建設(shè)精品實(shí)驗(yàn) 提升大氣污染控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平

劉 濤， 羌 寧， 盛 力， 王士芬， 徐竟成

(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程國(guó)家實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

0 引言

由傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)向新型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)轉(zhuǎn)變，關(guān)鍵問(wèn)題是如何改變教師和學(xué)生的教與學(xué)。精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建立可以使實(shí)驗(yàn)的教學(xué)形式更多樣化，加大了改革力度，提高了教學(xué)水平［1］。本項(xiàng)目的建立是想通過(guò)針對(duì)解決當(dāng)前大氣污染的熱點(diǎn)的實(shí)際問(wèn)題，把理論知識(shí)與先進(jìn)工程治理技術(shù)相結(jié)合，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的優(yōu)化、組合與創(chuàng)新，拓寬實(shí)驗(yàn)技術(shù)內(nèi)涵。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為有機(jī)污染氣體(VOCs)的活性炭吸附與脫附實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有機(jī)污染氣體可以通過(guò)活性炭吸附得以去除，又在脫附過(guò)程得到純度很高且有商業(yè)價(jià)值的有機(jī)溶劑，變廢為寶。該實(shí)驗(yàn)方法是多層次的，由淺入深的。其教學(xué)內(nèi)容涉及到空氣污染控制工程課程、環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)代儀器分析等課程的相關(guān)知識(shí)，是比較典型的重視培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛳嚓P(guān)實(shí)踐性的實(shí)驗(yàn)，這是學(xué)以致用的最好實(shí)踐，可以實(shí)現(xiàn)由提高學(xué)生的知識(shí)水平向發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新能力的過(guò)渡［2-3］。

1 建立精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的和意義

1.1 體現(xiàn)理論實(shí)踐的重要性

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目工藝原理來(lái)源當(dāng)前國(guó)內(nèi)有機(jī)污染氣體(VOCs)最先進(jìn)處理工藝——?dú)怏w循環(huán)再生干式吸附凈化和脫附純化工藝，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與工程實(shí)踐緊密結(jié)合［4-7］。同時(shí)實(shí)驗(yàn)凈化處理的內(nèi)容與當(dāng)前環(huán)境熱點(diǎn)PM2.5的前驅(qū)物有機(jī)污染氣體相結(jié)合在一起。與一般驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)不同，其目的是探索工藝原理和工藝參數(shù)，其過(guò)程是理論、實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐，需要學(xué)生主動(dòng)去探索，去發(fā)現(xiàn)和研究。

1.2 強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體地位

實(shí)驗(yàn)中強(qiáng)調(diào)學(xué)生是主體，教師則處于主導(dǎo)地位。教師必須圍繞學(xué)生開(kāi)展工作，提出實(shí)驗(yàn)的基本要求和研究目標(biāo)，并啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生。學(xué)生必須在掌握基礎(chǔ)知識(shí)和基本技術(shù)的前提下，重點(diǎn)進(jìn)行知識(shí)和技術(shù)的應(yīng)用與創(chuàng)新。在實(shí)驗(yàn)中，改變單一的接受式的學(xué)習(xí)方式，學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)操作，處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

實(shí)驗(yàn)將活性炭吸附與脫附的內(nèi)容與PM2.5的前驅(qū)物有機(jī)污染氣體聯(lián)系在一起，將先進(jìn)的處理工藝和現(xiàn)代儀器分析測(cè)試應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)。以培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)驗(yàn)素質(zhì)和綜合實(shí)驗(yàn)的能力為核心，通過(guò)對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的綜合學(xué)習(xí)和應(yīng)用，促進(jìn)加深對(duì)已掌握的基礎(chǔ)知識(shí)的理解，全面提高學(xué)生的動(dòng)手能力，擴(kuò)大視野，豐富思維，并將知識(shí)融會(huì)貫通，使學(xué)生得到較全面的智能與技能訓(xùn)練［8-9］。

2 精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的特點(diǎn)

2.1 強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容提高實(shí)驗(yàn)效率

加強(qiáng)學(xué)科前沿知識(shí)的介紹，引入能夠反映現(xiàn)代科技成果的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法，創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，激發(fā)學(xué)生探究知識(shí)的興趣［10］。讓學(xué)生直接接觸環(huán)境實(shí)踐和生活的一些實(shí)際問(wèn)題，這些問(wèn)題除了教師的引導(dǎo)，更需要學(xué)生自己去查閱教材以外的資料，汲取更多的知識(shí)，進(jìn)一步提高觀(guān)察能力和分析問(wèn)題的能力，從而提高實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ?1］。

VOCs活性炭吸附凈化和脫附純化回收的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容前后銜接，由易到難，并將實(shí)驗(yàn)中凈化和脫附回收相結(jié)合，力求能更合理地安排、利用時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)效率。環(huán)境污染治理的重要原則是變廢為寶、資源利用。本項(xiàng)目中的工藝是采用是先進(jìn)處理工藝和實(shí)驗(yàn)儀器用現(xiàn)代儀器分析，對(duì)開(kāi)闊學(xué)生眼界、培養(yǎng)技能，增加學(xué)習(xí)興趣具有重要意義。

2.2 典型的實(shí)驗(yàn)案例

VOCs是PM2.5的前驅(qū)物之一，其危害見(jiàn)圖1和圖2。如能減少VOCs的排放，可以是降低PM2.5和減少霧霾產(chǎn)生的一種途徑。

圖1 PM2.5對(duì)城市空氣環(huán)境影響

圖2 霧霾對(duì)城市空氣環(huán)境影響

本實(shí)驗(yàn)采用球形活性炭吸附凈化和脫附資源化VOCs［12～13］。即實(shí)驗(yàn)第一階段利用活性炭巨大比表面積所形成的良好物理吸附性能將有機(jī)污染氣體分子吸附在活性炭表面，從而達(dá)到凈化氣體的目的。實(shí)驗(yàn)第二階段通過(guò)變溫吸附操作，可實(shí)現(xiàn)吸附劑的再生并可得到濃集污染物的氣體以利于后續(xù)的回收或進(jìn)一步資源化。

3 項(xiàng)目實(shí)施

3.1 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示和實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。本實(shí)驗(yàn)裝置包括氣體發(fā)生和計(jì)量系統(tǒng)，吸附塔(含底部加熱)系統(tǒng)，循環(huán)冷凝系統(tǒng)，采樣及分析系統(tǒng)等。

圖4 有機(jī)污染物吸附凈化和脫附資源化實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用鼓泡法配制一定濃度的乙酸乙酯氣體。通過(guò)流量計(jì)的流量控制及鼓泡發(fā)生器水浴溫度的控制調(diào)節(jié)可配置出一定流量一定濃度的乙酸乙酯氣體。不銹鋼吸附塔共設(shè)有3個(gè)吸附段，外徑為100 mm，其中圓環(huán)形保溫層厚度為25 mm，吸附塔有效直徑50 mm。本實(shí)驗(yàn)中只有中間段裝填有90 mm厚度的顆?；钚蕴紝?。吸附器底部設(shè)有氣體電加熱裝置用于吸附床再生。每層吸附段均設(shè)有溫度探頭用于監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的床層溫度變化情況。這樣系統(tǒng)設(shè)置的管道閥門(mén)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)配氣旁路，吸附塔氣體從上向下的吸附和熱氣體從下向上的脫附等流動(dòng)線(xiàn)路。

本實(shí)驗(yàn)采用乙酸乙酯來(lái)模擬VOCs，其濃度的定量分析采用氣相色譜(已有標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn))，輔以FID或PID有機(jī)氣體分析儀確定排放口氣體采樣時(shí)機(jī)。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法和步驟

60 g顆粒活性碳已裝填在不銹鋼吸附塔的中間段(活性炭堆積密度約為360 kg/m3)，通過(guò)旁路排放系統(tǒng)預(yù)配氣體濃度約4 000 mg/m3、流量約2.4 m3/h的污染氣流。然后切換閥門(mén)到吸附塔管路“通”位置，在氣流穩(wěn)定流動(dòng)的狀態(tài)下，定時(shí)在吸附塔排放口處采樣測(cè)量?jī)艋蟮臍怏w中乙酸乙酯的濃度并定時(shí)記錄吸附塔處的溫度變化情況，待吸附凈化排氣中污染物濃度升高到進(jìn)氣濃度85%以上時(shí)停機(jī)。通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)可得到入口氣體，等溫操作條件下活性炭對(duì)工況條件下乙酸乙酯的吸附透過(guò)曲線(xiàn)，以及吸附層斷面和排放口氣體的溫度變化曲線(xiàn)。

吸附試驗(yàn)結(jié)束后，開(kāi)啟吸附塔底部的電加熱裝置，設(shè)定溫度150℃，設(shè)定氣體流量2 m3/h，開(kāi)始吹脫試驗(yàn)，定期采樣測(cè)定脫附排放口處的乙酸乙酯濃度并觀(guān)察記錄吸附塔上的3處溫度變化情況。通過(guò)該階段實(shí)驗(yàn)可得到熱氣體脫附曲線(xiàn)和脫附過(guò)程床層溫度變化曲線(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)操作步驟如下:

(1)啟動(dòng)氣相色譜儀，如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)中使用的氣相色譜

(2)啟動(dòng)乙酸乙酯發(fā)生器水浴鍋和風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置上的閥門(mén)，使實(shí)驗(yàn)裝置處于配制氣體濃度狀態(tài)，測(cè)定定配制氣體濃度在3 000～5 000 mg/m3濃度區(qū)間中的某一點(diǎn)。

(3)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置上的閥門(mén)，使實(shí)驗(yàn)裝置處于吸附狀態(tài)。然后每隔5 min在排放口處采樣，通過(guò)100 mL注射器采樣，然后由1 mL注射進(jìn)樣器分樣通過(guò)氣相色譜分析吸附塔排放口氣體濃度(見(jiàn)圖6和圖7)，得到的3點(diǎn)平均濃度作為本次實(shí)驗(yàn)的排放口濃度，直至排放口濃度達(dá)進(jìn)口濃度值的85%以上。實(shí)驗(yàn)期間注意觀(guān)察并保持配氣流量計(jì)流量的穩(wěn)定。

圖6 實(shí)驗(yàn)中學(xué)生取排放口樣圖

圖7 實(shí)驗(yàn)中學(xué)生使用氣相色譜測(cè)定數(shù)據(jù)

(4)吸附完成后，關(guān)閉乙酸乙酯發(fā)生器，然后調(diào)節(jié)閥門(mén)使實(shí)驗(yàn)裝置處于脫附狀態(tài)，打開(kāi)吸附器底部電加熱器的開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)脫附系統(tǒng)。以后每隔3 min記錄床層溫度，并直至T2溫度在140℃以上時(shí)間保持10 min以上后為止。每隔5 min按照步驟(3)的方法在活性炭吸附塔的排放口處采樣分析排氣濃度，直至濃度降到200 mg/m3以下為至。

(5)放置脫附過(guò)程中冷凝系統(tǒng)的回收的乙酸乙酯，見(jiàn)圖8。

圖8 回收的乙酸乙酯

(6)脫附完成后，2～4 h保持脫附溫度140℃以上，這是為了把活性炭吸附乙酸乙酯脫干凈，為了下一批學(xué)生做實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。

(7)關(guān)閉氣相色譜，關(guān)閉所有實(shí)驗(yàn)設(shè)備電源。

3.3 實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)驗(yàn)報(bào)告

實(shí)驗(yàn)中嚴(yán)格要求規(guī)范操作，特別訓(xùn)練氣相色譜的使用，圍繞有機(jī)污染氣體活性炭吸附與脫附性能展開(kāi)實(shí)驗(yàn)。本項(xiàng)目具有一定的廣泛性和工程實(shí)踐性，可對(duì)不同種類(lèi)的有機(jī)污染性氣體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，研究其活性炭吸附穿透工藝參數(shù)和變溫脫附工藝參數(shù)。整個(gè)過(guò)程以培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)和實(shí)踐能力為重點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生探索工藝參數(shù)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生求真務(wù)實(shí)的科學(xué)態(tài)度。

在經(jīng)歷了上述的實(shí)驗(yàn)后，接著要做的就是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析活性炭吸附曲線(xiàn)和脫附曲線(xiàn)(見(jiàn)圖9和圖10)，并提出相應(yīng)的吸附床設(shè)計(jì)參數(shù)。這對(duì)學(xué)生提出了更高的要求，他們一方面需要通過(guò)對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的綜合學(xué)習(xí)和應(yīng)用，進(jìn)一步加深對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解;另一方面必須學(xué)會(huì)運(yùn)用大氣污染控制工程和現(xiàn)代儀器分析等課程的相關(guān)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)所檢測(cè)的數(shù)據(jù)結(jié)果作綜合分析和評(píng)述，得出相應(yīng)工藝參數(shù)［14-16］。在這過(guò)程中，教師進(jìn)行難點(diǎn)的講解、指導(dǎo)，以啟發(fā)為主，鼓勵(lì)學(xué)生提出自己的見(jiàn)解和看法，真正實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的新型教學(xué)形式。體現(xiàn)出以知識(shí)和基本技能為基礎(chǔ)性?xún)?nèi)容、工程素養(yǎng)培養(yǎng)為中心內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。學(xué)生除了全過(guò)程參加實(shí)驗(yàn)外，還必須根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，查閱文獻(xiàn)資料，在親身體驗(yàn)中探究新知，拓展創(chuàng)新思路，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這對(duì)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)、方法和技能的培養(yǎng)，具有重要意義。

圖9 活性炭吸附穿透曲線(xiàn)

圖10 活性炭脫附曲線(xiàn)

4 結(jié)語(yǔ)

以上內(nèi)容是常用的大氣污染控制工程和現(xiàn)代儀器分析實(shí)驗(yàn)技術(shù)，在本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中得到了貫通，這無(wú)論是對(duì)于知識(shí)的綜合性還是拓寬專(zhuān)業(yè)口徑都是至關(guān)重要的。當(dāng)然在實(shí)施過(guò)程中也難免存在一些問(wèn)題，例如由于大型儀器氣相色譜的使用，大大提高本科生參加實(shí)驗(yàn)的興趣和熱情，但是氣相色譜僅配備2臺(tái)，現(xiàn)在是4組8位同學(xué)公用1臺(tái)，如果安排不當(dāng)會(huì)造成參加實(shí)驗(yàn)學(xué)生分析測(cè)試時(shí)全部擁擠在氣相色譜前，不測(cè)試時(shí)儀器空開(kāi)，從而影響實(shí)驗(yàn)效果。故需要在實(shí)驗(yàn)前合理安排每組啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置的時(shí)間，使每組依次使用氣相色譜，來(lái)解決上述問(wèn)題。另外在實(shí)驗(yàn)是在活性炭吸附后再進(jìn)行脫附，因?yàn)樵黾咏虒W(xué)內(nèi)容，所需時(shí)間跨度長(zhǎng)，有時(shí)會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)造成一些影響，還需要進(jìn)一步的探索和實(shí)踐，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，取得更好的教學(xué)效果。

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