炭素材料在环境工程专业综合实验改革中的探讨(4)

针对目前污染治理技术种类繁多、适用领域各异的特点，以及仅仅通过一门综合实验课程无法覆盖所有技术领域的实际情况，课程组讨论分析认为，应选择易操作、实验过程相对简单、实验室易完成的实用污染治理技术进行课程改革实践。炭素材料技术在环境工程领域的实践中已发挥了重要的作用，而且与其他实用技术，如废气治理中的脱硫脱硝、废水治理中的物化、生化处理等技术相比，具有操作相对简单、实验过程易控制、对实验条件和设备要求相对不高的特点，课程组尝试将炭素材料技术融入到环境工程专业综合实验课程中来，不仅使综合实验课程体系更加完整，更为重要的是，可以让环境工程专业的学生掌握和了解一些污染治理实用技术，提高学生的综合应用能力。同时课程实验内容能够与课程组长期从事的炭素材料研发与应用研究的科研工作相结合，克服目前高校普遍存在的科研与课程教学脱节的弊端，这也与科研、教学工作接轨互融、相互促进的高等教育发展理念相一致[11]。

2 引入炭素材料技术的思路设计

将炭素材料技术引入到综合实验课程体系后，保留原有部分大气监测、水监测实验内容，并在此基础上后续增加了利用炭材料技术对废水、废气中目标污染物进行脱除的实验内容。

综合实验课程首先将学生分成3个大组，即废气组、废水组和材料组，然后由课程组教师分别确定各组的实验内容。总的来说，废气组和废水组分别负责废气、废水样品的配制、监测及目标污染物去除的实验研究，而材料组主要负责炭素材料的选用、材料性质分析以及在废气、废水净化中的作用的分析。课程时间安排为4周。

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。

文章来源：《汽车实用技术》 网址: http://www.qcsyjs.cn/qikandaodu/2020/0912/536.html