科研助力教學(xué)打造自制化工教學(xué)儀器

馮紅艷徐銅文 高明麗

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，合肥230026)

科研助力教學(xué)打造自制化工教學(xué)儀器

馮紅艷*徐銅文 高明麗

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，合肥230026)

介紹一個(gè)自2015年度春季開始用于本科教學(xué)的分離實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?？蒲兄虒W(xué)，將已獲得國家專利的卷式擴(kuò)散膜組件設(shè)計(jì)成化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)自制的實(shí)驗(yàn)儀器，并將正在主持的國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的部分內(nèi)容轉(zhuǎn)化為可用于教學(xué)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。通過教學(xué)和科研工作的有機(jī)結(jié)合，形成既有特色又緊跟學(xué)科前沿的教學(xué)儀器和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)；膜分離實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

1 引言

化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)作為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家級(jí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)示范中心的一門基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)過程中，應(yīng)該有更高的要求?；せA(chǔ)實(shí)驗(yàn)要建設(shè)有特色的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，更應(yīng)該建設(shè)能體現(xiàn)化工學(xué)科前沿的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[1]。在這種課程建設(shè)的思想指導(dǎo)下，借力于我校功能膜研究室的科研平臺(tái)，現(xiàn)開設(shè)和膜分離相關(guān)的化工實(shí)驗(yàn)[2－4]如下：(1)乳酸發(fā)酵-陶瓷膜過濾-雙極膜轉(zhuǎn)化集成實(shí)驗(yàn)；(2)食品中營養(yǎng)成分提取及分離實(shí)驗(yàn)；(3)板式擴(kuò)散滲析回收工業(yè)廢酸實(shí)驗(yàn)；(4)滲透蒸發(fā)在燃料乙醇分離中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)；(5)電滲析在磷回收中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)；(6)膜蒸餾實(shí)驗(yàn)；(7)卷式擴(kuò)散滲析分離酸鹽實(shí)驗(yàn)；(8)納濾分離糖和鹽水溶液實(shí)驗(yàn)；(9)超濾分離明膠水溶液實(shí)驗(yàn)；(10)分離設(shè)備組件的裝配實(shí)驗(yàn)；(11)雙極膜電滲析制取無機(jī)酸和堿實(shí)驗(yàn)等。其中實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(7)“卷式擴(kuò)散滲析分離酸鹽實(shí)驗(yàn)”是一個(gè)科研成果轉(zhuǎn)化的本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。作者作為國家面上基金項(xiàng)目“卷式擴(kuò)散滲析膜組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究”科研課題的負(fù)責(zé)人，同時(shí)也是化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課課程建設(shè)的負(fù)責(zé)人，將科研工作和實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，更好地實(shí)現(xiàn)科研助力教學(xué)，完成“卷式擴(kuò)散滲析裝置”的設(shè)計(jì)、調(diào)試和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系的確定。自2015年春季用于本科教學(xué)，教學(xué)效果良好。下面介紹具體的建設(shè)思路和做法。

2 自制儀器的建設(shè)

自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器的核心部分是要有自主產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。對(duì)于作為卷式擴(kuò)散裝置核心元件的卷式擴(kuò)散膜組件，這一部分化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室仍然要從功能膜實(shí)驗(yàn)室借力，圖1是功能膜研究室制作的不同面積、不同尺寸的膜組件，圖2是成品的膜組件實(shí)物圖。膜組件已經(jīng)獲得國家專利(201010144042.4)。

圖1 不同尺寸的卷式擴(kuò)散膜組件

科研工作的實(shí)驗(yàn)過程和在傳統(tǒng)授課模式下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程有本質(zhì)的區(qū)別，教學(xué)儀器要求便于操作和講解。圖3是科研儀器和教學(xué)儀器的實(shí)物圖，通過廢液罐、純水罐、蠕動(dòng)泵、殘液罐、回收酸罐以及管路閥門的規(guī)范化使用，使得卷式擴(kuò)散滲析膜裝置適合用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

圖3 科研儀器(左)和教學(xué)儀器(右)實(shí)物圖

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的探索

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

擴(kuò)散滲析以濃度差為推動(dòng)力，理論上不消耗能量(除泵輸送液體外)，具有操作簡單、可連續(xù)化作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，在濕法冶金、有色金屬加工、廢酸(堿)回收、苦咸水淡化、海水濃縮及化工和制藥分離等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。如利用陰離子膜擴(kuò)散滲析，由于陰離子膜對(duì)高價(jià)金屬離子的排斥和對(duì)酸根陰離子的優(yōu)先選擇性透過可實(shí)現(xiàn)酸和金屬離子的良好分離，回收的酸可返回初始工序重復(fù)使用，殘液由于酸的濃度很低可直接提取金屬，可以解決我國的鋼鐵酸洗廢液、鈦白粉廢液、冶金廢液、金屬電解廢液、精細(xì)化學(xué)品生產(chǎn)廢液等的排放問題，實(shí)現(xiàn)這些行業(yè)的節(jié)能減排；同樣，利用陽離子膜擴(kuò)散滲析，借助于陽離子膜對(duì)高價(jià)陰離子的排斥和對(duì)金屬陽離子的優(yōu)先選擇性透過可實(shí)現(xiàn)堿與金屬離子的良好分離，在鎢鉬工業(yè)、鋁業(yè)和造紙工業(yè)具有廣泛的應(yīng)用。

考慮本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容可操作性、重復(fù)性等特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)選用硫酸和亞鐵鹽體系，模擬工業(yè)鈦白廢液。回收酸鹽廢液中的無機(jī)酸采用的是陰離子交換膜擴(kuò)散滲析法(圖4)，陰離子交換膜是有選擇透過性的，首先陰離子膜的骨架本身帶正電荷，在溶液中能夠吸引帶負(fù)電荷的水合離子，而排斥帶正電荷的水化離子，故在濃度差的作用下，廢液側(cè)的無機(jī)酸根離子被吸引而順利地透過膜進(jìn)入水的一側(cè)。其次根據(jù)電中性要求，帶正電荷的離子也有透過膜的趨勢，由于氫離子的水化離子半徑較小，電荷較少，而金屬離子的水化離子半徑較大，又是多價(jià)態(tài)的，因此氫離子會(huì)優(yōu)先通過膜，如此，廢液中的無機(jī)酸就被分離出來。

圖4 擴(kuò)散滲析原理

酸回收率計(jì)算公式如下：

式中crH為回收酸液中硫酸的濃度，Qr為回收酸液的流量，cjH為殘液中的酸濃度，Qj為殘液的流量。

鐵離子的截留率計(jì)算公式如下：

式中cjFe為殘液中亞鐵離子的濃度，Qj為截留液的流量，crFe為回收酸液中亞鐵離子的濃度，Qr為回收酸液的流量。

3.2 實(shí)驗(yàn)試劑

0.5 mol?L－1FeSO4和2 mol?L－1H2SO4混合溶液(模擬鈦白廢酸液)、0.05 mol?L－1KMnO4標(biāo)準(zhǔn)溶液、0.2 mol?L－1Na2CO3標(biāo)準(zhǔn)溶液、甲基橙指示劑。

3.3 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)裝置是自主研發(fā)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，裝置由合肥科佳高分子材料有限公司加工，整個(gè)裝置主要包括卷式擴(kuò)散滲析膜組件2只(有效面積分別為1 m2、5 m2)，蠕動(dòng)泵2只(河北保定蘭格恒流泵有限公司提供)，4只溶液罐(3 L左右)，整個(gè)裝置示意圖見圖5。

廣西壯族絕經(jīng)婦女45～50歲5個(gè)ER-β 基因Rsa I 酶切基因(RR、Rr、rr、r、R)組的血清雌二醇、孕酮水平中，RR基因組、Rr基因組、rr基因組、r基因組、R基因組中，r基因組的雌二醇和孕酮血液水平明顯低于其它4組，而r基因組的雌二醇和孕酮血液水平下降，反饋?zhàn)饔糜谀X垂體，引起垂體分泌更多促卵泡激素、黃體生成素[9-10]，所以r基因組的促卵泡激素、黃體生成素明顯高于其它4組。ER-β 基因 的Rsa I 酶切基因r基因型，在絕經(jīng)后此類基因型的人群，雌激素水平更低，更易患雌激素缺乏性老年性疾病，患病臨床癥狀更重，此類人群應(yīng)該提前預(yù)防。

3.4 實(shí)驗(yàn)步驟

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：(1)流道的沖洗與排氣。

實(shí)驗(yàn)前，開啟兩側(cè)蠕動(dòng)泵的閥門，用廢酸液和純水分別沖洗兩側(cè)的流道，直至將流道內(nèi)的氣泡排盡為止。其中一臺(tái)設(shè)備中廢酸液從左側(cè)的中心管進(jìn)入，自來水從右側(cè)的測流管進(jìn)入，兩股液體在組件內(nèi)部形成螺旋式逆流流動(dòng)；另一臺(tái)設(shè)備中廢酸液從左側(cè)的中心管進(jìn)入，自來水從右側(cè)的中心管進(jìn)入，兩股液體在組件內(nèi)部形成螺旋式順流流動(dòng)。

(2)廢液和純水。

圖5 卷式擴(kuò)散滲析裝置示意圖

待兩側(cè)流道中的氣泡排盡后，關(guān)閉蠕動(dòng)泵的閥門，將廢液罐與純水罐中分別注入相等體積的廢液與純水。

(3)控制流速。

調(diào)節(jié)兩側(cè)蠕動(dòng)泵的流速，保證流速比為1:1，兩側(cè)流速可為20 mL?min－1，開啟蠕動(dòng)泵，實(shí)驗(yàn)開始。

(4)濃度監(jiān)測。

實(shí)驗(yàn)過程中，以10 min為時(shí)間間隔，在圖5所示的兩個(gè)流道的出口4、5取樣，待分析。

(5)當(dāng)兩側(cè)的濃度穩(wěn)定后，放入5 L純水沖洗設(shè)備，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

3.5 結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中硫酸濃度和鐵離子濃度由滴定方法測定，硫酸濃度用標(biāo)準(zhǔn)的Na2CO3溶液滴定，并以甲基橙作為指示劑，亞鐵離子濃度是用標(biāo)準(zhǔn)的KMnO4溶液滴定。計(jì)算截留率和回收率，相關(guān)結(jié)果一并記錄在如表1所示的表格中。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄表

進(jìn)行Fe2+與H+濃度的分析，繪制兩側(cè)Fe2+/H+濃度-時(shí)間變化圖，通過回收率和截留率數(shù)據(jù)，討論順流和逆流兩種流動(dòng)方式對(duì)擴(kuò)散滲析效果的影響。

通過教學(xué)實(shí)踐，上述實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容安排滿足了在規(guī)定的課時(shí)內(nèi)完成規(guī)定的實(shí)驗(yàn)步驟的基本要求。同時(shí)在具體的實(shí)驗(yàn)過程中采用小組合作的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，即兩組學(xué)生分別完成順流或逆流操作方式，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果放在一起進(jìn)行分析，書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。通過小組合作的方式，學(xué)生熟悉了擴(kuò)散滲析技術(shù)的基本原理、卷式擴(kuò)散滲析膜組件的結(jié)構(gòu)及基本操作流程，了解了時(shí)間對(duì)卷式擴(kuò)散滲析膜組件內(nèi)流體流動(dòng)方式對(duì)分離性能的影響，熟悉了擴(kuò)散滲析技術(shù)在鈦白廢酸行業(yè)中的應(yīng)用，并且通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可以得到有效的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。卷式擴(kuò)散滲析實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容安排適合本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

4 結(jié)語

作為理科院校的化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)無法做到實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的大型化，但是卻可以通過教學(xué)和科研工作進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，形成具有特色又緊跟學(xué)科前沿的教學(xué)儀器和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在建設(shè)過程中具體的建設(shè)思路和做法為：(1)利用科研實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有膜組件的制備工藝，設(shè)計(jì)一套適合本科教學(xué)的實(shí)驗(yàn)儀器；(2)利用正在進(jìn)行的科研項(xiàng)目選擇合適的分離體系，用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)；(3)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器的自主創(chuàng)新；(4)保證實(shí)驗(yàn)內(nèi)容緊跟科研前沿。通過2015年度在本科生教學(xué)的實(shí)踐過程，本套實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備規(guī)范、易于操作，實(shí)驗(yàn)教學(xué)步驟安排緊湊合理，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容緊跟學(xué)科前沿，是一個(gè)值得推廣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。希望本文的工作能對(duì)理科化學(xué)專業(yè)化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)建設(shè)有一定的啟示作用。

[1]馮紅艷,傅延勛,楊偉華,徐銅文.大學(xué)化學(xué)化工課程報(bào)告論壇論文集.北京:高等教育出版社,2012.

[2]馮紅艷,徐銅文,王曉林,楊偉華.大學(xué)化學(xué),2015,30(1),59.

[3]馮紅艷,楊偉華,徐銅文.化工高等教育,2014,No.1,67.

[4]馮紅艷,徐銅文,楊偉華,傅延勛.化學(xué)工程實(shí)驗(yàn).合肥:中國科學(xué)技術(shù)出版社,2014.

Design of Instrument for Laboratory Teaching Based on Scientific Research

FENG Hong-Yan*XU Tong-WenGAO Ming-Li
(Chemistry Experiment Teaching Center,University of Science&Technology of China,Hefei 230026,P.R.China)

The separation experiment project introduced in this paper had been used in undergraduate teaching since the spring of 2015.Apatented spiral wound diffusion dialysis membrane module was used to design a set of teaching instrument.Parts of an onging National Natural Science Foundation research contents were applied in teaching.The chemical engineering laboratory teaching contents were continuously enriched by following the forefront of scientific research.

Chemical engineering experiment;Membrane separation experiment; Construction of lab

G64；O6-3

*通訊作者，Email:fenghy@ustc.edu.cn

省級(jí)教研項(xiàng)目(2015jyxm001)

10.3866/PKU.DXHX201603018

www.dxhx.pku.edu.cn