炭素材料在环境工程专业综合实验改革中的探讨

李 石， 赵东风， 郑经堂， 路 帅

(中国石油大学(华东) 环境与安全工程系, 山东 青岛 266580)

炭素材料在环境工程专业综合实验改革中的探讨

李 石， 赵东风， 郑经堂， 路 帅

(中国石油大学(华东) 环境与安全工程系, 山东 青岛 266580)

将炭素材料科研工作和环境工程专业实验教学工作的经验相结合，针对环境工程专业设置的综合实验课程内容，主要侧重废气、废水中污染因子的监测而缺乏污染治理方面的内容，提出了将炭素材料在废气、废水治理方面的实用技术引入到综合实验课程中来的思路，该思路不仅使整个综合实验课程体系更加完整，有效拓展了环境工程学生的知识领域，而且在炭素材料基本知识理论普及和环境工程专业学生全面发展方面发挥了积极的双重作用。

炭素材料； 环境工程； 综合实验课程； 实用技术

炭素材料是一类以碳元素为主要成分的材料，包括活性炭、活性炭纤维、纳米碳管、富勒烯、炭分子筛、石墨烯等。由于炭素材料多具有耐热、抗腐蚀、无毒无害、不会造成二次污染、可再生循环利用等一系列的优点，使其在大气污染治理、水污染治理等环保领域发挥了重要的作用[1-7]。例如，在石化行业挥发性有机物(VOCs)治理、双氧水工业苯系物回收、2005年我国北方某石化企业爆炸引起的松花江污染治理等工程实践中，炭素材料的应用均发挥了重要的作用。炭素材料应用技术不仅成为环境保护领域的一项重要内容，而且也成为环境工程学科的一个重要分支。随着我国近年来各类环境污染问题的日益突出，炭素材料在未来环境保护领域的应用和在环境工程学科中的地位将进一步得到提升与加强。

目前我国很多高校的硕士、博士研究生培养体系中已涵盖了炭素材料的研发与应用这一方向。但比较而言，在本科生培养体系中，特别是在环境工程学科领域内，对炭素材料技术的学习内容较少，一般以相关理论课程某一章节的内容出现，例如“大气污染控制工程”课程中的“废气吸附设备”章节、“废水处理工程”课程中的“吸附”章节等，内容也只是一些简单的概念性介绍，而缺乏实验方面的教学内容。通过对环境工程专业理论和实验教学的深入思考，并结合多年来从事炭素材料技术科研工作的经验[8-9]，尝试将炭素材料技术引入到“环境工程专业综合实验”课程之中，既可以丰富环境工程专业实验课程的学习内容，又可以普及和推广炭素材料技术的基础知识，在促进环境工程专业学生全面发展方面发挥积极的促进作用。

1 综合性实验课程改革思路

环境工程专业不仅需要相关理论课程的学习，同时也非常注重学生动手实践能力的培养[10]。我校环境与安全工程系环境工程专业在常规理论教学的基础之上，设立了学生综合实验课程，即在大四上学期将学生分成若干小组，每组人数5～8人，然后由教师为每组学生指定一项综合性实验题目，小组成员分工协作，共同完成这一题目的实验性课程。

传统的综合实验课程题目主要侧重于大气、水中污染物质的监测，例如大气中 SO2、NOx、VOCs、颗粒物或废水中 COD、BOD、石油类、苯系物、氨氮、挥发酚等污染因子的监测，然后学生通过监测方法文献查阅、实验方案确定、监测样品采集及实验试剂配制、实验数据测定分析、完成实验报告等环节完成实验课程。从以往综合实验课程的实施和学生对该实验课程的意见反馈来看，尽管该课程有效提高了学生在环境工程监测方面的动手能力，但是学生也经常会提出对于超过环境质量标准或污染物排放标准的废气、废水如何进行处理的问题，也就是说传统的综合实验课程缺乏和忽视了废气和废水治理方面的课程内容。针对上述问题，对传统的综合实验课程内容进一步进行调整与改革，在学习环境监测技术的基础上，将一些环境治理实用技术引入到该课程中来，是未来发展的重要方向。

针对目前污染治理技术种类繁多、适用领域各异的特点，以及仅仅通过一门综合实验课程无法覆盖所有技术领域的实际情况，课程组讨论分析认为，应选择易操作、实验过程相对简单、实验室易完成的实用污染治理技术进行课程改革实践。炭素材料技术在环境工程领域的实践中已发挥了重要的作用，而且与其他实用技术，如废气治理中的脱硫脱硝、废水治理中的物化、生化处理等技术相比，具有操作相对简单、实验过程易控制、对实验条件和设备要求相对不高的特点，课程组尝试将炭素材料技术融入到环境工程专业综合实验课程中来，不仅使综合实验课程体系更加完整，更为重要的是，可以让环境工程专业的学生掌握和了解一些污染治理实用技术，提高学生的综合应用能力。同时课程实验内容能够与课程组长期从事的炭素材料研发与应用研究的科研工作相结合，克服目前高校普遍存在的科研与课程教学脱节的弊端，这也与科研、教学工作接轨互融、相互促进的高等教育发展理念相一致[11]。

2 引入炭素材料技术的思路设计

将炭素材料技术引入到综合实验课程体系后，保留原有部分大气监测、水监测实验内容，并在此基础上后续增加了利用炭材料技术对废水、废气中目标污染物进行脱除的实验内容。

综合实验课程首先将学生分成3个大组，即废气组、废水组和材料组，然后由课程组教师分别确定各组的实验内容。总的来说，废气组和废水组分别负责废气、废水样品的配制、监测及目标污染物去除的实验研究，而材料组主要负责炭素材料的选用、材料性质分析以及在废气、废水净化中的作用的分析。课程时间安排为4周。

在课程第一周，首先对课程总体思路进行介绍，让学生充分了解该课程的实施过程和目的，然后学生根据所在分组进行文献资料查阅和实验方案确定。废气组和废水组学生主要查阅废气、废水监测分析方法，例如废气中SO2、NOx和苯系物，废水中COD、石油类、苯系物等污染因子如何进行监测。而材料组主要查阅目前炭素材料在废气、废水治理方面的应用技术与研究现状，选定在本课程中拟应用的炭素材料及其应用原理。

在课程第二、三周，废气、废水组分别完成实验废气、废水的配制，并对其中的污染因子进行分析，然后利用材料组提供的炭素材料，在实验室废气、废水处理装置上完成废气、废水中目标污染物的脱除实验。而材料组在前期资料查阅调研基础上选定购买或自制炭素材料，并对炭素材料表面结构、基本性质等进行表征分析，为废气组和废水组提供实验材料。实验过程中，3个大组之间相互配合、分工协助，共同完成整体实验内容。

第四周，学生对取得的实验数据进行统计整理，编制实验报告，完成本课程的学习。

3 炭素材料技术应用举例

根据上述课程思路设计，简要探讨一下综合实验课程的实施过程。废气组和废水组的目标污染物脱除实验装置如图1所示，其中线路1和线路2用于废气目标污染物脱除，线路3和线路4用于废水中目标污染物脱除。

图1 废气、废水目标污染物脱除装置示意图

3.1 材料组实验内容

材料组实验内容与废气、废水组不同，重点在于实验材料的选取和表征分析。炭素材料优异的吸附性能是目前废气、废水处理的主要应用基础，尽管其催化能力、导电能力在环境治理方面也有一定程度的应用，但考虑到课程时间、实验繁琐程度，暂不适合在本课程中展开学习，本课程只考察选定炭素材料对废气、废水中目标污染物的吸附脱除作用。

课程中选定了2种商业化炭素材料，即椰壳活性炭、活性炭纤维和自制的高比表面积有序大孔炭为实验用材料。椰壳活性炭和活性炭纤维直接从市场购买，有序大孔炭材料通过简单易行的胶晶模板法制得，即以二氧化硅胶体微球为模板、蔗糖为碳源，利用毛细作用力将蔗糖溶液填充至胶晶模板空隙内，并在氮气保护条件下高温炭化，最终用氢氟酸溶液去除二氧化硅胶体微球，得到有序大孔炭材料。不同炭素材料基本信息如表1所示，宏观和微观照片如图2所示，BET比表面积通过实验室ASAP 2010比表面和孔径分布测定仪测得。

表1 炭素材料基本信息一览表

图2上由左至右分别为椰壳活性炭、活性炭纤维和有序大孔炭照片，下由左至右分别为椰壳活性炭、活性炭纤维和有序大孔炭SEM照片。

图2 实验中不同炭素材料照片

3.2 废气组实验内容

废气组用实验废气以环境空气为背景气，考虑常规污染因子和特征污染因子兼顾的原则，选定SO2、NOx和苯作为综合实验的监测对象，监测方法和监测结果如表2所示。

表2 废气组监测信息一览表

通过上述实验过程让学生掌握2种常规污染物SO2、NOx和一种特征污染物苯的监测方法，熟悉大气采样器、分光光度计、气相色谱等常用分析仪器的使用。SO2、NOx的监测结果满足国家环境空气质量标准的要求，而苯未检出。分析认为，因为监测的环境空气处于校园区域，而且周围10 km范围内没有苯污染物的排放源，故没有检出苯的存在，但考虑到苯是石化行业重要的特征污染因子，很可能是我校环境工程专业学生未来需要重点控制的对象，因此在本课程中将其作为目标污染物进行脱除实验，使学生学习一种含苯废气的治理方法。

通过实验室配气的方式，制备了一定浓度的含苯废气，并利用不同炭素材料对其进行吸附脱除。具体实验过程通过图1所示实验装置的线路1和线路2完成。首先将配好一定浓度的有机废气通过线路1通入气相色谱仪，测定其中苯的初始浓度。再通过线路2测定处理后的苯浓度，考察处理效率。线路2与线路1的区别在于炭材料吸附柱的存在，对气相中的苯进行吸附脱除，达到净化废气的作用，而且吸附材料可进行更换，以考察不同吸附材料的吸附性能。不同炭素材料处理含苯废气的效率情况如表3所示。

表3 不同炭素材料对含苯废气的脱除效率一览表

3.3 废水组实验内容

废水组实验废水以实验室配制的含苯废水为研究对象，即将一定量苯滴加入自来水中，混合均匀后作为含苯废水使用，将其中的COD、氨氮和苯作为监测对象，监测方法和监测结果如表4所示。

表4 废水组监测信息一览表

COD和氨氮是工业废水中常规监测因子，苯是工业废水中的特征监测因子。通过上述实验过程首先让学生掌握COD、氨氮和苯的监测方法，然后以苯为目标污染物，利用不同炭素材料对其进行吸附脱除。含苯废水中苯的本底浓度测定和经不同炭素材料吸附前后的苯浓度测定利用图1所示实验装置的线路3和线路4完成。

不同材料处理实验废水的效率如表5所示。

表5 不同炭素材料对含苯废水的脱除效率一览表

通过上述实验结果可以看到，不同炭素材料对含苯废气、含苯废水均展现出一定的苯脱除能力，脱除能力与炭素材料BET表面积大小密切相关。

4 结语

结合多年来在炭素材料技术科研工作与环境工程专业教学活动中的积累与经验，将炭素材料技术引入到本科生综合实验课程中来，课程不再只包含环境监测方面的内容，而是形成了由环境监测到污染物治理的完整内容体系，学生能够实现一项“从源到治”的完整实验过程。经过2年多的课程实践发现，学生对该课程的学习兴趣、活跃程度以及相关知识的掌握效率明显提高。不足之处在于，由于课程时间的限制，课程重点侧重的是学生实验过程的完成，而实验结果并不是课程重点内容，这也使得如何使污染物处理效率提高、炭素材料深层吸附机理分析以及材料改性与修饰等方面的内容无法在课程中体现。尽管如此，从环境工程专业本科生的知识背景及创新能力提高的角度来看，该综合课程的实践仍对我国高校环境工程专业实验教学工作向研究型教学模式转变具有一定的参考意义。

References)

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[9] Li S, Zhao D,Zheng J,et al.Preparation and Characterization of a New-type Composite Photocatalyst of 3DOM TiO2/Carbon Materials[J].Chemistry Letters,2010,39(1):44-45.

[10] 严文娟,贺国权.技术应用型创新人才培养模式的探索与实践[J].实验技术与管理,2016， 33(6):21-25.

[11] 严一民,邬邵铁,杨华军.培养大学生创新实践能力的探索[J].实验技术与管理, 2016, 33(11):196-198.

Discussion on carbon materials in comprehensive experimental reform in Environmental Engineering majors

Li Shi, Zhao Dongfeng, Zheng Jingtang, Lu Shuai

(China University of Petroleum, College of Environmental and Safety Engineering, Qingdao 266580, China)

By considering the absence of experimental contents about pollution treatments in the comprehensive experimental course of Environmental Engineering major, and combined with their scientific research in the field of carbon technology with their teaching work in environmental engineering, this paper puts forward a new idea. The practical technology of carbon materials in the waste gas, sewage treatment, could be introduced to the course. It can not only make the whole experiment curriculum system more complete, effectively expanding the knowledge field of environmental engineering student, but also play a double positive role in the popularization of the basic theory knowledge of carbon materials and comprehensive development of environmental engineering students.

carbon materials； environmental engineering； comprehensive experimental course； practical technology

10.16791/j.cnki.sjg.2017.06.039

2016-12-19

李石(1978—)，男，辽宁葫芦岛，博士，副教授，硕士生导师，从事环境工程专业教学与新型碳材料研发与应用科研工作.

E-mail：lishi19785460@163.com

G642.0

A

1002-4956(2017)06-0157-04