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摘要:為了能科學地開發廣西生物質資源以實現其高效利用，對這些生物質的燃燒熱進行精確測定意義重大。將廣西優勢生物質資源甘蔗渣、玉米芯等用于物理化學實驗教學既提高了學生的學習積極性，更重要的是實現了教學與地方經濟社會發展對接，培養了學生社會責任感和可持續發展的意識。

關鍵詞:甘蔗渣;燃燒熱測定;綠色環保;地區性

“燃燒熱的測定”是物理化學課程的經典實驗之一［1－2］。很多人從實驗原材料及設備方面對該實驗提出了寶貴的改進意見。有人提出用蔗糖、葡萄糖、生物質等代替萘的綠色化建議［3－4］。筆者從廣西經濟特點出發，利用區域性特色生物質資源作為實驗原材料完成課程實驗，順應“大眾創業，萬眾創新”的時代背景，并且能有效地促進教學與地方經濟社會發展融合，培養學生對可持續發展的認識。廣西具有豐富的生物質資源，全區的甘蔗生產量占全國的60％，甘蔗渣是制糖工業的主要廢棄物（約占24％～27％），是一種重要的可再生生物質資源。目前對這種廢渣的利用包括造紙、制備活性炭、化學提取與加工、飼料以及直接當做燃料使用。甘蔗渣經過干燥處理后直接作為燃料，占甘蔗渣利用總量的90％左右。2006年，廣西被列入全國可再生能源利用示范省，蔗渣發電量居全國第一。每年的生物質資源超過4500×104t，可代替1900×104t的標準煤。根據廣西“十三五”新能源規劃，在2020年實現非化石能源占一次能源消費比重達到21％的目標［5－7］。為了科學地開發這類生物質資源，應該根據生物質本身的特性進行分析研究，并開發和設計出相對應的燃燒設備及技術，實現生物質資源的高效利用。因此，對生物質燃燒熱的精確測定顯得尤為重要。利用區域優勢，用廣西優勢生物質資源甘蔗渣、玉米芯等用于物理化學實驗教學既提高了學生的學習積極性，更重要的是實現了教學與地方經濟社會發展對接，培養了學生社會責任感和可持續發展的意識。同時，在保證教學質量的情況下，在課堂中滲透綠色化學的思想，使原本枯燥的原理變得生動、有趣，培養了學生思考問題和解決問題的能力。

1實驗部分

1．1儀器和試劑。氧彈實驗儀（長沙長興WHR－15）、HR－15B熱量計多功能控制箱－教學用（長沙長興高教儀器設備公司）、電腦控制與數字采集系統、氧氣鋼瓶及減壓閥、SartoriusBSA124S電子天平、萬用電表、壓片機、點火絲、生物質燃料（甘蔗渣、玉米芯）、苯甲酸。

1．2實驗步驟。1．2．1量熱計水當量的測定。實驗方法參考袁譽洪主編的《物理化學實驗》［8－9］。量熱器為氧彈實驗儀（長沙長興WHR－15）。1．2．2甘蔗渣、玉米芯等生物質燃燒熱的測定。（1）生物質材料的預處理本實驗所取甘蔗渣來自廣西糖業集團有限公司。把甘蔗渣按不同部位分揀分類，主要分為較堅硬的皮質組織及內部組織。自然晾干后置于烘箱中（65．0℃）烘干至恒重，取出并放置于干燥器中備用。將收集到的玉米芯分切成小段，自然晾干后置于烘箱中（65．0℃）烘干至恒重，取出并放置于干燥器中備用。（2）生物質材料的制備將甘蔗渣粉碎并過篩（14目），混合后平鋪成圓形，分成4等份，取相對的2份混合，然后再平分，直到達到實驗要求。將選取的樣品用壓片機壓片，壓片厚度在1．5cm內（圖1），制樣壓力為1．0～1．3MPa。玉米芯的制樣不需要壓片，直接切段即可實驗。取一段玉米芯用點火絲接觸即可點燃樣品。（3）加入棉花作為引燃劑若取較少量的甘蔗渣（0．6g）進行壓片，為確保點火成功率，可以在點火絲螺旋部分與樣片之間夾少量棉花（0．05g左右）。實驗過程中也可以不使用棉花，需要點火絲的螺旋部分與樣片接觸。本實驗中甘蔗渣的用量建議在2．0g左右，充氣壓力為1．5～2．0MPa。本實驗所涉及的甘蔗渣及玉米芯的燃燒熱實驗的點火成功率為100％。（4）其余步驟可按實驗方法進行操作。

2實驗結果

2．1實驗結果。

2．2結果與討論。根據體系的設計要求，水溫升高2．0～3．0℃符合誤差的要求。原本實驗教材中萘的用量為0．6g左右，實驗結果得出系統升溫約為3．0℃左右。因此，首先稱取適量樣品進行實驗預估樣品的燃燒熱，再計算所需精確樣品量以達到誤差允許的范圍。如表1所示，當采用甘蔗渣（0．6100g）實驗時系統升溫約為0．932℃，說明甘蔗渣的燃燒熱要小于萘的燃燒熱。嘗試增加甘蔗渣的樣品量來考察系統對甘蔗渣燃燒熱測試的適用情況。先后稱取1．2315g及2．1565g的甘蔗渣重復以上實驗，發現最終測試結果相近（17．6998和17．6091kJ／g）。稱取2．0g左右的樣品重復3次實驗，燃燒熱值基本在17．6091～17．9676kJ／g之間。隨著樣品進一步增加，燃燒會不完全并且有潛在危險。通過以上實驗確定樣品用量在1．2～2．0g左右為最佳（注意：考慮到安全因素，樣品量要逐漸增加，否則可能會產生嚴重事故）。因此，樣品用量越少，溫度差越小，誤差越大，應通過預實驗確定合適的樣品用量［10－12］。值得注意的是，當選取了甘蔗的內部組織重復以上實驗（表1，甘蔗渣6）發現內部組織的燃燒熱較混合樣品低。說明甘蔗不同組織的燃燒熱有差異。因此，可以通過對樣品不同部位進行分類收集（中點四分法），測試獲得不同部位樣品的燃燒熱值。此外，玉米芯的燃燒熱較甘蔗渣高，為18．3428～18．5805kJ／g。

3實驗教學組織

（1）分組實驗：在實際課程中分成多個小組，提前布置預習任務。實驗預備教師提前準備好甘蔗渣、玉米芯，并于65．0℃烘干至恒重。將處理好的樣品粉碎過篩（14目）后放置于干燥器中備用。正式上課的時候，學生在教師的指導下進行燃燒熱的實驗，平行測定3次以減少誤差［13－14］。（2）集體討論分析：每個組根據實驗結果寫出實驗報告并制作PPT，并且選派一個代表陳述，小組間展開討論。分析總結不同種類生物質燃料及不同部位的燃燒熱值的大小及可能的原因，最后以小組為單位提交實驗報告。

4結語

在本實驗中，采用廣西優勢生物質資源甘蔗渣及玉米芯代替傳統實驗中的萘，實現了教學實驗的綠色化。促進了教學與地方經濟社會發展對接，培養了學生社會責任感和可持續發展的意識。實驗采用電腦與儀器聯用的方式對實驗數據進行記錄和處理，縮短了實驗時長，提高了實驗的效率。因此，通過實驗改革融入了綠色化學的理念，增強了實驗的趣味性，培養了學生思考問題、解決問題的能力。

作者:胡飛龍 楊樹楓 米艷 黃欽 王颯颯 羅偉強 單位:廣西林產化學與工程重點實驗室 廣西民族大學