中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室廢棄化學(xué)品無害化處理的初步研究

曹葵 朱慧娟 馬欣瑞

摘要： 中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室廢液主要包括廢酸廢堿、重金屬離子、有機(jī)物、含鹵有機(jī)物等，其中大多數(shù)可以通過中和、氧化還原、沉淀、萃取等方法進(jìn)行處理，同時(shí)部分實(shí)驗(yàn)的有害物質(zhì)可以使用其他試劑進(jìn)行替代，一些變質(zhì)試劑則可以經(jīng)過簡單處理得到再利用，從而達(dá)到有效減少污染物排放、保護(hù)環(huán)境的目的。

關(guān)鍵詞： 中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室; 廢棄化學(xué)品; 實(shí)驗(yàn)安全; 無害化處理

文章編號(hào)： 10056629（2019）7007604中圖分類號(hào)： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中總會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的廢液，這些有毒有害化學(xué)廢液數(shù)量雖然不大，但在沒有經(jīng)過任何處理的情況下直接排入下水道，依然會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生有害影響。

在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，雖然已經(jīng)越來越重視實(shí)驗(yàn)安全，但實(shí)驗(yàn)室廢棄物處理依然沒有得到足夠的重視。已有研究提出了對(duì)中學(xué)常見的危險(xiǎn)化學(xué)品進(jìn)行合理使用及保存的注意事項(xiàng)，分析了中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室廢棄危化品產(chǎn)生的原因、特征及現(xiàn)狀，并提出“中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中存在一定的有害物質(zhì)，需要對(duì)化學(xué)廢棄物進(jìn)行規(guī)范處理”[1～3]，但沒有給出具體的規(guī)范化處理方法。同時(shí)，雖然有文獻(xiàn)指出針對(duì)中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室廢水處理的一些方法，但在實(shí)際教學(xué)中，化學(xué)實(shí)驗(yàn)廢棄物的處理操作復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)完全回收。

為了防止環(huán)境污染，對(duì)學(xué)生進(jìn)行環(huán)境保護(hù)教育，非常有必要對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的廢液進(jìn)行基本的無害化處理的介紹。中學(xué)階段常見的有害廢棄物主要分為有機(jī)廢棄物、無機(jī)酸堿和無機(jī)重金屬離子，應(yīng)進(jìn)行分類處理。筆者通過實(shí)際工作研究，總結(jié)了一些有益的經(jīng)驗(yàn)，以下基本按照教材實(shí)驗(yàn)順序進(jìn)行討論。

1 常用廢液處理

中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的廢液主要是因教學(xué)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生，每一時(shí)間段主要有害物質(zhì)成分相對(duì)單一。因此，只要即時(shí)回收，隨時(shí)處理，處理程序依然比較簡單。

1.1 高錳酸鉀制氧殘?jiān)奶幚?/p>

高錳酸鉀是中學(xué)經(jīng)常使用的試劑，在進(jìn)行SO2、乙烯、乙炔性質(zhì)等教學(xué)時(shí)都會(huì)使用，其中初中階段使用高錳酸鉀制氧氣用量最大，殘?jiān)鼟仐壓蟛粌H污染環(huán)境還浪費(fèi)其中有效物質(zhì)。

制備氧氣后的殘?jiān)校饕煞质荎2MnO4和MnO2， KMnO4因分解溫度不同還可能有另一個(gè)產(chǎn)物K2Mn2O[4]5，但產(chǎn)物性質(zhì)均不穩(wěn)定，在酸性條件下可以發(fā)生歧化反應(yīng)：

3K2MnO4+2H2SO42KMnO4+MnO2+2K2SO4+2H2O。

殘?jiān)幚矸椒?： 將制氧殘?jiān)孟×蛩峤荩涂梢缘玫終MnO4稀溶液和MnO2， KMnO4稀溶液可以用于相關(guān)的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)或者加以保存用于有機(jī)廢液處理，MnO2可以用于催化劑、制取氯氣等實(shí)驗(yàn)。

殘?jiān)幚矸椒?： 高錳酸鉀制氧氣剩余物可以與濃鹽酸反應(yīng)，按照物質(zhì)的量之比為1∶8和鹽酸反應(yīng)制取氯氣、氯水，原理如下：

K2MnO4+8HCl（濃）

2KCl+MnCl2+2Cl2↑+4H2O。

所得固體過濾曬干可以作為純MnO2用，溶液可抽濾得MnCl2可代替MnSO4用。

1.2 一般廢酸的處理

二氧化碳制取與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)中會(huì)產(chǎn)生大量的廢鹽酸，即使這些酸已經(jīng)不能和碳酸鈣發(fā)生反應(yīng)，但是其依然具有較強(qiáng)的酸性，排入下水道還是會(huì)造成環(huán)境污染。

將廢液回收，加入氫氧化鈉溶液，將廢液調(diào)節(jié)pH至6～8之間，此時(shí)會(huì)有大量的白色氫氧化鈣產(chǎn)生，上層清液即可排放。下層的氫氧化鈣可以回收利用，不利用則可以當(dāng)作一般垃圾處理。

中學(xué)階段最主要的廢液來源就是酸和堿，即硫酸、鹽酸、硝酸、醋酸和氫氧化鈉。除了初中的二氧化碳?xì)怏w制取外，高中的中和熱測(cè)定、中和滴定、乙酸乙酯制取等都有一定量的廢酸產(chǎn)生。對(duì)于一般酸堿的處理比較簡單，如果廢酸或廢堿中沒有其他有害物質(zhì)，使用稀鹽酸或者氫氧化鈉溶液，將廢液調(diào)節(jié)pH至6～8之間即可達(dá)到處理要求。

1.3 無機(jī)重金屬離子處理

初中階段在金屬的物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)、酸堿的化學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)、以及高中階段鐵及其化合物、化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能、電鍍等實(shí)驗(yàn)中會(huì)產(chǎn)生含有Cu2+、 Ag+、 Ba2+等的廢液，這些重金屬離子均有一定的毒性，不能直接從下水道排放，應(yīng)進(jìn)行簡單的無害化處理，達(dá)到國家3級(jí)水質(zhì)后才可以排放。

1.3.1 含Ag+廢液處理

中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用Ag+主要是離子鑒別和銀鏡反應(yīng)。廢液收集后，加熱，逐滴加入氯化鈉溶液。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中實(shí)際使用的AgNO3用量，估算出需要使用的氯化鈉溶液用量，按照過量一倍的用量加入。充分?jǐn)嚢?，而后停止加熱，靜置一段時(shí)間，待液體上層出現(xiàn)一層2～3mm高的清液時(shí)，用滴管沿?zé)诰従彽蜗乱坏纬恋韯?。沉淀劑進(jìn)入液體時(shí)，如果產(chǎn)生新的沉淀就說明沉淀不完全，如果觀察到濃溶液擴(kuò)散的水紋，就說明沉淀已經(jīng)完全（見圖1）。

Ba2+主要用于SO2-4的鑒別，如果溶液中含有Ba2+，則加入Na2SO4溶液，實(shí)驗(yàn)方法同上。

1.3.2 Cu2+廢液處理

Cu2+在中學(xué)教材中出現(xiàn)多次，如置換反應(yīng)、乙炔制備除雜、乙醛性質(zhì)、丁達(dá)爾效應(yīng)、電解電鍍等處，是中學(xué)階段使用量最大的重金屬離子。Cu2+相對(duì)而言在重金屬中毒性較小。

處理時(shí)首先加入NaOH溶液，將溶液pH調(diào)節(jié)到8～10，使Cu2+沉淀，注意不能堿性過強(qiáng)，如果堿性過強(qiáng)，Cu2+沉淀會(huì)再次溶解。再加入硫酸亞鐵、聚合硫酸鐵或聚丙烯酰胺等絮凝劑，加速沉淀物沉淀。

使用該方法可以將絕大多數(shù)中學(xué)常見金屬沉淀下來，因此如果確定廢液中沒有毒性很大的物質(zhì)，均可以采用該方法進(jìn)行統(tǒng)一處理。

1.3.3 Cr（Ⅵ）廢液處理

Cr（Ⅵ）廢液主要來源于高中化學(xué)平衡和乙醇的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，Cr（Ⅵ）的毒性較強(qiáng)，而Cr（Ⅲ）的毒性比較弱，因此必須將Cr（Ⅵ）轉(zhuǎn)化為Cr（Ⅲ）。Cr（Ⅵ）具有氧化性，在溶液中加入足夠的還原劑就可以達(dá)到處理效果[5]。

方法一： 在含有Cr（Ⅵ）溶液中加入少量硫酸，使其保持一定的酸性，在pH=4～5左右，加入Na2S2O3溶液或Na2SO3溶液，將其還原為Cr（Ⅲ），此時(shí)溶液為綠色。再用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)到弱堿性，Cr（Ⅲ）轉(zhuǎn)化為Cr（OH）3，靜置，等待Cr（OH）3沉淀下來。此方法需要注意的是，處理過程中必須保證pH符合要求，第一步若酸度不夠，則氧化還原反應(yīng)進(jìn)行得非常慢，若第二步堿性不夠沉淀不能形成，堿性過強(qiáng)則Cr（OH）3溶解成為可溶性的配位化合物[6]。

通常，在實(shí)驗(yàn)中的重金屬不是只有單一的一種，往往是含有多種金屬離子，如果要將其分離后再處理存在一定難度，且成本過高、費(fèi)時(shí)較多，如果這些金屬離子中沒有毒性較大的離子，可以將其進(jìn)行統(tǒng)一一次性處理，其步驟如下：

先調(diào)節(jié)其pH至8～10后，此時(shí)大部分重金屬都會(huì)發(fā)生水解，形成不溶于水的沉淀，再加入硫化鈉，與重金屬反應(yīng)生成低毒性、更難溶的硫化物沉淀，然后加入一定量的硫酸亞鐵或聚合硫酸鐵、聚丙烯酰胺等其他絮凝劑使其加速沉淀，過濾，濾液經(jīng)活性炭吸附后排放。

1.4 常見有機(jī)廢液的處理

1.4.1 四氯化碳的回收處理

（1） 碘化鉀反萃法

在實(shí)驗(yàn)后含碘的四氯化碳溶液中加入碘化鉀溶液，利用碘更易溶于碘化鉀的特點(diǎn)，可以將碘完全溶解到碘化鉀溶液中，四氯化碳層立即變?yōu)闊o色，因?yàn)榈庠诘饣浿械娜芙舛让黠@高于在四氯化碳中的溶解度。該方法得到的含碘化鉀的碘水不能再次用于萃取實(shí)驗(yàn)，但可以作為碘水用于其他實(shí)驗(yàn)。

（2） 氧還處理法

實(shí)驗(yàn)中將碘和四氯化碳都能重復(fù)使用是最理想的，但是在實(shí)際操作中優(yōu)先處理回收四氯化碳是一個(gè)比較便捷的選擇。

由于碘具有氧化性，可以使用還原性試劑將其還原為碘離子，從而使得四氯化碳重復(fù)使用。用Na2S2O3和Na2SO3最為便捷有效。反應(yīng)原理分別為：

處理時(shí)只需要提前配好亞硫酸鈉溶液或者硫代硫酸鈉溶液，放入回收瓶中，將含有四氯化碳的廢液倒入回收瓶中，僅需要輕微振蕩，就可以將原溶液中的碘完全還原生成碘負(fù)離子。

硫代硫酸鈉溶液中應(yīng)加入少量的酸，才能得到較好的效果，否則反應(yīng)比較緩慢。但是不能太多，太多的酸會(huì)和硫代硫酸鈉起反應(yīng)，影響效果。這樣，利用課余時(shí)間教師使用分液漏斗就可以將處理好的四氯化碳回收，用于后續(xù)教學(xué)使用。

注意不能使用蒸餾方法分離四氯化碳和碘[7]。如果僅僅使用氫氧化鈉溶液處理，應(yīng)注意需要再次使用蒸餾水洗滌四氯化碳，以免四氯化碳中殘存的堿在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中與碘反應(yīng)，影響實(shí)驗(yàn)效果。

1.4.2 一般有機(jī)廢液的處理

中學(xué)階段常用的有機(jī)廢液主要是芳香烴、醇、醛、酸、酯、酚，其中芳香烴、醛、酚具有一定毒性，不能直接排放。

實(shí)驗(yàn)后含有醛、酚的有機(jī)物廢液收集后，可以倒入高錳酸鉀溶液（可以使用高錳酸鉀制氧回收處理得到的錳酸鉀溶液，也可以直接使用錳酸鉀廢渣），為了加快反應(yīng)，再加入少量的硫酸，直到加入高錳酸鉀后廢液能保持一定時(shí)間的粉紅色，就表示廢液中的有機(jī)物已經(jīng)得到處理。

該方法處理芳香烴的能力有限，反應(yīng)速率非常緩慢。

2 有害物質(zhì)替代研究

中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中需要使用到很多危險(xiǎn)化學(xué)品，其中危化品52種，屬于有毒易爆的就有23種，在不影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的前提下，盡量減少有毒有害物品的使用是一個(gè)必然的趨勢(shì)。還有，微型化減量是一個(gè)重要的發(fā)展方向，但必須使用這些?；罚M量用其他試劑替代這些?；穼⑹橇硪粋€(gè)重要的發(fā)展方向。

化學(xué)反應(yīng)的熱量變化在化學(xué)教學(xué)中有著舉足輕重的作用，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通常使用氫氧化鋇和氯化銨反應(yīng)來完成。但該實(shí)驗(yàn)存在的問題是原料氫氧化鋇毒性較低，而產(chǎn)物氯化鋇具有較高毒性，因此有必要將其進(jìn)行替換。

要達(dá)到良好的降溫效果，就要選擇有結(jié)晶水的鹽和銨鹽反應(yīng)，利用失去結(jié)晶水吸熱、銨鹽溶解吸熱以及兩種物質(zhì)反應(yīng)也是吸熱的三重吸熱效應(yīng)，才能達(dá)到良好的實(shí)驗(yàn)效果。

使用Na2CO3·10H2O和NH4Cl反應(yīng)，按照質(zhì)量比為3∶2進(jìn)行反應(yīng)，可以降溫到0℃以下并且持續(xù)時(shí)間較長。該方法不再使用Ba（OH）2，避免了產(chǎn)生有毒物質(zhì)，保護(hù)環(huán)境。

苯是中學(xué)化學(xué)教學(xué)中毒性較大的試劑，主要在對(duì)比苯和甲苯性質(zhì)時(shí)使用。教學(xué)中可以使用無毒的戊烷、石油醚、乙酸乙酯進(jìn)行替代，可以達(dá)到同樣的實(shí)驗(yàn)效果。

3 變質(zhì)試劑簡單處理再利用

化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中總有一些化學(xué)試劑不能當(dāng)年用完，而中學(xué)化學(xué)教學(xué)的特點(diǎn)是一年只使用一次。第二年再使用時(shí)，有的化學(xué)試劑就已經(jīng)變質(zhì)不能使用，大多數(shù)情況就只能拋棄，既浪費(fèi)又污染環(huán)境。因此，有條件時(shí)，應(yīng)盡量將這些化學(xué)試劑進(jìn)行處理后再利用。

3.1 變質(zhì)苯酚的處理利用

苯酚是中學(xué)化學(xué)常用試劑，但是其化學(xué)性質(zhì)活潑，非常容易變質(zhì)，存放一段時(shí)間后因苯酚氧化變?yōu)楸锦蜁?huì)變紅，最終變?yōu)楹稚?/p>

當(dāng)苯酚出現(xiàn)紅色后，就影響到教學(xué)效果，實(shí)驗(yàn)室中可以使用約為苯酚體積二分之一的乙醇洗滌浸泡苯酚，而后將乙醇倒出，洗滌后的苯酚就變回白色，可以正常使用。處理時(shí)注意乙醇用量需要適中，太多就會(huì)將苯酚溶解，造成損失，而用量過少則處理效果不好。用量還需要根據(jù)苯酚變質(zhì)情況確定，如果變色嚴(yán)重就需要適當(dāng)增加乙醇用量，而變色不嚴(yán)重就需要減少乙醇用量。

處理用的乙醇可以使用工業(yè)乙醇，處理后不能再作為燃料使用，可將其放在通風(fēng)櫥內(nèi)點(diǎn)燃處理。有時(shí)因溶解苯酚后不易點(diǎn)燃，可以放入一個(gè)火柴頭作為燈芯，就可以很方便地點(diǎn)燃。

3.2 變質(zhì)溴乙烷的處理

溴乙烷在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中僅僅在講解氯代烴性質(zhì)時(shí)使用一次，并且用量很少，試劑瓶中的溴乙烷需要保存到第二年繼續(xù)使用，但使用時(shí)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)藥品因氧化變質(zhì)發(fā)黃的現(xiàn)象。

使用時(shí)將變質(zhì)發(fā)黃的溴乙烷倒入分液漏斗中，再加入蒸餾水，振蕩，靜置分液，即可得到潔凈的溴乙烷。

3.3 變質(zhì)乙醛的處理再利用

乙醛主要用于乙醛的相關(guān)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室中使用的市售乙醛都會(huì)有意添加三聚乙醛層來防止乙醛的揮發(fā)，并且隨著放置時(shí)間延長，乙醛還會(huì)自己聚合，這樣三聚乙醛層會(huì)越來越厚。但是這些三聚乙醛在實(shí)驗(yàn)中沒有任何用處，一般都當(dāng)作廢液直接處理掉，造成浪費(fèi)，更為嚴(yán)重的是未經(jīng)回收，直接排放到下水道中，污染環(huán)境。

使用10%的硫酸和三聚乙醛按照體積比1∶5～1∶10混合，在60℃水浴加熱條件，回流10min，解聚效果良好，解聚得到的乙醛可以完成乙醛的有關(guān)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)。需要注意的是解聚后得到的乙醛顯酸性，需要調(diào)節(jié)到中性后再用于有關(guān)的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)。

當(dāng)然，在中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，化學(xué)廢棄物最好的處理方法是送至專業(yè)部門進(jìn)行規(guī)范化處理，這是最安全可靠的化學(xué)廢棄物處理方式，但送至專業(yè)部門通常有處理周期長、不及時(shí)的缺點(diǎn)。所以在保障安全的前提下，中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的絕大多數(shù)化學(xué)試劑都可以自己進(jìn)行無害化處理，大多數(shù)常見變質(zhì)試劑可以自己進(jìn)行處理再利用，減少污染物的排放。藥品管理水平和廢液的處理，是衡量學(xué)校教學(xué)和管理水平高低的一個(gè)重要標(biāo)志[8]。建立綜合利用與廢液回收利用的試劑管控模式，減少資源浪費(fèi)，保護(hù)環(huán)境，也是貫徹學(xué)科基本素養(yǎng)目標(biāo)的一個(gè)有效過程。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝家艷. 中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的安全與管理[J]. 中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備， 2015， 25（5）： 42～43.

[2]包桂玲. 中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的污染對(duì)人體的危害及防治對(duì)策[J]. 內(nèi)蒙古石油化工， 2004， 30（5）： 45～48.

[3]潘國榮， 劉芬， 白顯圣. 中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室危險(xiǎn)化學(xué)品的使用與保管[J]. 中國現(xiàn)代教育裝備， 2016， （24）： 9～12.

[4]嚴(yán)宣申. 化學(xué)原理選講[M]. ?？冢?南方出版社， 2001： 58.

[5]陳壽椿. 重要無機(jī)化學(xué)反應(yīng)（第二版）[M]. 上海： 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社， 1982： 915， 1016.

[6]胡濤， 李亞云. 含鉻廢水的治理研究[J]. 污染防治技術(shù)， 2005， 18（4）： 5.

[7]熊美容. 不能用蒸餾的方法分離碘和四氯化碳[J]. 化學(xué)教育， 2009， （7）： 72.

[8]劉蘭， 林博. 高校石油化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)試劑綜合利用與探索[J]. 廣東化工， 2015， （21）： 202， 195.