環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)小型環(huán)境艙的研制與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1、環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)小型環(huán)境艙的研制與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)    我國環(huán)境工程學(xué)科是在20世紀(jì)70年代中后期迅速 發(fā)展 起來的，到目前為止，大約有140多所大學(xué)成立了環(huán)境工程專業(yè)，而且還在繼續(xù)增加。環(huán)境工程（Environmental Engineering）是一門新興的學(xué)科，是伴隨著工業(yè)化和 社會 化生產(chǎn)方式發(fā)展起來的產(chǎn)物。它是一門多學(xué)科相交叉的新興學(xué)科，包括 工學(xué) 、 理學(xué) 、 管理 學(xué)和 經(jīng)濟(jì) 學(xué)，也是一門 實(shí)踐 性很強(qiáng)的 應(yīng)用 性學(xué)科。環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)是環(huán)境工程課程體系的重要組成，它是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和動手能力的重要途徑和保證。為了培養(yǎng)具備一定創(chuàng)新能力、適應(yīng)我國社會發(fā)展

2、要求的創(chuàng)新型環(huán)保人才，綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)必須在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中占一定比例1-3。河南科技大學(xué)自招收環(huán)境工程專業(yè)以來，十分重視學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。不斷加強(qiáng)環(huán)境專業(yè)的課程建設(shè)和實(shí)踐環(huán)節(jié)，在教學(xué)中取得良好的效果。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，除設(shè)置水污染控制工程實(shí)驗(yàn)、大氣污染控制工程實(shí)驗(yàn)、固體廢棄物處置實(shí)驗(yàn)、物理污染控制實(shí)驗(yàn)和環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)外，增設(shè)環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)。后者是獨(dú)立于前幾門實(shí)驗(yàn)之外單獨(dú)的一門課程，同時(shí)也是它們的有益補(bǔ)充，其具有兩個特點(diǎn)：一是與課程對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)為開放性實(shí)驗(yàn)室，為本科生提供自主實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的場所；二是它的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不固定，不斷更新，且要求必須是綜合性或設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。在此背景下，受河南科技大學(xué)大

3、學(xué)生訓(xùn)練研究 計(jì)劃 資助，構(gòu)思和設(shè)計(jì)小型環(huán)境艙，它可以實(shí)現(xiàn)模擬空氣污染物釋放規(guī)律受環(huán)境因素變化的影響，也可以進(jìn)行空氣污染物吸附或光催化降解等控制手段的動態(tài)實(shí)驗(yàn)。1 環(huán)境艙的設(shè)計(jì)1.1 環(huán)境艙的設(shè)計(jì)思路環(huán)境實(shí)驗(yàn)艙一般是由惰性材料制成，匯效應(yīng)的影響很小，而且艙內(nèi)的環(huán)境參數(shù)可精確控制，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較好的代表性。目前對于環(huán)境艙的研究主要集中在利用環(huán)境測試艙，對揮發(fā)性有機(jī)氣體釋放特征和釋放機(jī)理進(jìn)行研究4-7。按體積可分為大艙與小艙（<5 m3），小艙價(jià)格相對便宜，環(huán)境因素容易控制，應(yīng)用普遍，主要用來測試材料、部件和小型產(chǎn)品，是國際上歐美國家測量建材和室內(nèi)產(chǎn)品排出的有機(jī)污染物的推薦設(shè)備。本設(shè)計(jì)的思路

4、是，在較低成本的條件下，設(shè)計(jì)制備出簡易的、多功能的小型實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，能滿足綜合性和設(shè)計(jì)性環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)的需要。在功能上，它既要實(shí)現(xiàn)模擬空氣的參數(shù)變化，即需要溫度和濕度的調(diào)控裝置；還要實(shí)現(xiàn)控制手段對去除污染的影響，即根據(jù)需要設(shè)置控制裝置。1.2 環(huán)境艙的結(jié)構(gòu)和功能在上述設(shè)計(jì)思路的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)環(huán)境艙，其組成如圖1所示。它的整體構(gòu)造主要由空氣泵、空氣凈化系統(tǒng)、流量控制器、加熱系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、溫濕度控制系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)、攪拌風(fēng)機(jī)、紫外燈等組成。它的外觀圖如圖2所示。1）空氣泵與流量計(jì)?？諝獗眠x擇優(yōu)質(zhì)空氣薄膜泵（美國托馬斯607CD32型流量018 L/min）為動力，安裝在前部凈化系統(tǒng)之前?？諝饬髁靠刂撇捎?/p>

5、流量計(jì)調(diào)節(jié)（轉(zhuǎn)子流量計(jì)，流量520 L/min，精度0.5%），使空氣以7.5 L/min流量進(jìn)入環(huán)境艙，保持環(huán)境艙空氣的交換率為（1±0.05）次/h。流量計(jì)安裝在前部凈化系統(tǒng)之后，以緩沖由于空氣泵產(chǎn)生的空氣振動對流量計(jì)控制的影響，提高流量計(jì)的控制精度。2）空氣凈化系統(tǒng)。進(jìn)入艙內(nèi)的空氣必須是清潔的、足量的，并能保持恒量和干燥?？諝鈨艋b置由前后兩部分組成8。前部凈化系統(tǒng)。前部凈化系統(tǒng)的功能主要是去除空氣中的水分、甲醛和顆粒物等，由兩個串聯(lián)的吸附裝置組成：一個是甲醛吸收液瓶，內(nèi)盛有甲醛吸收液；一個是活性炭吸附柱，內(nèi)裝自制活性炭。將兩個吸附裝置串聯(lián)，甲醛吸收液瓶安裝在活性炭吸附柱之前，

6、逐級吸附、凈化，以保證凈化后的空氣中甲醛質(zhì)量濃度0.06 mg/m3；后部凈化系統(tǒng)。后部凈化系統(tǒng)安裝在采樣口之后，其主要功能是吸收尾氣中的甲醛，消除甲醛的二次污染。同樣由兩個串聯(lián)的吸附裝置組成：一個是甲醛吸收液瓶，內(nèi)盛有甲醛吸收液；一個是活性炭吸附柱，內(nèi)裝自制活性炭。活性炭吸附柱在前，甲醛吸收液瓶在后組成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，逐級吸附、凈化。3）溫度控制系統(tǒng)。環(huán)境測試艙的溫度控制系統(tǒng)通常由加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。加熱系統(tǒng)主要由電阻絲組成，如果要求升溫速率較大，則加熱絲功率也比較大，而且在實(shí)驗(yàn)箱的底板也設(shè)有加熱器。加熱系統(tǒng)的加熱量可由控制系統(tǒng)來決定?？刂葡到y(tǒng)是實(shí)驗(yàn)箱的核心，它決定了實(shí)驗(yàn)箱的升降溫速率及精度等

7、重要指標(biāo)。環(huán)境測試艙的控制器大都采用PID控制方法9。本設(shè)計(jì)采用自行改裝的智能型溫濕度控制器來控制溫度和濕度，并能數(shù)字顯示艙內(nèi)溫濕度值。    超聲波式加濕法是在加濕器底部安裝超聲振子，向水中發(fā)射超聲波，使水在常溫下直接霧化，霧化的水汽經(jīng)艙內(nèi)的風(fēng)機(jī)攪拌使艙內(nèi)的濕度保持均勻。超聲波式加濕法具有加濕效率高、響應(yīng)快、加濕清潔度好、能耗較低、可用開關(guān)控制等優(yōu)點(diǎn)，且可直接放置在環(huán)境艙內(nèi)。本設(shè)計(jì)采用超聲波式加濕，為避免加濕水源帶來污染，采用去離子水加濕。5）空氣采樣系統(tǒng)?？諝獠蓸酉到y(tǒng)采用智能中流量空氣總懸浮微粒采樣器（武漢市天虹儀表有限責(zé)任公司），型號TH-150C

8、。用聚四氟乙烯三通閥將采樣器與出氣管相連接。2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基于自制的環(huán)境艙，設(shè)計(jì)幾個實(shí)驗(yàn)，并得到一些初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2.1 木工板釋放甲醛規(guī)律實(shí)驗(yàn)1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮?。人造木工板是現(xiàn)在裝修的主要建材之一，因其加工過程使用脲醛樹脂類膠黏劑會持續(xù)釋放出甲醛，甲醛作為室內(nèi)污染的主要污染物，受到人們的普遍關(guān)注。研究環(huán)境因素變化對甲醛釋放規(guī)律的影響，有一定現(xiàn)實(shí)意義。2）實(shí)驗(yàn)過程與操作。將新購入的木工板進(jìn)行切割，并用保鮮袋封存。實(shí)驗(yàn)時(shí)，按照木質(zhì)板材中甲醛衛(wèi)生規(guī)范操作取樣，將板材從保鮮袋中取出，并把邊沿去除10 cm，截取20 cm×22.5 cm的試樣，裸板的雙面面積為0.1 m2。通過流量計(jì)調(diào)節(jié)進(jìn)口

9、風(fēng)量來調(diào)節(jié)不同的空氣交換率，通過濕度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)不同的相對濕度，通過溫度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)不同的溫度。分別固定其他條件不變的情況下，探討空氣交換率、相對濕度、溫度對甲醛釋放規(guī)律的影響。甲醛濃度的測定推薦使用乙酰丙酮分光光度法（GB/T15516-1995）。曾控制溫度為25 ，空氣交換率1 h-1，改變相對濕度（RH）分別為45%、60%和80%，探討相對濕度與甲醛釋放的關(guān)系11，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。2.2 活性炭吸附氨氣的實(shí)驗(yàn)1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮怼０睔猓∟H3）是一種無色、有刺激性和腐蝕性的氣體，空氣中NH3含量超過50 ppm人就可以聞到，吸入50100 ppm以上濃度的NH3，眼、鼻、喉都會受到強(qiáng)烈

10、的刺激。在實(shí)驗(yàn)室中，NH3常作為吸附實(shí)驗(yàn)的吸附對象。活性炭是一種廣泛使用的吸附劑，因?yàn)樗哂性S多優(yōu)良的性能，如比表面積大、優(yōu)良的孔結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的表面化學(xué)性質(zhì)，廣泛 應(yīng)用 在多種氣體的分離和凈化過程中。活性炭吸附氨氣為物理吸附和化學(xué)吸附的共同結(jié)果，因而具有良好的吸附效果。2）實(shí)驗(yàn)過程與操作。為模擬接近于室內(nèi)環(huán)境中污染氣體的吸附情景，本實(shí)驗(yàn)設(shè)為靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，即關(guān)閉進(jìn)氣口。氨氣的配制可以用兩種方式：一是簡易氨氣發(fā)生器，即向裝有一定濃度的氨水瓶中通入空氣，氣流帶出氨氣；另一辦法可采用氨氣瓶直接供給。氨氣濃度的測定可以采用便攜式氨氣測定儀進(jìn)行測定。活性炭可以使用市售的顆粒狀活性炭，實(shí)驗(yàn)時(shí)用透氣性好的布料裝包。

11、實(shí)驗(yàn)的操作步驟和過程：首先向環(huán)境艙中通入一定濃度的氨氣，待氨氣在環(huán)境艙中分布均勻濃度穩(wěn)定后停止，迅速把準(zhǔn)備好的活性炭包放入環(huán)境艙，關(guān)閉艙門，定時(shí)從采樣口采樣、讀數(shù)，讀數(shù)沒有明顯變化時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。采用簡易氨氣發(fā)生器配制氨氣，使用加拿大BW公司生產(chǎn)的GAXT-A2-DL型氨氣檢測儀，測定相對濕度為30%時(shí)，不同溫度下50 g市售活性炭吸附氨氣的結(jié)果，如表2所示。3）實(shí)驗(yàn)拓展。本實(shí)驗(yàn)可以改變不同目標(biāo)污染物為吸附的對象，如苯系物等；還可改變環(huán)境條件考察濕度等環(huán)境因素對過程的影響。2.3 光催化降解甲醛的實(shí)驗(yàn)1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮?。甲醛的處理方法有通風(fēng)換氣凈化法、物理吸附法、植物吸收凈化法、空氣負(fù)離子技術(shù)、材

12、料封閉技術(shù)和催化技術(shù)。在眾多方法中，光催化氧化技術(shù)是近幾年興起的一種極具 發(fā)展 潛力的凈化手段。大量研究表明，TiO2對有機(jī)污染物有著超強(qiáng)的光解能力，經(jīng)過各種方法改性的TiO2不斷地被應(yīng)用于各個環(huán)保領(lǐng)域，包括對室內(nèi)甲醛的治理。鑒于活性炭纖維（ACF）具有強(qiáng)吸附性，貴金屬摻雜可以提高催化活性。制備TiO2-Ag/ACF復(fù)合催化劑，進(jìn)行光催化降解甲醛的實(shí)驗(yàn)。2）實(shí)驗(yàn)過程與操作。將制備的TiO2-Ag/ACF復(fù)合催化劑裝入石英套管中，兩端分別與環(huán)境艙的進(jìn)出口連接。在進(jìn)口通入甲醛氣體，并在進(jìn)出口定時(shí)采樣，測算甲醛的降解率。可以改變溫度、濕度、甲醛濃度、停留時(shí)間等不同條件，考察各因素對甲醛降解的影響。3

13、）實(shí)驗(yàn)拓展。本實(shí)驗(yàn)可以拓展到使用不同類型的催化劑，亦可以處理不同的氣態(tài)污染物。3 結(jié)語高校作為培養(yǎng)人才的搖籃，肩負(fù)著培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代化建設(shè)及未來 社會 發(fā)展需要人才的重任，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和 實(shí)踐 能力，激發(fā)學(xué)生的潛能，發(fā)展以創(chuàng)新能力為核心的全面素質(zhì) 教育 是至關(guān)重要的。要培養(yǎng)創(chuàng)新人才，就需要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，塑造學(xué)生的創(chuàng)造性品質(zhì)，其重要渠道之一就是高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科學(xué)素質(zhì)上起到重要作用，如何加大實(shí)踐環(huán)節(jié)在教學(xué)中的地位，從培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和動手能力開始，需要在日后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不斷探索、積累、 總結(jié) 和創(chuàng)新，以實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的目標(biāo)。參考文獻(xiàn)1嵇雅穎,蔣曉鳳,盛梅.環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)改革與實(shí)踐J.化工高等教育,2009(6):53-56.2牛艷,呂松.論環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)室助管的協(xié)同作用J.實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2010,29(5):159-161.3趙麗杰,趙麗萍,李良,等.環(huán)境工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革與實(shí)踐J.實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2009,6(3):30-32.4劉巍巍,張寅平,姚遠(yuǎn),等.室內(nèi)材料物品化學(xué)污染物釋放全尺寸環(huán)境艙的研制及性能評價(jià)J. 建筑 科學(xué),2010,26(12):40-415周修源,江魯.環(huán)境實(shí)驗(yàn)技術(shù)與設(shè)備發(fā)展概述J.中國儀器儀表,2008(6):90-92.6王立鑫,王雪松,白郁華.新型環(huán)境測試艙研制、