摘要:为了能科学地开发广西生物质资源以实现其高效利用，对这些生物质的燃烧热进行精确测定意义重大。将广西优势生物质资源甘蔗渣、玉米芯等用于物理化学实验教学既提高了学生的学习积极性，更重要的是实现了教学与地方经济社会发展对接，培养了学生社会责任感和可持续发展的意识。
关键词:甘蔗渣;燃烧热测定;绿色环保;地区性
“燃烧热的测定”是物理化学课程的经典实验之一［1－2］。很多人从实验原材料及设备方面对该实验提出了宝贵的改进意见。有人提出用蔗糖、葡萄糖、生物质等代替萘的绿色化建议［3－4］。笔者从广西经济特点出发，利用区域性特色生物质资源作为实验原材料完成课程实验，顺应“大众创业，万众创新”的时代背景，并且能有效地促进教学与地方经济社会发展融合，培养学生对可持续发展的认识。广西具有丰富的生物质资源，全区的甘蔗生产量占全国的60％，甘蔗渣是制糖工业的主要废弃物（约占24％～27％），是一种重要的可再生生物质资源。目前对这种废渣的利用包括造纸、制备活性炭、化学提取与加工、饲料以及直接当做燃料使用。甘蔗渣经过干燥处理后直接作为燃料，占甘蔗渣利用总量的90％左右。2006年，广西被列入全国可再生能源利用示范省，蔗渣发电量居全国第一。每年的生物质资源超过4500×104t，可代替1900×104t的标准煤。根据广西“十三五”新能源规划，在2020年实现非化石能源占一次能源消费比重达到21％的目标［5－7］。为了科学地开发这类生物质资源，应该根据生物质本身的特性进行分析研究，并开发和设计出相对应的燃烧设备及技术，实现生物质资源的高效利用。因此，对生物质燃烧热的精确测定显得尤为重要。利用区域优势，用广西优势生物质资源甘蔗渣、玉米芯等用于物理化学实验教学既提高了学生的学习积极性，更重要的是实现了教学与地方经济社会发展对接，培养了学生社会责任感和可持续发展的意识。同时，在保证教学质量的情况下，在课堂中渗透绿色化学的思想，使原本枯燥的原理变得生动、有趣，培养了学生思考问题和解决问题的能力。
1实验部分
1．1仪器和试剂。氧弹实验仪（长沙长兴WHR－15）、HR－15B热量计多功能控制箱－教学用（长沙长兴高教仪器设备公司）、电脑控制与数字采集系统、氧气钢瓶及减压阀、SartoriusBSA124S电子天平、万用电表、压片机、点火丝、生物质燃料（甘蔗渣、玉米芯）、苯甲酸。
1．2实验步骤。1．2．1量热计水当量的测定。实验方法参考袁誉洪主编的《物理化学实验》［8－9］。量热器为氧弹实验仪（长沙长兴WHR－15）。1．2．2甘蔗渣、玉米芯等生物质燃烧热的测定。（1）生物质材料的预处理本实验所取甘蔗渣来自广西糖业集团有限公司。把甘蔗渣按不同部位分拣分类，主要分为较坚硬的皮质组织及内部组织。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备用。将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备用。（2）生物质材料的制备将甘蔗渣粉碎并过筛（14目），混合后平铺成圆形，分成4等份，取相对的2份混合，然后再平分，直到达到实验要求。将选取的样品用压片机压片，压片厚度在1．5cm内（图1），制样压力为1．0～1．3MPa。玉米芯的制样不需要压片，直接切段即可实验。取一段玉米芯用点火丝接触即可点燃样品。（3）加入棉花作为引燃剂若取较少量的甘蔗渣（0．6g）进行压片，为确保点火成功率，可以在点火丝螺旋部分与样片之间夹少量棉花（0．05g左右）。实验过程中也可以不使用棉花，需要点火丝的螺旋部分与样片接触。本实验中甘蔗渣的用量建议在2．0g左右，充气压力为1．5～2．0MPa。本实验所涉及的甘蔗渣及玉米芯的燃烧热实验的点火成功率为100％。（4）其余步骤可按实验方法进行操作。
2实验结果
2．1实验结果。
2．2结果与讨论。根据体系的设计要求，水温升高2．0～3．0℃符合误差的要求。原本实验教材中萘的用量为0．6g左右，实验结果得出系统升温约为3．0℃左右。因此，首先称取适量样品进行实验预估样品的燃烧热，再计算所需精确样品量以达到误差允许的范围。如表1所示，当采用甘蔗渣（0．6100g）实验时系统升温约为0．932℃，说明甘蔗渣的燃烧热要小于萘的燃烧热。尝试增加甘蔗渣的样品量来考察系统对甘蔗渣燃烧热测试的适用情况。先后称取1．2315g及2．1565g的甘蔗渣重复以上实验，发现最终测试结果相近（17．6998和17．6091kJ／g）。称取2．0g左右的样品重复3次实验，燃烧热值基本在17．6091～17．9676kJ／g之间。随着样品进一步增加，燃烧会不完全并且有潜在危险。通过以上实验确定样品用量在1．2～2．0g左右为最佳（注意：考虑到安全因素，样品量要逐渐增加，否则可能会产生严重事故）。因此，样品用量越少，温度差越小，误差越大，应通过预实验确定合适的样品用量［10－12］。值得注意的是，当选取了甘蔗的内部组织重复以上实验（表1，甘蔗渣6）发现内部组织的燃烧热较混合样品低。说明甘蔗不同组织的燃烧热有差异。因此，可以通过对样品不同部位进行分类收集（中点四分法），测试获得不同部位样品的燃烧热值。此外，玉米芯的燃烧热较甘蔗渣高，为18．3428～18．5805kJ／g。
3实验教学组织
（1）分组实验：在实际课程中分成多个小组，提前布置预习任务。实验预备教师提前准备好甘蔗渣、玉米芯，并于65．0℃烘干至恒重。将处理好的样品粉碎过筛（14目）后放置于干燥器中备用。正式上课的时候，学生在教师的指导下进行燃烧热的实验，平行测定3次以减少误差［13－14］。（2）集体讨论分析：每个组根据实验结果写出实验报告并制作PPT，并且选派一个代表陈述，小组间展开讨论。分析总结不同种类生物质燃料及不同部位的燃烧热值的大小及可能的原因，最后以小组为单位提交实验报告。
4结语
在本实验中，采用广西优势生物质资源甘蔗渣及玉米芯代替传统实验中的萘，实现了教学实验的绿色化。促进了教学与地方经济社会发展对接，培养了学生社会责任感和可持续发展的意识。实验采用电脑与仪器联用的方式对实验数据进行记录和处理，缩短了实验时长，提高了实验的效率。因此，通过实验改革融入了绿色化学的理念，增强了实验的趣味性，培养了学生思考问题、解决问题的能力。
作者:胡飞龙 杨树枫 米艳 黄钦 王飒飒 罗伟强 单位:广西林产化学与工程重点实验室 广西民族大学