科研助力教學打造自制化工教學儀器

馮紅艷徐銅文 高明麗

(中國科學技術大學化學實驗教學中心，合肥230026)

科研助力教學打造自制化工教學儀器

馮紅艷*徐銅文 高明麗

(中國科學技術大學化學實驗教學中心，合肥230026)

介紹一個自2015年度春季開始用于本科教學的分離實驗項目。科研助力教學，將已獲得國家專利的卷式擴散膜組件設計成化工基礎實驗自制的實驗儀器，并將正在主持的國家自然科學基金項目的部分內容轉化為可用于教學的實驗內容。通過教學和科研工作的有機結合，形成既有特色又緊跟學科前沿的教學儀器和實驗內容。

化工基礎實驗；膜分離實驗；實驗室建設

1 引言

化工基礎實驗作為中國科學技術大學國家級化學實驗示范中心的一門基礎實驗課，在實驗項目建設過程中，應該有更高的要求。化工基礎實驗要建設有特色的實驗內容，更應該建設能體現化工學科前沿的實驗內容[1]。在這種課程建設的思想指導下，借力于我校功能膜研究室的科研平臺，現開設和膜分離相關的化工實驗[2－4]如下：(1)乳酸發酵-陶瓷膜過濾-雙極膜轉化集成實驗；(2)食品中營養成分提取及分離實驗；(3)板式擴散滲析回收工業廢酸實驗；(4)滲透蒸發在燃料乙醇分離中的應用實驗；(5)電滲析在磷回收中的應用實驗；(6)膜蒸餾實驗；(7)卷式擴散滲析分離酸鹽實驗；(8)納濾分離糖和鹽水溶液實驗；(9)超濾分離明膠水溶液實驗；(10)分離設備組件的裝配實驗；(11)雙極膜電滲析制取無機酸和堿實驗等。其中實驗項目(7)“卷式擴散滲析分離酸鹽實驗”是一個科研成果轉化的本科教學實驗項目。作者作為國家面上基金項目“卷式擴散滲析膜組件的優化設計和應用基礎研究”科研課題的負責人，同時也是化工基礎實驗課課程建設的負責人，將科研工作和實驗教學進行有機結合，更好地實現科研助力教學，完成“卷式擴散滲析裝置”的設計、調試和實驗內容體系的確定。自2015年春季用于本科教學，教學效果良好。下面介紹具體的建設思路和做法。

2 自制儀器的建設

自制實驗教學儀器的核心部分是要有自主產權的產品。對于作為卷式擴散裝置核心元件的卷式擴散膜組件，這一部分化工基礎實驗室仍然要從功能膜實驗室借力，圖1是功能膜研究室制作的不同面積、不同尺寸的膜組件，圖2是成品的膜組件實物圖。膜組件已經獲得國家專利(201010144042.4)。

圖1 不同尺寸的卷式擴散膜組件

科研工作的實驗過程和在傳統授課模式下的實驗教學過程有本質的區別，教學儀器要求便于操作和講解。圖3是科研儀器和教學儀器的實物圖，通過廢液罐、純水罐、蠕動泵、殘液罐、回收酸罐以及管路閥門的規范化使用，使得卷式擴散滲析膜裝置適合用于本科實驗教學。

圖3 科研儀器(左)和教學儀器(右)實物圖

3 實驗內容的探索

3.1 實驗原理

擴散滲析以濃度差為推動力，理論上不消耗能量(除泵輸送液體外)，具有操作簡單、可連續化作業等優點，在濕法冶金、有色金屬加工、廢酸(堿)回收、苦咸水淡化、海水濃縮及化工和制藥分離等領域有著廣泛的應用前景。如利用陰離子膜擴散滲析，由于陰離子膜對高價金屬離子的排斥和對酸根陰離子的優先選擇性透過可實現酸和金屬離子的良好分離，回收的酸可返回初始工序重復使用，殘液由于酸的濃度很低可直接提取金屬，可以解決我國的鋼鐵酸洗廢液、鈦白粉廢液、冶金廢液、金屬電解廢液、精細化學品生產廢液等的排放問題，實現這些行業的節能減排；同樣，利用陽離子膜擴散滲析，借助于陽離子膜對高價陰離子的排斥和對金屬陽離子的優先選擇性透過可實現堿與金屬離子的良好分離，在鎢鉬工業、鋁業和造紙工業具有廣泛的應用。

考慮本科生實驗教學內容可操作性、重復性等特點，實驗選用硫酸和亞鐵鹽體系，模擬工業鈦白廢液。回收酸鹽廢液中的無機酸采用的是陰離子交換膜擴散滲析法(圖4)，陰離子交換膜是有選擇透過性的，首先陰離子膜的骨架本身帶正電荷，在溶液中能夠吸引帶負電荷的水合離子，而排斥帶正電荷的水化離子，故在濃度差的作用下，廢液側的無機酸根離子被吸引而順利地透過膜進入水的一側。其次根據電中性要求，帶正電荷的離子也有透過膜的趨勢，由于氫離子的水化離子半徑較小，電荷較少，而金屬離子的水化離子半徑較大，又是多價態的，因此氫離子會優先通過膜，如此，廢液中的無機酸就被分離出來。

圖4 擴散滲析原理

酸回收率計算公式如下：

式中crH為回收酸液中硫酸的濃度，Qr為回收酸液的流量，cjH為殘液中的酸濃度，Qj為殘液的流量。

鐵離子的截留率計算公式如下：

式中cjFe為殘液中亞鐵離子的濃度，Qj為截留液的流量，crFe為回收酸液中亞鐵離子的濃度，Qr為回收酸液的流量。

3.2 實驗試劑

0.5 mol?L－1FeSO4和2 mol?L－1H2SO4混合溶液(模擬鈦白廢酸液)、0.05 mol?L－1KMnO4標準溶液、0.2 mol?L－1Na2CO3標準溶液、甲基橙指示劑。

3.3 實驗裝置

本實驗裝置是自主研發的實驗教學設備，裝置由合肥科佳高分子材料有限公司加工，整個裝置主要包括卷式擴散滲析膜組件2只(有效面積分別為1 m2、5 m2)，蠕動泵2只(河北保定蘭格恒流泵有限公司提供)，4只溶液罐(3 L左右)，整個裝置示意圖見圖5。

廣西壯族絕經婦女45～50歲5個ER-β 基因Rsa I 酶切基因(RR、Rr、rr、r、R)組的血清雌二醇、孕酮水平中，RR基因組、Rr基因組、rr基因組、r基因組、R基因組中，r基因組的雌二醇和孕酮血液水平明顯低于其它4組，而r基因組的雌二醇和孕酮血液水平下降，反饋作用于腦垂體，引起垂體分泌更多促卵泡激素、黃體生成素[9-10]，所以r基因組的促卵泡激素、黃體生成素明顯高于其它4組。ER-β 基因 的Rsa I 酶切基因r基因型，在絕經后此類基因型的人群，雌激素水平更低，更易患雌激素缺乏性老年性疾病，患病臨床癥狀更重，此類人群應該提前預防。

3.4 實驗步驟

具體實驗步驟如下：(1)流道的沖洗與排氣。

實驗前，開啟兩側蠕動泵的閥門，用廢酸液和純水分別沖洗兩側的流道，直至將流道內的氣泡排盡為止。其中一臺設備中廢酸液從左側的中心管進入，自來水從右側的測流管進入，兩股液體在組件內部形成螺旋式逆流流動；另一臺設備中廢酸液從左側的中心管進入，自來水從右側的中心管進入，兩股液體在組件內部形成螺旋式順流流動。

(2)廢液和純水。

圖5 卷式擴散滲析裝置示意圖

待兩側流道中的氣泡排盡后，關閉蠕動泵的閥門，將廢液罐與純水罐中分別注入相等體積的廢液與純水。

(3)控制流速。

調節兩側蠕動泵的流速，保證流速比為1:1，兩側流速可為20 mL?min－1，開啟蠕動泵，實驗開始。

(4)濃度監測。

實驗過程中，以10 min為時間間隔，在圖5所示的兩個流道的出口4、5取樣，待分析。

(5)當兩側的濃度穩定后，放入5 L純水沖洗設備，結束實驗。

3.5 結果分析

實驗中硫酸濃度和鐵離子濃度由滴定方法測定，硫酸濃度用標準的Na2CO3溶液滴定，并以甲基橙作為指示劑，亞鐵離子濃度是用標準的KMnO4溶液滴定。計算截留率和回收率，相關結果一并記錄在如表1所示的表格中。

表1 實驗結果記錄表

進行Fe2+與H+濃度的分析，繪制兩側Fe2+/H+濃度-時間變化圖，通過回收率和截留率數據，討論順流和逆流兩種流動方式對擴散滲析效果的影響。

通過教學實踐，上述實驗的內容安排滿足了在規定的課時內完成規定的實驗步驟的基本要求。同時在具體的實驗過程中采用小組合作的方式進行實驗，即兩組學生分別完成順流或逆流操作方式，實驗結束后兩組實驗結果放在一起進行分析，書寫實驗報告。通過小組合作的方式，學生熟悉了擴散滲析技術的基本原理、卷式擴散滲析膜組件的結構及基本操作流程，了解了時間對卷式擴散滲析膜組件內流體流動方式對分離性能的影響，熟悉了擴散滲析技術在鈦白廢酸行業中的應用，并且通過實驗數據的分析可以得到有效的實驗結論。卷式擴散滲析實驗的內容安排適合本科生的實驗教學。

4 結語

作為理科院校的化工基礎實驗無法做到實驗項目的大型化，但是卻可以通過教學和科研工作進行有機的結合，形成具有特色又緊跟學科前沿的教學儀器和實驗內容。本實驗項目在建設過程中具體的建設思路和做法為：(1)利用科研實驗室現有膜組件的制備工藝，設計一套適合本科教學的實驗儀器；(2)利用正在進行的科研項目選擇合適的分離體系，用于實驗教學；(3)實現實驗教學儀器的自主創新；(4)保證實驗內容緊跟科研前沿。通過2015年度在本科生教學的實踐過程，本套實驗教學設備規范、易于操作，實驗教學步驟安排緊湊合理，實驗教學內容緊跟學科前沿，是一個值得推廣的實驗教學項目。希望本文的工作能對理科化學專業化工基礎實驗建設有一定的啟示作用。

[1]馮紅艷,傅延勛,楊偉華,徐銅文.大學化學化工課程報告論壇論文集.北京:高等教育出版社,2012.

[2]馮紅艷,徐銅文,王曉林,楊偉華.大學化學,2015,30(1),59.

[3]馮紅艷,楊偉華,徐銅文.化工高等教育,2014,No.1,67.

[4]馮紅艷,徐銅文,楊偉華,傅延勛.化學工程實驗.合肥:中國科學技術出版社,2014.

Design of Instrument for Laboratory Teaching Based on Scientific Research

FENG Hong-Yan*XU Tong-WenGAO Ming-Li
(Chemistry Experiment Teaching Center,University of Science&Technology of China,Hefei 230026,P.R.China)

The separation experiment project introduced in this paper had been used in undergraduate teaching since the spring of 2015.Apatented spiral wound diffusion dialysis membrane module was used to design a set of teaching instrument.Parts of an onging National Natural Science Foundation research contents were applied in teaching.The chemical engineering laboratory teaching contents were continuously enriched by following the forefront of scientific research.

Chemical engineering experiment;Membrane separation experiment; Construction of lab

G64；O6-3

*通訊作者，Email:fenghy@ustc.edu.cn

省級教研項目(2015jyxm001)

10.3866/PKU.DXHX201603018

www.dxhx.pku.edu.cn