利用注射器改進的簡易加壓過濾裝置

基金項目：

本文系深圳市教育科學2022年度規劃課題“指向科學探究與創新意識素養的中學化學實驗教學實踐研究”（zdzz22029）的階段性研究成果。

摘" 要：本文將文獻中經常用于減壓的注射器轉變為加壓裝置，搭配脫脂棉和纖維素濾紙筒創新設計了兩種加壓過濾裝置，分別適用于少量溶液與大量溶液的快速過濾操作。該裝置構成簡單，操作簡便，可以解決常規過濾時濾紙易破、堵塞等問題，對教材中涉及過濾的實驗有很好的改進效果。

關鍵詞：加壓過濾；注射器；濾紙筒；脫脂棉

文章編號：

1008-0546（2024）14-0092-03

中圖分類號：

G632.41

文獻標識碼：

B

《普通高中化學課程標準（2017 年版2020年修訂）》明確要求學生掌握開展實驗探究必備的實驗技能，掌握過濾等基本實驗操作。［1］常規的過濾實驗是通過漏斗、濾紙和玻璃棒等物品實現難溶性固體和液體混合物的分離，該實驗操作所遵循的原則是“一貼二低三靠”。但在實際過濾時會遇到如下問題：若固體顆粒多且粒徑小，可能導致濾紙下端堵塞，過濾時間較長，進而影響課堂實驗的推進。

一、相關文獻簡析

查閱相關文獻發現，單純研究過濾操作的文章并不多，歸納起來主要有以下幾種情形。

（1）基于傳統過濾裝置的改進。俞蕾［2］從“一貼二低三靠”原則的角度進行再思考，認為濾紙未緊貼漏斗內壁和漏斗尖嘴未緊靠燒杯內壁是導致過濾速度慢的主要原因。作者對過濾裝置細節進行改進，將三層濾紙的外層撕去一角以增強濾紙與玻璃之間的毛細現象，三層濾紙一邊對著漏斗下方尖端處，并將玻璃棒的末端抵靠在三層濾紙側，從而有效提升了過濾速度（見圖1）。但是實際操作時發現，在遇到濾渣堆積導致的堵塞情況時，該方案的提速效果并不明顯。

（2）基于減壓抽濾裝置的改進。盧天宇［3］以大學實驗室常用的減壓抽濾裝置為原型，利用普通漏斗、吸濾瓶和注射器等物品改進設計了一個簡易的減壓過濾裝置，如圖2所示。將漏斗插入橡皮塞中以保證密封性，利用注射器抽氣形成氣壓差，從而加快過濾速度。由于注射器不能連續抽氣，且抽濾瓶的體積較大，形成的氣壓差有限，該裝置只能在過濾少量懸濁液時才有很好的效果。

（3）基于噴泉實驗裝置的改進。張延臣［4］從噴泉實驗中得到啟發，巧妙地利用壓強差實現了“自動加液，持續過濾”的效果（見圖3）。對于需要過濾大量濁液的情況，該裝置不失為一件省心利器，但是卻并不適合常規實驗教學中遇到的過濾操作：在課堂實驗中需要過濾如此大量濁液的情況非常少；該裝置過于復雜，對氣密性的要求較高，看似有趣的“自動加液”操作容易失敗。

二、設計思路

本文綜合分析普通過濾裝置與文獻中改進方案的優缺點，利用注射器、脫脂棉、纖維素濾紙筒創新設計了兩個加壓過濾裝置（A和B），分別適用于少量與大量溶液的過濾（見圖4），具體的改進思路如下。

（1）基于傳統的漏斗和濾紙的常規改進無法解決堵塞的問題，而利用壓強差來加快過濾速度是不錯的解決方案，但實際教學中，老師們更習慣使用減壓過濾裝置，加壓過濾裝置還未見報道。因此，本文轉變思路，將發揮減壓作用的注射器，變為加壓裝置。

（2）在實際教學中發現，當過濾速度慢時，學生可能會用玻璃棒試圖“加速”，但容易導致試紙破損，究其原因還是因為濾紙比較薄，禁不起“折騰”。而本文所使用的脫脂棉或濾紙筒等濾層材料都有一定的厚度，可以避免加壓時可能出現的破損問題。

（3）在實際操作過程中，懸濁液有多有少，若利用常規過濾裝置過濾少量濁液則顯得大材小用，且可能導致少量的濾液損失較大。通過不同規格的注射器，可以滿足不同過濾量的需求。

三、實驗改進方案

1. 實驗用品

1 mL注射器、50 mL注射器、脫脂棉、纖維素濾紙筒（直徑為30 mm，高度為50 mm，厚度為2 mm）、懸濁液。

2. 實驗操作

（1）少量濁液過濾（裝置A）。①取下1 mL注射器的活塞，取適量的脫脂棉加入針筒中。②插入活塞，通過多次推壓活塞將脫脂棉按壓緊實。③取下活塞，向針筒中加入少量的濁液，并裝回活塞。④按壓注射器，濁液在加壓條件下被快速過濾。

（2）大量濁液過濾（裝置B）。①取下50 mL注射器的活塞，將纖維素濾紙筒放入針筒底部。②將濁液加入濾紙筒并插回活塞。③按壓注射器至活塞接觸濾紙筒上邊緣，濁液快速過濾。④重復以上操作至所有濁液過濾完成。

3. 裝置優缺點分析

（1）裝置優點。①材料易得：注射器、脫脂棉等均是實驗室常見的材料，且注射器還能重復使用，因此本文的加壓過濾裝置具有推廣性。②裝置簡單：傳統的過濾裝置需要漏斗、濾紙、鐵架臺、玻璃棒等多種用品，而文中的兩種加壓裝置僅需注射器和濾層即可完成過濾操作。③操作方便：利用壓強差過濾的裝置往往需要注意密封性是否良好，而注射器由于橡膠活塞的貼合，本身就具有很好的密封性，通過擠壓注射器活塞即可實現加壓的效果。

（2）裝置缺點。①為了保證過濾時濾紙筒和針筒內壁的貼合度，需要針筒的內徑和濾紙筒的外徑相匹配，而在售濾紙筒的規格并不多，在一定程度上限制了裝置B的推廣。②筆者原意是想僅通過一種濾層和注射器實現少量溶液和大量溶液的過濾，但脫脂棉和濾紙筒對注射器的大小有一定的要求：脫脂棉僅在細小的1 mL注射器中才能被壓緊實，無法在更大規格的注射器中充當有效的濾層，而市售最小的濾紙筒也無法裝入1 mL注射器。因此兩種濾層各有優勢，也各有限制。

四、加壓過濾裝置應用分析

在人教版教材中涉及過濾的實驗不在少數，筆者用傳統裝置進行相關過濾操作時發現實驗存在一些問題，因此本文利用加壓過濾裝置A和B對“檢驗食品中的鐵元素”［5］“用化學沉淀法去除粗鹽中的雜質離子”［6］“重結晶法提純苯甲酸”［7］等三個實驗的過濾環節進行改進。具體的改進方法如表1所示。

五、結語

過濾是物質分離提純中的重要操作，但傳統過濾裝置以及文獻中的改進方案并不能很好地解決過濾時可能出現的堵塞以及濾紙破損問題。因此，本文利用注射器、脫脂棉以及纖維素濾紙筒改進創新得到了兩種加壓過濾裝置，分別滿足少量溶液和大量溶液過濾的需求。改進的加壓過濾裝置不僅材料易得，重復性高，而且操作簡單，可以極大地提高過濾速度，對教材中涉及的過濾實驗也有很好的改進效果。

參考文獻

［1］中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020．

［2］俞蕾.對過濾操作中“一貼二低三靠”的再思考［J］.化學教學，2022（1）：69-71．

［3］盧天宇.對初中化學學生實驗中過濾裝置的改進［J］.化學教育，2017（11）：67-68．

［4］張延臣.“自動加液過濾器”的制作［J］.中學化學教學參考，2021（13）：64．

［5］王晶，鄭長龍.普通高中教科書" 化學" 必修" 第一冊［M］.北京：人民教育出版社，2019．

［6］王晶，鄭長龍.普通高中教科書" 化學" 必修" 第二冊［M］.北京：人民教育出版社，2019．

［7］王晶，鄭長龍.普通高中教科書" 化學" 選擇性必修3" 有機化學基礎［M］.北京：人民教育出版社，2019．