基于超臨界水氧化技術(shù)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

楊 麗，閆景春，許 輝，廖傳華

（南京工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211816）

面對(duì)能源行業(yè)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的新形勢和新任務(wù)，應(yīng)積極響應(yīng)國家發(fā)展戰(zhàn)略與產(chǎn)業(yè)需求，跟蹤工程技術(shù)最新發(fā)展，拓寬新工科創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)路徑，構(gòu)建面向新工科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，推進(jìn)基于成果導(dǎo)向的工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力培養(yǎng)［1-2］。目前國內(nèi)能源與環(huán)境系統(tǒng)工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，大多還局限于能源動(dòng)力方向，鮮見針對(duì)能源環(huán)境問題進(jìn)行系統(tǒng)化解決的專業(yè)實(shí)驗(yàn)案例，影響了學(xué)生對(duì)專業(yè)內(nèi)涵的理解和專業(yè)理論知識(shí)的掌握。因此，面向能源與環(huán)境系統(tǒng)工程專業(yè)，以及相關(guān)新興專業(yè)，如碳中和與科學(xué)、能源環(huán)境工程等專業(yè)，亟待改革創(chuàng)新，推進(jìn)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的一流本科課程建設(shè)［3］，設(shè)計(jì)出富有專業(yè)特色，緊跟行業(yè)新技術(shù)、新成果的專業(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，構(gòu)建起適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求的實(shí)踐教學(xué)體系［4］。

本文以前沿的能源環(huán)境技術(shù)將超臨界水氧化過程與能量梯度回用系統(tǒng)進(jìn)行耦合，搭建了基于超臨界水氧化過程的能源環(huán)境體系，創(chuàng)新性設(shè)計(jì)了“高濃有毒有機(jī)廢液的超臨界處置與資源化系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，將科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，有力強(qiáng)化了能環(huán)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐環(huán)節(jié)。目前未見國內(nèi)其他本科院校開設(shè)類似實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，屬于國內(nèi)首創(chuàng)的能源環(huán)境類本科綜合性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，是一個(gè)具有推廣價(jià)值的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)新思路。

一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）融合能源環(huán)境技術(shù)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

超臨界水氧化（supercritical water oxidation，SCWO）技術(shù)是指利用氧化劑與有機(jī)物在超臨界水中的超高溶解性與擴(kuò)散速率特性，而發(fā)生強(qiáng)烈、快速的氧化反應(yīng)，通常1min內(nèi)就可實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)物的徹底裂解。SCWO技術(shù)理論上可適用于處理任何有機(jī)物，包括很多難降解的有毒、有機(jī)污染物，能夠?qū)⑵鋸氐邹D(zhuǎn)化為CO2和H2O，將有機(jī)物中的氮轉(zhuǎn)化為N2或N2O等無害物質(zhì)，將其中的磷、氯、硫等元素氧化，并以無機(jī)鹽形式從超臨界水中析出，處理后的廢水可完全回收利用，而不形成二次污染，真正實(shí)現(xiàn)有毒、有機(jī)污染物的無害化處置。影響SCWO處理效率的工藝參數(shù)主要有反應(yīng)溫度、壓力、過氧系數(shù)、停留時(shí)間、廢液COD（chemical oxygen demand）濃度等。印染、石化等行業(yè)生產(chǎn)過程中常會(huì)排放大量高濃度有毒有機(jī)廢液（COD可達(dá)1×105mg/L）。針對(duì)這類高濃有毒有機(jī)廢液的處理，SCWO技術(shù)不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)難降解COD的深度裂解，而且排放產(chǎn)物僅為固體殘?jiān)c蒸汽余熱。一般來說，當(dāng)有機(jī)物含量（以COD計(jì)）超過10%時(shí)，若對(duì)高濃COD裂解釋放的大量反應(yīng)熱進(jìn)行回用，經(jīng)能量平衡核算與利用后甚至可實(shí)現(xiàn)SCWO 工藝的自熱運(yùn)行而無需額外供能，從而低成本地實(shí)現(xiàn)高效處置，技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯［5］，十分適合作為能源環(huán)境系統(tǒng)工程及相關(guān)專業(yè)的典型實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例。自主設(shè)計(jì)與搭建了10 kg/h的連續(xù)式“高濃有毒有機(jī)廢液的SCWO處置與資源化系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)［6］，工藝流程如圖1所示，SCWO教學(xué)平臺(tái)集成體現(xiàn)了系統(tǒng)化成套設(shè)備的設(shè)計(jì)與運(yùn)行，覆蓋了有機(jī)化學(xué)、水分析化學(xué)、工程熱力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、熱工測量與儀表、熱力系統(tǒng)分析等諸多課程知識(shí)點(diǎn)，涉及有機(jī)廢棄物的氧化降解、反應(yīng)過程的高效傳質(zhì)、換熱器的高效傳熱、能量平衡核算與熱力優(yōu)化分析、過程裝備儀器儀表控制等原理、方法和技術(shù)，涉及流量計(jì)、壓力表、熱電偶等自控儀器儀表的專業(yè)實(shí)踐操作，是能源與環(huán)境相關(guān)專業(yè)的大型綜合性訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。基于搭建的融合能源環(huán)境技術(shù)的SCWO 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)兼具創(chuàng)新性和實(shí)用性，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中可靈活調(diào)控和優(yōu)化反應(yīng)條件，十分有利于本科生的綜合運(yùn)用專業(yè)知識(shí)能力、專業(yè)實(shí)驗(yàn)操作技能和科學(xué)創(chuàng)新能力的提升。

圖1 高濃有毒有機(jī)廢液的SCWO處置與資源化系統(tǒng)工藝流程

（二）模塊化的綜合性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

依據(jù)教育部“兩性一度”一流課程的要求，圍繞“學(xué)生中心、問題導(dǎo)向、學(xué)科融合、創(chuàng)新實(shí)踐”的教學(xué)理念［7］，進(jìn)行了模塊化實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)［8］，詳見圖2所示。具體可分為4個(gè)模塊：原理認(rèn)知、基礎(chǔ)操作、綜合設(shè)計(jì)和拓展學(xué)習(xí)。其中，基礎(chǔ)操作與綜合設(shè)計(jì)是核心模塊。若將原理認(rèn)知與基礎(chǔ)操作模塊進(jìn)行組合，即可形成基礎(chǔ)性的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)單元，重點(diǎn)促進(jìn)學(xué)生對(duì)已學(xué)理論知識(shí)的深化理解，熟悉反應(yīng)設(shè)備與換熱器件的操作與運(yùn)行、各類自控儀表的運(yùn)行與監(jiān)控、常見環(huán)境水質(zhì)指標(biāo)的檢測與分析，觀察和分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果等基本方法，深化學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)技能的掌握，為組合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。若將原理認(rèn)知與綜合設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行組合，則可形成高階性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)單元，重點(diǎn)促進(jìn)學(xué)生熟悉熱力系統(tǒng)分析原理與方法，利用學(xué)過的專業(yè)理論知識(shí)完成能量平衡核算與傳熱過程優(yōu)化，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高分析和優(yōu)化能源環(huán)境體系的能力。后續(xù)的拓展學(xué)習(xí)模塊，主要是由教師指導(dǎo)，學(xué)生獨(dú)立或組隊(duì)完成一個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課題的形式進(jìn)行，如基于創(chuàng)新實(shí)踐科研項(xiàng)目，要求學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究思維方法、創(chuàng)新意識(shí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和科學(xué)研究能力。可見，利用自主設(shè)計(jì)的SCWO實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行的整體模塊化實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，有利于培養(yǎng)學(xué)生掌握能源與環(huán)境交叉領(lǐng)域的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技能、實(shí)踐動(dòng)手能力與創(chuàng)新思維能力，賦能科學(xué)研究和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生聚焦“雙碳”目標(biāo)和能源革命，成為肩負(fù)引領(lǐng)綠色低碳社會(huì)文化風(fēng)尚的能源環(huán)境工程師。

圖2 基于SCWO的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)體系

（三）多維度現(xiàn)代化技術(shù)輔助的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

為提升學(xué)習(xí)成效，針對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目特點(diǎn)開展了多維度教學(xué)模式的探索。針對(duì)不同認(rèn)知層面的要求，利用線上線下混動(dòng)、微課、虛擬仿真技術(shù)等手段進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)教學(xué)組合模式的探索與實(shí)踐。如圖2所示，將實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)操作等知識(shí)點(diǎn)與基于超星學(xué)習(xí)通平臺(tái)的線上教學(xué)手段相結(jié)合，將基于線下教學(xué)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程與線上平臺(tái)緊密聯(lián)系，建立起微課輔助的線上、線下混動(dòng)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，滿足學(xué)生課前預(yù)習(xí)，熟悉實(shí)驗(yàn)流程與方法，并有利于實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)、課后自主學(xué)習(xí)。為了不斷提升教學(xué)質(zhì)量，還開展了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐與探索，采用探究式、任務(wù)驅(qū)動(dòng)式和自主設(shè)計(jì)式等教學(xué)方法［9］，進(jìn)一步推進(jìn)挑戰(zhàn)性、高階性在線教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐的主動(dòng)性和積極性，體現(xiàn)了現(xiàn)代信息技術(shù)與實(shí)踐教學(xué)的深度融合。現(xiàn)代信息技術(shù)輔助的多維度實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探索與實(shí)踐，可有力促進(jìn)學(xué)生的基本專業(yè)實(shí)驗(yàn)技能的掌握，深化學(xué)生對(duì)專業(yè)理論知識(shí)的掌握，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)專業(yè)內(nèi)涵的理解，還可培養(yǎng)學(xué)生能夠運(yùn)用專業(yè)實(shí)驗(yàn)技能解決典型能源環(huán)境跨界問題、學(xué)科交叉融合問題的工程應(yīng)用能力，創(chuàng)建學(xué)生的自我激勵(lì)機(jī)制，推進(jìn)基于成果導(dǎo)向的工科學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)需求的協(xié)同發(fā)展。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例與實(shí)踐

基于高濃有毒有機(jī)廢液處置的超臨界SCWO實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，是我校能源與環(huán)境系統(tǒng)工程專業(yè)四年級(jí)本科生必修課“能源環(huán)境綜合實(shí)驗(yàn)”課程的重要內(nèi)容，目前已開展了4 屆本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐。教學(xué)實(shí)踐以某石化企業(yè)排放的工藝排水為教學(xué)案例的處理原水試樣。經(jīng)檢測，原水COD為72 000 mg/L，氰化物（CN）為2 950 mg/L，pH介于6～7，且不含溶解鹽類，為典型的高濃有毒有機(jī)廢液。針對(duì)影響超臨界水氧化工藝的4個(gè)主要因素：壓力P、溫度T、停留時(shí)間t和過氧系數(shù)σ，分別設(shè)計(jì)了5～6個(gè)水平的實(shí)驗(yàn)工況。實(shí)驗(yàn)基于SCWO實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，設(shè)定有毒有機(jī)廢液的進(jìn)水流量為10 kg/h，氧化劑采用過氧化氫（H2O2），分別改變SCWO實(shí)驗(yàn)裝置的運(yùn)行工況，反應(yīng)結(jié)束后取樣檢測處理出水的COD、氰化物（以CN計(jì)）等水質(zhì)指標(biāo)。學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后，依據(jù)檢測結(jié)果評(píng)價(jià)處理出水是否水質(zhì)達(dá)標(biāo)，繪制出有機(jī)廢液的COD、CN去除率分別隨P、T、t和σ各因素的影響曲線。以壓力工況P為例，可獲得圖3的處理出水COD和CN去除率關(guān)于P的影響趨勢結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)SCWO系統(tǒng)隨著P的增大，對(duì)COD與CN的去除率在不斷提升，而且隨著COD裂解率的提升，體系釋放出的反應(yīng)熱也會(huì)隨之增大。通過實(shí)施整個(gè)實(shí)驗(yàn)授課過程，學(xué)生熟悉了SCWO處理高濃有機(jī)廢液與資源化的主要工藝特性，理解了環(huán)境污染物的能源化利用原理，拓展了專業(yè)領(lǐng)域的視野，深化了對(duì)專業(yè)內(nèi)涵的認(rèn)識(shí)。實(shí)驗(yàn)過程對(duì)組內(nèi)同學(xué)間的團(tuán)結(jié)協(xié)作與互動(dòng)性要求較高，有利于每名學(xué)生都積極發(fā)揮主動(dòng)性，高效完成分工承擔(dān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，動(dòng)手能力得到有效鍛煉，學(xué)生對(duì)授課內(nèi)容與過程的認(rèn)可度高。完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后，還利用線上平臺(tái)發(fā)布討論主題，進(jìn)行線上交流互動(dòng)探討與知識(shí)拓展，最終通過線上平臺(tái)提交完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

圖3 處理出水COD和CN去除率隨反應(yīng)壓力的變化趨勢

另外，為滿足SCWO核心反應(yīng)場景的直觀可視化，以及能量回用的優(yōu)化分析這些高階性的實(shí)驗(yàn)要求，正在開發(fā)相關(guān)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程，擬借助虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)高階性、挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提升實(shí)驗(yàn)授課效果。相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容已申請并立項(xiàng)校級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程1項(xiàng)、重點(diǎn)教育教學(xué)研究課題2項(xiàng)，在線教學(xué)實(shí)踐與探索專項(xiàng)課題1項(xiàng)。

結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)基于SCWO技術(shù)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，將前沿的科研成果轉(zhuǎn)化為本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，定制了高濃有毒有機(jī)廢液的SCWO實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了綜合性、模塊化的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，利用多維度、現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，開展了創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐探索。經(jīng)教學(xué)實(shí)踐驗(yàn)證了本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不僅可有效提升授課質(zhì)量，促進(jìn)教學(xué)與科研的交互與融合；還可培養(yǎng)本科生的自主思考能力、解決問題能力、分析問題能力以及實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，激發(fā)學(xué)生的探索能力和創(chuàng)新能力，顯著促進(jìn)學(xué)生的綜合素質(zhì)和綜合能力的提高。