基于化工原理实验内容的探索与实践

贾玉香，张伟涛

(中国海洋大学 化学化工学院，山东 青岛 266100)

化工原理实验是化学化工类学生所必修的一门工程类实验课程,重点在于培养学生的工程观念、创新能力、实践动手能力和应用所学的化工原理理论知识分析、解决工程实际问题的能力。许多相关院校对化工原理实验平台的建设都投入了大量的人力和物力[1-4]。传统的化工原理实验内容主要包括：离心泵性能曲线的测定，流体阻力的测定，对流传热系数的测定，恒压过滤实验，精馏分离实验，吸收分离实验，干燥速率曲线测定等实验。可见，上述化工原理实验内容的安排尽管可以保证教学质量达到全国高校化工原理课程教学指导委员会的要求,但却存在明显不足：第一，所开设的十余个实验大多对应着化工过程中传统单元操作，缺乏新的单元操作；第二，所进行的实验大多属于验证型, 学生只是巩固了理论课中所学到的理论知识, 认识了一些实验装置以及熟悉了操作方法[5-7]。但在开拓创新思维和创造能力的培养方面有所欠缺，距当前教育部所倡导的"卓越工程师"培养目标有很大差距。

因此，在教学内容以及教学形式上均需要与时俱进，突破长期传统的几个实验内容以及你教我学被动接受的教学模式限制。让学生更多的接触到新的单元操作，并参与到实验的设计、改装以及验证当中，不但可以激发学生的学习兴趣，也可以培养学生的科研素质以及接触到一些科学前沿。鉴于此，本实验以海水综合利用为背景(包括海水淡化和海水化学资源提取以及海洋能中能量密度最大的一种可再生能源盐差能的利用)，以膜分离技术这一新型化工单元操作为研究对象，构建了化工原理实验课程用电驱动(电渗析)膜分离实验装置，在其实现海水淡化的基础上并将其改装成反电渗析法海洋盐差发电装置，并构建出其所对应的设计型实验教学方法。力争通过本实验的启发、示范，带动一些新的单元操作逐步进入到化工原理实验教学内容中，使该课程的教学水平上一个台阶。

1 实验设计

1.1 实验原理

A: 工作电极; B: 参比电极插孔; C: 隔板; D: 阳离子交换膜;E: 阴离子交换膜; F: 与泵相连管道

图1 电渗析实验装置简图

以淡水和人工海水为实验对象，构建用电驱动(电渗析)膜分离实验装置,如图1所示。装置中采用阴离子和阳离子两种交换膜, 阳离子交换膜只允许阳离子(主要是Na+离子)透过, 阴离子交换膜只允许阴离子(主要是Cl-离子)通过。阳离子渗透膜和阴离子渗透膜交替放置, 中间的间隔交替充以淡水和人工海水。对于NaCl溶液, Na+透过阳离子交换膜向阳极流动, Cl-透过阴离子交换膜向阴极流动, 阳极隔室的电中性溶液通过阳极表面的氧化作用维持, 阴极隔室的电中性溶液通过阴极表面的还原反应维持,电子通过外部电路从阳极传入阴极形成电流。当回路中接入外部负载时, 这个电流和电压差可以产生电能。实验过程中通过使用电位计或电流计检测膜堆电阻和能量输出。

1.2 实验装置及功能介绍

本实验装置是一套多功能实验装置，可完成盐水脱盐(用于模拟海水淡化)、盐水浓缩(用于模拟海水制盐)以及改装后的反电渗析盐差能发电的化工原理教学实验。通过实验，可以练习化工过程中电渗析法脱盐和盐浓缩的操作方法，建立海水资源综合利用的初步概念；可以深入理解膜分离技术之电渗析的相关理论和实验现象。同时，可以将实验设备简单改装成其逆过程，建成反电渗析发电装置。实验中继续涉及到化工过程中相关常用设备，例如转子流量计，磁力泵等。实验装置如图2和图3所示。

图2 电渗析实验装置前视照片

图3 电渗析实验装置后视照片

1.3 实验设备主要技术参数

(1)电极：采用涂层含铱的钛涂钌电极，面积为20cm×10cm，厚度为1mm。电渗析过程中，极水室推荐使用NaSO4溶液，电极反应为释氧反应。

(2)极室采用低电阻，高湍动设计。

(3)直流稳压电源，TPR-6420D,频率为50/60Hz，输出电压为0～64V连续可调，输出电流为0～20A连续可调。

(4)紧固件：φ10不锈钢。

(5)隔板骨架采用聚丙烯薄板(面积为20cm×10cm，厚度为1mm)制作，板面进行了耐腐蚀和弹性化处理，板框采用激光雕刻流道，板心焊有单双股聚丙烯隔网(16cm×8cm)。

(6)转子流量计，采用防腐蚀玻璃转子流量计，流量范围为10～100L/h。

(7)泵，耐腐蚀，单级，卧式，聚丙烯泵头，型号MP6R。50HZ，流量为8L/min, 扬程为1m。60HZ，流量为9L/min,扬程为1.4m。

(8)料液筒，体积为15cm×40cm×50cm，材质为5mm厚有机玻璃。

(9)管道：食品级φ12硅胶管。

(10)离子交换膜：异相阴离子离子交换膜(AEM, QQ-YLM201)，异相阳离子离子交换膜(CEM, QQ-YLM001) ，均相阴离子离子交换膜(DF120，AMV，ASV)，均相阳离子离子交换膜(DF120，CMV，CSO)。

(11)设备构架：附万向轮，材质为304不锈钢，体积为60cm×50cm×80cm，衬板为10mm 厚聚氯乙烯板。

(12)辅助实验设备应包括：电导率仪。

1.4 实验过程设计

本实验需要学生查阅相关文献，了解相关的研究背景，例如：关于海水淡化、海水综合利用以及海洋盐差发电等。并根据实验内容自行设计实验方案和过程。推荐实验内容如下：

(1)脱盐或盐浓缩过程中的电流效率问题；

(2)脱盐或盐浓缩过程中的能耗问题；

(3)料液流速对脱盐或盐浓缩效果的影响；

(4)脱盐或盐浓缩过程中浓差扩散的影响；

(5)不同膜品种的极限电流密度测定；

(6)电渗析的恒压或恒流操作；

(7)使用电位计或电流计检测膜堆电阻和能量输出。

2 结束语

本实验需要学生可以利用课外时间查阅文献，了解相关的专业知识并自行设计实验方案。通过本实验的进行学生可以练习化工过程中电渗析法脱盐和盐浓缩的操作方法；深入理解膜分离技术之电渗析的相关理论和实验现象以及如何利用反电渗析法进行盐差能发电等科学前沿，同时建立海水资源综合利用的初步概念；进一步巩固化工过程中相关常用设备，例如转子流量计，磁力泵等的使用。学生在进行实验的同时，培养他们掌握科研的基本程序，培养学生基本的科研意识和科研能力。

[1] 刘建军,徐向阳,冯庆华,等.化工原理实验教学模式的改革与探索[J].大学化学, 2016, 31 (5)：23-26.

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