炭素材料在环境工程专业综合实验改革中的探讨(2)

在课程第一周，首先对课程总体思路进行介绍，让学生充分了解该课程的实施过程和目的，然后学生根据所在分组进行文献资料查阅和实验方案确定。废气组和废水组学生主要查阅废气、废水监测分析方法，例如废气中SO2、NOx和苯系物，废水中COD、石油类、苯系物等污染因子如何进行监测。而材料组主要查阅目前炭素材料在废气、废水治理方面的应用技术与研究现状，选定在本课程中拟应用的炭素材料及其应用原理。

在课程第二、三周，废气、废水组分别完成实验废气、废水的配制，并对其中的污染因子进行分析，然后利用材料组提供的炭素材料，在实验室废气、废水处理装置上完成废气、废水中目标污染物的脱除实验。而材料组在前期资料查阅调研基础上选定购买或自制炭素材料，并对炭素材料表面结构、基本性质等进行表征分析，为废气组和废水组提供实验材料。实验过程中，3个大组之间相互配合、分工协助，共同完成整体实验内容。

第四周，学生对取得的实验数据进行统计整理，编制实验报告，完成本课程的学习。

3 炭素材料技术应用举例

根据上述课程思路设计，简要探讨一下综合实验课程的实施过程。废气组和废水组的目标污染物脱除实验装置如图1所示，其中线路1和线路2用于废气目标污染物脱除，线路3和线路4用于废水中目标污染物脱除。

图1 废气、废水目标污染物脱除装置示意图

3.1 材料组实验内容

材料组实验内容与废气、废水组不同，重点在于实验材料的选取和表征分析。炭素材料优异的吸附性能是目前废气、废水处理的主要应用基础，尽管其催化能力、导电能力在环境治理方面也有一定程度的应用，但考虑到课程时间、实验繁琐程度，暂不适合在本课程中展开学习，本课程只考察选定炭素材料对废气、废水中目标污染物的吸附脱除作用。

课程中选定了2种商业化炭素材料，即椰壳活性炭、活性炭纤维和自制的高比表面积有序大孔炭为实验用材料。椰壳活性炭和活性炭纤维直接从市场购买，有序大孔炭材料通过简单易行的胶晶模板法制得，即以二氧化硅胶体微球为模板、蔗糖为碳源，利用毛细作用力将蔗糖溶液填充至胶晶模板空隙内，并在氮气保护条件下高温炭化，最终用氢氟酸溶液去除二氧化硅胶体微球，得到有序大孔炭材料。不同炭素材料基本信息如表1所示，宏观和微观照片如图2所示，BET比表面积通过实验室ASAP 2010比表面和孔径分布测定仪测得。

表1 炭素材料基本信息一览表材料编号材料名称BET表面积/mg·m-3)材料来源C-1椰壳活性炭350购买C-2黏胶基活性炭纤维570购买C-3有序大孔炭1100自制

图2上由左至右分别为椰壳活性炭、活性炭纤维和有序大孔炭照片，下由左至右分别为椰壳活性炭、活性炭纤维和有序大孔炭SEM照片。

图2 实验中不同炭素材料照片

3.2 废气组实验内容

废气组用实验废气以环境空气为背景气，考虑常规污染因子和特征污染因子兼顾的原则，选定SO2、NOx和苯作为综合实验的监测对象，监测方法和监测结果如表2所示。

表2 废气组监测信息一览表监测对象监测因子监测方法监测结果mg·m-3环境空气SO2甲醛溶液吸收-盐酸副玫瑰苯酚分光光度法68NOx盐酸萘乙二胺分光光度法73苯活性炭吸附/二硫化碳解吸-气相色谱法未检出

通过上述实验过程让学生掌握2种常规污染物SO2、NOx和一种特征污染物苯的监测方法，熟悉大气采样器、分光光度计、气相色谱等常用分析仪器的使用。SO2、NOx的监测结果满足国家环境空气质量标准的要求，而苯未检出。分析认为，因为监测的环境空气处于校园区域，而且周围10 km范围内没有苯污染物的排放源，故没有检出苯的存在，但考虑到苯是石化行业重要的特征污染因子，很可能是我校环境工程专业学生未来需要重点控制的对象，因此在本课程中将其作为目标污染物进行脱除实验，使学生学习一种含苯废气的治理方法。

通过实验室配气的方式，制备了一定浓度的含苯废气，并利用不同炭素材料对其进行吸附脱除。具体实验过程通过图1所示实验装置的线路1和线路2完成。首先将配好一定浓度的有机废气通过线路1通入气相色谱仪，测定其中苯的初始浓度。再通过线路2测定处理后的苯浓度，考察处理效率。线路2与线路1的区别在于炭材料吸附柱的存在，对气相中的苯进行吸附脱除，达到净化废气的作用，而且吸附材料可进行更换，以考察不同吸附材料的吸附性能。不同炭素材料处理含苯废气的效率情况如表3所示。

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