炭素材料在環境工程專業綜合實驗改革中的探討

李 石， 趙東風， 鄭經堂， 路 帥

(中國石油大學(華東) 環境與安全工程系, 山東 青島 266580)

炭素材料在環境工程專業綜合實驗改革中的探討

李 石， 趙東風， 鄭經堂， 路 帥

(中國石油大學(華東) 環境與安全工程系, 山東 青島 266580)

將炭素材料科研工作和環境工程專業實驗教學工作的經驗相結合，針對環境工程專業設置的綜合實驗課程內容，主要側重廢氣、廢水中污染因子的監測而缺乏污染治理方面的內容，提出了將炭素材料在廢氣、廢水治理方面的實用技術引入到綜合實驗課程中來的思路，該思路不僅使整個綜合實驗課程體系更加完整，有效拓展了環境工程學生的知識領域，而且在炭素材料基本知識理論普及和環境工程專業學生全面發展方面發揮了積極的雙重作用。

炭素材料； 環境工程； 綜合實驗課程； 實用技術

炭素材料是一類以碳元素為主要成分的材料，包括活性炭、活性炭纖維、納米碳管、富勒烯、炭分子篩、石墨烯等。由于炭素材料多具有耐熱、抗腐蝕、無毒無害、不會造成二次污染、可再生循環利用等一系列的優點，使其在大氣污染治理、水污染治理等環保領域發揮了重要的作用[1-7]。例如，在石化行業揮發性有機物(VOCs)治理、雙氧水工業苯系物回收、2005年我國北方某石化企業爆炸引起的松花江污染治理等工程實踐中，炭素材料的應用均發揮了重要的作用。炭素材料應用技術不僅成為環境保護領域的一項重要內容，而且也成為環境工程學科的一個重要分支。隨著我國近年來各類環境污染問題的日益突出，炭素材料在未來環境保護領域的應用和在環境工程學科中的地位將進一步得到提升與加強。

目前我國很多高校的碩士、博士研究生培養體系中已涵蓋了炭素材料的研發與應用這一方向。但比較而言，在本科生培養體系中，特別是在環境工程學科領域內，對炭素材料技術的學習內容較少，一般以相關理論課程某一章節的內容出現，例如“大氣污染控制工程”課程中的“廢氣吸附設備”章節、“廢水處理工程”課程中的“吸附”章節等，內容也只是一些簡單的概念性介紹，而缺乏實驗方面的教學內容。通過對環境工程專業理論和實驗教學的深入思考，并結合多年來從事炭素材料技術科研工作的經驗[8-9]，嘗試將炭素材料技術引入到“環境工程專業綜合實驗”課程之中，既可以豐富環境工程專業實驗課程的學習內容，又可以普及和推廣炭素材料技術的基礎知識，在促進環境工程專業學生全面發展方面發揮積極的促進作用。

1 綜合性實驗課程改革思路

環境工程專業不僅需要相關理論課程的學習，同時也非常注重學生動手實踐能力的培養[10]。我校環境與安全工程系環境工程專業在常規理論教學的基礎之上，設立了學生綜合實驗課程，即在大四上學期將學生分成若干小組，每組人數5～8人，然后由教師為每組學生指定一項綜合性實驗題目，小組成員分工協作，共同完成這一題目的實驗性課程。

傳統的綜合實驗課程題目主要側重于大氣、水中污染物質的監測，例如大氣中 SO2、NOx、VOCs、顆粒物或廢水中 COD、BOD、石油類、苯系物、氨氮、揮發酚等污染因子的監測，然后學生通過監測方法文獻查閱、實驗方案確定、監測樣品采集及實驗試劑配制、實驗數據測定分析、完成實驗報告等環節完成實驗課程。從以往綜合實驗課程的實施和學生對該實驗課程的意見反饋來看，盡管該課程有效提高了學生在環境工程監測方面的動手能力，但是學生也經常會提出對于超過環境質量標準或污染物排放標準的廢氣、廢水如何進行處理的問題，也就是說傳統的綜合實驗課程缺乏和忽視了廢氣和廢水治理方面的課程內容。針對上述問題，對傳統的綜合實驗課程內容進一步進行調整與改革，在學習環境監測技術的基礎上，將一些環境治理實用技術引入到該課程中來，是未來發展的重要方向。

針對目前污染治理技術種類繁多、適用領域各異的特點，以及僅僅通過一門綜合實驗課程無法覆蓋所有技術領域的實際情況，課程組討論分析認為，應選擇易操作、實驗過程相對簡單、實驗室易完成的實用污染治理技術進行課程改革實踐。炭素材料技術在環境工程領域的實踐中已發揮了重要的作用，而且與其他實用技術，如廢氣治理中的脫硫脫硝、廢水治理中的物化、生化處理等技術相比，具有操作相對簡單、實驗過程易控制、對實驗條件和設備要求相對不高的特點，課程組嘗試將炭素材料技術融入到環境工程專業綜合實驗課程中來，不僅使綜合實驗課程體系更加完整，更為重要的是，可以讓環境工程專業的學生掌握和了解一些污染治理實用技術，提高學生的綜合應用能力。同時課程實驗內容能夠與課程組長期從事的炭素材料研發與應用研究的科研工作相結合，克服目前高校普遍存在的科研與課程教學脫節的弊端，這也與科研、教學工作接軌互融、相互促進的高等教育發展理念相一致[11]。

2 引入炭素材料技術的思路設計

將炭素材料技術引入到綜合實驗課程體系后，保留原有部分大氣監測、水監測實驗內容，并在此基礎上后續增加了利用炭材料技術對廢水、廢氣中目標污染物進行脫除的實驗內容。

綜合實驗課程首先將學生分成3個大組，即廢氣組、廢水組和材料組，然后由課程組教師分別確定各組的實驗內容。總的來說，廢氣組和廢水組分別負責廢氣、廢水樣品的配制、監測及目標污染物去除的實驗研究，而材料組主要負責炭素材料的選用、材料性質分析以及在廢氣、廢水凈化中的作用的分析。課程時間安排為4周。

在課程第一周，首先對課程總體思路進行介紹，讓學生充分了解該課程的實施過程和目的，然后學生根據所在分組進行文獻資料查閱和實驗方案確定。廢氣組和廢水組學生主要查閱廢氣、廢水監測分析方法，例如廢氣中SO2、NOx和苯系物，廢水中COD、石油類、苯系物等污染因子如何進行監測。而材料組主要查閱目前炭素材料在廢氣、廢水治理方面的應用技術與研究現狀，選定在本課程中擬應用的炭素材料及其應用原理。

在課程第二、三周，廢氣、廢水組分別完成實驗廢氣、廢水的配制，并對其中的污染因子進行分析，然后利用材料組提供的炭素材料，在實驗室廢氣、廢水處理裝置上完成廢氣、廢水中目標污染物的脫除實驗。而材料組在前期資料查閱調研基礎上選定購買或自制炭素材料，并對炭素材料表面結構、基本性質等進行表征分析，為廢氣組和廢水組提供實驗材料。實驗過程中，3個大組之間相互配合、分工協助，共同完成整體實驗內容。

第四周，學生對取得的實驗數據進行統計整理，編制實驗報告，完成本課程的學習。

3 炭素材料技術應用舉例

根據上述課程思路設計，簡要探討一下綜合實驗課程的實施過程。廢氣組和廢水組的目標污染物脫除實驗裝置如圖1所示，其中線路1和線路2用于廢氣目標污染物脫除，線路3和線路4用于廢水中目標污染物脫除。

圖1 廢氣、廢水目標污染物脫除裝置示意圖

3.1 材料組實驗內容

材料組實驗內容與廢氣、廢水組不同，重點在于實驗材料的選取和表征分析。炭素材料優異的吸附性能是目前廢氣、廢水處理的主要應用基礎，盡管其催化能力、導電能力在環境治理方面也有一定程度的應用，但考慮到課程時間、實驗繁瑣程度，暫不適合在本課程中展開學習，本課程只考察選定炭素材料對廢氣、廢水中目標污染物的吸附脫除作用。

課程中選定了2種商業化炭素材料，即椰殼活性炭、活性炭纖維和自制的高比表面積有序大孔炭為實驗用材料。椰殼活性炭和活性炭纖維直接從市場購買，有序大孔炭材料通過簡單易行的膠晶模板法制得，即以二氧化硅膠體微球為模板、蔗糖為碳源，利用毛細作用力將蔗糖溶液填充至膠晶模板空隙內，并在氮氣保護條件下高溫炭化，最終用氫氟酸溶液去除二氧化硅膠體微球，得到有序大孔炭材料。不同炭素材料基本信息如表1所示，宏觀和微觀照片如圖2所示，BET比表面積通過實驗室ASAP 2010比表面和孔徑分布測定儀測得。

表1 炭素材料基本信息一覽表

圖2上由左至右分別為椰殼活性炭、活性炭纖維和有序大孔炭照片，下由左至右分別為椰殼活性炭、活性炭纖維和有序大孔炭SEM照片。

圖2 實驗中不同炭素材料照片

3.2 廢氣組實驗內容

廢氣組用實驗廢氣以環境空氣為背景氣，考慮常規污染因子和特征污染因子兼顧的原則，選定SO2、NOx和苯作為綜合實驗的監測對象，監測方法和監測結果如表2所示。

表2 廢氣組監測信息一覽表

通過上述實驗過程讓學生掌握2種常規污染物SO2、NOx和一種特征污染物苯的監測方法，熟悉大氣采樣器、分光光度計、氣相色譜等常用分析儀器的使用。SO2、NOx的監測結果滿足國家環境空氣質量標準的要求，而苯未檢出。分析認為，因為監測的環境空氣處于校園區域，而且周圍10 km范圍內沒有苯污染物的排放源，故沒有檢出苯的存在，但考慮到苯是石化行業重要的特征污染因子，很可能是我校環境工程專業學生未來需要重點控制的對象，因此在本課程中將其作為目標污染物進行脫除實驗，使學生學習一種含苯廢氣的治理方法。

通過實驗室配氣的方式，制備了一定濃度的含苯廢氣，并利用不同炭素材料對其進行吸附脫除。具體實驗過程通過圖1所示實驗裝置的線路1和線路2完成。首先將配好一定濃度的有機廢氣通過線路1通入氣相色譜儀，測定其中苯的初始濃度。再通過線路2測定處理后的苯濃度，考察處理效率。線路2與線路1的區別在于炭材料吸附柱的存在，對氣相中的苯進行吸附脫除，達到凈化廢氣的作用，而且吸附材料可進行更換，以考察不同吸附材料的吸附性能。不同炭素材料處理含苯廢氣的效率情況如表3所示。

表3 不同炭素材料對含苯廢氣的脫除效率一覽表

3.3 廢水組實驗內容

廢水組實驗廢水以實驗室配制的含苯廢水為研究對象，即將一定量苯滴加入自來水中，混合均勻后作為含苯廢水使用，將其中的COD、氨氮和苯作為監測對象，監測方法和監測結果如表4所示。

表4 廢水組監測信息一覽表

COD和氨氮是工業廢水中常規監測因子，苯是工業廢水中的特征監測因子。通過上述實驗過程首先讓學生掌握COD、氨氮和苯的監測方法，然后以苯為目標污染物，利用不同炭素材料對其進行吸附脫除。含苯廢水中苯的本底濃度測定和經不同炭素材料吸附前后的苯濃度測定利用圖1所示實驗裝置的線路3和線路4完成。

不同材料處理實驗廢水的效率如表5所示。

表5 不同炭素材料對含苯廢水的脫除效率一覽表

通過上述實驗結果可以看到，不同炭素材料對含苯廢氣、含苯廢水均展現出一定的苯脫除能力，脫除能力與炭素材料BET表面積大小密切相關。

4 結語

結合多年來在炭素材料技術科研工作與環境工程專業教學活動中的積累與經驗，將炭素材料技術引入到本科生綜合實驗課程中來，課程不再只包含環境監測方面的內容，而是形成了由環境監測到污染物治理的完整內容體系，學生能夠實現一項“從源到治”的完整實驗過程。經過2年多的課程實踐發現，學生對該課程的學習興趣、活躍程度以及相關知識的掌握效率明顯提高。不足之處在于，由于課程時間的限制，課程重點側重的是學生實驗過程的完成，而實驗結果并不是課程重點內容，這也使得如何使污染物處理效率提高、炭素材料深層吸附機理分析以及材料改性與修飾等方面的內容無法在課程中體現。盡管如此，從環境工程專業本科生的知識背景及創新能力提高的角度來看，該綜合課程的實踐仍對我國高校環境工程專業實驗教學工作向研究型教學模式轉變具有一定的參考意義。

References)

[1] Yuan R,Zheng J,Guan R,et al.Surface characteristics and photocatalytic activity of TiO2, loaded on activated carbon fibers[J].Colloids & Surfaces A Physicochemical & Engineering Aspects,2005,254(1/3):131-136.

[2] 員汝勝,鄭經堂,關蓉波,等.TiO2在微孔型活性炭纖維上的固載及其對苯酚的光催化降解(英文)[J].新型炭材料, 2005, 20(1):45-50.

[3] ZhangY,Zheng J,Qu X,et al.Effect of granular activated carbon on degradation of methyl orange when applied in combination with high-voltage pulse discharge[J].Journal of Colloid & Interface Science,2007,316(2):523-530.

[4] 董龍龍,陳文革.石墨烯的特征、制備及應用研究進展[J].炭素技術,2016, 35(3):1-7.

[5] 胡志彪,周云龍,陳武華.TiO2/竹炭復合材料對直接耐酸大紅4BS的光催化降解研究[J].炭素技術, 2015, 34(2):15-18.

[6] 黃先亮.炭素材料的應用現狀及發展[J].炭素技術,2013,32(1):25-30.

[7] 郭瑞霞,李寶華.活性炭在水處理應用中的研究進展[J].炭素技術,2006,25(1):20-24.

[8] Li S,Zhao D,Zheng J,et al.Macroporous TiO2/carbon composites prepared via a simple soaking process[J].Materials Research Bulletin,2010,45(9):1069-1074.

[9] Li S, Zhao D,Zheng J,et al.Preparation and Characterization of a New-type Composite Photocatalyst of 3DOM TiO2/Carbon Materials[J].Chemistry Letters,2010,39(1):44-45.

[10] 嚴文娟,賀國權.技術應用型創新人才培養模式的探索與實踐[J].實驗技術與管理,2016， 33(6):21-25.

[11] 嚴一民,鄔邵鐵,楊華軍.培養大學生創新實踐能力的探索[J].實驗技術與管理, 2016, 33(11):196-198.

Discussion on carbon materials in comprehensive experimental reform in Environmental Engineering majors

Li Shi, Zhao Dongfeng, Zheng Jingtang, Lu Shuai

(China University of Petroleum, College of Environmental and Safety Engineering, Qingdao 266580, China)

By considering the absence of experimental contents about pollution treatments in the comprehensive experimental course of Environmental Engineering major, and combined with their scientific research in the field of carbon technology with their teaching work in environmental engineering, this paper puts forward a new idea. The practical technology of carbon materials in the waste gas, sewage treatment, could be introduced to the course. It can not only make the whole experiment curriculum system more complete, effectively expanding the knowledge field of environmental engineering student, but also play a double positive role in the popularization of the basic theory knowledge of carbon materials and comprehensive development of environmental engineering students.

carbon materials； environmental engineering； comprehensive experimental course； practical technology

10.16791/j.cnki.sjg.2017.06.039

2016-12-19

李石(1978—)，男，遼寧葫蘆島，博士，副教授，碩士生導師，從事環境工程專業教學與新型碳材料研發與應用科研工作.

E-mail：lishi19785460@163.com

G642.0

A

1002-4956(2017)06-0157-04