绿色化学理念在“环境化学实验”教学中的应用探讨

来源:用户上传      作者:肖玲 朱亮亮

　　摘 要 “环境化学实验”是环境专业一门重要的实验课程，但本课程往往会导致一定的环境污染问题。本文主要从实验原料、溶剂和废液等角度探讨了绿色化学理念在实验教学中的应用情况，以期能对“环境化学实验”教学提供一定的指导。
　　关键词 绿色化学 实验教学 环境保护
　　Abstract Environmental chemistry experiments are very important for environment professional learning. However， the experiment course is often associated with pollution problems. From the views of experimental materials， solvents and wastes， the paper discusses how to apply green chemistry concept in course teaching. It is hoped the paper will be helpful in teaching environmental chemistry experiments.
　　Keywords Green Chemistry; experimental teaching; environmental protection
　　1前言
　　1.1 綠色化学的产生
　　绿色化学又称为环境友好化学，是近二十年发展起来的新兴学科。它颠覆了“先污染，后治理”的理念，倡导从源头上预防污染的产生，实现零污染或零排放。[1]1984年和1989年美国环保局曾相继提出“废物最小化”和“污染预防”，这是“绿色化学”思想的初步形成阶段。1990年美国颁布了污染防止法案，第一次提出了“绿色化学”的概念。1996年，美国设立了“绿色化学挑战奖”，以表彰在绿色化学领域中做出杰出成就的企业和科学家。1999年，英国皇家化学会创办了第一份国际性杂志《Green chemistry》，标志着“绿色化学”的正式产生。[2]
　　1.2 绿色化学主要内容
　　绿色化学是在制造和应用化学产品时应有效的利用原料，最好使用可再生原料，消除废物和避免使用有毒的和危险的试剂和溶剂。[3]美国化学会曾提出绿色化学的12项原则：①防止污染优于污染治理;②提高原子经济性;③无害化学合成;④设计安全化学品;⑤采用安全的溶剂和助剂;⑥合理使用和节省能源;⑦使用可再生资源为原料;⑧减少衍生化步骤;⑨催化反应;⑩设计可降解产品;预防污染的现场实时分析;防止生产事故的安全工艺。[4]此12项原则首先提出提高原子经济性，即充分提高原子利用率，尽可能在原子利用率为100%的技术路线下进行有机合成反应，这是绿色化学的核心原则。其次，从绿色的原料、助剂、溶剂、催化剂以及产品等生产环节实现有机合成的绿色化过程。最后，实现有机合成过程中能源的绿色化。这12项原则包括了有机合成技术路线、生产环节和能源利用等各个环节，被认为是对绿色化学内容最全面的概括。
　　2 绿色化学理念指导“环境化学实验”教学的重要性
　　“环境化学”是研究化学物质在环境中作用（迁移、转化、降解规律）的一门学科。“环境化学实验”深化“环境化学”课程的基础知识，促进对环境化学领域研究前沿动态的理解，掌握研究环境化学问题的基本方法，提高学生对实验技能和对实验数据的分析能力，从而提高学生的科学素养。
　　以往我校的“环境化学实验”项目主要为一些验证型实验，侧重于培养学生的基本实验技能，几乎没有考虑环境保护的问题。因此，如何减少或消除对自然环境的污染，保护我们的生存环境，需引起我们广大师生的关注。从绿色化学理念出发，“环境化学实验”应该首先考虑是从经济和安全的角度来选择实验内容，从环境保护的角度设置实验项目，以实现实验内容、绿色和实验教学主客观相统一。[5]
　　3 绿色化学理念在“环境化学实验”教学中的应用
　　“环境化学实验”主要内容包括环境分析化学、环境污染化学和污染控制化学，所选取的具体实验内容也应围绕这三个领域展开。然而，围绕这三个领域，可供选择的实验内容非常多，那么，此时我们还需要考虑的一个重要的原则就是绿色化学理念，即如何在绿色环保的条件下设计“环境化学实验”的具体内容。
　　3.1 实验原料的绿色化
　　有关空气中污染物的评价分析有两个可选的实验内容：“环境空气中挥发性有机物的污染评价”和“室内空气中多环芳烃的污染分析”。这两个实验设计内容均具有代表性，但本着绿色化学的教学理念，我们仔细分析了实验中所需的实验原料情况，结果发现“环境空气中挥发性有机物的污染评价”的实验设计中用到了苯、甲苯、乙苯等一系列的芳香族化合物，而这些化合物具有很高的化学毒性，且气味难闻。“室内空气中多环芳烃的污染分析”的实验设计中只用到了种类极少的化学试剂，且毒性均不高，相对来说安全系数较前者高很多。如此一来，我们果断地选择了“室内空气中多环芳烃的污染分析”作为“环境化学实验”课程的设计内容，这便是将绿色化学理念渗透到学生的实验内容中的一个典型案例。
　　3.2 实验溶剂的绿色化
　　众所周知，塑料PC制品中可能残存一定量的双酚A，实验“塑料制品中双酚A的提取”是“环境化学实验”课程中一个重要实验，该实验的内容设计符合“环境化学”课程要求，且密切联系生活实际。双酚A在甲醇中的溶解度较高，而在水中的溶解度却较低。以前的实验设计为用100%甲醇对塑料中的双酚A进行提取，提取效果较佳，通过实验发现70%的甲醇/水溶液对塑料中双酚A的提取有相近的效果，即将实验中的提取剂改为70%的甲醇/水溶液。甲醇为常用的有机溶剂，具有一定的毒性和污染性，而水在绿色化学中被称为无毒无害的绿色溶剂。在该实验中将提取剂中30%的甲醇用水进行了替代，达到了提取效果，同时却大大减少了有机溶剂的使用，极大程度实现了该实验中绿色化学理念。 　　3.3 实验废液的绿色处理方法
　　“环境化学实验”涉及到多种化学试剂，包括无机物和有机物，这些化学试剂大部分都具有一定的毒性，如何適当处理这些实验后含有化学试剂的废液，减少对环境的污染是一个不容忽视的问题。针对实验常有的不同类型废液一般采用以下几种处理方法：（1）对酸碱废液的处理：当废液中含有一定量的H+和OH-时，采用酸碱中和的方法进行处理，调节其pH值在7左右，才可安全排放。（2）对重金属离子的处理：如实验室常用试剂铬离子的处理有多种方法，有离子交换法、生化处理法以及最为简单的硫酸亚铁还原法;对于含有铜、镍等离子的废液可采用沉淀法，即加入氢氧化钠或者氢氧化钙对废液进行沉淀处理，以达到排放的标准。（3）对有机物的处理：对于甲醇、乙醇、丙酮等小分子的物质可以采取蒸馏回收再利用;对于结构复杂的有机物可采用生物降解法等进行处理。最后，对于一些处理工艺复杂的废液，可采用浓缩的方法，尽量减小体积，密封保存，贴好标签，等待更为专业的相关部门前来处理，切忌将废液随意混合存储，以免造成危害。
　　3.4 开展半微量化实验
　　“萘在正辛醇——水中分配系数的测定”是“环境化学实验”中一个比较经典的实验，该实验中所用到的萘是一种致癌物质，具有一定的毒性，正辛醇虽然毒性较小，但具有很强的刺激性气味。在以往的实验设计中用到的检测仪器是紫外分光光度计，用到的试剂量较大。以每小组实验计算：包括标准曲线的绘制和样品的测定，每个标准样品和待测样品中均用到萘/正辛醇溶液1mL，一共约用到萘/正辛醇溶液8mL。如果我们在实验设计中将紫外分光光度计改为酶标仪，达到同样的实验效果的情况下，试剂用量将会大大减少。任然以每小组实验计算：可将原来1mL的萘/正辛醇溶液减少至100uL，这样一共只用到萘/正辛醇溶液800 uL，即总用量降至原来的十分之一。如此一来，大大减少了实验中试剂的用量，减少了有机物的污染，同时也减少了实验成本，很好的实现了该实验设计的绿色环保性。
　　3.5 开展化学仿真实验
　　“环境化学实验”中有部分实验内容不具备绿色化的条件，且实验内容十分复杂，实验结果的呈现不是十分的形象，这时我们可以考虑开展化学仿真实验。
　　4 小结
　　绿色化学理念是可持续发展观的重要内容，也是环境专业的学生应该具备的观念之一，它对保护环境有着非常重要的意义。 因此， 在实验教学过程中，教师必须积极探索绿色化模式，培养学生绿色化学理念，使他们在今后的工作或生活中能自觉地利用绿色化学的知识， 为环境保护工作做出应有的贡献。
　　参考文献
　　[1] 翟翠萍，刘学军，陈欣.高等学校绿色化学教学内容与教学方法的探讨[J].化工时刊，2015（5）：39-41.
　　[2] 高万寿.以绿色化学理念指导高校化学实验教学[J].教育探索，2010（6）：62-63.
　　[3] 王龙，叶斯培，杨键等.高等院校绿色化学教学改革研究与探索[J].广东化工，2016（22）.
　　[4] 闫立峰.绿色化学[M].中国科学技术大学出版社，2007：30.
　　[5] 张杰.对绿色化学教学的几点思考[J].广州化工，2015（10）：164-165.
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