面向新工科的大气污染控制工程实验教学探索与实践

张贺 郭锐 吴建会 翟利芳 姚青倩 展思辉

摘  要：新工科教育理念基于国家战略发展新需求、国际竞争新形势和立德树人新要求，为我国高等工程教育改革树立了新目标，提出工程人才培养的新素质，同时为工程实验室建设和实验装置改进明确了新方向。文章结合新工科建设理念与本校大气污染控制工程实验课程的特色，针对现有实验装置建设面临的问题，从多学科交叉相融、产学协同育人等角度探究工程人才培养新模式，改进现有实验装置，破解装置与当下产业应用脱节的难题，并以建设实例形式呈现。

关键词：新工科;大气污染控制工程;多学科交叉融合;产学合作协同育人

中图分类号：G640       文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2021）S1-0108-05

Abstract： The concept of new engineering education is based on the new demand of national strategic development， the new situation of international competition and the new demand of moral education， which sets a new goal for the reform of higher engineering education in China. It puts forward the new quality of engineering talent training and makes clear the new direction for engineering laboratory construction and experimental device improvement. This paper combines the concept of emerging engineering construction with the characteristics of the school's Air Pollution Control Engineering Experiment course， and aims at the problems faced by the construction of existing experimental devices. It explores the new model of engineering talent training from multiple perspectives such as interdisciplinary integration， industry-university collaborative education， etc. It improves the existing experimental equipment， solves the problem of disconnection between the equipment and the current industrial applications， and shares typical construction examples.

Keywords： emerging engineering education; Air Pollution Control Engineering Experiment; interdisciplinary integration; production-education cooperation

新工科教育理念是我国高等工程教育改革的重要内容。2017年以来，教育部相继推进“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”，为我国高等工程教育改革树立了新目标，提出了工程人才培养的新素质。新工科建设所引发的教育模式改革、多学科交叉相融、教學方法创新、专业建设与升级和产学合作协同育人等已成为我国工程实践教育改革的焦点，而高等学校设置的不同专业实验教学实验室是在校大学生接触工程实践教育最基础的实践平台，综合型实验装置是高校培养工程人才、实施教学研究和科研成果产业化应用的重要保障。新工科教育理念对工程实验室建设提出了更高的要求，也为综合型实验装置的改进明确了新方向。

一、脱硝装置改进

氮氧化物是造成严重环境问题（如酸雨，光化学烟雾，臭氧消耗和雾霾）的主要空气污染物。大气污染日益严重，氮氧化物的治理工作迫在眉睫[1]。目前，数据采集烟气脱硝净化实验是南开大学环境科学与工程学院必修课大气污染控制工程课程中讲授与实践的重点实验。其实践内容主要涉及技术最为成熟的SCR烟气脱硝技术[2]。

数据采集烟气脱硝净化实验装置是大气污染控制工程实验室中重要的实验装备，该装置由配气系统、控温系统、反应系统和分析测试系统组成，采用多路进气的结构模式，用于模拟烟气脱硝反应教学。目前数据采集烟气脱硝净化实验装置流程示意图如图1所示。该装置的主要性能参数为：1. 不锈钢反应器内径20mm，催化剂恒温装填区域50mm，反应器长度550mm;2. 最高使用温度500°C，控温精度：±0.2%FS;3. 气体流量范围：50～500ml/min。通过课堂讲解与学生实际操作，增强装置应用的感性认知，加深对理论课知识的理解，能够达到了解装置组成和工作原理的目的，能够基本满足实验教学的要求。类似这样商品化的教学型烟气脱硝实验装置，虽然具有集成度高，操作方便的优势，但是对于教师设计性实验的开展存在一定的阻碍。例如，1. 催化剂装卸困难且使用量大，不利于相应催化剂评价的探究;2. 封闭式不锈钢反应器冷却速率低，实验耗时长，固定课时内学生无法获得完整的脱硝效率曲线;3. 配气系统由NO和NH3气路组成，通过控制空气的鼓入量和NO、NH3进气量协同调节进气浓度。该配置无法精确调控有效气体浓度，无法测试催化剂抗水和抗硫性质。

对原有数据采集烟气脱硝净化实验装置的改造主要集中于配气系统和反应系统。进行装置改造的目的是完善其使用功能，便于教师和学生操作并开展设计性实验。为了方便催化剂装卸和提高热反应器的冷却速率，将封闭式不锈钢反应器改造为敞开式反应炉。增加配气系统进气气路，为精确调控气体浓度，测试催化剂抗性创造条件。图2为改造后的数据采集烟气脱硝净化实验装置的配气系统和反应系统。图3为改造后的脱硝装置流程示意图。

改造后，配气系统由NO、NH3、O2、N2、SO2（使用时开启）和水蒸气（使用时开启）组成，气体通过混气装置混匀后进入反应系统，敞开式反应炉有利于催化剂的装卸和反应温度的控制。控温系统通过热电偶测量催化剂表面的反应温度，从而用于脱硝反应的温度控制。烟气分析装置测量NOx的入口和出口浓度。改造后装置具有流量、温度控制精确，催化剂装卸方便和热反应器冷却速率高的优点。重整装置不仅可以用于脱硝反应，也可以支持学生自行设计、制备新型脱硝催化剂并开展相应催化剂评价的相关研究。更重要的是，装置改进后使得课程设计更加贴近实际工业应用场景，积极促进教学、科研成果向产品化转化，在课堂上高效实施校企合作协同推进卓越工程师培养计划。

二、改进装置在大气污染控制工程课程中的应用

（一）实验简介

工业燃烧烟气和汽车尾气中排放的氮氧化物（NOx）是重要的空气污染物，会导致许多环境问题，例如光化学反应、雾霾、酸雨等。为了达到严格的排放标准，多种烟气处理方法，例如多效催化、非选择性催化还原法（NSR）和选择性催化还原法（SCR）用来控制NOx排放。在这些技术中，NH3-SCR被认为是最有效的氮氧化物控制技术[3]。目前，Mn基氧化物催化剂、Ce基氧化物催化剂、Fe基氧化物催化剂和V2O5-WO3/TiO2催化剂等金属氧化物催化剂是SCR催化剂研究领域的热点[4-6]。主要表现为：1. 锰基氧化物催化剂具有优异的氧化还原能力，较强的氨活化性能，较好的低温SCR活性。然而，较低的N2选择性限制了它们的实际应用;2. 铈基氧化物催化剂因其高氧储存/释放能力在汽油车尾气净化催化剂中得到了广泛应用;3. 铁基氧化物催化剂一般在中高温条件下表现出较高的氮氧化物转化率和氮气选择性;4. V2O5-WO3/TiO2催化剂已经商业化，被广泛应用于火力发电厂，以减少NOx的排放。但仍存在一些问题，如温度操作窗口狭窄，SO2氧化易被氧化为SO3，主要活性成分钒为剧毒物质等问题。因此，授课过程中选择Mn基氧化物催化剂、Ce基氧化物催化剂、Fe基氧化物催化剂和商购V2O5-WO3/TiO2催化剂用于学生实验，有利于本科生对当前SCR催化剂研究及应用情况有较全面的感知。

（二）仪器与试剂

仪器：马弗炉，控温磁力搅拌器，天平，离心机，电热恒温干燥箱，压片机等。

试剂：硝酸铈，偏钨酸铵，高锰酸钾，硫酸锰，硝酸，硝酸铁，钼酸铵，商购V2O5-WO3/TiO2催化剂，尿素，十六烷基三甲基溴化铵，去离子水，无水乙醇。

（三）样品制备

1. 共沉淀法制备Ce基催化剂[7]

将硝酸铈和偏钨酸铵按Ce与W摩尔比为3：2溶解在去离子水中;加入过量尿素，并剧烈搅拌2h;将该溶液加热至100℃，并持续搅拌12h以充分沉淀;将获得的样品过滤，并在110°C下干燥过夜;以2℃/min的升温速率在500°C下煅烧4h，获得铈基催化剂Ce3W2。

2. 油浴法制备Mn基催化剂[8]

将高锰酸钾和硫酸锰溶于去离子水并搅拌均匀，然后加入适量硝酸溶液，强烈搅拌2h;随后将溶液置于100°C油浴锅内并连续搅拌24h;待自然冷却至室温后，离心分离黑色产物，并用无水乙醇和去离子水分别洗涤三次，将所得产物在100°C恒温干燥箱中干燥24h，并置于马弗炉在400°C下煅烧4h，即得锰基催化剂MnO2。

3. 改良CTAB法制备Fe基催化剂[9]

将阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）溶解在去离子水中;然后加入摩尔比为10：3的硝酸铁和钼酸铵;搅拌1h后，将溶液加热到90℃并保持10h。將获得的沉淀物过滤，洗涤，并在105℃下干燥过夜。然后，将样品在400℃下煅烧5h，即获得Fe基催化剂Fe1Mo0.3。

4. NH3-SCR活性和抗性曲线测定

（1）NH3-SCR活性

催化剂的NH3-SCR催化活性测试在内径=10mm的固定床连续流石英管微反应器中进行。测试温度为100℃至350℃。每个试样的性能测试，均使用200mg40-60目样品。反应气体的控制情况如下：500ppmNO、500ppmNH3、5vol%O2、10vol%H2O（使用时），100ppmSO2（使用时），以N2作为平衡气体。反应进气的总流速为200ml/min，气时空速（GHSV）为40000h-1。在给定温度下约10min后，测量催化剂的稳态活性数据。使用以下公式可获得NOx转化率。

从图4中可以看出MnO2催化剂脱硝活性最优，在150°C时NOx转化率可达100%，在100°C～350°C的温度范围内其NOx转化率均超过90%，是典型的低温脱硝催化剂;Ce3W2表现出更好的高温催化活性，在250°C～350°C的温度范围内其NOx转化率均超过95%;Fe1Mo0.3和商购V2O5-WO3/TiO2催化剂低温活性较差，在一定温度范围内，随着温度的升高，脱硝活性逐步增强。

（2）催化剂的抗性研究

NH3-SCR脱硝催化剂在进行工业安置时通常采取尾部加装的方式，即填装于除尘脱硫装置的尾部，但是烟道气中还是无法避免SO2和H2O蒸汽的存在。二氧化硫和水蒸气会与烟道中存在的氧气和氨气发生反应生成硫酸盐，硫酸盐物质会覆盖在催化剂表面，堵塞活性点位，造成催化剂钝化失活。如图5所示，引入SO2和H2O蒸汽后，实验中涉及的各类型催化剂的反应活性均有不同程度的下降，停止通入SO2和H2O蒸汽后，催化剂活性均有大幅提升。在课堂中引入脱硝催化剂抗中毒效能测试内容，使学生更深入地认识脱硝催化剂评价与筛选方向，感知目前脱硝催化剂应用的痛点，提升学生的基础实验技能和分析解决问题的能力。

5. 实验组织

对于4课时实验，可安排4套烟气脱硝装置合作共同测定一套完整实验数据，学生可选择4个不同组成的样品，测量其氮氧化物脱除效率，能够基本反应催化剂脱硝效率随温度的变化规律。实验装置改进后，学生可以利用该装置在常规课时内获得较完整的脱硝效率曲线。

三、未来展望

（一）脱硝装置改造升级

目前，数据采集烟气脱硝净化实验的实践内容主要涉及技术最为成熟的SCR烟气脱硝技术。但随着脱硝技术的不断发展、成熟与完善，仅仅讲授与实践传统烟气脱硝技术如选择性催化还原法（SCR）有些单一，无法满足优秀学生的奇思妙想。为了进一步丰富教学实践板块，在课堂实践内容中引入新型烟气脱硝技术如光热一体催化还原法是一种可行的方案[10]。后期拟研制用于数据采集烟气脱硝净化实验的综合性实验装置（如图6所示），该装置是协同传统烟气脱硝技术（选择性催化还原法）和新型烟气脱硝技术（光催化还原法）于一体的多功能实验装置[11]。改造完成后，学生可以利用这套装置自行设计实验，完成多种组合的实验项目，如单独地选择性催化还原脱硝实验和单独的光催化氧化实验;综合实验如光热一体脱硝实验装置。通过这次仪器自制和设备改造，学生可以对传统脱硝工艺和新型脱硝工艺有更全面的认识和理解，为教学、科研水平层次的提高提供一种实验平台搭建的新思路。

（二）催化系统模块化改制，实现多台装置开放性实验设计

除了数据采集烟气脱硝净化实验，数据采集催化法去除空气污染物也是南开大学环境科学与工程学院大气污染控制工程课程中讲授与实践的重点实验。将催化体系中的反应系统与控制系统模块化改制，且并入老旧装置的反应体系，可为多台装置的开放性实验设计打下基础[12-13]。模块化改制的主要工作包括：1. 采用工控一体机控制，配备全自动软件，进口配备多个电磁阀，通过电磁阀切换，可以选择性配备不同的气体进入反应器参与反应。2. 配备智能操作界面，设置使用权限和使用时间，为开放性实验的有效管理提供支撑。图7为拟模块化设计的光热一体催化装置设计图。模块化改制后，光热一体催化装置适用于多类型气固反应的环境，以催化法去除空气污染物为例，图8是拟改造数据采集催化法去除空气污染物的实验装置流程图。

在建设新工科的学科建设推动下，着眼于学生正确科学观的培养和创新科研能力的养成，以培养交叉性理工科复合人才为抓手，利用自制实验装置可操作性强的特点，设计大气污染控制开放性创新实验，解决独立学院大气污染控制工程实验教学中设计性、综合性实验偏少，学生参与意愿弱，缺乏主动性的问题[14]。学生可自行设计、制备新型环境功能材料如脱硝催化剂和VOCs净化催化剂，并将其应用于热催化，光催化和光热协同催化领域。为了拓宽学生知识面，打开学生研究问题的思路，实验教学中心为学生制备的环境功能催化材料提供相应的测试、表征服务，如X射线衍射（XRD）测试、比表面积（BET）测试、程序升温还原（TPR）测试、程序升温脱附（TPD）测试、透射电子显微镜（TEM）表征和扫描电子显微镜（SEM）表征等，利用高水平分析设备支撑人才培养，为本科生提供一个充分发挥主观能动性、培养自主创造能力及创新实践热情的实验教学平台[15]，提升学生对环境领域学术前沿关键科学问题的认识，有效促进科学观的培养和能力的养成[16]。

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