臺灣化學教育

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

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• 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。

圖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。

 

圖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台（含3.2mm、6.0mm鑽頭各1支）

6.      電子本生燈1台

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Φ＝4mm，壁厚1mm，長300mm）1支

10.  雙面膠帶（寬＝5mm、）1捲

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(母)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。

 

圖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)    取1根M6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。

圖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24V、2A）。最後以耐熱絕緣膠膜包覆。

                                                                     

圖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5cm、15cm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。

                                                                         

圖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。

圖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。

 

圖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1條M4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。

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)  將#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。

圖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。[註]：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)   約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32，2020年11月參考http://chemed.chemistry.org.tw/?p=34798.