鐘亞蘭 黃馳 羅運柏 于萍

(武漢大學化學實驗教學中心 湖北武漢430072)

化工基礎實驗是為理科院校化學和應用化學專業(yè)學生開設的一門重要的工程類實踐課程。為培養(yǎng)學生扎實的化工實驗基礎，使他們掌握實驗新方法和新技術，我們對該課程的教學內容和教學方法不斷地進行改革探索［1］。滲透汽化(又叫滲透蒸發(fā)，簡稱PV)是一種具有廣泛應用前景的綠色、無污染、低能耗、選擇性高、操作簡便、過程不受氣液平衡限制的膜分離過程。與微濾、超濾、反滲透等膜分離技術的篩分原理不同，滲透汽化是利用膜對液體混合物中各組分的溶解與擴散性能的不同來實現(xiàn)混合溶液組分的分離。滲透汽化技術主要用于有機物脫水和有機物/有機物共沸體系或近沸體系組分的分離，可以代替精餾、萃取、吸附等傳統(tǒng)分離方法或與這些傳統(tǒng)分離方法串聯(lián)使用，達到降低污染、能耗和成本的目的，是近年來的研究開發(fā)熱點［2］。

2004年，我校利用實驗中心的“實驗教學-理論教學-科學研究相結合平臺”，將學院科研課題組有關滲透汽化的科研成果改編成教學實驗，開設了滲透汽化分離己內酰胺/水體系和碳酸二甲酯/甲醇共沸體系的實驗，通過以課外開放實驗形式制備滲透汽化膜及膜的分析表征，以滲透汽化操作為課堂實驗的教學模式，取得了一些經驗，受到學生的歡迎。

1 滲透汽化實驗的教學思路

傳統(tǒng)的化工基礎實驗主要涉及質量傳遞(蒸餾、吸收、萃取、干燥等)、動量傳遞(流體輸送、過濾、沉降、固體流態(tài)化等)和熱量傳遞(加熱、冷卻、蒸發(fā)、冷凝等)等化工單元操作，實驗教學過程基本上是因循以往的程序:預習教材—撰寫預習報告—課堂中教師的講解—實驗操作—寫實驗報告。在這些傳統(tǒng)的單元操作中，學生的主觀能動性不易得到充分發(fā)揮，團隊協(xié)作能力也沒有得到很好的鍛煉;同時還會使學生認為化工實驗的實踐性操作和單元操作與傳統(tǒng)的化學基礎實驗沒有關系。

武漢大學是理科高校，學生對化學理論課及基礎實驗課程興趣較高，而對工程類的化工實驗興趣不是很高。為了加強化工實驗的實踐性教學，我們利用理科學生扎實的化學理論基礎，結合有機、分析、物化等化學基礎實驗來提高學生對化工基礎實驗的興趣。我們在化工基礎實驗課程中開設滲透汽化實驗的思路是將化工基礎實驗與四大基礎化學實驗緊密結合。具體做法是:只提供給學生滲透汽化實驗的基本信息及參考資料，而不提供完善的實驗教材。學生通過查閱資料，分組(一般3人一組)設計實驗方案，寫出預習報告。在實驗方案中，要求學生利用高分子科學、物理化學、有機化學的知識，設計并制備出新型的滲透汽化膜，并評價這些膜的滲透汽化性能。在通過討論確定實驗方案后，在教師的指導下完成實驗，寫出實驗報告。最后學生集中在一起交流討論實驗結果和心得體會。

2 滲透汽化實驗的開設方式

2.1 實驗前的預習

教師提供給學生滲透汽化實驗的基本信息和資料，要求學生通過在實驗前查閱文獻，了解滲透汽化分離的重要性和意義，利用物理化學、有機化學、材料化學、分析化學和高分子科學的基礎知識，了解和分析滲透汽化實驗的原理和主要應用、滲透汽化膜的選擇與分離體系的關系、膜的制備與表征方法、評價滲透汽化膜性能的主要參數(shù)指標(分離因子、滲透通量)及相互影響因素等，然后設計出自己的實驗方案，包括實驗操作步驟、所需采集的實驗數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)記錄表格等，寫出實驗預習報告并經教師審核。

2.2 實驗方案審核與教師講解

指導教師對學生提交的預習報告進行審核后，反饋給學生。學生根據(jù)教師的意見修訂實驗方案，然后進入實驗室進行實驗。在實驗前，指導教師會對學生的實驗方案進行初步點評。此外，由于滲透汽化作為一種新型的分離技術只在化學工程基礎理論課程中稍作介紹，因此在實驗教學環(huán)節(jié)中，指導教師會結合ppt課件及實驗現(xiàn)場比較全面地講解這部分知識點。在學生預習的基礎上，通過提問的方式，從滲透汽化原理、滲透汽化膜的選擇、膜的制備方法、滲透汽化操作以及評價滲透汽化的參數(shù)指標等方面考查學生對該實驗的預習和了解情況。

2.3 實驗部分

實驗部分分為滲透汽化膜的制備、表征和滲透汽化操作實驗。借助實驗中心“計劃教學-開放實驗-業(yè)余科研相結合”的創(chuàng)新教育平臺［3］，讓學生利用計劃教學和開放實驗的教學時間，完成全部實驗，并吸引部分興趣較高的學生加入到滲透汽化方向科研組的科研工作中。

2.3.1 滲透汽化膜的制備和表征

滲透汽化膜是整個滲透汽化分離過程的關鍵部分。需要根據(jù)待分離體系中滲透物質的物理化學性質，選擇合適的膜材料，其一般過程是通過聚合反應合成鑄膜液或者選擇合適的高分子材料溶解得到鑄膜液，然后澆鑄制備PV膜。因此，滲透汽化膜的制備是一個比較耗時的過程［4-6］，該過程涉及到高分子科學、材料科學、無機化學、有機化學、物理化學和分析化學的知識，是一個典型的綜合性化學實驗。鑒于實驗課時的限制，我們把這部分作為課外開放實驗內容。學生在查閱資料、充分預習并與教師充分討論制膜方案后，向預備室提交所需要的藥品和儀器設備清單。在預備室準備好相關條件后，學生在教師和實驗室人員的指導下，利用開放實驗時間完成膜的制備，并對膜的結構性質做紅外光譜(FTIR)、X射線衍射(XRD)及熱重(TG)等基本表征及膜的溶脹分析。

為了使課堂教學順利進行，實驗室會提前制備好幾種不同類型的膜，供學生選擇使用。

2.3.2 滲透汽化操作實驗(課堂實驗)

學生將膜安裝在如圖1所示的滲透汽化裝置上進行滲透汽化操作實驗。實驗內容為:①比較幾種膜的性能——分離能力和滲透能力;②改變實驗操作條件，如進料溫度、進料組成、進料流量等，考察滲透膜的分離能力和滲透能力隨操作條件的變化情況。

由于時間的關系，每個學生不可能通過一次實驗就獲得所有的實驗結果，因此每組學生在課堂教學實踐時只重點做一個參數(shù)的變化對滲透汽化性能的影響，其他部分可以在進行開放實驗實踐時進行。

2.4 實驗報告的撰寫和實驗結果討論

實驗結束后，要求學生寫出完整的實驗報告。實驗報告內容包括:滲透汽化實驗的目的、原理，實驗原料和儀器裝置，實驗操作步驟，數(shù)據(jù)的處理等，讓學生通過列表或作圖的形式對數(shù)據(jù)進行初步分析，得出合理的結論，并對實驗結果和實驗過程中出現(xiàn)的問題進行討論，提出可能的解決方案。

對于參加課外開放實驗制備滲透膜的學生，要求按照科研論文的格式撰寫實驗報告。

圖1 滲透汽化裝置

2.5 匯報和總結

該實驗大循環(huán)結束后，選出實驗結果比較有代表性的組，以ppt的形式向全班同學匯報實驗結果的分析和討論。比如，某組學生用實驗室制備的聚乙烯醇-二氧化硅-聚丙烯腈復合膜對質量分數(shù)為70%的己內酰胺(CPL)/水體系做的滲透汽化分離實驗，滲透通量J和分離因子α隨溫度升高而變化的曲線如圖2所示。對于該結果，學生能根據(jù)滲透汽化的原理解釋為:溫度升高時，滲透通量增加，這是因為溫度升高時膜體中的高分子鏈段的熱運動會加快，自由體積就增大了;并且溫度的升高也導致滲透組分小分子的運動速度加快，能夠更快地通過膜體進入下游。而分離因子隨著溫度的上升而下降，是因為溫度的上升不只是讓水分子的熱運動加快，與膜之間的相互作用減小，對CPL分子也有相同的作用。也就是說溫度升高能使CPL分子更容易滲透通過膜，因此分離因子就隨之下降了。

圖2 進料溫度對滲透汽化性能的影響

滲透通量和溫度的關系還可以通過阿倫尼烏斯方程J=Ae-Ea/(RT)來描述。圖3是滲透通量的自然對數(shù)與溫度的倒數(shù)關系，通過線性擬合，可以得到滲透活化能。

3 教學效果評價

學生在滲透汽化實驗中通過查閱文獻資料、預習、實驗、討論和總結等環(huán)節(jié)，了解了滲透汽化的原理、滲透汽化膜分離性能的評價指標——滲透通量、分離因子及分離指數(shù);掌握了滲透汽化分離的實驗技術;了解了滲透汽化的主要工藝參數(shù)如進料溫度、進料組成、進料流量對滲透膜的分離能力和滲透能力的影響;并結合物理化學學過的阿倫尼烏斯公式，學會了利用滲透通量與進料溫度的關系求出滲透活化能的方法。

圖3 滲透通量的對數(shù)與操作溫度倒數(shù)的關系

此外，學生還可以通過學習制備滲透汽化膜，鞏固有機合成實驗知識和儀器分析知識，并進一步學習紅外光譜圖分析、X射線衍射分析、熱重分析等。

本實驗通過以上教學安排發(fā)揮學生的主觀能動性和積極性，培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作精神，提高學生分析問題和解決問題的能力。這種實驗開設方式得到了學生的肯定，取得了較好的效果。

4 不足之處與解決辦法

在化工實驗教學過程中，我們通過對滲透汽化實驗進行的改革嘗試，調動了學生的學習興趣，取得了較好的效果;但值得一提的是，仍有不少學生希望用傳統(tǒng)的教學模式，按部就班地拿完學分。其原因一方面是部分學生對化工應用和化學基礎知識的關聯(lián)度認識不夠，且習慣于“填鴨式”教學模式，不習慣自己查閱文獻資料;另一方面是開放部分的內容很多，開放實驗比較花費時間，短時間內不會得到明確的結果，而學生的課業(yè)負擔重。這些導致部分學生不想參加開放實驗。

針對部分學生學習興趣不高的問題，實驗中心主要從以下4個方面加以解決:

(1)凝練教學內容，重點培養(yǎng)學生的學習能力和創(chuàng)新能力，而不是灌輸知識點。

(2)通過理論課宣傳、增加新實驗內容和知識講座等措施加強引導，進一步讓學生理解化學基礎理論(含實驗)和化學工程之間的關系。

(3)根據(jù)中心的教學理念，我們從學生一進校就讓學生從“填鴨式”的學習方式中解脫出來，在大一就開始進行設計性實驗，讓學生從被動接受知識轉為主動“索取”、“查找”知識，通過查閱文獻資料完成一些小課題。

(4)調整化工實驗課程的教學時間，盡可能保證學生有較多的開放實驗時間;并給予學生較大的自由度，讓學生在整個學期內可以根據(jù)自己的情況選擇和安排實驗時間;此外，化工基礎實驗教研組也通過進一步改進教學方法來提高學生的興趣。

［1］黃馳，周新花，席美云，等.大學化學，2003，18(3):28

［2］Smitha B，Suhanya D，Sridhar S，et al.J Membrane Sci，2004，241(1):1

［3］黃馳，席美云，程功臻，等.大學化學，2006，21(6):20

［4］Zhang L，Yu P，Luo Y B.Sep Purif Technol，2006，52:77

［5］張壘，羅運柏，于萍，等.化學工程，2010，38(8):48

［6］Zhang L，Yu P，Luo Y B.J Membrane Sci，2007，306(1/2):93