工程案例分析在水工程化学课程教学中的应用

韦学玉，张 明，李济源，孙俊伟，赵昌爽

（安徽工程大学建筑工程学院，安徽 芜湖 241000）

水工程化学是给排水科学与工程专业的一门重要专业基础课。基于水质净化系统，进行分析、设计、优化水处理工艺，构建最优水处理系统[1，2]。在新工科及工程认证背景下，该课程建设持续发力，以期满足对课程建设的要求。通过不断教学改革，引入工程案例分析，将反应动力学的知识与工程实践紧密结合，使学生熟练掌握基本理论，同步提高分析、解决问题的能力，为涉水工程课程设计与计算分析打下坚实基础。基于此，将饮用水二次供水消毒工艺案例引入水工程化学反应动力学教学，并通过“学习通”平台，结合翻转课堂实现辅助教学功能。

1 化学反应动力学概述

化学反应动力学是水工程化学课程的重要内容，同时又是教学的重点和难点。它主要探索化学反应过程中反应速率和原理，研究浓度、压力、温度和催化剂等因素对反应速率的影响。通过对化学动力学分析，可明确如何通过反应条件调控主反应速率，以更大限度地减少副产物的生成。将化学动力学的初始试验数据和信息作为核心出发点，经过一系列技术分析后，获取基础力学反应数据公式和基础参数。其中，常见反应速度效率参数为k、活化能参数为Ea、指前因子参数为A。使用以上相关参数能够进一步表现出反应速度特点。在微观上，一个化学反应通常是经过几步完成的，每一步反应称作基元反应，基元反应中反应物的分子数总和称为反应分子数，这些基元反应的净反应即为表观上的化学反应动力学。化学反应动力学能提供水体中污染物的迁移转化规律、材料的腐蚀或产品的老化等方面的知识，还可以为科研成果的应用提供最优的设计，为工艺选择最适宜的控制参数。因此，化学动力学的研究，不论在理论上还是在实践中，都具有重要的现实意义。

2 工程案例与教学耦合

2.1 工程问题的提出

随着经济社会的迅速发展与人民生活水平的提高，城市高层住宅日益增多，配建的二次供水设施也与居民的生活密不可分，二次供水水质的优劣已直接关系到民众的健康。如何有效避免生活用水在二次供水系统中被污染，规范二次供水设施的建设与管理，已成为业界关注的热点。依照《二次供水设施卫生规范》（GB17051-1997）的规定，二次供水设施须有安装消毒器的位置，有条件的单位应设有消毒器。在高层住宅二次供水系统中，增加二次消毒可有效降低生活饮用水的污染风险，如何提高二次供水消毒应用效果显得尤为重要。饮用水消毒技术主要包括物理法和化学法两大类。物理法是利用物理能来破坏细菌或使菌体蛋白发生解体及变性，如紫外线消毒法、超声波消毒法[3，4]等；化学法则是利用液态或气态的化学药剂渗透到菌体内，通过氧化反应，使细菌菌体发生破坏性的降解，如氯化消毒[5]、臭氧消毒[6]等。目前国内已有选取臭氧、紫外线等方式进行二次供水消毒案例分析[7]，但均未考虑实际水箱水质变化规律。因此，结合主流的饮用水消毒技术和反应动力学的理论，通过模拟测试与实际应用考察了二次消毒技术对高层住宅生活用水水质的影响，建立并优化了二次消毒应用技术，为二次供水消毒技术改造提供理论依据与实践经验。

2.2 二次供水案例教学

利用信息化教学手段，将课堂前置，导入问题。教师在课前通过“学习通”平台提出工程问题，并将反应动力学模型参数案例推送至学生手机，让学生先进行思考，同时要求检索和查阅资料，创设科学问题情境，培养学生自主学习能力[8]。课堂上对反应级数及与其相对应的动力学方程进行详细的分析讲解，课后对存在的疑惑或问题展开交流讨论。把课前、课堂和课后有机结合起来，强化对反应动力学知识点的理解和掌握。

以二次供水工程水质控制为例，选择水箱尺寸参数为3m×2m×2m，总容积12m3。选取水箱高度的3/4作为水箱贮水高度，以模拟常规水箱运行时的平均水位高度，即水箱贮水9m3。余氯浓度随时间的变化见表1。为较为准确地研究水箱静态水质浊度与余氯的变化，停留时间分别选取0h、2h、4h、6h、8h、24h、48h、72h、96h、120h、144h、168h、192h 这13个时间点，分别采集水箱出水水样，测定余氯，结果如表1所示。

水箱出水余氯随着时间推移逐渐降低，在120h降低到0.05mg/L，此时余氯降低至《生活饮用水卫生规范》（GB5749-2006）所规定的管网末梢水余氯临界点，在192h 时，水箱出水余氯无法检出。水箱静态水余氯随时间推移逐渐衰减，为了考察余氯衰减速率，需要建立余氯衰减模型。

通过课前大量的文献检索和查阅，余氯在贮存二次供水水箱中发生的衰减变化，是一个与反应速率和反应物浓度单一组分的一级反应，余氯的衰减作为一个基元反应，氯的消耗速率为：

式（4）中：PA为反应时刻t余氯的浓度，k为反应速率常数。

对式（1）进行积分，得：

由式（3）可得：

式（4）中PA0为初始余氯浓度，当t=0 时，PA=PA0，为了得到k值，需使：

由式（6）可得余氯衰减系数k为：

将表中余氯数据带入到式（7）中，即可求得衰减系数k=0.017，得到水箱静态下的余氯衰减方程，如式（8）所示。

根据以上检测数据及余氯衰减动力学方程，绘制水箱静态余氯衰减曲线，如图1 所示。取PA=0.05时，则可得t=103.4h，可预测水箱贮水余氯在103.4h后，存在余氯无法达标的风险。通过对反应动力学理论学习，建立并优化了二次消毒工程应用，为二次供水消毒技术提供理论依据与实践经验。

图1 水箱静态余氯衰减曲线

3 结 语

基于工程项目案例分析，结合信息化教学手段，做好课前问题导入，课堂分析与讲解和课后交流讨论。与往届教学效果相比较，一方面相对于围绕章节内容按部就班教学，工程案例引领下的教学设计与实施，既能使学生理解并掌握基本原理，又能让学生感受到基本理论对工程应用的强大的支撑作用，从而激发了学生的学习兴趣，加强了师生交流，实现教学与科研的良性互动。

以该课程授课计划、知识点为主线，结合教育教学实践，发挥工程案例对教学重点和难点的支撑作用。接下来将进一步整合教学内容，对接工程案例，实现模块化教学内容与工程案例紧密耦合，突出理论指导下的工艺设计和优化方案，对高素质应用型人才培养质量起到积极的促进作用。