聚氯化铝絮和硫酸铝絮凝脱色实验的教学方案改革

为了促进实验教学与科研、实际应用进一步接轨,提出“以硫酸铝和聚氯化铝为絮凝剂设计对比脱色实验”这一新的实验项目,代替单用硫酸铝进行絮凝脱色的验证性实验。学生自主设计实验方案,考察处方(用量和pH值)和工艺(搅拌的速度梯度)对两种絮凝剂脱色效果的影响,并借助统计软件完成数据分析,撰写实验论文。从实验的系统性、价值性、学习的自主性、积很性以及对理论学习的辅助性这五个方面进行比较,学生对改革后的实验项目认可度更高,且与教师交流的次数也明显增多。经验证,改革后的絮凝脱色实验更有利于培养学生分析问题、解决问题及实践创新的能力,为学生的继续教育和就业奠定扎实的基础。

目前，絮凝脱色实验是各高校“水污染控制工程”教学中必不可少的一个实验，普遍选择硫酸铝/明矾/硫酸铁/三氯化铁中的任一个无机絮凝剂进行脱色实验，但在科研和实际应用中，无机聚合絮凝剂，如聚氯化铝(PAC)/聚合硫酸铝(PAS)/聚合氯化铁(PFC)/聚合硫酸铁(PFS)普遍更受欢迎，这主要是因为无机聚合絮凝剂适用的p H值范围宽、脱色效率高。为此，将无机聚合絮凝剂引入实验教学中，与普通的无机絮凝剂做一个对比研究具有重要意义。

为了促进实验教学与科研、应用进一步接轨，提出“以硫酸铝和聚氯化铝为絮凝剂设计对比脱色实验”这一新的实验项目，代替单一絮凝剂的验证性实验，让学生自主设计实验方案考察处方（用量和pH值）和工艺（搅拌的速度梯度）对两种絮凝剂脱色效果的影响，对于设计好的实验方案，指导教师会提前进行点评和交流，帮助学生顺利完成实验设计，数据的统计到现象的分析都积很采用启发-引导-互动式的教学方法。经改革的絮凝脱色实验，在絮凝剂的选取方面更注重实际应用情况，从授课方式而言，给予学生更多自主学习和独立思考的空间，将发现问题、解决问题、实践创新能力的培养体现在实验教学中，为继续教育和就业市场输送更优质的环保人才。

图1 硫酸铝与聚氯化铝的絮凝机理图

1 实验设计的理论基础

本实验教学中所用的染料为BL蓝，其在水溶液中，为带负电荷的胶粒，由于彼此之间存在静电排斥，呈蓝色的均一溶液。对于硫酸铝而言，其在水溶液中会先发生电离，生成带正电荷的铝离子，铝离子会与染料胶粒结合，中和其表面负电荷，随着硫酸铝用量增多，染料胶粒的表面电荷由负值向正值转变，当表面电荷恰好为零时，此时絮凝效果较佳，胶粒间的排斥力也为零，较有利于絮凝发生，但是用量过多，会使胶粒表面带上正电荷，静电排斥力增大，原本形成的絮体又会分开，这种现象称之为“返混”。而p H值对硫酸铝来讲也会有较大影响，这主要是因为硫酸铝必须先和溶液中的OH-反应，才能电离出有效的铝离子，所以pH值过低或过高都会导致絮凝效果变差。

聚氯化铝是氯化铝与大量OH-反应所得的高聚物，其溶于水，即可得Al(OH)n+，不需与OH-发生电离反应，所以pH对其影响较小。而且Al(OH)n+有很多支链，其吸附于染料胶粒表面后，不仅能中和电荷，还会通过支链连接其他的染料胶粒，快速形成体积较大且稳定的絮体，即使聚氯化铝用量增多，也不会出现“返混”现象。

综上所述，两种絮凝剂的絮凝机理并不相同（具体如图1所示）。对于硫酸铝而言，絮凝机理主要是电中和，而聚氯化铝的絮凝机理包括电中和、吸附、桥架及交联作用。所以，学生通过对用量和p H值这两个处方因素的考察，可观察到有差异的实验结果和絮凝现象，从而加深对絮凝机理的理解，建立正确的絮凝剂优选观念。

从工艺的角度来看，搅拌的速度梯度（G值）是一个影响絮凝效果的关键参数。絮体的形成需要经历两个阶段，是混合过程，必须使絮凝剂的有效成分在尽可能短的时间内迅速均匀地分散到染料溶液中，所以混合过程要求强烈、快速、短时；第二是絮凝阶段，创造合适环境促使细小颗粒有效碰撞逐渐长成大颗粒，较终通过重力沉降，实现固液分离，所以搅拌速度必须由快逐渐转慢。理论建议混合阶段的G值应在700-1000(s-1），絮凝阶段的G值应在20-70(s-1）[15]，鉴于此，以往的验证性实验都是直接提供给学生合适的转速，但在改革的絮凝脱色实验中，学生将结合直观的现象和数据去体会G值对絮凝效果的影响，从而确定较佳的速度梯度。

2 实施方法和效果

2.1 实施方法

鉴于2017级环境科学和环境工程专业在絮凝脱色实验的学习中，设置的项目是硫酸铝的验证性实验，故以此为参比组。其实验方案由教师直接提供，所需试剂也由实验员根据方案预配好，学生只需照方案进行操作，获得实验结果，并完成报告。在2018级环境科学和环境工程专业中开展改革后的絮凝脱色实验，作为实验组，每2至3人一组进行实验，完成教学大致需要以下五个步骤：

(1）提前一周将课题“以硫酸铝和聚氯化铝为絮凝剂设计对比脱色实验”给学生，指导他们使用中国知网、pubmed等国内外数据库进行文献检索，教会他们选择合适的关键词去检索现有的研究成果，获取有价值的信息；

（2）学生自主设计好实验方案，与教师进行探讨，在这个过程中要培养学生有“学科交叉”的科研思维，要扩宽思路，检索领域不只局限于硫酸铝和聚氯化铝，其他无机絮凝剂和无机聚合絮凝剂也可借鉴，在评估了实验的可行性后，师生共同敲定实验方案；

（3）实验课不再局限于规定的时间内进行，可选择实验室开放的任一时间段进行实验，实验试剂的配制和仪器的使用都可自主选择，仪器使用中遇到任何困难可请教实验员；

（4）整理汇总实验数据和现象，出现异常结果时可在查阅文献后与教师探讨，理清思路；

（5）指导学生使用excel、origin等软件统计实验数据，以图表等形式呈现结果，寻找规律，教会他们横纵向分析实验数据，回归理论，以论文的形式撰写实验报告。

图2 问卷调研结果统计图

注：（1）实验的系统性；（2）实验过程的自主性；（3）对实验内容的感兴趣程度；（4）实验的价值性；（5）是否有助于絮凝理论的学习；（6）师生交流探讨的次数。

2.2 实施效果

采用问卷调研的方式，收集参比组和实验组的所有学生对该实验的反馈意见，主要包括六个方面：

（1）实验的系统性；

（2）实验过程的自主性；

（3）对实验内容的感兴趣程度；

（4）实验的价值性；

（5）是否有助于絮凝理论的学习；

（6）师生交流探讨的次数。其中，前五个方面是以星级高低的方式来体现效果的好坏，较高级别是5颗星，较低级别是1颗星，而“师生交流探讨的有效次数”是由学生根据真实情况填写，具体结果见图2。

3 分析与探究

通过上述调研结果可以看出，学生对“以硫酸铝和聚氯化铝为絮凝剂设计对比脱色实验”的认可度更高。从选用的絮凝剂、授课方式、学习动机、收获成效等角度进行分析，改革前后的两个实验存在较大差异，具体见表1。

4 结语

站在拉近实验教学与科研、实际应用之间距离的角度，对絮凝脱色实验进行改革。就教学内容而言，引入了聚氯化铝与普通无机絮凝剂做对比，考察处方和工艺对絮凝效果的影响；就教学模式而言，不再是“老师填鸭式讲授，学生照单抓药”，而是“发问-引导-深入-浅出”的创新思路，这与《高等教育心理学》中所提到的“以创设问题情景、实施启发式教学来激发学生的学习动力”是不谋而合的[15]。虽然改革絮凝脱色实验的初衷不止是加深对理论的认识，却因为充分地激发了学生对实验的兴趣，通过系统地查阅文献和动手实践，使学生掌握了更全面的絮凝机理，而且在这一过程中，遇到的困难会很多，与教师交流探讨的次数也更多，是引导学生建立良好的科研习惯、培养分析问题、解决问题、实践创新能力的较佳时机。所以这一实验方案的改革，不仅有利于絮凝机理的学习，而且该教学模式与科研、实际工作轨迹相似，可为继续教育和就业奠定扎实的基础。