大气污染控制工程教学实验设计及实践

张大全，张婷婷，辛志玲

(上海电力大学环境与化学工程学院，上海 201306)

大气污染对工业生产的危害十分严重，这些危害可影响经济发展，造成大量人力、物力和财力的损失。大气污染物对工业的危害主要有两种[1-3]：一是大气污染物，如二氧化硫和二氧化氮等，对工业材料、设备和建筑设施的腐蚀；二是大气污染物对精密仪器、设备的生产、安装调试和使用带来的不利影响。另一方面，金属的腐蚀带来了巨大的经济损失、环境灾难和人身伤害。据调查，我国的腐蚀造成的直接经济损失每年在2.1万亿元左右，占我们国家国民经济总产值的3.34%。在各类大气污染物中，SO2对金属的腐蚀影响最大[4-7]。面对当前大气环境问题的不断产生，大气污染控制工程实验课应与工业生产实际相结合，设计创新性实验，培养学生解决实际问题的能力[8-13]。针对我校环境工程专业开设的“大气污染控制工程教学实验”课程，我们设计了“大气污染物对金属材料耐蚀性影响”的课程教学实验，取得了较好的教学效果。

1 综合实验设计

1.1 实验设计与创新点

同学们通过理论课程，认识到我国的大气污染现状，对我国的空气质量以及大气污染物来源与种类有较好掌握。同学们也了解大气污染对人体健康的严重影响，但对空气污染对我国工业生产的影响认识不清。实际上，在重污染的工业园区输电线路因腐蚀造成的安全事故时常发生，对电力的安全生产带来了严重影响。针对大气污染控制工程课程中出现的问题，根据电力腐蚀与防护的科研项目，结合实验室的有效资源，我们通过强制冷凝条件，比较碳钢试片在潮湿环境条件、含有SO2的环境条件以及含有气相缓蚀剂(本实验中采用碳酸环己胺)的条件下的腐蚀情况，设计了一个大气污染物SO2对碳钢材料的耐蚀性影响的教学实验。这一课程实验可以提升学生对大气污染控制工程实验课程的兴趣，让学生了解学科前沿的知识，也可以提高学生解决实际问题的综合能力。

1.2 实验装置和仪器

在一个广口瓶中，通过甘油水溶液控制环境的相对湿度，采用亚硫酸钠和1∶1硫酸溶液制备SO2，通过往铝合金管中注入冰水混合物在碳钢试片表面强制结露，然后通过一定时间的暴露，观察和比较碳钢试片在潮湿、含有SO2、含有气相缓蚀剂的环境条件下腐蚀情况。

实验装置：

(a)取用一个13号橡胶塞和两个9号橡胶塞，在每个橡胶塞端面中心各打一个φ16 mm的通孔。

(b)将试片压入一个9号橡胶塞大面的通孔中，试片表面应与橡胶塞大面平行，试片露出高度不应超高3 mm。

(c)按图1所示，在13号橡胶塞中心插入铝管，在大面端铝管上插入未带试片的9号橡胶塞；在小端面铝管上套上一个隔热胶管后，再插入装有试片的9号橡胶塞内。铝管应与试片接触。两个9号橡胶塞的小面均面对13号橡胶塞。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental device

所用实验材料如下：

广口瓶：容积 1 000 mL，瓶口内径φ60 mm；

橡胶塞：13号橡胶塞，大面直径φ68 mm、小面直径φ59 mm、高40 mm；9号橡胶塞，大面直径 φ46 mm、小面直径φ36 mm、高34 mm；

铝管：外径φ16 mm、壁厚1.5 mm、长114 mm；

称量瓶：内径φ(40±2)mm、高10～20 mm的玻璃制品；

玻璃表面皿：直径φ120 mm；

砂纸：400号氧化铝砂纸；

无水乙醇：符合GB/T 678-2002要求，化学纯；

丙三醇：符合GB/T 687-2011要求，化学纯；

隔热胶管：外径φ20 mm，壁厚2.5 mm，硅胶材质；

10#钢凹型试片：φ16×13(圆柱中心有一直径10 mm深10 mm凹槽)，见图2。

图2 10号钢凹型试片示意图Fig.2 Profile of 10# steel concave test specimen

1.3 实验步骤

实验步骤如下：

(1)广口瓶底部注人10 mL质量分数为35%的丙三醇水溶液，使广口瓶内在20 ℃下形成90%的相对湿度。

(2)称取相应污染物或气相缓蚀剂，置于称量瓶内，将称量瓶放入广口瓶中底部中央。粉状称取(0.10±0.005)g，液状称取(0.10±0.005)g。本实验采用SO2、空白和碳酸环己胺(气相缓蚀剂)来进行实验。SO2由亚硫酸钠和相应的1∶1硫酸溶液制备(称取0.2 g亚硫酸钠，滴入0.2 mL 1∶1硫酸溶液)。

(3)按图1对试验装置进行组装。

(4)将组装好的广口瓶放置30 min后取出，迅速向广口瓶上的铝管内注满0～2 ℃的水，然后静置40 min。

(5)倒掉铝管中的水，立即取出试片，检查试验表面的锈蚀情况。如试验表面有可见凝露，应马上用镊子夹取浸有无水乙醇的脱脂棉，轻轻擦洗后吹干检查。

(6)每次进行2组试验，其中1个为空白试验。

(7)将实验数据填写至表1。

2 结果计算和处理

2.1 腐蚀速率计算

参考GB/T16545-2015《金属和合金的腐蚀试样上腐蚀产物的清除》，通过除锈液或洗液将腐蚀产物从试样基体表面超声去除(腐蚀产物大面积覆盖基体)或手动刮掉(腐蚀产物较少)，利用无水乙醇和蒸馏水分别超声清洗，冷风干燥后称重。腐蚀速率计算方法如下：

(1)

其中，R为腐蚀速率，μm/a；wo代表试样的原始重量，g；wt代表试样除锈后的重量，g；S是试样的腐蚀面积，m2；ρ是金属材料的密度，g/cm3；t是暴露时间，a。

2.2 带锈宏观形貌观察

图3 碳钢表面宏观照片Fig.3 Images of carbon steel surface under the condition of humid environment(a)，vapor corrosion inhibitor(b)and sulfur dioxide(c)

图3(a)为空白对照组，观察其表面可以看出，有一定程度的点状腐蚀，腐蚀程度较轻。图3(b)为实验组(含碳酸环己胺)，观察其表面可以看出无明显腐蚀痕迹，表面较为光亮。图3(c)为实验组(含SO2气体)，观察其表面可以看出，有大面积黑色，腐蚀较为严重。

3 实验设计对教学效果的提升

原有教学形式主要是讲解和测验，学生在此学习过程中基本处于被动接收的状态。在这种情况下，学生学习的主动性被抑制，对所学内容理解不深刻。而通过实验的教学方法更能激发和提升学生的学习主动性以及科研实践能力和培养学生的动手能力，进以提高教学效果与质量。以下为本次实验设计中对教学效果的提升的具体阐述。

(1)学生根据实验目的要求，学习了大气污染控制工程课程的主要知识，而且了解了不同大气污染物对金属材料的腐蚀程度，增强了学生对“大气污染”这一概念的理解。大气污染系指由于人类活动或自然过程使得某些物质进人大气中，呈现出足够的浓度，达到了足够的时间，并因此而危害了人体的舒适、健康和人们的福利，甚至危害了生态环境。其中所谓福利，系指与人类协调共存的生物、自然资源以及财产、器物等给人们带来的福利。通过这一实验，加深了同学们对于“大气污染物对器物和材料的影响”的认识。

(2)在实验过程中，学生自己动手搭建装置，有助于提高学生的实践能力。首先学生需提前观察实验装置，了解其使用用途，懂得实验原理。之后学生在装置搭建过程中容易暴露不足，这时加以正确的引导，让学生在不断完善实验操作中吸取知识、提高技能。同时利用自制实验装置可操作性强的特点，设计大气污染控制开放性创新实验，可以有效解决学院里大气污染控制工程实验教学中设计性、综合性实验偏少，学生参与意愿弱的问题。

(3)通过实验现象让学生进一步思考材料的防腐蚀措施和大气污染物对金属材料的腐蚀原理，提高学生的学习探索能力。学生在实验课程当中4人一组，由学生自由安排分工配合。学生需记下所有测试过程及实验数据，并对关键步骤及实验现象进行拍照记录，对于实验中出现的问题，让学生先进行独立思考，并形成书面记录反馈给老师，老师在传授过程中逐步引导学生找到解决问题的方法并就出现的问题针对性的进行讲解。

(4)通过实验进一步调动了学生学习的主动性。在实验过程中，老师采取辅导为主的实验指导方式。主要针对学生实验中出现的问题，指出解决问题的思路和一般方法，让学生经过自己反复实验总结规律，找出解决问题的方法。在此过程中，学生是实验教学的主体，能够更好的发挥其主观能动性。

4 实验设计的后续改进

通过对大气污染控制工程实验课程进行一定的教学改革和创新，设计了“大气污染物对金属材料耐蚀性的影响”实验。该实验既可以增强学生对“大气污染物危害性”的认识，又增加了教学的趣味性。同时也有利于进一步提高学生的专业水平、实践技能和创新能力，改善环境工程专业毕业生的知识结构，增强其社会竞争力。但是，如何在工业重污染地区，防止大气污染物对材料和机械设备的危害，需要进一步加强这方面的培训内容。可以以该实验为基础，开设一些后续的防护实验，形成一个综合性的科学探究实验。为帮助学生能有效进行设计，提前将实验装置清单、设计性实验项目的题目、实验设计要求下发给学生，由学生自己进行设计，锻炼其独立思考分析能力。学生完成实验设计后上交老师，由老师检查其方案的可行性、可操作性和完善性，并进一步指导学生完善实验设计方案。

5 结 语

大气污染控制工程课程作为环境科学与工程专业的核心课程之一，开发其创新的实验课程十分重要。本教学实验可以用于探究大气污染物对金属材料腐蚀的影响，考察在含有大气污染物的环境下如何提高金属材料的耐蚀性能。这将强化学生们对大气污染物的环境危害和工业生产实际影响的认识，使他们具备解决实际问题的能力，满足复合型工程人才培养的需求。