研究性教学中混凝剂混凝效果实验的改进

董剑鑫，柴伟洲，王淑勤，张玉玲

（华北电力大学环境科学与工程系，河北 保定 071003）

“化工安全与环保”是华北电力大学能化专业的一门专业课程，课程把环保与化工工艺、技术等紧密地结合，有助于培养学生工艺设计中的环保意识，并且与国家社会和谐可持续发展理念相匹配[1]，但此课程存在涉及范围广、内容多、课程难等问题，同时，由于“化工安全与环保”课程又是实践性、应用性较强的课程，所以华北电力大学特开设“化工安全与环保实验”，以此实验加强学生对专业理论知识的深化理解，促进学生对实验研究方法与技能的掌握，增强学生对课程内容与工艺的消化。混凝剂混凝效果实验作为“化工安全与环保”的基础实验之一，是众多高校已在开设的课程，具有改进与探索意义，故我们此次选择混凝剂混凝效果实验作为重点改进与探索对象。

1 混凝剂混凝效果实验方案

混凝剂混凝效果实验是一种模拟实验，主要模拟了混合、反应、沉淀三个工艺过程，研究自来水厂混凝剂的品种以及混凝剂的最佳投量通常可以使用混凝试验确定[2-3]。传统的教学模式中，主要由老师做示范实验，学生观察，教学形式较为单一，学生参与积极性难以提高。在本次课程实验改革中，拟采用课堂与实验相结合的方式，即提前在课堂上讲授混凝相关实验原理，使学生能够有充分的时间思考与吸收、消化相关知识。学生能主动通过“知网”“中国期刊网”等数据库查阅相关内容，通过课外自主学习，设计出不同的实验方案，从而增强学生创新能力。在实验课堂中通过模拟水厂操作，增加实验元素，丰富实验过程[4-5]，使学生有较强参与感与成就感，既增强了学生信心，提高了学生的创造力，又进一步激发出学生对科研的兴趣。为了达到教学目标，我们以当前实验任务书为基础，使学生深入探索不同原始水样、不同混凝剂、不同pH对混凝效果的影响，并对比找到最佳实验条件。具体操作如下：

本次实验前任课老师将提前1～2周通过“化工安全与环保”课程讲授相关混凝理论知识。同时，学生以4～6人为一组，通过自行组队的方式，团结合作，发挥出自己的优势。每组将通过查阅资料等方式，制定设计出合理可行的实验方案。每一个小组可以选择一种混凝剂，多种水样，1～2种影响因素，探索不同水样对混凝效果的影响，也可以选择多种混凝剂，一种水样，1～2种影响因素，探索不同混凝剂对某一种水样的影响。通过分组方式充分发挥学生主观能动性，促使小组成员之间、不同组成员之间进行充分的交流。实验过程中，由任课老师对混凝实验原理，浊度仪、六联搅拌器等仪器的使用方法以及实验中注意事项等进行讲解，使学生能够具备独立完成实验的能力。学生开始实验时，任课老师不仅需要引导学生记录水的浊度，而且要引导学生注意观察矾花的大小和沉淀速度、水体的颜色变化等，并提醒学生进行拍照记录实验结果。如在实验中出现异常结果，需由任课老师和学生一同分析探讨原因，直至处理过的水样清澈。不同小组之间结果可以有所不同，只要数据合理，操作规范，即可达到要求。

2 实验结果分析

本次实验分别选取了校内中水站格栅后原水、高岭土悬浮液、石膏悬浮液作为原始水样，使用较为常用且效果较好的铁盐和铝盐作为混凝剂[4]，分别选择了浓度为1.5 g/L的FeCl3和浓度为1.4 g/L的Al2（SO4）3。对比实验结果，将选取混凝沉淀时间短、沉降速度快、最佳条件时投药量最小、沉淀水处理后浊度最低的实验操作条件，作为原水条件下最佳条件。通过学生自主学习设计方案和研究。

2.1 格栅后原水

首先为了模拟实际污水处理厂中混凝效果，实验采用了华北电力大学中水处理站格栅后的水作为原水，此原水的浊度为241 NTU，呈中性，室温，其最小投 加 量FeCl3混 凝 剂 为2 mL，Al2（SO4）3混 凝 剂 为2 mL，即两种不同的混凝剂的最小投加量并无区别。在确定混凝剂最佳投加量时，我们采用了0.618法。即首先通过观察确定混凝剂的最小投加量，然后设计梯度，使加入混凝剂的量分别为最小投加量的倍数，根据实验结果，留好去坏，通过测定剩余浊度，来确定不同混凝剂的投加量对剩余浊度的影响（下文确定最佳投药量均以此方法测量）。根据浊度与混凝剂投药量关系做图1，可以得出格栅后原水添加FeCl3作为混凝剂的最佳投入量为12 mL，添加Al2（SO4）3作为混凝剂的最佳投药量也为12 mL。

图1 格栅后原水中混凝剂投加量与剩余浊度的关系

使用无机混凝剂时，pH是影响混凝效果的重要因素，不同混凝剂有不同的适合pH。通常来说，只有在合适的酸碱环境下，物理化学作用例如还原、吸附架桥等才能发生[6-7]，混凝效果才最好。各混凝剂的最佳pH值如图2所示。根据图2可知，投加FeCl3混凝剂的最佳pH为酸性，但理论上FeCl3的最佳pH应为碱性，这是由于FeCl3的投加量过多导致水解，从而使溶液呈酸性。Al2（SO4）3的pH为7时混凝效果最好，与理论一致。因此1.5 g/L的FeCl3浓度与格栅后原水不匹配，1.4 g/L的Al2（SO4）3作混凝剂与原水较匹配。

图2 水样pH对FeCl3、Al2（SO4）3混凝效果的影响

2.2 高岭土悬浮液

采用浓度为0.5 g/L的高岭土悬浮液作为原水进行探究。原水浓度为619 NTU，呈中性，室温，其最小投加量FeCl3混凝剂为1 mL，Al2（SO4）3混凝剂为1 mL。两种混凝剂的最小投加量相同，与格栅原水相比，最小投加量有所下降。图3、图4分别为加入混凝剂FeCl3和混凝剂Al2（SO4）3的混凝效果，二者混凝效果有明显区别：加入FeCl3混凝剂上清液中明显有黄色悬浮物，且其矾花粒径与密度都较大，比较容易沉淀；加入Al2（SO4）3混凝剂时，上清液无颜色，但矾花粒径与密度较小，沉淀速度较慢。根据浊度与高岭土悬浮液中混凝剂投药量关系做图5，可以得出，高岭土悬浮液添加FeCl3作为混凝剂的最佳投入量为5 mL，而添加Al2（SO4）3作为混凝剂的最佳投药量不明显，未能准确找出。故随后探索了FeCl3作为混凝剂的高岭土悬浮液的最佳pH值。根据图6所示曲线可明显看出，在碱性条件下，FeCl3作混凝剂能够有更好的混凝效果。

图3 高岭土悬浮液中加入FeCl3的混凝效果

图4 高岭土悬浮液中加入Al2（SO4）3的混凝效果

图5 高岭土悬浮液中混凝剂投加量与剩余浊度的关系

图6 水样pH对FeCl3混凝效果的影响

2.3 石膏悬浮液

为了丰富实验元素，给学生创造更多的选择方案，还选取了石膏作为原料配制原水来探索其混凝效果。本次实验选取浓度为5 g/L，浊度为257 NTU的石膏悬浮液作为原水，其呈弱酸性，室温。石膏悬浮液作为原水时FeCl3混凝剂的最小投加量为0.5 mL，Al2（SO4）3混凝剂的最小投加量为1 mL。两者相比较，FeCl3作混凝剂所需最小投加量小于Al2（SO4）3作混凝剂时的最小投加量。与前两种原水比较，最小投加量有所减少。根据浊度与石膏悬浮液中混凝剂投药量关系做图7，可以得出，石膏悬浮液添加FeCl3作为混凝剂的最佳投入量为5.5 mL，添 加Al2（SO4）3作混凝剂的 最 佳投入量为2 mL。但从图7可以得出，虽然Al2（SO4）3的最佳投入量较小，效果较为明显，却不利于实验的开展，因为学生容易把混凝剂投入量的浓度梯度设置过大，从而导致错过最佳投入量，找不到最佳投药量，造成学生失去对科研的兴趣，不利于提高学生的积极性。

图7 石膏悬浮液中混凝剂投加量与剩余浊度的关系

2.4 结果汇总分析

通过分析此次实验结论并对比查阅相关资料，发现实验中出现污水水样浓度较高，与混凝剂不相匹配，导致最佳投入量寻找困难，混凝曲线不明显等问题。

当模拟污水水样浓度较高时，最佳投入量将会偏高，也就是混凝曲线的拐点相较于低浓度模拟污水水样相对靠后。在学生的实验中，由于是设计性实验，很有可能学生的投药量梯度设置得不够准确，导致无法得出结论。

当模拟污水水样的pH略低时，混凝剂的混凝效果将会受到影响。由此次实验结论可知，混凝实验中使用的混凝剂FeCl3的最佳pH为碱性，Al2（SO4）3的最佳pH为中性，且在不同水样中最佳pH变化不大。所以调整模拟污水水样的pH有利于学生在设计性实验中找到较为清晰的混凝曲线。

针对模拟污水水样的混凝效果，在本次学生实验的基础上，把格栅后原水、高岭土悬浮液、石膏悬浮液三者实验结果进行对比，发现高岭土悬浮液效果最优。首先，虽然格栅后原水经过混凝后的效果明显，但是由于它的气味较为刺鼻，长时间暴露于该环境不利于身心健康；其次，虽然石膏悬浮液没有异味，但是它的自然沉降速度较快，不容易形成稳定的浊液，在混凝剂加入前就有大量石膏沉积，不利于实验现象的观察；最后，高岭土悬浮液相较于其他两者，没有二者的缺点，且混凝前后浊度差较大，混凝效果较好，混凝曲线明显，实验现象容易观察，实验结论容易得出。故通过学生自主设计，得到了良好的效果，能够解决一些实验中遇到的问题，即哪种水样更好，更有利于混凝剂混凝效果实验开展，所以本次实验改进较为成功。

3 结束语

通过对混凝剂混凝效果设计性实验的改进与探索，不仅使学生在教学实验中理解了混凝知识，而且通过学生紧密合作，自主设计，提高了学生的创新能力、团结合作能力，使实验过程更加具有开放性、研究性、设计性，使学生参与度大幅度提高，从而使混凝实验更加完善，进一步体现了“研究型、国际化”的华北电力大学办学特色。我们通过不断改进和优化实验，取得了更好的教学效果，将研究性学习的改革进一步落实。

在今后的教学中，我们也要不断加强学生对实验步骤、实验原理的认知，进一步端正学生实验的态度，鼓励学生创新发展，塑造全方位发展型人才。这样，不仅有利于实验教学的开展，实验课程效果的落实，更有利于学生综合素质和能力的全方面发展。