利用注射器改進(jìn)的簡(jiǎn)易加壓過(guò)濾裝置

基金項(xiàng)目：

本文系深圳市教育科學(xué)2022年度規(guī)劃課題“指向科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)素養(yǎng)的中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐研究”（zdzz22029）的階段性研究成果。

摘" 要：本文將文獻(xiàn)中經(jīng)常用于減壓的注射器轉(zhuǎn)變?yōu)榧訅貉b置，搭配脫脂棉和纖維素濾紙筒創(chuàng)新設(shè)計(jì)了兩種加壓過(guò)濾裝置，分別適用于少量溶液與大量溶液的快速過(guò)濾操作。該裝置構(gòu)成簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，可以解決常規(guī)過(guò)濾時(shí)濾紙易破、堵塞等問(wèn)題，對(duì)教材中涉及過(guò)濾的實(shí)驗(yàn)有很好的改進(jìn)效果。

關(guān)鍵詞：加壓過(guò)濾；注射器；濾紙筒；脫脂棉

文章編號(hào)：

1008-0546（2024）14-0092-03

中圖分類號(hào)：

G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：

B

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020年修訂）》明確要求學(xué)生掌握開展實(shí)驗(yàn)探究必備的實(shí)驗(yàn)技能，掌握過(guò)濾等基本實(shí)驗(yàn)操作。［1］常規(guī)的過(guò)濾實(shí)驗(yàn)是通過(guò)漏斗、濾紙和玻璃棒等物品實(shí)現(xiàn)難溶性固體和液體混合物的分離，該實(shí)驗(yàn)操作所遵循的原則是“一貼二低三靠”。但在實(shí)際過(guò)濾時(shí)會(huì)遇到如下問(wèn)題：若固體顆粒多且粒徑小，可能導(dǎo)致濾紙下端堵塞，過(guò)濾時(shí)間較長(zhǎng)，進(jìn)而影響課堂實(shí)驗(yàn)的推進(jìn)。

一、相關(guān)文獻(xiàn)簡(jiǎn)析

查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，單純研究過(guò)濾操作的文章并不多，歸納起來(lái)主要有以下幾種情形。

（1）基于傳統(tǒng)過(guò)濾裝置的改進(jìn)。俞蕾［2］從“一貼二低三靠”原則的角度進(jìn)行再思考，認(rèn)為濾紙未緊貼漏斗內(nèi)壁和漏斗尖嘴未緊靠燒杯內(nèi)壁是導(dǎo)致過(guò)濾速度慢的主要原因。作者對(duì)過(guò)濾裝置細(xì)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，將三層濾紙的外層撕去一角以增強(qiáng)濾紙與玻璃之間的毛細(xì)現(xiàn)象，三層濾紙一邊對(duì)著漏斗下方尖端處，并將玻璃棒的末端抵靠在三層濾紙側(cè)，從而有效提升了過(guò)濾速度（見(jiàn)圖1）。但是實(shí)際操作時(shí)發(fā)現(xiàn)，在遇到濾渣堆積導(dǎo)致的堵塞情況時(shí)，該方案的提速效果并不明顯。

（2）基于減壓抽濾裝置的改進(jìn)。盧天宇［3］以大學(xué)實(shí)驗(yàn)室常用的減壓抽濾裝置為原型，利用普通漏斗、吸濾瓶和注射器等物品改進(jìn)設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)易的減壓過(guò)濾裝置，如圖2所示。將漏斗插入橡皮塞中以保證密封性，利用注射器抽氣形成氣壓差，從而加快過(guò)濾速度。由于注射器不能連續(xù)抽氣，且抽濾瓶的體積較大，形成的氣壓差有限，該裝置只能在過(guò)濾少量懸濁液時(shí)才有很好的效果。

（3）基于噴泉實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)。張延臣［4］從噴泉實(shí)驗(yàn)中得到啟發(fā)，巧妙地利用壓強(qiáng)差實(shí)現(xiàn)了“自動(dòng)加液，持續(xù)過(guò)濾”的效果（見(jiàn)圖3）。對(duì)于需要過(guò)濾大量濁液的情況，該裝置不失為一件省心利器，但是卻并不適合常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中遇到的過(guò)濾操作：在課堂實(shí)驗(yàn)中需要過(guò)濾如此大量濁液的情況非常少；該裝置過(guò)于復(fù)雜，對(duì)氣密性的要求較高，看似有趣的“自動(dòng)加液”操作容易失敗。

二、設(shè)計(jì)思路

本文綜合分析普通過(guò)濾裝置與文獻(xiàn)中改進(jìn)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，利用注射器、脫脂棉、纖維素濾紙筒創(chuàng)新設(shè)計(jì)了兩個(gè)加壓過(guò)濾裝置（A和B），分別適用于少量與大量溶液的過(guò)濾（見(jiàn)圖4），具體的改進(jìn)思路如下。

（1）基于傳統(tǒng)的漏斗和濾紙的常規(guī)改進(jìn)無(wú)法解決堵塞的問(wèn)題，而利用壓強(qiáng)差來(lái)加快過(guò)濾速度是不錯(cuò)的解決方案，但實(shí)際教學(xué)中，老師們更習(xí)慣使用減壓過(guò)濾裝置，加壓過(guò)濾裝置還未見(jiàn)報(bào)道。因此，本文轉(zhuǎn)變思路，將發(fā)揮減壓作用的注射器，變?yōu)榧訅貉b置。

（2）在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)過(guò)濾速度慢時(shí)，學(xué)生可能會(huì)用玻璃棒試圖“加速”，但容易導(dǎo)致試紙破損，究其原因還是因?yàn)闉V紙比較薄，禁不起“折騰”。而本文所使用的脫脂棉或?yàn)V紙筒等濾層材料都有一定的厚度，可以避免加壓時(shí)可能出現(xiàn)的破損問(wèn)題。

（3）在實(shí)際操作過(guò)程中，懸濁液有多有少，若利用常規(guī)過(guò)濾裝置過(guò)濾少量濁液則顯得大材小用，且可能導(dǎo)致少量的濾液損失較大。通過(guò)不同規(guī)格的注射器，可以滿足不同過(guò)濾量的需求。

三、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案

1. 實(shí)驗(yàn)用品

1 mL注射器、50 mL注射器、脫脂棉、纖維素濾紙筒（直徑為30 mm，高度為50 mm，厚度為2 mm）、懸濁液。

2. 實(shí)驗(yàn)操作

（1）少量濁液過(guò)濾（裝置A）。①取下1 mL注射器的活塞，取適量的脫脂棉加入針筒中。②插入活塞，通過(guò)多次推壓活塞將脫脂棉按壓緊實(shí)。③取下活塞，向針筒中加入少量的濁液，并裝回活塞。④按壓注射器，濁液在加壓條件下被快速過(guò)濾。

（2）大量濁液過(guò)濾（裝置B）。①取下50 mL注射器的活塞，將纖維素濾紙筒放入針筒底部。②將濁液加入濾紙筒并插回活塞。③按壓注射器至活塞接觸濾紙筒上邊緣，濁液快速過(guò)濾。④重復(fù)以上操作至所有濁液過(guò)濾完成。

3. 裝置優(yōu)缺點(diǎn)分析

（1）裝置優(yōu)點(diǎn)。①材料易得：注射器、脫脂棉等均是實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)的材料，且注射器還能重復(fù)使用，因此本文的加壓過(guò)濾裝置具有推廣性。②裝置簡(jiǎn)單：傳統(tǒng)的過(guò)濾裝置需要漏斗、濾紙、鐵架臺(tái)、玻璃棒等多種用品，而文中的兩種加壓裝置僅需注射器和濾層即可完成過(guò)濾操作。③操作方便：利用壓強(qiáng)差過(guò)濾的裝置往往需要注意密封性是否良好，而注射器由于橡膠活塞的貼合，本身就具有很好的密封性，通過(guò)擠壓注射器活塞即可實(shí)現(xiàn)加壓的效果。

（2）裝置缺點(diǎn)。①為了保證過(guò)濾時(shí)濾紙筒和針筒內(nèi)壁的貼合度，需要針筒的內(nèi)徑和濾紙筒的外徑相匹配，而在售濾紙筒的規(guī)格并不多，在一定程度上限制了裝置B的推廣。②筆者原意是想僅通過(guò)一種濾層和注射器實(shí)現(xiàn)少量溶液和大量溶液的過(guò)濾，但脫脂棉和濾紙筒對(duì)注射器的大小有一定的要求：脫脂棉僅在細(xì)小的1 mL注射器中才能被壓緊實(shí)，無(wú)法在更大規(guī)格的注射器中充當(dāng)有效的濾層，而市售最小的濾紙筒也無(wú)法裝入1 mL注射器。因此兩種濾層各有優(yōu)勢(shì)，也各有限制。

四、加壓過(guò)濾裝置應(yīng)用分析

在人教版教材中涉及過(guò)濾的實(shí)驗(yàn)不在少數(shù)，筆者用傳統(tǒng)裝置進(jìn)行相關(guān)過(guò)濾操作時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)存在一些問(wèn)題，因此本文利用加壓過(guò)濾裝置A和B對(duì)“檢驗(yàn)食品中的鐵元素”［5］“用化學(xué)沉淀法去除粗鹽中的雜質(zhì)離子”［6］“重結(jié)晶法提純苯甲酸”［7］等三個(gè)實(shí)驗(yàn)的過(guò)濾環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)。具體的改進(jìn)方法如表1所示。

五、結(jié)語(yǔ)

過(guò)濾是物質(zhì)分離提純中的重要操作，但傳統(tǒng)過(guò)濾裝置以及文獻(xiàn)中的改進(jìn)方案并不能很好地解決過(guò)濾時(shí)可能出現(xiàn)的堵塞以及濾紙破損問(wèn)題。因此，本文利用注射器、脫脂棉以及纖維素濾紙筒改進(jìn)創(chuàng)新得到了兩種加壓過(guò)濾裝置，分別滿足少量溶液和大量溶液過(guò)濾的需求。改進(jìn)的加壓過(guò)濾裝置不僅材料易得，重復(fù)性高，而且操作簡(jiǎn)單，可以極大地提高過(guò)濾速度，對(duì)教材中涉及的過(guò)濾實(shí)驗(yàn)也有很好的改進(jìn)效果。

參考文獻(xiàn)

［1］中華人民共和國(guó)教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020．

［2］俞蕾.對(duì)過(guò)濾操作中“一貼二低三靠”的再思考［J］.化學(xué)教學(xué)，2022（1）：69-71．

［3］盧天宇.對(duì)初中化學(xué)學(xué)生實(shí)驗(yàn)中過(guò)濾裝置的改進(jìn)［J］.化學(xué)教育，2017（11）：67-68．

［4］張延臣.“自動(dòng)加液過(guò)濾器”的制作［J］.中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2021（13）：64．

［5］王晶，鄭長(zhǎng)龍.普通高中教科書" 化學(xué)" 必修" 第一冊(cè)［M］.北京：人民教育出版社，2019．

［6］王晶，鄭長(zhǎng)龍.普通高中教科書" 化學(xué)" 必修" 第二冊(cè)［M］.北京：人民教育出版社，2019．

［7］王晶，鄭長(zhǎng)龍.普通高中教科書" 化學(xué)" 選擇性必修3" 有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京：人民教育出版社，2019．