建設精品實驗 提升大氣污染控制實驗教學水平

劉 濤， 羌 寧， 盛 力， 王士芬， 徐竟成

(同濟大學環境科學與工程國家實驗教學示范中心環境科學與工程學院，上海 200092)

0 引言

由傳統的實驗教學向新型的實驗教學轉變，關鍵問題是如何改變教師和學生的教與學。精品實驗項目的建立可以使實驗的教學形式更多樣化，加大了改革力度，提高了教學水平［1］。本項目的建立是想通過針對解決當前大氣污染的熱點的實際問題，把理論知識與先進工程治理技術相結合，對實驗內容的優化、組合與創新，拓寬實驗技術內涵。實驗項目為有機污染氣體(VOCs)的活性炭吸附與脫附實驗，學生通過一系列實驗，發現有機污染氣體可以通過活性炭吸附得以去除，又在脫附過程得到純度很高且有商業價值的有機溶劑，變廢為寶。該實驗方法是多層次的，由淺入深的。其教學內容涉及到空氣污染控制工程課程、環境工程實驗和現代儀器分析等課程的相關知識，是比較典型的重視培養學生實驗能力或相關實踐性的實驗，這是學以致用的最好實踐，可以實現由提高學生的知識水平向發展學生的創新能力的過渡［2-3］。

1 建立精品實驗項目的目的和意義

1.1 體現理論實踐的重要性

本實驗項目工藝原理來源當前國內有機污染氣體(VOCs)最先進處理工藝——氣體循環再生干式吸附凈化和脫附純化工藝，實現了實驗項目與工程實踐緊密結合［4-7］。同時實驗凈化處理的內容與當前環境熱點PM2.5的前驅物有機污染氣體相結合在一起。與一般驗證性實驗不同，其目的是探索工藝原理和工藝參數，其過程是理論、實驗、實踐，需要學生主動去探索，去發現和研究。

1.2 強調學生的主體地位

實驗中強調學生是主體，教師則處于主導地位。教師必須圍繞學生開展工作，提出實驗的基本要求和研究目標，并啟發和引導學生。學生必須在掌握基礎知識和基本技術的前提下，重點進行知識和技術的應用與創新。在實驗中，改變單一的接受式的學習方式，學生自主完成實驗操作，處理實驗數據，分析實驗結果，進行實驗研究。

實驗將活性炭吸附與脫附的內容與PM2.5的前驅物有機污染氣體聯系在一起，將先進的處理工藝和現代儀器分析測試應用于實驗。以培養學生工程實驗素質和綜合實驗的能力為核心，通過對相關知識點的綜合學習和應用，促進加深對已掌握的基礎知識的理解，全面提高學生的動手能力，擴大視野，豐富思維，并將知識融會貫通，使學生得到較全面的智能與技能訓練［8-9］。

2 精品實驗項目的特點

2.1 強化實驗內容提高實驗效率

加強學科前沿知識的介紹，引入能夠反映現代科技成果的實驗技術和方法，創設問題情境，激發學生探究知識的興趣［10］。讓學生直接接觸環境實踐和生活的一些實際問題，這些問題除了教師的引導，更需要學生自己去查閱教材以外的資料，汲取更多的知識，進一步提高觀察能力和分析問題的能力，從而提高實驗能力［11］。

VOCs活性炭吸附凈化和脫附純化回收的實驗內容前后銜接，由易到難，并將實驗中凈化和脫附回收相結合，力求能更合理地安排、利用時間，提高實驗效率。環境污染治理的重要原則是變廢為寶、資源利用。本項目中的工藝是采用是先進處理工藝和實驗儀器用現代儀器分析，對開闊學生眼界、培養技能，增加學習興趣具有重要意義。

2.2 典型的實驗案例

VOCs是PM2.5的前驅物之一，其危害見圖1和圖2。如能減少VOCs的排放，可以是降低PM2.5和減少霧霾產生的一種途徑。

圖1 PM2.5對城市空氣環境影響

圖2 霧霾對城市空氣環境影響

本實驗采用球形活性炭吸附凈化和脫附資源化VOCs［12～13］。即實驗第一階段利用活性炭巨大比表面積所形成的良好物理吸附性能將有機污染氣體分子吸附在活性炭表面，從而達到凈化氣體的目的。實驗第二階段通過變溫吸附操作，可實現吸附劑的再生并可得到濃集污染物的氣體以利于后續的回收或進一步資源化。

3 項目實施

3.1 實驗流程

實驗流程如圖3所示和實驗裝置如圖4所示。本實驗裝置包括氣體發生和計量系統，吸附塔(含底部加熱)系統，循環冷凝系統，采樣及分析系統等。

圖4 有機污染物吸附凈化和脫附資源化實驗裝置

本實驗采用鼓泡法配制一定濃度的乙酸乙酯氣體。通過流量計的流量控制及鼓泡發生器水浴溫度的控制調節可配置出一定流量一定濃度的乙酸乙酯氣體。不銹鋼吸附塔共設有3個吸附段，外徑為100 mm，其中圓環形保溫層厚度為25 mm，吸附塔有效直徑50 mm。本實驗中只有中間段裝填有90 mm厚度的顆粒活性碳層。吸附器底部設有氣體電加熱裝置用于吸附床再生。每層吸附段均設有溫度探頭用于監測實驗過程中的床層溫度變化情況。這樣系統設置的管道閥門系統可實現配氣旁路，吸附塔氣體從上向下的吸附和熱氣體從下向上的脫附等流動線路。

本實驗采用乙酸乙酯來模擬VOCs，其濃度的定量分析采用氣相色譜(已有標準曲線)，輔以FID或PID有機氣體分析儀確定排放口氣體采樣時機。

3.2 實驗方法和步驟

60 g顆粒活性碳已裝填在不銹鋼吸附塔的中間段(活性炭堆積密度約為360 kg/m3)，通過旁路排放系統預配氣體濃度約4 000 mg/m3、流量約2.4 m3/h的污染氣流。然后切換閥門到吸附塔管路“通”位置，在氣流穩定流動的狀態下，定時在吸附塔排放口處采樣測量凈化后的氣體中乙酸乙酯的濃度并定時記錄吸附塔處的溫度變化情況，待吸附凈化排氣中污染物濃度升高到進氣濃度85%以上時停機。通過以上實驗可得到入口氣體，等溫操作條件下活性炭對工況條件下乙酸乙酯的吸附透過曲線，以及吸附層斷面和排放口氣體的溫度變化曲線。

吸附試驗結束后，開啟吸附塔底部的電加熱裝置，設定溫度150℃，設定氣體流量2 m3/h，開始吹脫試驗，定期采樣測定脫附排放口處的乙酸乙酯濃度并觀察記錄吸附塔上的3處溫度變化情況。通過該階段實驗可得到熱氣體脫附曲線和脫附過程床層溫度變化曲線。

實驗操作步驟如下:

(1)啟動氣相色譜儀，如圖5所示。

圖5 實驗中使用的氣相色譜

(2)啟動乙酸乙酯發生器水浴鍋和風機，調節實驗裝置上的閥門，使實驗裝置處于配制氣體濃度狀態，測定定配制氣體濃度在3 000～5 000 mg/m3濃度區間中的某一點。

(3)調節實驗裝置上的閥門，使實驗裝置處于吸附狀態。然后每隔5 min在排放口處采樣，通過100 mL注射器采樣，然后由1 mL注射進樣器分樣通過氣相色譜分析吸附塔排放口氣體濃度(見圖6和圖7)，得到的3點平均濃度作為本次實驗的排放口濃度，直至排放口濃度達進口濃度值的85%以上。實驗期間注意觀察并保持配氣流量計流量的穩定。

圖6 實驗中學生取排放口樣圖

圖7 實驗中學生使用氣相色譜測定數據

(4)吸附完成后，關閉乙酸乙酯發生器，然后調節閥門使實驗裝置處于脫附狀態，打開吸附器底部電加熱器的開關，啟動脫附系統。以后每隔3 min記錄床層溫度，并直至T2溫度在140℃以上時間保持10 min以上后為止。每隔5 min按照步驟(3)的方法在活性炭吸附塔的排放口處采樣分析排氣濃度，直至濃度降到200 mg/m3以下為至。

(5)放置脫附過程中冷凝系統的回收的乙酸乙酯，見圖8。

圖8 回收的乙酸乙酯

(6)脫附完成后，2～4 h保持脫附溫度140℃以上，這是為了把活性炭吸附乙酸乙酯脫干凈，為了下一批學生做實驗做準備。

(7)關閉氣相色譜，關閉所有實驗設備電源。

3.3 實驗操作與實驗報告

實驗中嚴格要求規范操作，特別訓練氣相色譜的使用，圍繞有機污染氣體活性炭吸附與脫附性能展開實驗。本項目具有一定的廣泛性和工程實踐性，可對不同種類的有機污染性氣體進行實驗研究，研究其活性炭吸附穿透工藝參數和變溫脫附工藝參數。整個過程以培養學生的工程素養和實踐能力為重點，激發學生探索工藝參數的興趣，培養學生求真務實的科學態度。

在經歷了上述的實驗后，接著要做的就是根據實驗數據分析活性炭吸附曲線和脫附曲線(見圖9和圖10)，并提出相應的吸附床設計參數。這對學生提出了更高的要求，他們一方面需要通過對相關知識點的綜合學習和應用，進一步加深對基礎知識的理解;另一方面必須學會運用大氣污染控制工程和現代儀器分析等課程的相關知識和實驗結果，對所檢測的數據結果作綜合分析和評述，得出相應工藝參數［14-16］。在這過程中，教師進行難點的講解、指導，以啟發為主，鼓勵學生提出自己的見解和看法，真正實現以學生為主體、教師為主導的新型教學形式。體現出以知識和基本技能為基礎性內容、工程素養培養為中心內容的實驗教學體系。學生除了全過程參加實驗外，還必須根據實驗內容，查閱文獻資料，在親身體驗中探究新知，拓展創新思路，完成實驗報告。這對學生進行系統的理論學習、方法和技能的培養，具有重要意義。

圖9 活性炭吸附穿透曲線

圖10 活性炭脫附曲線

4 結語

以上內容是常用的大氣污染控制工程和現代儀器分析實驗技術，在本實驗項目中得到了貫通，這無論是對于知識的綜合性還是拓寬專業口徑都是至關重要的。當然在實施過程中也難免存在一些問題，例如由于大型儀器氣相色譜的使用，大大提高本科生參加實驗的興趣和熱情，但是氣相色譜僅配備2臺，現在是4組8位同學公用1臺，如果安排不當會造成參加實驗學生分析測試時全部擁擠在氣相色譜前，不測試時儀器空開，從而影響實驗效果。故需要在實驗前合理安排每組啟動實驗裝置的時間，使每組依次使用氣相色譜，來解決上述問題。另外在實驗是在活性炭吸附后再進行脫附，因為增加教學內容，所需時間跨度長，有時會對實驗造成一些影響，還需要進一步的探索和實踐，不斷積累經驗，取得更好的教學效果。

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