Experiment in Principles of Environmental Engineering
课程编码：21A62006 课程类别：专业基础课（必修） 学分：0.5
计划学时：16 课程属性：实验
适用专业：环境工程
教学目的与任务
通过实验使学生更深入地理解、掌握各单元过程的规律性和基础理论，较为直观地树立起工程思想和观念，以期达到强化工程意识、培养科学实验能力的目的。提高学生独立操作与独立思考、独立分析问题与解决问题的能力，同时在实验教学过程中培养学生严谨的科学态度、良好的科学素养和科学的思维方法，使学生学会准确地进行实验操作及正确进行数据处理，达到正确归纳综合处理数据和分析实验结果的能力。
教学基本要求
本课程要求学生独立完成3个基础实验，包括验证性实验、综合、设计实验，要求学生通过实验掌握仪器设备基本操作、巩固基本化学原理及正确的数据处理方法，并达到能进行综合设计实验的能力。具体要求见实验内容。
教学内容、方式及过程安排
项目一： 雷诺实验 建议学时数：5
[教学目的与要求]观察层流和紊流的流态及其转换特征；通过临界雷诺数，掌握圆管流态判别准则。
[教 学 方 式]分组实验
[场所及条件要求]雷诺实验室，雷诺仪
[作 业 要 求]实验报告
[注 意 事 项]避免水的泄漏以及调控流速开关的谨慎使用
一、实验原理
1、实际流体的流动会呈现出两种不同的型态：层流和紊流，它们的区别在于：流动过程中流体层之间是否发生混掺现象。在紊流流动中存在随机变化的脉动量，而在层流流动中则没有，如图1所示。
2、圆管中恒定流动的流态转化取决于雷诺数。雷诺根据大量实验资料，将影响流体流动状态的因素归纳成一个无因次数，称为雷诺数Re，作为判别流体流动状态的准则
式中 Q：流体断面平均流量，L/s
D：圆管直径，mm
ν：流体的运动粘度，m2/s
在本实验中，流体是水。水的运动粘度与温度的关系可用泊肃叶和斯托克斯提出的经验公式计算
式中ν：水在T°C时的运动粘度，m2/s；
T：水的温度，°C。
3、判别流体流动状态的关键因素是临界速度。临界速度随流体的粘度、密度以及流道的尺寸不同而改变。流体从层流到紊流的过渡时的速度称为上临界流速，从紊流到层流的过渡时的速度为下临界流速。
4、圆管中定常流动的流态发生转化时对应的雷诺数称为临界雷诺数，对应于上、下临界速度的雷诺数，称为上临界雷诺数和下临界雷诺数。上临界雷诺数表示超过此雷诺数的流动必为紊流，它很不确定，跨越一个较大的取值范围。而且极不稳定，只要稍有干扰，流态即发生变化。上临界雷诺数常随实验环境、流动的起始状态不同有所不同。因此，上临界雷诺数在工程技术中没有实用意义。有实际意义的是下临界雷诺数，它表示低于此雷诺数的流动必为层流，有确定的取值。通常均以它作为判别流动状态的准则，即
Re时，层流
Re> 2320时，紊流
该值是圆形光滑管或近于光滑管的数值，工程实际中一般取Re= 2000。
5、实际流体的流动之所以会呈现出两种不同的型态是扰动因素与粘性稳定作用之间对比和抗衡的结果。针对圆管中定常流动的情况，容易理解：减小D，减小
，加大v三种途径都是有利于流动稳定的。综合起来看，小雷诺数流动趋于稳定，而大雷诺数流动稳定性差，容易发生紊流现象。
6、由于两种流态的流场结构和动力特性存在很大的区别，对它们加以判别并分别讨论是十分必要的。圆管中恒定流动的流态为层流时，沿程水头损失与平均流速成正比，而紊流时则与平均流速的1.75～2.0次方成正比，如图2所示。
7、通过对相同流量下圆管层流和紊流流动的断面流速分布作一比较，可以看出层流流速分布呈旋转抛物面，而紊流流速分布则比较均匀，壁面流速梯度和切应力都比层流时大，如图3所示。
图1 三种流态示意 图2 三种流态曲线 图3 圆管断面流速分布
二、实验装置
三、实验数据分析
有关常数：管径d＝ mm，水温T＝ °C，
运动粘性系数：v＝ m2/s
表1 数据记录表格
项目
| 测次
| 流量(L/h)
| 温度(℃)
| 雷诺数(Re)
| 颜色水形态
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上临界雷诺数
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上临界雷诺数
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上临界雷诺数
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下临界雷诺数
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下临界雷诺数
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下临界雷诺数
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注：颜色水形态指：稳定直线，稳定略弯曲，直线摆动，直线抖动，断续，完全散开等。
四、分析思考问题
1、层流、紊流两种水流流态的外观表现是怎样的？
2、雷诺数的物理意义是什么？为什么雷诺数可以用来判别流态？
3、临界雷诺数与哪些因素有关？为什么上临界雷诺数和下临雷诺数不一样？
4、流态判据为何采用无量纲参数，而不采用临界流速？
5、破坏层流的主要物理原因是什么？
项目二： 光催化降解有机污染物的动力学参数实验测定 建议学时数：6
[教学目的与要求]掌握光催化降解有机毒性污染物的实验方法与原理，根据污染物降解曲线计算光催化降解反应的反应级数或反应速率常数k。
[教 学 方 式]分组实验
[场所及条件要求]基础实验室，光催化降解装置
[作 业 要 求]实验报告
[注 意 事 项]避免冷却水的泄漏，避免裸眼对紫外灯的直视
一、实验仪器
电子分析天平、高速离心机、紫外可见分光光度计、搅拌器、氙灯、光催化降解装置等
二、实验步骤
1、将已烘干的催化剂研磨均匀，用电子分析天平准确称取0.08克样品。
2、用量筒量取浓度为2×10-4mol/L的罗丹明B溶液150 mL，并加入到光催化降解容器内，然后将以上称取的催化剂样品倒入，并在遮光条件下持续搅拌1小时使污染物分子在催化剂表面达到吸附-脱附平衡。
3、达到吸附-脱附平衡后，用注射器从反应器内抽取3 mL反应液，并装入到有编号的离心管中，然后开启254 nm的紫外灯，并计时，后边每反应3分钟再取3 mL溶液装入离心管，持续反应并取样约15分钟。最后，将所有离心管放入离心机，通过10000转/min的高速离心除去溶液中悬浮的催化剂粉末。
4、通过紫外可见分光光度计测量已出去催化剂粉末的溶液的吸光度，并按顺序保存或记录数据。
三、实验数据分析
1、数据记录
记录不同时间时每次所取溶液在最大吸光波长下的吸光度值。
表1不同样品的吸光度值与反应时间的关系
反应时间（min）
| 0
| 3
| 6
| 9
| 12
| 15
| 18
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吸光度值（a.u.）
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2、数据处理
2.1.数据处理
利用积分解析法计算反应的级数，根据反应速率方程的积分式的一般形式F(cA)=λ(k)t。
积分解析法的一般步骤：
①首先假设一个反应速率方程，求出它的积分式；→F(cA)
②利用间歇反应器测定不同时间的关键组分的浓度；
③计算出不同反应时间的F(cA)；
④以F(cA)对时间(t)作图。
如果得到一条通过原点的直线，说明假设是正确的，则可以从该直线的斜率求出反应常数k。
对于简单级数反应，F(cA)的形式如下表所示
表2不同级数反应F(cA)的形式
F(cA)
| cA(cA/c0)
| LncA
| 1/cA
| 1/cA2
|
反应级数
| 0
| 1
| 2
| 3
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2.3.绘制曲线
利用实验结果，通过origin软件绘图，检查F(cA)与时间t是否有线性关系。
时间t（min）
| 0
| 3
| 6
| 9
| 12
| 15
| 18
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F（cA）
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其中：横坐标---反应时间t
纵坐标---F(cA)
以F(cA)对时间(t)作图。如果得到一条通过原点的直线，说明假设是正确的，则可以从该直线的斜率求出反应常数k。
四、分析思考问题
1、引起实验误差的可能因素有哪些？
2、在光催化降解实验开始前，为什么要让降解系统在黑暗条件下连续搅拌一个小时？
什么？
项目三： 细粒物料粒度组成筛分分析 建议学时数：5
[教学目的与要求]掌握筛分分析的实验方法与原理，掌握物料的粒度组成；根据筛分结果计算积累筛上产率，并绘制“粒度—筛上累计重量百分率”曲线。
[教 学 方 式]分组实验
[场所及条件要求]基础实验室，标准筛
[作 业 要 求]实验报告
[注 意 事 项]
一、实验仪器
标准筛、天平、沙粒料、毛刷、白纸等
二、实验原理
用筛分的方法将物料按粒度分成若干级别的粒度分析方法，叫筛分分析。细粒物料的筛析：粒度范围为6mm至0.045mm的物料，筛分分析通常是在实验室中利用标准试验筛进行。干法筛分是先将标准筛按顺序套好，把样品倒入最上层筛面上，盖好上盖，放到振筛机上筛分5min，然后将最下层的筛子取下，用手在橡皮布或光面纸上进行检查筛分，如果一分钟内所得筛下物料小于筛上物料量的0.1-1%（对此值我国尚无统一的国家标准，但与矿石性质有关，脆性物料要求不能太高），则认为筛析已完成，否则就要继续筛析。
样品含水、含泥较多，物料相互粘结时，应采用干湿联合筛析法，先将样品倒入细孔筛（如75μm的筛子中），在水盆内进行筛分，每隔1-2min，将水盆内的水更换一次，直到水盆内的水不再浑浊为止。将筛上物料进行干燥和称重，并根据称出重量和原样重量之差，推算洗出的细泥重量。然后再将干燥后的筛上物料干法筛析，此时所得最底层筛面的筛下物料量应与湿筛时洗出的细泥量合在一起。筛析结束后，将各粒级物料用工业天平（精确度0.01g）称量，各粒级总重量与原样品重量之差，不得超过原样品重量的1%，否则应重做。筛析所需的试样最小重量亦取决于样品中最大块的粒度，可以据取样量公式进行计算。每次给入标准筛的样品重量以25-150g为宜，如果超过很多，则应分几次进行。直接用75μm筛湿筛时，每次筛分样品不宜超过50g，以免损坏筛网，有过粗颗粒时，可预先用粗孔筛隔除。
三、实验步骤
1、取试样200克。
2、将标准套筛由上至下，按筛孔减小次序排列，最下层套一筛底，不要把次序弄乱。
3、将称好试样倾入最上层筛内，然后盖上筛盖。
4、然后振动5分钟。
5、将套筛取下，取出最下层的筛子，摇动一分钟，若所得筛下产物重量少于此筛子筛上产物的1%，即认为已达到筛析终点，否则，必须继续筛析。
6、将筛析各粒级物料分别称量、记录。
7、筛析后各粒级重量之总和与筛析原矿样重量相比较，其误差不应超过1%。
四、实验数据分析
1、数据记录
记录每个筛上颗粒物的质量并进行计算。
筛孔目数
| 孔径/μm
| 筛上对应粒级
| 筛上产品质量/g
| 筛上产品百分比%
| 累计筛上产率%
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2、根据上表数据在算术坐标纸上绘制“粒度—筛上累计重量百分率”曲线。
五、分析思考题
1、什么叫粒度分析曲线，它们有哪些绘制方法、适用条件？
2、什么叫筛上累计产率、筛下累计产率？
成绩考核与评定
考核方式：实验报告50%，平时成绩50%
修订时间：2016/3/25 撰稿人：朱宝存孙蒙高晓梅 审核人：张明亮
