建设精品实验 提升大气污染控制实验教学水平

刘 涛， 羌 宁， 盛 力， 王士芬， 徐竟成

(同济大学环境科学与工程国家实验教学示范中心环境科学与工程学院，上海 200092)

0 引言

由传统的实验教学向新型的实验教学转变，关键问题是如何改变教师和学生的教与学。精品实验项目的建立可以使实验的教学形式更多样化，加大了改革力度，提高了教学水平［1］。本项目的建立是想通过针对解决当前大气污染的热点的实际问题，把理论知识与先进工程治理技术相结合，对实验内容的优化、组合与创新，拓宽实验技术内涵。实验项目为有机污染气体(VOCs)的活性炭吸附与脱附实验，学生通过一系列实验，发现有机污染气体可以通过活性炭吸附得以去除，又在脱附过程得到纯度很高且有商业价值的有机溶剂，变废为宝。该实验方法是多层次的，由浅入深的。其教学内容涉及到空气污染控制工程课程、环境工程实验和现代仪器分析等课程的相关知识，是比较典型的重视培养学生实验能力或相关实践性的实验，这是学以致用的最好实践，可以实现由提高学生的知识水平向发展学生的创新能力的过渡［2-3］。

1 建立精品实验项目的目的和意义

1.1 体现理论实践的重要性

本实验项目工艺原理来源当前国内有机污染气体(VOCs)最先进处理工艺——气体循环再生干式吸附净化和脱附纯化工艺，实现了实验项目与工程实践紧密结合［4-7］。同时实验净化处理的内容与当前环境热点PM2.5的前驱物有机污染气体相结合在一起。与一般验证性实验不同，其目的是探索工艺原理和工艺参数，其过程是理论、实验、实践，需要学生主动去探索，去发现和研究。

1.2 强调学生的主体地位

实验中强调学生是主体，教师则处于主导地位。教师必须围绕学生开展工作，提出实验的基本要求和研究目标，并启发和引导学生。学生必须在掌握基础知识和基本技术的前提下，重点进行知识和技术的应用与创新。在实验中，改变单一的接受式的学习方式，学生自主完成实验操作，处理实验数据，分析实验结果，进行实验研究。

实验将活性炭吸附与脱附的内容与PM2.5的前驱物有机污染气体联系在一起，将先进的处理工艺和现代仪器分析测试应用于实验。以培养学生工程实验素质和综合实验的能力为核心，通过对相关知识点的综合学习和应用，促进加深对已掌握的基础知识的理解，全面提高学生的动手能力，扩大视野，丰富思维，并将知识融会贯通，使学生得到较全面的智能与技能训练［8-9］。

2 精品实验项目的特点

2.1 强化实验内容提高实验效率

加强学科前沿知识的介绍，引入能够反映现代科技成果的实验技术和方法，创设问题情境，激发学生探究知识的兴趣［10］。让学生直接接触环境实践和生活的一些实际问题，这些问题除了教师的引导，更需要学生自己去查阅教材以外的资料，汲取更多的知识，进一步提高观察能力和分析问题的能力，从而提高实验能力［11］。

VOCs活性炭吸附净化和脱附纯化回收的实验内容前后衔接，由易到难，并将实验中净化和脱附回收相结合，力求能更合理地安排、利用时间，提高实验效率。环境污染治理的重要原则是变废为宝、资源利用。本项目中的工艺是采用是先进处理工艺和实验仪器用现代仪器分析，对开阔学生眼界、培养技能，增加学习兴趣具有重要意义。

2.2 典型的实验案例

VOCs是PM2.5的前驱物之一，其危害见图1和图2。如能减少VOCs的排放，可以是降低PM2.5和减少雾霾产生的一种途径。

图1 PM2.5对城市空气环境影响

图2 雾霾对城市空气环境影响

本实验采用球形活性炭吸附净化和脱附资源化VOCs［12～13］。即实验第一阶段利用活性炭巨大比表面积所形成的良好物理吸附性能将有机污染气体分子吸附在活性炭表面，从而达到净化气体的目的。实验第二阶段通过变温吸附操作，可实现吸附剂的再生并可得到浓集污染物的气体以利于后续的回收或进一步资源化。

3 项目实施

3.1 实验流程

实验流程如图3所示和实验装置如图4所示。本实验装置包括气体发生和计量系统，吸附塔(含底部加热)系统，循环冷凝系统，采样及分析系统等。

图4 有机污染物吸附净化和脱附资源化实验装置

本实验采用鼓泡法配制一定浓度的乙酸乙酯气体。通过流量计的流量控制及鼓泡发生器水浴温度的控制调节可配置出一定流量一定浓度的乙酸乙酯气体。不锈钢吸附塔共设有3个吸附段，外径为100 mm，其中圆环形保温层厚度为25 mm，吸附塔有效直径50 mm。本实验中只有中间段装填有90 mm厚度的颗粒活性碳层。吸附器底部设有气体电加热装置用于吸附床再生。每层吸附段均设有温度探头用于监测实验过程中的床层温度变化情况。这样系统设置的管道阀门系统可实现配气旁路，吸附塔气体从上向下的吸附和热气体从下向上的脱附等流动线路。

本实验采用乙酸乙酯来模拟VOCs，其浓度的定量分析采用气相色谱(已有标准曲线)，辅以FID或PID有机气体分析仪确定排放口气体采样时机。

3.2 实验方法和步骤

60 g颗粒活性碳已装填在不锈钢吸附塔的中间段(活性炭堆积密度约为360 kg/m3)，通过旁路排放系统预配气体浓度约4 000 mg/m3、流量约2.4 m3/h的污染气流。然后切换阀门到吸附塔管路“通”位置，在气流稳定流动的状态下，定时在吸附塔排放口处采样测量净化后的气体中乙酸乙酯的浓度并定时记录吸附塔处的温度变化情况，待吸附净化排气中污染物浓度升高到进气浓度85%以上时停机。通过以上实验可得到入口气体，等温操作条件下活性炭对工况条件下乙酸乙酯的吸附透过曲线，以及吸附层断面和排放口气体的温度变化曲线。

吸附试验结束后，开启吸附塔底部的电加热装置，设定温度150℃，设定气体流量2 m3/h，开始吹脱试验，定期采样测定脱附排放口处的乙酸乙酯浓度并观察记录吸附塔上的3处温度变化情况。通过该阶段实验可得到热气体脱附曲线和脱附过程床层温度变化曲线。

实验操作步骤如下:

(1)启动气相色谱仪，如图5所示。

图5 实验中使用的气相色谱

(2)启动乙酸乙酯发生器水浴锅和风机，调节实验装置上的阀门，使实验装置处于配制气体浓度状态，测定定配制气体浓度在3 000～5 000 mg/m3浓度区间中的某一点。

(3)调节实验装置上的阀门，使实验装置处于吸附状态。然后每隔5 min在排放口处采样，通过100 mL注射器采样，然后由1 mL注射进样器分样通过气相色谱分析吸附塔排放口气体浓度(见图6和图7)，得到的3点平均浓度作为本次实验的排放口浓度，直至排放口浓度达进口浓度值的85%以上。实验期间注意观察并保持配气流量计流量的稳定。

图6 实验中学生取排放口样图

图7 实验中学生使用气相色谱测定数据

(4)吸附完成后，关闭乙酸乙酯发生器，然后调节阀门使实验装置处于脱附状态，打开吸附器底部电加热器的开关，启动脱附系统。以后每隔3 min记录床层温度，并直至T2温度在140℃以上时间保持10 min以上后为止。每隔5 min按照步骤(3)的方法在活性炭吸附塔的排放口处采样分析排气浓度，直至浓度降到200 mg/m3以下为至。

(5)放置脱附过程中冷凝系统的回收的乙酸乙酯，见图8。

图8 回收的乙酸乙酯

(6)脱附完成后，2～4 h保持脱附温度140℃以上，这是为了把活性炭吸附乙酸乙酯脱干净，为了下一批学生做实验做准备。

(7)关闭气相色谱，关闭所有实验设备电源。

3.3 实验操作与实验报告

实验中严格要求规范操作，特别训练气相色谱的使用，围绕有机污染气体活性炭吸附与脱附性能展开实验。本项目具有一定的广泛性和工程实践性，可对不同种类的有机污染性气体进行实验研究，研究其活性炭吸附穿透工艺参数和变温脱附工艺参数。整个过程以培养学生的工程素养和实践能力为重点，激发学生探索工艺参数的兴趣，培养学生求真务实的科学态度。

在经历了上述的实验后，接着要做的就是根据实验数据分析活性炭吸附曲线和脱附曲线(见图9和图10)，并提出相应的吸附床设计参数。这对学生提出了更高的要求，他们一方面需要通过对相关知识点的综合学习和应用，进一步加深对基础知识的理解;另一方面必须学会运用大气污染控制工程和现代仪器分析等课程的相关知识和实验结果，对所检测的数据结果作综合分析和评述，得出相应工艺参数［14-16］。在这过程中，教师进行难点的讲解、指导，以启发为主，鼓励学生提出自己的见解和看法，真正实现以学生为主体、教师为主导的新型教学形式。体现出以知识和基本技能为基础性内容、工程素养培养为中心内容的实验教学体系。学生除了全过程参加实验外，还必须根据实验内容，查阅文献资料，在亲身体验中探究新知，拓展创新思路，完成实验报告。这对学生进行系统的理论学习、方法和技能的培养，具有重要意义。

图9 活性炭吸附穿透曲线

图10 活性炭脱附曲线

4 结语

以上内容是常用的大气污染控制工程和现代仪器分析实验技术，在本实验项目中得到了贯通，这无论是对于知识的综合性还是拓宽专业口径都是至关重要的。当然在实施过程中也难免存在一些问题，例如由于大型仪器气相色谱的使用，大大提高本科生参加实验的兴趣和热情，但是气相色谱仅配备2台，现在是4组8位同学公用1台，如果安排不当会造成参加实验学生分析测试时全部拥挤在气相色谱前，不测试时仪器空开，从而影响实验效果。故需要在实验前合理安排每组启动实验装置的时间，使每组依次使用气相色谱，来解决上述问题。另外在实验是在活性炭吸附后再进行脱附，因为增加教学内容，所需时间跨度长，有时会对实验造成一些影响，还需要进一步的探索和实践，不断积累经验，取得更好的教学效果。

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