适用于本科生实验室实验的可持续且经济高效的3D打印量热计

《Journal of Chemical Education》：Sustainable and Cost-Effective 3D-Printed Calorimeters for Undergraduate Laboratory Experiments

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在本科化学实验室中，一次性聚苯乙烯（PS）咖啡杯被广泛用作量热计，用于热化学和热力学实验，这引发了环境和经济方面的担忧，尤其是在服务大量学生的机构中。本研究探讨了用聚乳酸（PLA）和聚丙烯（PP）制成的3D打印替代品替换聚苯乙烯（PS）量热计的可行性。选择这些材料是因为它们在成本、可持续性和化学抗性方面有所不同。通过使用传统的PS量热计和3D打印的PLA及PP量热计，进行了测量KBr和Na2SO4溶解热以及HCl与NaOH中和热的量热实验。结果表明，PLA和PP量热计提供了可比的准确性、更高的精度，并与文献报道的值非常吻合，同时所需试剂量也减少了。方差分析（ANOVA）计算确认所有使用的量热计之间没有统计学上的显著差异。PLA量热计被认为是最可持续且最具成本效益的选择，证明了其在重复使用过程中的化学稳定性和重现性。这项工作为将可持续实践融入化学教育提供了实际途径，而不会影响实验质量。

引言
近年来，全球对可持续发展的推动开始影响社会的各个领域，包括教育和研究。世界各地的大学和学院越来越将其运营实践与联合国可持续发展目标（SDGs）对齐，旨在减少环境影响的同时促进资源的负责任利用。(1) 尽管人们关注了许多大规模举措，如减少校园能耗或将可持续性纳入课程中，但在教育实践的细节方面也有很大的改进机会。其中一个机会在于本科科学实验室，特别是替换如聚苯乙烯基量热计这样的单次使用塑料。

聚苯乙烯（PS）咖啡杯由于其优异的绝缘性能、低成本和广泛的可用性，在热力学实验中是必不可少的。这些量热计用于测量化学反应过程中的温度变化，使学生能够亲身体验热量传递和焓的概念。(2) 在大多数实验中，使用的是一次性PS杯子，但由于它们易碎且容易破损，因此需要频繁更换。在大型本科化学课程中，由于每次实验有数百名学生参与，产生的聚苯乙烯废物量非常庞大。这种做法不仅给部门带来了重复采购的成本，还引发了严重的可持续性问题。聚苯乙烯是一种不可生物降解的石油基聚合物，由于污染和回收系统效率低下，很少被回收。(3) 鉴于其在大规模教学中的使用规模，其环境影响不容忽视。聚苯乙烯会导致大量填埋物，并可能在环境中存在数百年。其生产过程中会排放多种温室气体，处置它还会带来长期的生态风险。(4) 对于致力于可持续发展的机构来说，继续在大型教学实验室中使用一次性量热计越来越与其宣言的目标不符。因此，迫切需要寻找更好的替代方案。

一种值得考虑的选项是3D打印量热计。 affordable的3D打印技术和环保打印材料的出现为实验室设备创新开辟了新的途径。(5) 通过3D打印设计和制造的量热计可以根据特定实验需求进行定制，同时实现可持续性目标。使用可生物降解或可回收的聚合物（如聚乳酸（PLA）——一种来自玉米淀粉或甘蔗等可再生资源的生物塑料——进一步增加了环境优势。(6) 虽然PLA在家庭环境中不可生物降解，但它可以在工业上堆肥，并可用于其他3D打印应用，使其成为比传统塑料更负责任的选择。

这些3D打印量热计具有显著的功能优势，例如设计上可以加入适合的盖子以减少热量损失并提高测量精度。与临时制作的PS咖啡杯量热计相比，定制的3D打印模型可以进行优化，使教育者能够提高本科实验的可靠性和重复性。这样，可持续性并不会以牺牲科学有效性为代价；相反，它可能会增强科学效果。(7) 从财务角度来看，虽然3D打印基础设施的初始设置成本可能显得较高，但长期节省下来的费用是值得的，尤其是对于大型班级而言。一个耐用且可重复使用的量热计，能够承受几个学期甚至几年的反复使用，最终会比持续购买一次性杯子更经济。(8) 学生参与打印过程还可以促进跨学科合作，连接化学、工程、材料科学和环境研究领域。(9,10) 这还带来了重要的教学效益。在学生越来越意识到全球环境挑战的背景下，将可持续实验纳入本科实验室课程将加强科学与社会问题之间的联系。通过用可重复使用的材料取代一次性材料，教育者可以教导学生可持续行为。这鼓励了关于实验室设备使用及其环境影响的批判性思考。(11) 在本科热化学实验室中使用3D打印量热计有助于学生更好地理解概念。它还促进了可持续的实验室实践。由于PLA和PP设计提供了更高的准确性，并且使用的试剂量更少，学生可以专注于学习热力学性质这一关键物理化学概念。比较不同的量热计材料有助于科学推理，因为学生可以看到设计特点、热量传递路径和绝缘性能如何影响数据质量。这增强了他们的动手实验与课堂教学理论之间的联系。此外，使用定制的可重复使用3D打印设备为基于探究的学习方式增添了创新元素。学生不仅探索化学原理，还考虑了更广泛的问题，如正确处理设备、负责任地使用实验室试剂以及材料科学在实验中的作用。这种综合方法与当前化学教育和可持续发展教育的优先事项紧密一致。

从一次性到可重复使用的实验室设备的转变并非没有挑战。必须仔细评估材料兼容性、热耐性、化学耐久性和清洁协议，以确保3D打印量热计能够长期可靠地运行。机构的支持、技术人员培训以及学生的操作习惯也将影响这一转变的成功。Davis等人(12)之前已经进行了使用更环保材料的研究，他们用3D打印的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）替换了PS量热计。类似的还有用纸杯替换PS量热计的研究(13)，证实了寻求更环保、更可持续的量热实验选项的呼声。ABS的一个局限性是在3D打印过程中会释放微量有毒气体（例如苯乙烯）。另一方面，纸杯的寿命也类似于PS杯。

本文研究了在本科实验室实验中，特别是在大规模化学课程（例如>100名学生）中，用3D打印的PLA和PP替代传统聚苯乙烯基量热计的实用性。我们的工作比较了使用传统PS量热计与3D打印替代品获得的实验数据，以及文献中的相关焓值。证据表明，3D打印量热计可以成功用于研究溶解反应和中和反应的焓。通过这种方式，它为倡导科学教育中更可持续实践的文献提供了补充，特别符合可持续发展目标4（优质教育）、11（可持续城市和社区）、12（负责任的消费和生产）和13（气候行动）。它为机构提供了将实验室操作与可持续性目标对齐的实际路线图。

材料与方法
使用聚苯乙烯咖啡杯量热计作为对照。该量热计由一个一次性聚苯乙烯（PS）咖啡杯（250立方厘米）和盖子组成，配有一个玻璃搅拌棒，如图1A所示。另一种量热计是在Autodesk Fusion（版本2602.71）中设计的，并使用Prusa i3MK3S+ FDM打印机（如图1B所示）用商用热塑性塑料（即聚乳酸（PLA）和聚丙烯（PP）打印而成。尽管PP也来源于化石燃料（如PS）且打印难度更大，但考虑到其化学耐性，也将其纳入了考虑范围。PP以其化学抗性著称，常用于化学储存瓶；因此，PP量热计可以作为3D打印量热计结果的基准。3D打印量热计的高度为7厘米，直径为4厘米，壁厚3毫米，计算体积为88立方厘米。虽然这增加了打印时间，但使用更厚的壁提高了绝缘效果。减小量热计的尺寸实际上减少了打印时间。另一个优势是打印量热计所用的塑料减少了，实验中消耗的试剂也减少了。

图1
该图展示了传统的聚苯乙烯（PS）量热计以及由聚乳酸（PLA）或聚丙烯（PP）制成的3D打印替代品。图像展示了每种类型量热计的不同设计，突出了在热力学实验中对热绝缘和化学抗性有贡献的结构差异和材料特性。(A) 传统咖啡杯量热计的示意图，通常使用一次性聚苯乙烯杯子和玻璃棒。(B) 3D打印量热计部件的照片，显示了带有测温计孔的盖子（左）和搅拌棒（中）以及用PLA制造的杯子（右）。(C) PS量热计和3D打印量热计的并排比较，展示了尺寸上的差异。

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从3D Printing Store（www.3dprintingstore.co.za，南非）购买了直径为1.75毫米的PLA线材，从RS Components（目录编号：174–0056，南非）购买了直径为1.75毫米的RS PRO透明PP线材。所有化学品、试剂和材料均按原样使用。实验前将水进行了去离子处理。

打印机设置根据特定线材进行了定制。对于PLA，挤出机和床温分别为200°C和60°C；对于PP，挤出机和床温分别为240°C和80°C。为了防止泄漏，PLA和PP均使用了0.8毫米的喷嘴、0.4毫米的层高和100%的填充率。在打印PP时，在打印机床面上放置了一层包装胶带以促进粘合。打印一个完整的量热计大约需要1.5小时。实验的详细指南见支持信息。使用PS、PLA和PP量热计测定了KBr和Na2SO4的溶解热。选择这两种盐是为了展示吸热和放热溶解焓。所有实验均重复三次，并在实验中重复使用量热计。PS量热计中约5克盐溶解在40毫升水中，而PLA和PP量热计中约4克盐溶解在30毫升水中。HCl与NaOH之间的中和热也使用不同量热计重复测量了三次。对于PS量热计，混合了50毫升酸和碱（各1摩尔），而对于PLA和PP量热计，则混合了20毫升酸和碱（各1摩尔）。通过方差分析（ANOVA）比较了不同量热计获得的结果。

安全声明：未遇到意外或异常高的安全风险。然而，建议在进行实验时穿戴个人防护装备，如实验外套、安全护目镜和手套。

结果与讨论
对于KBr的溶解过程，图2显示了温度随时间的变化（原始数据见支持信息）。该图表表示了定期时间间隔的平均温度测量值，误差条表示平均值的标称偏差。这些结果用于计算温度变化，进而得出每摩尔盐的焓值，如表1所示。根据文献，KBr的溶液焓为19.87 kJ/mol。(14) 尽管所有量热计给出的结果均可接受，相对误差均低于15%，但PLA量热计的准确性最高（相对误差最小，为8.9%），而PP量热计的精度最高（标准偏差最小，为2.71%，见表1）。此外，ANOVA分析显示F统计量为0.47，小于临界值5.14，表明使用不同量热仪获得的结果之间没有统计学上的显著差异。图2展示了使用传统聚苯乙烯（PS）量热仪（橙色圆圈）以及聚乳酸（PLA，蓝色方块）和聚丙烯（PP，绿色三角形）制成的3D打印量热仪记录的KBr在水中的溶解过程中温度随时间的变化情况。重复实验的平均值（n = 3）显示了一个标准差的误差条。由于这是一个吸热反应，温度最初会下降然后稳定下来。在温度初步下降后，对数据进行了直线拟合以估计最终温度（虚线）。然后利用温度变化来计算溶解焓。

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表1. KBr溶解结果比较
量热仪 焓（kJ/mol） RSD（%）
PS 17.93 ± 1.14 6.37
PLA 18.09 ± 0.93 5.15
PP 17.42 ± 0.47 2.71

对于Na2SO4的溶解过程，图3显示了温度随时间的变化（原始数据见支持信息）。该图表示了定时间间隔内的平均温度测量值，误差条表示平均值的一个标准差。这些结果被用来计算温度变化，进而确定每摩尔盐的焓，如表2所示。无水Na2SO4的溶解焓为1.17 kJ/mol，而Na2SO4·10H2O的溶解焓为–78.7 kJ/mol（该值使用Hess定律和《CRC化学与物理手册》中的标准热力学数据计算得出）。这个计算值与文献中的实验值相当吻合。尽管使用了无水盐，但在实验前没有进行干燥，可能含有少量水分（随时间从空气中吸收）。这解释了为什么测量到的焓值明显低于文献值。因此无法确定相对误差或评价各种量热仪的准确性。然而，ANOVA分析表明不同量热仪的结果相似，F统计量为1.81。此外，PP量热仪显示出最高的精度（最小RSD为5.1%）。因此，各种量热仪的性能与KBr溶解实验的结果一致。

图3展示了使用传统聚苯乙烯（PS）量热仪（橙色圆圈）以及聚乳酸（PLA，蓝色方块）和聚丙烯（PP，绿色三角形）制成的3D打印量热仪记录的Na2SO4在水中的溶解过程中温度随时间的变化情况。重复实验的平均值（n = 3）显示了一个标准差的误差条。由于这是一个放热反应，温度最初会上升然后稳定下来。在温度初步上升后，对数据进行了直线拟合以估计最终温度（虚线）。然后利用温度变化来计算溶解焓。

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表2. Na2SO4溶解结果比较
量热仪 焓（kJ/mol） RSD（%）
PS –7.15 ± 0.46 6.5
PLA –8.11 ± 0.96 11.8
PP –7.92 ± 0.40 5.1

这些结果表明3D打印量热仪可以成功用于研究吸热和放热溶解反应。重要的是，与传统的咖啡杯（PS）实验相比，使用的盐的质量和溶剂体积都更少。由于焓是一个内在属性，因此得到了相同的结果。然而，减少所需试剂的数量符合可持续发展目标12——负责任的消费和生产，特别是这些实验通常由大量学生共同完成。

为了测定中和热，通过混合氢氧化钠和盐酸并测量温度随时间的变化来进行量热实验。结果如图4所示，计算出的焓在表3中总结。该图表示了定时间间隔内的平均温度测量值，误差条表示平均值的一个标准差。使用标准热力学数据表（14）计算出该反应的焓为–55.84 kJ/mol。所有量热仪的结果都与此值一致，但PLA和PP量热仪产生的结果更为准确，相对误差分别为2.3%和2.2%。此外，PLA量热仪的结果最精确（最小RSD为0.6%，见表3），这与溶解实验中的观察结果相反，后者中PP量热仪的精度最高。ANOVA分析显示PS、PLA和PP量热仪之间没有统计学上的显著差异（F统计量为5.135）。同样，在3D打印量热仪中也使用了较少的试剂体积，但仍产生了可比较且可靠的结果。

图4展示了使用传统聚苯乙烯（PS）量热仪（橙色圆圈）以及聚乳酸（PLA，蓝色方块）和聚丙烯（PP，绿色三角形）制成的3D打印量热仪记录的NaOH与HCl中和过程中温度随时间的变化情况。重复实验的平均值（n = 3）显示了一个标准差的误差条。由于这是一个放热反应，温度最初会上升然后稳定下来。在温度初步上升后，对数据进行了直线拟合以估计最终温度（虚线）。然后利用温度变化来计算中和焓。

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表3. 中和反应结果比较
量热仪 焓（kJ/mol） RSD（%）
PS –59.47 ± 1.37 2.3
PLA –57.15 ± 0.34 0.6
PP –57.04 ± 1.14 2.0

3D打印量热仪的适用性和可行性
在上述示例中，3D打印量热仪和传统的PS咖啡杯量热仪得到了类似的结果，但3D打印量热仪显示出更好的精度和准确性。此外，使用的试剂量更少，从而在大规模学生群体进行实验时产生的化学废物较少。重要的是，这些3D打印量热仪在实验过程中可以重复使用，并且获得了可重复的结果。量热仪的结构完整性未受到所研究的化学物质或反应的影响，这比咖啡杯实验具有额外的优势，因为PS杯很易碎。PLA和PP量热仪的主要缺点是3D打印过程耗时较长：打印一个量热仪的所有组件几乎需要2小时（表4）。因此，本研究表明3D打印量热仪是聚苯乙烯杯的可行替代品。

表4. PLA和PP量热仪制造成本的比较
部件 打印时间（分钟） 使用的丝材（克） 价格（ZAR）
盖子 12 7.13 2.14 14.17
搅拌器 27 9.94 65.84
杯子 62 33.12 2.78 18.45
总计 101 49.53 14.86 98.46

接下来需要考虑的是应使用哪种类型的3D打印材料。研究了几项因素，包括成本、打印难度和可持续性等，并将在文中详细说明。虽然PLA和PP量热仪的表现都很好，但热塑性塑料的选择直接影响了实验的成本效益和可持续性。PLA来源于可再生资源并且可生物降解，而PP主要由化石燃料制成。此外，3D打印PLA的成本远低于PP（表4）：PLA量热仪的价格约为15.00 ZAR。尽管PP的耐化学性更强，但PLA已被证明足以满足这里的实验需求。最后，由于物理特性，PP更难打印，例如需要更高的温度，湿度可能会影响打印质量，且床层附着是一个挑战。与其他商用热塑性塑料（如ABS）相比，PLA也更容易打印，因为不需要粘合剂或溶剂/塑料混合物来确保床层附着。基于这些考虑，建议使用PLA来制造既经济又可持续的量热仪。

结论
本研究探讨了使用3D打印量热仪替代传统咖啡杯量热仪的可行性，旨在鼓励本科生实验室实验中的可持续实践。考虑了成本、可持续性、可重复性和科学严谨性等多个方面。结果表明，3D打印量热仪不仅适用，而且其准确性和精度与传统PS量热仪相当甚至更优。此外，PLA被证明是制造3D打印量热仪的理想热塑性塑料，提供了经济可行的环保解决方案。在本科生热化学实验室中使用3D打印量热仪有助于学生理解热力学概念，并通过实践教授可持续性。这种动手实践的方法促进了科学推理，符合当前化学教育和可持续发展的优先事项。