吸附过程属于典型的传质过程，是化工中常用的单元操作，在尾气处理^[1]、气体分离^[2]、离子回收^[3]、脱色除味^[4]等领域均有广泛应用。吸附过程的基本理论和操作技能是应用化学、化学工程与工艺及环境科学与工程等专业理论教学与实践教学的基本内容之一^[5]。与精馏、吸收等单元操作不同的是，吸附单元操作包含了吸附剂选取、性质表征、吸附性能测试、动态吸附性能测试等多个环节，是基础化学实验、仪器分析、物理化学、化工原理以及化工热力学等多学科基础知识的综合体现。多所高校的相关专业针对吸附单元操作设计了综合性实验，但细究实验内容，过度集中于吸附材料的合成，忽视了单元操作本身的基础理论和操作技能的教学，与实际工业中的吸附单元操作存在明显差距^[6–8]。由此可见，针对相关专业的本科生在吸附方面的教学深度不够、实践训练不足，无法让学生达到在开展相关工作前具备应有的知识与技术储备。这也违背了基于学习产出为导向设计适宜的教学活动来保证学生达到预期学习目标的根本理念^[9]。

挥发性有机化合物(volatile organic compounds，VOCs)是常压下沸点在50–260 ℃之间的各种有机化合物的统称^[10]。VOCs具有毒性、刺激性、致畸性及致癌等特点，且还是引发温室效应、雾霾天气和光化学污染的主要诱因之一，大气中的VOCs对人体健康和生态环境造成了巨大的危害^{[11, 12]}。随着化学工业的快速发展，VOCs的排放量日益增加，对其控制和治理已迫在眉睫。吸附法是工业中末端治理VOCs最为常用的方法之一。迄今，大多数高校相关专业并没有开展针对VOCs治理方面的专业实验，甚至有关吸附的实验也仅在有机化学实验中略有涉及^[13]。

基于此，以活性炭吸附治理VOCs为背景，以VOCs中最具代表性的苯为吸附质，设计面向本科生教学的综合性专业实验，涵盖与吸附单元操作相关的各个环节，包括吸附剂的基本性质分析、表面改性、吸附性能表征以及动态吸附实验测试四部分内容。该实验的开展旨在培养和锻炼学生对吸附单元操作实验理论、实验方法、实验操作和仪器表征的掌握，丰富学生的学习内容，加强使用吸附法在污染防治中应用的基本认识。

了解VOCs的概念及其危害；了解活性炭的概念、性质与作用；理解通过表面改性调控活性炭吸附性能的基本原理，并能够开展活性炭表面改性实验；熟悉和掌握活性炭组成与比表面积等性质的表征分析；学会利用碘值和亚甲基蓝值表征活性炭的吸附性能，并能够开展碘值与亚甲基蓝值测试实验；能够利用动态吸附装置开展活性炭吸附苯的测试实验。

通过吸附实验训练，加深对吸附单元操作基本原理的理解和掌握，形成包含吸附剂选择、性质调控、表征分析、性能测试以及动态吸附实验的全过程操作方法与实验技术，为专业人才的培养提供支撑。

活性炭的吸附性能主要由其物理性质(比表面积和孔结构)和化学性质(表面化学性质)共同决定^[14]。活性炭表面含有较多的含氧官能团，极性较强，经过在惰性气氛中高温煅烧或者在碱性气氛中发生氧化还原反应可以消除大量的含氧官能团，使活性炭表面呈非极性^[15]。本实验中，采用表面改性方法对活性炭表面化学性质进行调控，使其表面呈非极性，从而提升苯吸附性能。利用碘吸附值和亚甲基蓝吸附值表征活性炭的吸附性能。碘主要被活性炭中1 nm左右孔径的孔吸附，因而可直接反映活性炭的微孔量；而亚甲基蓝分子较大，所以常用亚甲基蓝吸附值来表征活性炭的中孔量^{[16, 17]}。在此基础上，可考察表面改性对活性炭吸附VOCs性能的影响。

作为综合性的专业实验，实验内容设计时长为8学时。其中，活性炭改性实验2学时，表征分析实验2学时，活性炭吸附性能测试实验2学时，动态吸附实验2学时。

学生应具有分析化学、物理化学、仪器分析、化工原理及化工热力学等知识基础，并经过基础化学实验和化工原理实验的训练，具有一定的理论基础与实验操作能力。学生要预先了解VOCs与活性炭有关的基本概念和背景知识，理解吸附单元操作的基本原理。

实验材料：大同煤基活性炭(DT)、椰壳生物质基活性炭(JX)、氮气(北京千禧京城)和氨气(北京中旺天林)。

实验仪器：管式炉(德国纳博热)、电热恒温干燥箱(上海一恒)、元素分析仪(美国LECO)、N₂吸/脱附仪(美国Quantachrome)、傅里叶变换红外光谱分析(FTIR，美国Thermo)、扫描电镜(SEM，德国蔡司)、紫外可见光分光光度计(北京瑞利)。

称取25 g洗涤、烘干后的活性炭，在流速为100 mL∙min⁻¹的氮气流气氛中，以15 ℃∙min⁻¹升温至900 ℃，恒温2 h；在流速为100 mL∙min⁻¹的氨气流气氛中，样品以15 ℃∙min⁻¹升温至600 ℃，恒温2 h。保温时间结束后，冷却至室温，制得改性后的活性炭。

将活性炭破碎、筛分后得到粒径分别为18–30目、小于200目和小于325目的三种粉状活性炭。取18–30目的粉状活性炭在150 ℃下干燥3 h，测定氮气吸附等温线；取过325目筛的粉状活性炭在150 ℃下干燥3 h，然后进行FTIR分析；使用SEM分析改性前后活性炭的表面形貌，加速电压为10 kV。

按照GB/T 7702.7–2008测定活性炭的碘吸附值。取过200目筛的活性炭样品在150 ℃下干燥2 h。称取两份干燥后的样品与100 mL碘标准溶液混合，振荡15 min，静置5 min后用离心机分离。取50 mL澄清液用硫代硫酸钠标准溶液滴定。

按照GB/T 7702.6–2008测定活性炭的亚甲基蓝值。称取(0.1000 ± 0.0004) g过325目筛的活性炭样品，加入亚甲基蓝溶液5–15 mL，振荡30 min后过滤，将滤液在665 nm波长处测其吸光度。

动态吸附实验装置如图 1所示。利用鼓风机将空气吹入装满苯的洗瓶中。从洗瓶吹出的空气中含有大量挥发出的苯，再经过生石灰除水后，进入装满活性炭样品的动力管中。为了保证苯挥发量恒定，洗瓶须放置在维持常温的水浴中。通过调节进入洗瓶空气的流量和动力管前的阀门来控制混合气的流速。称量动力管在苯吸附前后的质量差，计算出活性炭的苯吸附值。

通过对吸附等温线(图 2)的分析，学生可掌握煤基活性炭和生物质基活性炭的吸附等温线类型，均为典型的I型吸附等温线，即在相对压力较低时，吸附量随相对压力的增大快速增加^[18]。此外，学生需要解释当相对压力到达某值后吸附曲线出现平台的现象，即吸附量变化很小接近饱和，而且脱附分支与吸附分支基本重合，未出现明显的滞后洄线，这说明样品中含有大量微孔且没有明显的中孔和大孔，孔径分布较窄。

分析图 3时，学生需要掌握根据密度函数理论计算的各样品孔径分布的方法。从图 3中可以看出，煤基活性炭和生物质基活性炭均以微孔为主，但煤基活性炭的孔径分布主要集中于1–2 nm，而生物质基活性炭的孔径分布主要集中于1.5 nm以下。两种活性炭都少量的2–6 nm的中孔，煤基活性炭的中孔数量明显多于生物质基活性炭。

学生需要对两种活性炭的吸附等温线进行解析，获得的活性炭孔结构参数(表 1)。煤基活性炭的比表面积和总孔容积均大于生物质基活性炭，且两者微孔的孔容积几乎相同，而中孔的孔容积差别明显。煤基活性炭中孔的孔容积是生物质基活性炭的3倍多。

通过这部分实验，让学生学会使用N₂吸/脱附仪对吸附剂孔结构进行表征的方法；能够独立完成实验结果处理；掌握吸附等温线类型、密度函数理论以及图谱解析方法等知识与技能。

通过表面改性实验环节的训练，学生能够独立开展表面改性实验、碘吸附值和亚甲基蓝值测试实验，并对实验数据进行总结，揭示实验结果的规律性，能够使用所学知识进行解释。

根据表 2，学生应总结出N₂改性的烧失率要比NH₃改性的烧失率高，并且能分析其原因是由于N₂改性反应温度高，活性炭表面的含氧官能团消除的比较彻底；此外，高温煅烧可能导致活性炭孔结构的坍塌；而NH₃与含氧官能团进行氧化还原反应，烧失的官能团数量较少，烧失率较低。通过分析碘吸附值和亚甲基蓝值结果，学生应明确NH₃改性对于活性炭微孔的影响要优于N₂改性，且该规律对煤基活性炭和生物质基活性炭都适用；煤基活性炭经表面改性使得中孔数量降低，而生物质基活性炭经过改性之后的中孔数量明显增加。学生能够揭示表面改性对活性炭孔结构有明显影响，且生物质基活性炭的改性效果要好于煤基活性炭的类似结论。

根据表面还原改性机理推测，NH₃改性之后会增加活性炭表面N―H键和C―N键的含量，然而N―H键和O―H键振动波数都在3500–3100 cm⁻¹之间，因而学生从图 4中很难判断是否N―H键的变化。此时，应该引导学生思考，探索另一条线索，即C―N键和C―O键的振动波数在1300–1000 cm⁻¹之间，经过N₂改性后的样品在该位置的峰强应该明显减弱。图 4中，1300–1000 cm⁻¹之间的峰强变化正好可证明这一线索的正确性，这说明经表面改性后C―N和C―O键数量减少^{[19, 20]}。通过FTIR实验，学生学会了仪器操作与图谱解析，尤其锻炼了利用图谱所传达的信息验证从机理做出的推测与猜想的能力。

通过使用SEM分析(图 5)学生能够直观地了解活性炭改性前后表面形貌的变化。改性前活性炭的块度较好，没有明显的裂隙；改性后活性炭依然保持较好的块度，但产生了较多的裂隙。这说明改性过程中活性炭发生的氧化还原反应使其收缩，造成龟裂。此外，改性后活性炭表面粘附的细小颗粒明显减少，这是因为在氧化还原反应过程中，细小颗粒被消耗，这也导致了生物质基活性炭的表面改性烧失率超过20%。

通过动态吸附测试环节的训练，学生能够开展吸附剂动态吸附性能测试方面的实验研究，具备对实验结果进行总结分析和发掘规律性的能力。根据表 3结果，学生应总结出表面改性提高了活性炭的苯吸附值，其中生物质基活性炭改性后苯吸附值提升幅度远高于煤基活性炭，说明NH₃改性效果更为明显。

经过活性炭表面改性及其苯吸附性能研究的综合性实验，学生掌握了N₂吸/脱附仪、FTIR、SEM仪器操作及其图谱的解析；学会了表面改性实验、碘吸附值、亚甲基蓝吸附值和动态吸附性能测试的实验方法。因为实验具有一定的挑战性，有极少数学生在碘和亚甲基蓝吸附值测试时因操作问题导致结果误差较大，经实验教师指导，重复实验后获得准确的结果；有个别学生实验前仍未掌握图像处理软件的使用方法，在处理数据时表现出畏难情绪，经实验教师指导后，掌握了相关技能，能够独立进行图像处理。学生普遍反映通过实验训练，收获颇丰，虽然实验过程长，但是越做越有兴趣和成就感。

基于学习产出为导向设计的活性炭表面改性及其苯吸附性能的综合性专业实验，让学生学习了吸附剂性质分析、表面改性、吸附性能测试以及动态吸附性能测试实验的基本原理和实验操作，掌握了有关吸附单元操作的全过程实验方法与表征分析手段，从而解决了相关专业的本科生在吸附方面的学习深度不够、实践训练不足的问题，使他们在走向工作岗位前具备充足的知识与技术储备。经过实验训练，学生掌握了实验方法与结果的归纳总结；并结合所学吸附单元操作和表面改性的基本原理对实验揭示的规律性结果进行剖析。在激发学习兴趣的同时，提升学生的综合技能和专业素养。