。此外，由于滲透汽化作為一種新型的分離技術(shù)只在化學(xué)工程基礎(chǔ)理論課程中稍作介紹，因此在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，指導(dǎo)教師會結(jié)合ppt課件及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場比較全面地講解這部分知識點(diǎn)。在學(xué)生預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上，通過提問的方式，從滲透汽化原理、滲透汽化膜的選擇、膜的制備方法、滲透汽化操作以及評價(jià)滲透汽化的參數(shù)指標(biāo)等方面考查學(xué)生對該實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)和了解情況。

2.3 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)部分分為滲透汽化膜的制備、表征和滲透汽化操作實(shí)驗(yàn)。借助實(shí)驗(yàn)中心“計(jì)劃教學(xué)-開放實(shí)驗(yàn)-業(yè)余科研相結(jié)合”的創(chuàng)新教育平臺［3］，讓學(xué)生利用計(jì)劃教學(xué)和開放實(shí)驗(yàn)的教學(xué)時(shí)間，完成全部實(shí)驗(yàn)，并吸引部分興趣較高的學(xué)生加入到滲透汽化方向科研組的科研工作中。

2.3.1 滲透汽化膜的制備和表征

滲透汽化膜是整個(gè)滲透汽化分離過程的關(guān)鍵部分。需要根據(jù)待分離體系中滲透物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)，選擇合適的膜材料，其一般過程是通過聚合反應(yīng)合成鑄膜液或者選擇合適的高分子材料溶解得到鑄膜液，然后澆鑄制備PV膜。因此，滲透汽化膜的制備是一個(gè)比較耗時(shí)的過程［4-6］，該過程涉及到高分子科學(xué)、材料科學(xué)、無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)和分析化學(xué)的知識，是一個(gè)典型的綜合性化學(xué)實(shí)驗(yàn)。鑒于實(shí)驗(yàn)課時(shí)的限制，我們把這部分作為課外開放實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。學(xué)生在查閱資料、充分預(yù)習(xí)并與教師充分討論制膜方案后，向預(yù)備室提交所需要的藥品和儀器設(shè)備清單。在預(yù)備室準(zhǔn)備好相關(guān)條件后，學(xué)生在教師和實(shí)驗(yàn)室人員的指導(dǎo)下，利用開放實(shí)驗(yàn)時(shí)間完成膜的制備，并對膜的結(jié)構(gòu)性質(zhì)做紅外光譜(FTIR)、X射線衍射(XRD)及熱重(TG)等基本表征及膜的溶脹分析。

為了使課堂教學(xué)順利進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室會提前制備好幾種不同類型的膜，供學(xué)生選擇使用。

2.3.2 滲透汽化操作實(shí)驗(yàn)(課堂實(shí)驗(yàn))

學(xué)生將膜安裝在如圖1所示的滲透汽化裝置上進(jìn)行滲透汽化操作實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為:①比較幾種膜的性能——分離能力和滲透能力;②改變實(shí)驗(yàn)操作條件，如進(jìn)料溫度、進(jìn)料組成、進(jìn)料流量等，考察滲透膜的分離能力和滲透能力隨操作條件的變化情況。

由于時(shí)間的關(guān)系，每個(gè)學(xué)生不可能通過一次實(shí)驗(yàn)就獲得所有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此每組學(xué)生在課堂教學(xué)實(shí)踐時(shí)只重點(diǎn)做一個(gè)參數(shù)的變化對滲透汽化性能的影響，其他部分可以在進(jìn)行開放實(shí)驗(yàn)實(shí)踐時(shí)進(jìn)行。

2.4 實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫和實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，要求學(xué)生寫出完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容包括:滲透汽化實(shí)驗(yàn)的目的、原理，實(shí)驗(yàn)原料和儀器裝置，實(shí)驗(yàn)操作步驟，數(shù)據(jù)的處理等，讓學(xué)生通過列表或作圖的形式對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，得出合理的結(jié)論，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行討論，提出可能的解決方案。

對于參加課外開放實(shí)驗(yàn)制備滲透膜的學(xué)生，要求按照科研論文的格式撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

圖1 滲透汽化裝置

2.5 匯報(bào)和總結(jié)

該實(shí)驗(yàn)大循環(huán)結(jié)束后，選出實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較有代表性的組，以ppt的形式向全班同學(xué)匯報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和討論。比如，某組學(xué)生用實(shí)驗(yàn)室制備的聚乙烯醇-二氧化硅-聚丙烯腈復(fù)合膜對質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%的己內(nèi)酰胺(CPL)/水體系做的滲透汽化分離實(shí)驗(yàn)，滲透通量J和分離因子α隨溫度升高而變化的曲線如圖2所示。對于該結(jié)果，學(xué)生能根據(jù)滲透汽化的原理解釋為:溫度升高時(shí)，滲透通量增加，這是因?yàn)闇囟壬邥r(shí)膜體中的高分子鏈段的熱運(yùn)動(dòng)會加快，自由體積就增大了;并且溫度的升高也導(dǎo)致滲透組分小分子的運(yùn)動(dòng)速度加快，能夠更快地通過膜體進(jìn)入下游。而分離因子隨著溫度的上升而下降，是因?yàn)闇囟鹊纳仙恢皇亲屗肿拥臒徇\(yùn)動(dòng)加快，與膜之間的相互作用減小，對CPL分子也有相同的作用。也就是說溫度升高能使CPL分子更容易滲透通過膜，因此分離因子就隨之下降了。

圖2 進(jìn)料溫度對滲透汽化性能的影響

滲透通量和溫度的關(guān)系還可以通過阿倫尼烏斯方程J=Ae-Ea/(RT)來描述。圖3是滲透通量的自然對數(shù)與溫度的倒數(shù)關(guān)系，通過線性擬合，可以得到滲透活化能。

3 教學(xué)效果評價(jià)

學(xué)生在滲透汽化實(shí)驗(yàn)中通過查閱文獻(xiàn)資料、預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)、討論和總結(jié)等環(huán)節(jié)，了解了滲透汽化的原理、滲透汽化膜分離性能的評價(jià)指標(biāo)——滲透通量、分離因子及分離指數(shù);掌握了滲透汽化分離的實(shí)驗(yàn)技術(shù);了解了滲透汽化的主要工藝參數(shù)如進(jìn)料溫度、進(jìn)料組成、進(jìn)料流量對滲透膜的分離能力和滲透能力的影響;并結(jié)合物理化學(xué)學(xué)過的阿倫尼烏斯公式，學(xué)會了利用滲透通量與進(jìn)料溫度的關(guān)系求出滲透活化能的方法。

圖3 滲透通量的對數(shù)與操作溫度倒數(shù)的關(guān)系

此外，學(xué)生還可以通過學(xué)習(xí)制備滲透汽化膜，鞏固有機(jī)合成實(shí)驗(yàn)知識和儀器分析知識，并進(jìn)一步學(xué)習(xí)紅外光譜圖分析、X射線衍射分析、熱重分析等。

本實(shí)驗(yàn)通過以上教學(xué)安排發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性和積極性，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。這種實(shí)驗(yàn)開設(shè)方式得到了學(xué)生的肯定，取得了較好的效果。

4 不足之處與解決辦法

在化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，我們通過對滲透汽化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的改革嘗試，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得了較好的效果;但值得一提的是，仍有不少學(xué)生希望用傳統(tǒng)的教學(xué)模式，按部就班地拿完學(xué)分。其原因一方面是部分學(xué)生對化工應(yīng)用和化學(xué)基礎(chǔ)知識的關(guān)聯(lián)度認(rèn)識不夠，且習(xí)慣于“填鴨式”教學(xué)模式，不習(xí)慣自己查閱文獻(xiàn)資料;另一方面是開放部分的內(nèi)容很多，開放實(shí)驗(yàn)比較花費(fèi)時(shí)間，短時(shí)間內(nèi)不會得到明確的結(jié)果，而學(xué)生的課業(yè)負(fù)擔(dān)重。這些導(dǎo)致部分學(xué)生不想?yún)⒓娱_放實(shí)驗(yàn)。

針對部分學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高的問題，實(shí)驗(yàn)中心主要從以下4個(gè)方面加以解決:

(1)凝練教學(xué)內(nèi)容，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力，而不是灌輸知識點(diǎn)。

(2)通過理論課宣傳、增加新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和知識講座等措施加強(qiáng)引導(dǎo)，進(jìn)一步讓學(xué)生理解化學(xué)基礎(chǔ)理論(含實(shí)驗(yàn))和化學(xué)工程之間的關(guān)系。

(3)根據(jù)中心的教學(xué)理念，我們從學(xué)生一進(jìn)校就讓學(xué)生從“填鴨式”的學(xué)習(xí)方式中解脫出來，在大一就開始進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生從被動(dòng)接受知識轉(zhuǎn)為主動(dòng)“索取”、“查找”知識，通過查閱文獻(xiàn)資料完成一些小課題。

(4)調(diào)整化工實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)時(shí)間，盡可能保證學(xué)生有較多的開放實(shí)驗(yàn)時(shí)間;并給予學(xué)生較大的自由度，讓學(xué)生在整個(gè)學(xué)期內(nèi)可以根據(jù)自己的情況選擇和安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間;此外，化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教研組也通過進(jìn)一步改進(jìn)教學(xué)方法來提高學(xué)生的興趣。

［1］黃馳，周新花，席美云，等.大學(xué)化學(xué)，2003，18(3):28

［2］Smitha B，Suhanya D，Sridhar S，et al.J Membrane Sci，2004，241(1):1

［3］黃馳，席美云，程功臻，等.大學(xué)化學(xué)，2006，21(6):20

［4］Zhang L，Yu P，Luo Y B.Sep Purif Technol，2006，52:77

［5］張壘，羅運(yùn)柏，于萍，等.化學(xué)工程，2010，38(8):48

［6］Zhang L，Yu P，Luo Y B.J Membrane Sci，2007，306(1/2):93