綠色創客-3:微型電熱式蒸餾器的設計與製作 / 廖旭茂

星期二 , 3, 11 月 2020 Leave a comment

綠色創客-3:微型電熱式蒸餾器的設計與製作

廖旭茂

台中市立大甲高級中等學校

教育部高中化學學科中心

nacl880626@hotmail.com

  • 簡介

蒸餾是化學工業上用來分離混合物的方法之一,它是利用混合物中的各成分沸點的差異來進行分離的。當對溶液加熱時,沸點低的成分會先分餾出,此技術普遍應用在釀酒與石化產業1。一般中學實驗室都是以簡單蒸餾為主,其主要的組成配件包括:盛裝蒸餾液的圓底燒瓶、防止突沸的沸石、作為加熱源的加熱包、偵測溫度的溫度計、冷卻蒸氣的李必氏冷凝管以及收集蒸餾液的錐形瓶等2。下圖為簡單蒸餾裝置圖。clip_image002[6]

1:實驗室中的蒸餾裝置圖。

體積過於龐大、造價過於高昂,且玻璃易碎,一般都是作為老師演示實驗用,學生無法分組實作;如何克服這些限制,改良蒸餾裝置,成了此次研發的重點。

延續之前的撰文(綠色創客-2:霍夫曼微型電解水模組的設計與應用3)風格,應用跨領域的技術,從無到有,一步一步地完成新式的微型蒸餾裝置的設計,以及實驗模組的教學應用;微型的設計中以20毫升樣本瓶取代傳統的圓底燒瓶,作為待蒸餾物的盛裝;應用雷射切割技術,製作支撐架;利用纏繞的電熱帶,搭配變壓器加熱,維持穩定熱源,取代昂貴的電熱包,或不夠安全的酒精燈;利用珍珠奶茶吸管作為冷凝管,加上USB沉水小馬達循環冷卻,達成節水的目標;整個裝置具有不易摔破、攜帶方便、安全穩固的優勢,除可將蒸餾的技術透過實作普及外,並可實際應用於探究與實作「植物精油的提煉」課程上。下圖為兩款微型蒸餾器的外觀圖。

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2:微型電熱式蒸餾裝置(尚未纏繞電熱片)

本文除描述「微型電熱式蒸餾裝置」的製作方法外,亦提供教學使用示例。期盼透過本刊物的分享,提供讀者瞭解蒸餾實驗的參考;落實實驗減量、減廢,實踐環境友善與綠色永續的教學目標。

  • 器材與藥品

1.      功率80W的雷射切割機。

2.      透明壓克力板60cm × 40 cm,厚度8mm一塊(約可切出18組微型蒸餾器支架)

3.      寬為1mm的鎳鉻帶120cm【購自電子材料行】

4.      聚醯亞胺絕緣耐熱膠帶【購自電子材料行】

5.      功牙機1(含3.2mm6.0mm鑽頭各1支)

6.      電子本生燈1

7.      24V變壓器1個【購自電子材料行】

8.      USB沉水馬達【購自水族館】

9.      耐熱玻璃管(直徑Φ4mm,壁厚1mm,長300mm1

10.  雙面膠帶(寬=5mm、)1

11.  珍珠奶茶大吸管或環保矽膠吸管

12.  矽膠管2根(外徑=4.5mm,內徑2.5mm,長400mm

13.  M6螺絲組(含120mm長螺桿1支、螺母5個)【購自五金材料行】L

14.  鱷魚夾端子1條(DC5.5*2.5()轉鱷魚夾,長15cm)【購自電子材料行】

15.  塑膠空心圓管2支(直徑3mm,長3cm

16.  #0#5矽膠塞各2個(因樣品瓶口大小並無統一規格,矽膠塞規格會有異動)

17.  電子溫度計【購自水族館】

18.  紅葡萄酒一瓶。

  • 製作微型電熱式蒸餾器裝置

1.      概念發想:在可攜式、減量及可延伸應用性用的原則下,設計改良的重點六個方向:

(1)  如何縮減蒸餾裝置的空間大小,方便組裝與攜帶。

(2)  如何改善加熱的方式,減少突沸。

(3)  改造冷凝管,以塑膠材質代替易碎的玻璃材質。

(4)  如何循環使用冷卻水,減少水資源的浪費。

(5)  如何進行減壓蒸餾設計,提供快速分離混合物。

(6)  提供穩定支撐與的固定架。

2.      蒸餾模組簡圖:完整的機構圖如下:包括蒸餾瓶支撐架、電熱式蒸餾瓶、循環式環保冷卻管(含usb沉水馬達)、蒸餾液收集瓶。

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3:蒸餾模組簡圖

3.      固定支撐架的加工與組裝:此部分包含壓克力元件切割與組裝兩個部分。

(1)  雷射切割:打開雷射切割軟體Rdworks中,導入機構設計的數位檔案,依照需求調整雷射切割的速率與功率的設定,接著取一塊大小為60cm × 40 cm,厚度為8mm的透明壓克力板,放置雷射切割機平台,進行雷射加工,共切割出螺桿固定底座1個、蒸餾瓶支撐板,及瓶身固定套環。隨後穩固地夾持螺桿固定底座,攻牙機上裝上M6螺絲攻,緩慢地攻出一個直徑6mm,深8mm的螺牙,完成攻牙程序。

(2)    1M6長螺桿,從固定底座下方旋轉鎖進,再取兩顆M6螺母旋進螺桿,一顆自底座上方旋緊,將螺桿夾持固定於底座上;另一顆維持在底座上方約1公分處。隨後依序將蒸餾瓶支撐板、兩顆M6螺母、瓶身固定套環旋進螺桿。靠螺絲調整、並固定支撐板、套環的位置,方便放置蒸餾瓶於套環中
。下圖為組合完成的固定支撐架。
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4:電熱式蒸餾瓶固定支撐架

4.      電熱式蒸餾瓶的製作:準備一個20毫升的玻璃樣本瓶,剪一小段雙面膠帶,從上到下垂直貼在瓶身,並撕去背膠;隨後取寬1.0mm,長約200cm的鎳鉻帶,從瓶身上方緩慢地往下繞圈,鎳鉻線圈間的間隔約2mm注意線圈間不可接觸,否則通電會有短路現象,短路處溫度會過高,進而造成電熱線熔毀。纏繞完成後,線的兩端皆以壓接鉗接上環形卡扣端子,兩端子分別連接直流電源的正、負極,無正負之分(本實驗的直流電源使用變壓器,輸出功率為24V2A)。最後以耐熱絕緣膠膜包覆。

                                                                      clip_image012[6]

5:圖左電熱線纏繞,圖中為環形端子壓接,圖右為耐熱膜包覆

5.      循環式環保冷卻管的製作:包括4mm玻璃管的彎折、#0#3矽膠塞的鑽孔、冷凝管組裝三個部分:

(3)  取一段約22公分長的pyrex耐熱玻璃管,以簽字筆在離一端5cm15cm處劃記,做好彎折標記,隨後打開電子點火本生燈,將玻璃管彎折標記置於火焰上方,左右來回轉動製玻璃管軟化;隨後玻璃管離開火焰,3秒鐘後於事先繪製的圖案的木板上方,對齊彎折角度進行彎折。下圖為火焰加熱玻璃管過程。

                                                                          clip_image016[6]

6:玻璃管加熱彎折過程

(4)  矽膠塞鑽孔過程:取#0矽膠塞,以奇異筆畫計兩黑點,將矽膠塞置入於模具的孔洞上,以M3的鑽頭鑽出兩孔;再取出兩個#3矽膠塞,置入模具中,劃記標位後,以電鑽鑽出所需的孔洞。

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7:矽膠塞的鑽孔過程

(5)  冷凝管組裝A:先取1根珍珠奶茶的大吸管,剪裁兩端,保留彎曲處,及左右兩端約各3公分長(若無大吸管,也可以使用管徑接近的環保矽膠吸管)。先將一個矽膠塞順孔從90度彎角端推入,進入玻璃管中段的前側轉曲處,再把玻璃管貫穿大吸管,進入玻璃管中段,接著將矽膠塞推入大吸管前端。最後將另一個矽膠塞順孔推入玻璃管中端,並塞入大吸管後端,過程中可塗膜些許凡士林作為潤滑,轉彎處特別小心,避免折斷玻璃彎管。下圖為冷凝管的組裝流程圖。

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8:冷凝管的組裝過程分解

(6)  冷凝管組裝B:取兩根長約3公分的M3的塑膠硬管,分別從大吸管兩端的矽膠塞另一孔洞推入,各留1公分在矽膠塞外面。將一個USB沉水小馬達置入一個250毫升中,燒杯盛水約八分滿;小馬達推氣端連接一條外徑4mm,長約40公分的M4矽膠管,矽膠管的一端連接大吸管後端的矽膠塞上的塑膠硬管;再取1M4矽膠管,一端連接大吸管前端矽膠塞上的塑膠硬管,另一端放進燒杯中,供冷卻水回流入燒杯內。下圖為冷卻水管進出水配置圖。

9:冷卻水從大吸管後段流進(左),從大吸管前段流出,流回燒杯中

(7)  #5的單孔矽膠塞,推入的玻璃管的的前段(大角度彎折),連接電熱式蒸餾瓶;另一個#5的雙孔矽膠塞,推入的玻璃管的的後段(小角度彎折),連接收集瓶,隨後將一小段髮夾彎玻璃管插入雙孔矽膠塞的另一孔洞。

(8)  將電熱瓶固定在支撐架上,旋緊瓶身固定套環的螺絲;將蒸餾液倒入瓶內,塞緊兩矽膠塞;變壓器的紅、黑鱷魚夾導線夾住電熱瓶的兩個環形卡扣端子,打開電源開關,隨即可開始加熱;將沉水馬達的USB接頭接上電源,啟動水流,即可開始冷卻程序。下圖微型蒸餾裝置的完整的組合圖。

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10:微型蒸餾器完整模組組合圖

  • 教學應用

1.      紅葡萄酒的蒸餾

(1)   打開蒸餾瓶的矽膠塞,取一小漏斗,倒入約10毫升的紅葡萄酒後,塞回矽膠塞。

(2)   打開電壓器電源開關,開始加熱;將沉水馬達放入盛水的燒杯中,將USB接頭接上電源,啟動水流,開始冷凝程序。[]:電熱式電壓器,加熱若超過十分鐘,樣本瓶表面溫度可高達150,請同學加熱過程勿碰觸瓶身,若非不得已要移動裝置,務必戴上防熱手套,以免燙傷。

(3)   5分鐘後,第一滴無色液體隨即餾出。10分鐘後即可開閉電源。下圖為蒸餾圖

(4)   打開收集瓶的矽膠,取出無色液體,試問這是純酒精嗎?裡面有水的存在嗎?

(5)   想想看,如何檢驗水的存在?

(6)   承上,想想看如何決定酒精的濃度?

2.      植物精油的分離提煉:礙於版面,這部分將於下期再來分享。

  • 安全注意及廢棄物處理

1.          本次實驗所用的CO2雷射切割機,為高能灼熱的熱線,眼睛不可直視,切割加工過程切勿離開現場,以免起火燃燒,引發火災;產生的氣體與粉末可能對健康有害,加工前後,務必全程開啟抽風機和空氣清淨機。

2.          在螺絲上鑽孔,或在壓克力板上攻牙,都必須以夾具夾緊後再施工。

3.          電熱式加熱可達100以上,實驗中或實驗剛結束,不可直接碰觸,以免燙傷。若一定要移動裝置,請戴上防熱手套,以免燙傷。

4.          所有實驗後的廢液,依規定回收處理。

  •  教師教學提示與建議

1.          玻璃管的彎折角度可在木板上以黑簽字筆劃記正確彎角,作為彎折模板。

2.          #0矽膠塞的下底面積很小,電鑽鑽孔請小心。

3.          矽膠塞宜緩慢旋入玻璃管,玻璃管塗抹少許的凡士林作為潤滑,可減少折斷機會。

4.          沉水馬達須事先浸泡在水中,再啟動電源;若在無水的狀況,啟動馬達,馬達極可能在30秒內燒毀。

5.          蒸餾液的體積必須少於10毫升,以免過熱產生的突沸,液體衝入收集瓶。若發生突沸現象,必須拆下冷凝管,以蒸餾水清洗、擦乾再用。

  • 參考資料

1.      Distillation, https://en.wikipedia.org/wiki/Distillation

2.      邱美虹、廖旭茂、楊水平、李祐慈、周金城、林震煌、陳昭岑、吉佛慈、林偌婷、葉志麟、鄭銘泉、鄧雅文、劉俊庚(民108)。普通型高中基礎化學探究活動手冊。台北市:三民書局。

3.      廖旭茂(2019)。綠色創客-2:霍夫曼微型電解水模組的設計與應用。台灣化學教育電子期刊,期32202011月參考http://chemed.chemistry.org.tw/?p=34798. 

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