基于超临界水氧化技术的创新实验教学设计与实践

杨 丽，闫景春，许 辉，廖传华

（南京工业大学 能源科学与工程学院，江苏 南京 211816）

面对能源行业实现“双碳”目标的新形势和新任务，应积极响应国家发展战略与产业需求，跟踪工程技术最新发展，拓宽新工科创新型人才的培养路径，构建面向新工科的实验教学体系，推进基于成果导向的工程实践能力与创新能力培养［1-2］。目前国内能源与环境系统工程专业的实验课程内容，大多还局限于能源动力方向，鲜见针对能源环境问题进行系统化解决的专业实验案例，影响了学生对专业内涵的理解和专业理论知识的掌握。因此，面向能源与环境系统工程专业，以及相关新兴专业，如碳中和与科学、能源环境工程等专业，亟待改革创新，推进应用型人才培养的一流本科课程建设［3］，设计出富有专业特色，紧跟行业新技术、新成果的专业实验内容，构建起适应经济社会发展需求的实践教学体系［4］。

本文以前沿的能源环境技术将超临界水氧化过程与能量梯度回用系统进行耦合，搭建了基于超临界水氧化过程的能源环境体系，创新性设计了“高浓有毒有机废液的超临界处置与资源化系统”实验教学平台，将科研成果转化为实验教学资源，有力强化了能环专业实验教学的实践环节。目前未见国内其他本科院校开设类似实验教学内容，属于国内首创的能源环境类本科综合性创新实验教学内容，是一个具有推广价值的实验教学设计新思路。

一、实验教学设计

（一）融合能源环境技术的创新实验教学平台

超临界水氧化（supercritical water oxidation，SCWO）技术是指利用氧化剂与有机物在超临界水中的超高溶解性与扩散速率特性，而发生强烈、快速的氧化反应，通常1min内就可实现对有机物的彻底裂解。SCWO技术理论上可适用于处理任何有机物，包括很多难降解的有毒、有机污染物，能够将其彻底转化为CO2和H2O，将有机物中的氮转化为N2或N2O等无害物质，将其中的磷、氯、硫等元素氧化，并以无机盐形式从超临界水中析出，处理后的废水可完全回收利用，而不形成二次污染，真正实现有毒、有机污染物的无害化处置。影响SCWO处理效率的工艺参数主要有反应温度、压力、过氧系数、停留时间、废液COD（chemical oxygen demand）浓度等。印染、石化等行业生产过程中常会排放大量高浓度有毒有机废液（COD可达1×105mg/L）。针对这类高浓有毒有机废液的处理，SCWO技术不仅可实现对难降解COD的深度裂解，而且排放产物仅为固体残渣与蒸汽余热。一般来说，当有机物含量（以COD计）超过10%时，若对高浓COD裂解释放的大量反应热进行回用，经能量平衡核算与利用后甚至可实现SCWO 工艺的自热运行而无需额外供能，从而低成本地实现高效处置，技术经济优势明显［5］，十分适合作为能源环境系统工程及相关专业的典型实验教学案例。自主设计与搭建了10 kg/h的连续式“高浓有毒有机废液的SCWO处置与资源化系统”实验教学平台［6］，工艺流程如图1所示，SCWO教学平台集成体现了系统化成套设备的设计与运行，覆盖了有机化学、水分析化学、工程热力学、流体力学、传热学、热工测量与仪表、热力系统分析等诸多课程知识点，涉及有机废弃物的氧化降解、反应过程的高效传质、换热器的高效传热、能量平衡核算与热力优化分析、过程装备仪器仪表控制等原理、方法和技术，涉及流量计、压力表、热电偶等自控仪器仪表的专业实践操作，是能源与环境相关专业的大型综合性训练实验项目。基于搭建的融合能源环境技术的SCWO 实验教学平台兼具创新性和实用性，学生在实验中可灵活调控和优化反应条件，十分有利于本科生的综合运用专业知识能力、专业实验操作技能和科学创新能力的提升。

图1 高浓有毒有机废液的SCWO处置与资源化系统工艺流程

（二）模块化的综合性创新实验教学设计

依据教育部“两性一度”一流课程的要求，围绕“学生中心、问题导向、学科融合、创新实践”的教学理念［7］，进行了模块化实验教学设计［8］，详见图2所示。具体可分为4个模块：原理认知、基础操作、综合设计和拓展学习。其中，基础操作与综合设计是核心模块。若将原理认知与基础操作模块进行组合，即可形成基础性的验证实验单元，重点促进学生对已学理论知识的深化理解，熟悉反应设备与换热器件的操作与运行、各类自控仪表的运行与监控、常见环境水质指标的检测与分析，观察和分析实验现象和实验结果等基本方法，深化学生基本实验技能的掌握，为组合性实验和创新性设计打下基础。若将原理认知与综合设计模块进行组合，则可形成高阶性创新实验单元，重点促进学生熟悉热力系统分析原理与方法，利用学过的专业理论知识完成能量平衡核算与传热过程优化，培养学生的创新设计能力、激发学习兴趣，提高分析和优化能源环境体系的能力。后续的拓展学习模块，主要是由教师指导，学生独立或组队完成一个创新实验课题的形式进行，如基于创新实践科研项目，要求学生进行创新实验的设计，培养学生的科学研究思维方法、创新意识、团队协作能力和科学研究能力。可见，利用自主设计的SCWO实验教学平台进行的整体模块化实验教学设计，有利于培养学生掌握能源与环境交叉领域的基础实验技能、实践动手能力与创新思维能力，赋能科学研究和创新创业活动，引导学生聚焦“双碳”目标和能源革命，成为肩负引领绿色低碳社会文化风尚的能源环境工程师。

图2 基于SCWO的创新实验教学设计体系

（三）多维度现代化技术辅助的创新实验教学模式

为提升学习成效，针对实验项目特点开展了多维度教学模式的探索。针对不同认知层面的要求，利用线上线下混动、微课、虚拟仿真技术等手段进行了实验教学组合模式的探索与实践。如图2所示，将实验原理与实验操作等知识点与基于超星学习通平台的线上教学手段相结合，将基于线下教学平台的实验教学过程与线上平台紧密联系，建立起微课辅助的线上、线下混动式实验教学新模式，满足学生课前预习，熟悉实验流程与方法，并有利于实现随时随地学习、课后自主学习。为了不断提升教学质量，还开展了虚拟仿真实验教学实践与探索，采用探究式、任务驱动式和自主设计式等教学方法［9］，进一步推进挑战性、高阶性在线教学设计与实践，激发学生创新实践的主动性和积极性，体现了现代信息技术与实践教学的深度融合。现代信息技术辅助的多维度实验教学模式的探索与实践，可有力促进学生的基本专业实验技能的掌握，深化学生对专业理论知识的掌握，强化学生对专业内涵的理解，还可培养学生能够运用专业实验技能解决典型能源环境跨界问题、学科交叉融合问题的工程应用能力，创建学生的自我激励机制，推进基于成果导向的工科学生工程实践能力培养需求的协同发展。

二、实验教学案例与实践

基于高浓有毒有机废液处置的超临界SCWO实验项目，是我校能源与环境系统工程专业四年级本科生必修课“能源环境综合实验”课程的重要内容，目前已开展了4 届本科生的实验教学实践。教学实践以某石化企业排放的工艺排水为教学案例的处理原水试样。经检测，原水COD为72 000 mg/L，氰化物（CN）为2 950 mg/L，pH介于6～7，且不含溶解盐类，为典型的高浓有毒有机废液。针对影响超临界水氧化工艺的4个主要因素：压力P、温度T、停留时间t和过氧系数σ，分别设计了5～6个水平的实验工况。实验基于SCWO实验教学平台，设定有毒有机废液的进水流量为10 kg/h，氧化剂采用过氧化氢（H2O2），分别改变SCWO实验装置的运行工况，反应结束后取样检测处理出水的COD、氰化物（以CN计）等水质指标。学生完成实验后，依据检测结果评价处理出水是否水质达标，绘制出有机废液的COD、CN去除率分别随P、T、t和σ各因素的影响曲线。以压力工况P为例，可获得图3的处理出水COD和CN去除率关于P的影响趋势结果，可发现SCWO系统随着P的增大，对COD与CN的去除率在不断提升，而且随着COD裂解率的提升，体系释放出的反应热也会随之增大。通过实施整个实验授课过程，学生熟悉了SCWO处理高浓有机废液与资源化的主要工艺特性，理解了环境污染物的能源化利用原理，拓展了专业领域的视野，深化了对专业内涵的认识。实验过程对组内同学间的团结协作与互动性要求较高，有利于每名学生都积极发挥主动性，高效完成分工承担的实验内容，动手能力得到有效锻炼，学生对授课内容与过程的认可度高。完成实验内容后，还利用线上平台发布讨论主题，进行线上交流互动探讨与知识拓展，最终通过线上平台提交完整的实验报告。

图3 处理出水COD和CN去除率随反应压力的变化趋势

另外，为满足SCWO核心反应场景的直观可视化，以及能量回用的优化分析这些高阶性的实验要求，正在开发相关虚拟仿真实验课程，拟借助虚拟仿真技术实现高阶性、挑战性的实验流程设计，进一步提升实验授课效果。相关专业实验教学内容已申请并立项校级虚拟仿真实验课程1项、重点教育教学研究课题2项，在线教学实践与探索专项课题1项。

结语

本实验基于SCWO技术的创新实验教学设计，将前沿的科研成果转化为本科生实验教学资源，定制了高浓有毒有机废液的SCWO实验教学平台，设计了综合性、模块化的创新实验教学体系，利用多维度、现代化的实验教学模式，开展了创新性实验教学实践探索。经教学实践验证了本实验设计不仅可有效提升授课质量，促进教学与科研的交互与融合；还可培养本科生的自主思考能力、解决问题能力、分析问题能力以及实验动手能力，激发学生的探索能力和创新能力，显著促进学生的综合素质和综合能力的提高。