防倒吸实验装置的改进与优化设计

史岽瑛 , 王 涵 , 陈新茹 , 霍佳琦 , 陈鹏帆 , 户 敏

(郑州轻工业大学 材料与化学工程学院 , 河南 郑州 450002)

在化学实验中,经常会涉及到有气体参与或生成的反应。在加热制气或对有毒有害气体进行尾气吸收时,经常遇到的问题就是倒吸现象。倒吸现象产生的主要原因是密闭体系内部的压强减小,内外产生压强差,致使液体发生倒吸。液体倒吸会对化学实验产生不良的影响,如玻璃仪器的炸裂、反应试剂的污染等,因此在设计实验时必须考虑防止液体倒吸的问题。防倒吸装置的选择要考虑多个方面的因素,特别是气体的溶解度。

1 防倒吸实验装置

对于NH3、HCl、HBr、HI、NO2这些极易溶于某种液体(称为吸收液)的有毒有害气体,实验室目前采用的防倒吸方法主要有缓冲法和阻断法两种。

①缓冲法防倒吸是用倒置的漏斗将倒吸的液体储存于其中,防止其流入到要保护的容器内。缓冲法防倒吸实验装置如图1所示。其原理是当易溶性气体被吸收液吸收时,导管及漏斗内压强减小,吸收液被吸入到漏斗中,由于倒置漏斗的横截面积较大、可以容纳较多量的吸收液,当吸收液进入漏斗内时,烧杯中液面显著下降而低于漏斗口,使漏斗口脱离烧杯中的液面,漏斗中的液体受自身重力作用自然流回到烧杯,从而防止吸收液的倒吸。该方法的优点是实验装置简单,可以就地取材。缺点是由于漏斗太轻容易倾倒,而使有毒有害气体逸出,从而造成污染环境,甚至对人体造成伤害。该方法也可以用干燥管代替漏斗。

图1 缓冲法防倒吸装置

②阻断法防倒吸是设置安全瓶将液体倒吸的途径阻断。阻断法防倒吸实验装置如图2所示。其原理是当倒吸发生时,倒吸来的液体被预先设置的蓄液瓶储存,从而使受热仪器得到保护,特别是温差大的化学反应系统一般使用此类装置。该方法的优点是有毒有害气体通常不易逸出。缺点是防倒吸装置过于繁琐,安装过程复杂,对于初学者对导气管长度的选择容易出错。

图2 阻断法防倒吸装置

随着绿色化学理念逐渐渗透于化学实验教学中,基于科学、安全、可行、简约的原则,本文对防倒吸实验装置进行了改进与优化,不仅解决了防倒吸装置复杂的问题,而且能保证有害气体的吸收更加完全,提高了学生的实验技能和安全意识,培养了学生的环保理念。

2 新型防倒吸实验装置

基于科学、安全、可行、简约的原则,为了快速完成实验装置设计,并投入实验使用,本实验装置采用半设计过程。如图3所示,新型防倒吸实验装置由新型防倒吸漏斗和玻璃器皿组成。利用陶瓷、玻璃或塑料制成的新型防倒吸漏斗的外形与实验室常用布氏漏斗的外形相似,这些防倒吸漏斗的密度应大于吸收液的密度,以便防倒吸实验过程中它们能够沉于玻璃器皿底部。

图3 新型防倒吸实验装置

新型防倒吸漏斗包括漏斗头和漏斗颈,漏斗头下部为空心圆柱体,上部为空心圆锥体,空心圆柱体侧壁上设有与其下边缘等距的3个矩形防倒吸通孔。空心圆柱体漏斗头的高度大于空心圆柱体的半径,空心圆锥体的漏斗头上端连接漏斗颈。漏斗颈与有毒有害气体的导气管连接。在进行防倒吸实验时,玻璃器皿的直径应略大于空心圆柱体的漏斗头直径,玻璃器皿内吸收液的液面应略高于防倒吸漏斗置于玻璃器皿底部时防倒吸通孔的高度。

3 新型防倒吸实验原理

对于有毒有害气体进行尾气吸收实验时,将漏斗头放置在盛放有吸收液的玻璃器皿内,玻璃器皿内的液面略高于3个矩形防倒吸通孔的高度。当易溶性气体经由漏斗颈和漏斗头的空心圆锥体被吸收液吸收时,漏斗颈和漏斗头的空心圆锥体内压强瞬间小于外界大气压,吸收液被吸入到漏斗头的空心圆锥体内,导致盛放有吸收液玻璃器皿内的液面显著下降,从而低于3个矩形防倒吸通孔;3个防倒吸通孔完全或部分露出液面,使空气进入漏斗头内,从而平衡防倒吸漏斗内外大气压。最后,由于防倒吸漏斗头空心圆锥体内的吸收液受自身重力作用自然流回到盛放有吸收液的玻璃器皿内,从而达到防倒吸的目的。

4 新型防倒吸装置的优势

新型防倒吸实验装置的优势具体如下：①相较于实验室现有的缓冲法防倒吸(将倒置的玻璃漏斗与吸收液的液面平齐),本文报道的新型防倒吸漏斗的密度大于吸收液的密度,将新型防倒吸漏斗头置于盛有吸收液的玻璃器皿底部,不易发生倾倒,提高实验的安全性;②相较于现有的阻断法防倒吸(需要外加安装安全瓶装置),本文报道的新型防倒吸漏斗装置简单,对于初学者容易操作;③该新型防倒吸漏斗通孔的个数≥3个,可以快速平衡漏斗内外的压强,实现快速防倒吸;④相较于实验室现有的防倒吸普通玻璃漏斗,新型防倒吸漏斗头的直径更大,气液接触面积增加,可以提高有毒有害气体的吸收效率;⑤相较于实验室现有的防倒吸普通玻璃漏斗,新型防倒吸漏斗头的体积更大,气液接触时的持液量也增多,进一步降低倒吸风险;⑥新型防倒吸漏斗装置简单,制造成本低,有利于推广使用;⑦新型防倒吸漏斗应用范围广,可用于实验教学,也可作为实验室实验装置。该新型防倒吸装置与传统防倒吸装置的对比情况见表1。

表1 新型防倒吸装置与传统防倒吸装置的比较

5 结束语

通过对防倒吸漏斗的设计和防倒吸实验装置的改进,使防倒吸实验装置更加简易,防倒吸的过程更加安全,确保有毒有害气体的完全吸收,且不会产生倒吸现象。此外,新型防倒吸实验装置的设计还培养了学生的创新意识和能力,为大学生创新训练项目的有效开展及今后学生所从事科研工作的创新设计奠定基础。