基于化工原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的探索與實(shí)踐

賈玉香，張偉濤

(中國海洋大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266100)

化工原理實(shí)驗(yàn)是化學(xué)化工類學(xué)生所必修的一門工程類實(shí)驗(yàn)課程,重點(diǎn)在于培養(yǎng)學(xué)生的工程觀念、創(chuàng)新能力、實(shí)踐動(dòng)手能力和應(yīng)用所學(xué)的化工原理理論知識分析、解決工程實(shí)際問題的能力。許多相關(guān)院校對化工原理實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)都投入了大量的人力和物力[1-4]。傳統(tǒng)的化工原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括：離心泵性能曲線的測定，流體阻力的測定，對流傳熱系數(shù)的測定，恒壓過濾實(shí)驗(yàn)，精餾分離實(shí)驗(yàn)，吸收分離實(shí)驗(yàn)，干燥速率曲線測定等實(shí)驗(yàn)。可見，上述化工原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排盡管可以保證教學(xué)質(zhì)量達(dá)到全國高校化工原理課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)的要求,但卻存在明顯不足：第一，所開設(shè)的十余個(gè)實(shí)驗(yàn)大多對應(yīng)著化工過程中傳統(tǒng)單元操作，缺乏新的單元操作；第二，所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)大多屬于驗(yàn)證型, 學(xué)生只是鞏固了理論課中所學(xué)到的理論知識, 認(rèn)識了一些實(shí)驗(yàn)裝置以及熟悉了操作方法[5-7]。但在開拓創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力的培養(yǎng)方面有所欠缺，距當(dāng)前教育部所倡導(dǎo)的"卓越工程師"培養(yǎng)目標(biāo)有很大差距。

因此，在教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)形式上均需要與時(shí)俱進(jìn)，突破長期傳統(tǒng)的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及你教我學(xué)被動(dòng)接受的教學(xué)模式限制。讓學(xué)生更多的接觸到新的單元操作，并參與到實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、改裝以及驗(yàn)證當(dāng)中，不但可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也可以培養(yǎng)學(xué)生的科研素質(zhì)以及接觸到一些科學(xué)前沿。鑒于此，本實(shí)驗(yàn)以海水綜合利用為背景(包括海水淡化和海水化學(xué)資源提取以及海洋能中能量密度最大的一種可再生能源鹽差能的利用)，以膜分離技術(shù)這一新型化工單元操作為研究對象，構(gòu)建了化工原理實(shí)驗(yàn)課程用電驅(qū)動(dòng)(電滲析)膜分離實(shí)驗(yàn)裝置，在其實(shí)現(xiàn)海水淡化的基礎(chǔ)上并將其改裝成反電滲析法海洋鹽差發(fā)電裝置，并構(gòu)建出其所對應(yīng)的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。力爭通過本實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)、示范，帶動(dòng)一些新的單元操作逐步進(jìn)入到化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中，使該課程的教學(xué)水平上一個(gè)臺階。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

A: 工作電極; B: 參比電極插孔; C: 隔板; D: 陽離子交換膜;E: 陰離子交換膜; F: 與泵相連管道

圖1 電滲析實(shí)驗(yàn)裝置簡圖

以淡水和人工海水為實(shí)驗(yàn)對象，構(gòu)建用電驅(qū)動(dòng)(電滲析)膜分離實(shí)驗(yàn)裝置,如圖1所示。裝置中采用陰離子和陽離子兩種交換膜, 陽離子交換膜只允許陽離子(主要是Na+離子)透過, 陰離子交換膜只允許陰離子(主要是Cl-離子)通過。陽離子滲透膜和陰離子滲透膜交替放置, 中間的間隔交替充以淡水和人工海水。對于NaCl溶液, Na+透過陽離子交換膜向陽極流動(dòng), Cl-透過陰離子交換膜向陰極流動(dòng), 陽極隔室的電中性溶液通過陽極表面的氧化作用維持, 陰極隔室的電中性溶液通過陰極表面的還原反應(yīng)維持,電子通過外部電路從陽極傳入陰極形成電流。當(dāng)回路中接入外部負(fù)載時(shí), 這個(gè)電流和電壓差可以產(chǎn)生電能。實(shí)驗(yàn)過程中通過使用電位計(jì)或電流計(jì)檢測膜堆電阻和能量輸出。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及功能介紹

本實(shí)驗(yàn)裝置是一套多功能實(shí)驗(yàn)裝置，可完成鹽水脫鹽(用于模擬海水淡化)、鹽水濃縮(用于模擬海水制鹽)以及改裝后的反電滲析鹽差能發(fā)電的化工原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)，可以練習(xí)化工過程中電滲析法脫鹽和鹽濃縮的操作方法，建立海水資源綜合利用的初步概念；可以深入理解膜分離技術(shù)之電滲析的相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。同時(shí)，可以將實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡單改裝成其逆過程，建成反電滲析發(fā)電裝置。實(shí)驗(yàn)中繼續(xù)涉及到化工過程中相關(guān)常用設(shè)備，例如轉(zhuǎn)子流量計(jì)，磁力泵等。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2和圖3所示。

圖2 電滲析實(shí)驗(yàn)裝置前視照片

圖3 電滲析實(shí)驗(yàn)裝置后視照片

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

(1)電極：采用涂層含銥的鈦涂釕電極，面積為20cm×10cm，厚度為1mm。電滲析過程中，極水室推薦使用NaSO4溶液，電極反應(yīng)為釋氧反應(yīng)。

(2)極室采用低電阻，高湍動(dòng)設(shè)計(jì)。

(3)直流穩(wěn)壓電源，TPR-6420D,頻率為50/60Hz，輸出電壓為0～64V連續(xù)可調(diào)，輸出電流為0～20A連續(xù)可調(diào)。

(4)緊固件：φ10不銹鋼。

(5)隔板骨架采用聚丙烯薄板(面積為20cm×10cm，厚度為1mm)制作，板面進(jìn)行了耐腐蝕和彈性化處理，板框采用激光雕刻流道，板心焊有單雙股聚丙烯隔網(wǎng)(16cm×8cm)。

(6)轉(zhuǎn)子流量計(jì)，采用防腐蝕玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)，流量范圍為10～100L/h。

(7)泵，耐腐蝕，單級，臥式，聚丙烯泵頭，型號MP6R。50HZ，流量為8L/min, 揚(yáng)程為1m。60HZ，流量為9L/min,揚(yáng)程為1.4m。

(8)料液筒，體積為15cm×40cm×50cm，材質(zhì)為5mm厚有機(jī)玻璃。

(9)管道：食品級φ12硅膠管。

(10)離子交換膜：異相陰離子離子交換膜(AEM, QQ-YLM201)，異相陽離子離子交換膜(CEM, QQ-YLM001) ，均相陰離子離子交換膜(DF120，AMV，ASV)，均相陽離子離子交換膜(DF120，CMV，CSO)。

(11)設(shè)備構(gòu)架：附萬向輪，材質(zhì)為304不銹鋼，體積為60cm×50cm×80cm，襯板為10mm 厚聚氯乙烯板。

(12)輔助實(shí)驗(yàn)設(shè)備應(yīng)包括：電導(dǎo)率儀。

1.4 實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)，了解相關(guān)的研究背景，例如：關(guān)于海水淡化、海水綜合利用以及海洋鹽差發(fā)電等。并根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和過程。推薦實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下：

(1)脫鹽或鹽濃縮過程中的電流效率問題；

(2)脫鹽或鹽濃縮過程中的能耗問題；

(3)料液流速對脫鹽或鹽濃縮效果的影響；

(4)脫鹽或鹽濃縮過程中濃差擴(kuò)散的影響；

(5)不同膜品種的極限電流密度測定；

(6)電滲析的恒壓或恒流操作；

(7)使用電位計(jì)或電流計(jì)檢測膜堆電阻和能量輸出。

2 結(jié)束語

本實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生可以利用課外時(shí)間查閱文獻(xiàn)，了解相關(guān)的專業(yè)知識并自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。通過本實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行學(xué)生可以練習(xí)化工過程中電滲析法脫鹽和鹽濃縮的操作方法；深入理解膜分離技術(shù)之電滲析的相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及如何利用反電滲析法進(jìn)行鹽差能發(fā)電等科學(xué)前沿，同時(shí)建立海水資源綜合利用的初步概念；進(jìn)一步鞏固化工過程中相關(guān)常用設(shè)備，例如轉(zhuǎn)子流量計(jì)，磁力泵等的使用。學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，培養(yǎng)他們掌握科研的基本程序，培養(yǎng)學(xué)生基本的科研意識和科研能力。

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