工程案例分析在水工程化學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用

韋學(xué)玉，張 明，李濟(jì)源，孫俊偉，趙昌爽

（安徽工程大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

水工程化學(xué)是給排水科學(xué)與工程專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課。基于水質(zhì)凈化系統(tǒng)，進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、優(yōu)化水處理工藝，構(gòu)建最優(yōu)水處理系統(tǒng)[1，2]。在新工科及工程認(rèn)證背景下，該課程建設(shè)持續(xù)發(fā)力，以期滿足對(duì)課程建設(shè)的要求。通過不斷教學(xué)改革，引入工程案例分析，將反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的知識(shí)與工程實(shí)踐緊密結(jié)合，使學(xué)生熟練掌握基本理論，同步提高分析、解決問題的能力，為涉水工程課程設(shè)計(jì)與計(jì)算分析打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。基于此，將飲用水二次供水消毒工藝案例引入水工程化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)教學(xué)，并通過“學(xué)習(xí)通”平臺(tái)，結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)現(xiàn)輔助教學(xué)功能。

1 化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)概述

化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是水工程化學(xué)課程的重要內(nèi)容，同時(shí)又是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。它主要探索化學(xué)反應(yīng)過程中反應(yīng)速率和原理，研究濃度、壓力、溫度和催化劑等因素對(duì)反應(yīng)速率的影響。通過對(duì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)分析，可明確如何通過反應(yīng)條件調(diào)控主反應(yīng)速率，以更大限度地減少副產(chǎn)物的生成。將化學(xué)動(dòng)力學(xué)的初始試驗(yàn)數(shù)據(jù)和信息作為核心出發(fā)點(diǎn)，經(jīng)過一系列技術(shù)分析后，獲取基礎(chǔ)力學(xué)反應(yīng)數(shù)據(jù)公式和基礎(chǔ)參數(shù)。其中，常見反應(yīng)速度效率參數(shù)為k、活化能參數(shù)為Ea、指前因子參數(shù)為A。使用以上相關(guān)參數(shù)能夠進(jìn)一步表現(xiàn)出反應(yīng)速度特點(diǎn)。在微觀上，一個(gè)化學(xué)反應(yīng)通常是經(jīng)過幾步完成的，每一步反應(yīng)稱作基元反應(yīng)，基元反應(yīng)中反應(yīng)物的分子數(shù)總和稱為反應(yīng)分子數(shù)，這些基元反應(yīng)的凈反應(yīng)即為表觀上的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)能提供水體中污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律、材料的腐蝕或產(chǎn)品的老化等方面的知識(shí)，還可以為科研成果的應(yīng)用提供最優(yōu)的設(shè)計(jì)，為工藝選擇最適宜的控制參數(shù)。因此，化學(xué)動(dòng)力學(xué)的研究，不論在理論上還是在實(shí)踐中，都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 工程案例與教學(xué)耦合

2.1 工程問題的提出

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展與人民生活水平的提高，城市高層住宅日益增多，配建的二次供水設(shè)施也與居民的生活密不可分，二次供水水質(zhì)的優(yōu)劣已直接關(guān)系到民眾的健康。如何有效避免生活用水在二次供水系統(tǒng)中被污染，規(guī)范二次供水設(shè)施的建設(shè)與管理，已成為業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。依照《二次供水設(shè)施衛(wèi)生規(guī)范》（GB17051-1997）的規(guī)定，二次供水設(shè)施須有安裝消毒器的位置，有條件的單位應(yīng)設(shè)有消毒器。在高層住宅二次供水系統(tǒng)中，增加二次消毒可有效降低生活飲用水的污染風(fēng)險(xiǎn)，如何提高二次供水消毒應(yīng)用效果顯得尤為重要。飲用水消毒技術(shù)主要包括物理法和化學(xué)法兩大類。物理法是利用物理能來破壞細(xì)菌或使菌體蛋白發(fā)生解體及變性，如紫外線消毒法、超聲波消毒法[3，4]等；化學(xué)法則是利用液態(tài)或氣態(tài)的化學(xué)藥劑滲透到菌體內(nèi)，通過氧化反應(yīng)，使細(xì)菌菌體發(fā)生破壞性的降解，如氯化消毒[5]、臭氧消毒[6]等。目前國內(nèi)已有選取臭氧、紫外線等方式進(jìn)行二次供水消毒案例分析[7]，但均未考慮實(shí)際水箱水質(zhì)變化規(guī)律。因此，結(jié)合主流的飲用水消毒技術(shù)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的理論，通過模擬測(cè)試與實(shí)際應(yīng)用考察了二次消毒技術(shù)對(duì)高層住宅生活用水水質(zhì)的影響，建立并優(yōu)化了二次消毒應(yīng)用技術(shù)，為二次供水消毒技術(shù)改造提供理論依據(jù)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2.2 二次供水案例教學(xué)

利用信息化教學(xué)手段，將課堂前置，導(dǎo)入問題。教師在課前通過“學(xué)習(xí)通”平臺(tái)提出工程問題，并將反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)案例推送至學(xué)生手機(jī)，讓學(xué)生先進(jìn)行思考，同時(shí)要求檢索和查閱資料，創(chuàng)設(shè)科學(xué)問題情境，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力[8]。課堂上對(duì)反應(yīng)級(jí)數(shù)及與其相對(duì)應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行詳細(xì)的分析講解，課后對(duì)存在的疑惑或問題展開交流討論。把課前、課堂和課后有機(jī)結(jié)合起來，強(qiáng)化對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握。

以二次供水工程水質(zhì)控制為例，選擇水箱尺寸參數(shù)為3m×2m×2m，總?cè)莘e12m3。選取水箱高度的3/4作為水箱貯水高度，以模擬常規(guī)水箱運(yùn)行時(shí)的平均水位高度，即水箱貯水9m3。余氯濃度隨時(shí)間的變化見表1。為較為準(zhǔn)確地研究水箱靜態(tài)水質(zhì)濁度與余氯的變化，停留時(shí)間分別選取0h、2h、4h、6h、8h、24h、48h、72h、96h、120h、144h、168h、192h 這13個(gè)時(shí)間點(diǎn)，分別采集水箱出水水樣，測(cè)定余氯，結(jié)果如表1所示。

水箱出水余氯隨著時(shí)間推移逐漸降低，在120h降低到0.05mg/L，此時(shí)余氯降低至《生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范》（GB5749-2006）所規(guī)定的管網(wǎng)末梢水余氯臨界點(diǎn)，在192h 時(shí)，水箱出水余氯無法檢出。水箱靜態(tài)水余氯隨時(shí)間推移逐漸衰減，為了考察余氯衰減速率，需要建立余氯衰減模型。

通過課前大量的文獻(xiàn)檢索和查閱，余氯在貯存二次供水水箱中發(fā)生的衰減變化，是一個(gè)與反應(yīng)速率和反應(yīng)物濃度單一組分的一級(jí)反應(yīng)，余氯的衰減作為一個(gè)基元反應(yīng)，氯的消耗速率為：

式（4）中：PA為反應(yīng)時(shí)刻t余氯的濃度，k為反應(yīng)速率常數(shù)。

對(duì)式（1）進(jìn)行積分，得：

由式（3）可得：

式（4）中PA0為初始余氯濃度，當(dāng)t=0 時(shí)，PA=PA0，為了得到k值，需使：

由式（6）可得余氯衰減系數(shù)k為：

將表中余氯數(shù)據(jù)帶入到式（7）中，即可求得衰減系數(shù)k=0.017，得到水箱靜態(tài)下的余氯衰減方程，如式（8）所示。

根據(jù)以上檢測(cè)數(shù)據(jù)及余氯衰減動(dòng)力學(xué)方程，繪制水箱靜態(tài)余氯衰減曲線，如圖1 所示。取PA=0.05時(shí)，則可得t=103.4h，可預(yù)測(cè)水箱貯水余氯在103.4h后，存在余氯無法達(dá)標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。通過對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論學(xué)習(xí)，建立并優(yōu)化了二次消毒工程應(yīng)用，為二次供水消毒技術(shù)提供理論依據(jù)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

圖1 水箱靜態(tài)余氯衰減曲線

3 結(jié) 語

基于工程項(xiàng)目案例分析，結(jié)合信息化教學(xué)手段，做好課前問題導(dǎo)入，課堂分析與講解和課后交流討論。與往屆教學(xué)效果相比較，一方面相對(duì)于圍繞章節(jié)內(nèi)容按部就班教學(xué)，工程案例引領(lǐng)下的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施，既能使學(xué)生理解并掌握基本原理，又能讓學(xué)生感受到基本理論對(duì)工程應(yīng)用的強(qiáng)大的支撐作用，從而激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)了師生交流，實(shí)現(xiàn)教學(xué)與科研的良性互動(dòng)。

以該課程授課計(jì)劃、知識(shí)點(diǎn)為主線，結(jié)合教育教學(xué)實(shí)踐，發(fā)揮工程案例對(duì)教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)的支撐作用。接下來將進(jìn)一步整合教學(xué)內(nèi)容，對(duì)接工程案例，實(shí)現(xiàn)模塊化教學(xué)內(nèi)容與工程案例緊密耦合，突出理論指導(dǎo)下的工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化方案，對(duì)高素質(zhì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量起到積極的促進(jìn)作用。