綠色化學(xué)理念在“環(huán)境化學(xué)實驗”教學(xué)中的應(yīng)用探討

肖玲 朱亮亮

摘 要 “環(huán)境化學(xué)實驗”是環(huán)境專業(yè)一門重要的實驗課程，但本課程往往會導(dǎo)致一定的環(huán)境污染問題。本文主要從實驗原料、溶劑和廢液等角度探討了綠色化學(xué)理念在實驗教學(xué)中的應(yīng)用情況，以期能對“環(huán)境化學(xué)實驗”教學(xué)提供一定的指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 綠色化學(xué) 實驗教學(xué) 環(huán)境保護

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 綠色化學(xué)的產(chǎn)生

綠色化學(xué)又稱為環(huán)境友好化學(xué)，是近二十年發(fā)展起來的新興學(xué)科。它顛覆了“先污染，后治理”的理念，倡導(dǎo)從源頭上預(yù)防污染的產(chǎn)生，實現(xiàn)零污染或零排放。[1]1984年和1989年美國環(huán)保局曾相繼提出“廢物最小化”和“污染預(yù)防”，這是“綠色化學(xué)”思想的初步形成階段。1990年美國頒布了污染防止法案，第一次提出了“綠色化學(xué)”的概念。1996年，美國設(shè)立了“綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎”，以表彰在綠色化學(xué)領(lǐng)域中做出杰出成就的企業(yè)和科學(xué)家。1999年，英國皇家化學(xué)會創(chuàng)辦了第一份國際性雜志《Green chemistry》，標志著“綠色化學(xué)”的正式產(chǎn)生。[2]

1.2 綠色化學(xué)主要內(nèi)容

綠色化學(xué)是在制造和應(yīng)用化學(xué)產(chǎn)品時應(yīng)有效的利用原料，最好使用可再生原料，消除廢物和避免使用有毒的和危險的試劑和溶劑。[3]美國化學(xué)會曾提出綠色化學(xué)的12項原則：①防止污染優(yōu)于污染治理;②提高原子經(jīng)濟性;③無害化學(xué)合成;④設(shè)計安全化學(xué)品;⑤采用安全的溶劑和助劑;⑥合理使用和節(jié)省能源;⑦使用可再生資源為原料;⑧減少衍生化步驟;⑨催化反應(yīng);⑩設(shè)計可降解產(chǎn)品;預(yù)防污染的現(xiàn)場實時分析;防止生產(chǎn)事故的安全工藝。[4]此12項原則首先提出提高原子經(jīng)濟性，即充分提高原子利用率，盡可能在原子利用率為100%的技術(shù)路線下進行有機合成反應(yīng)，這是綠色化學(xué)的核心原則。其次，從綠色的原料、助劑、溶劑、催化劑以及產(chǎn)品等生產(chǎn)環(huán)節(jié)實現(xiàn)有機合成的綠色化過程。最后，實現(xiàn)有機合成過程中能源的綠色化。這12項原則包括了有機合成技術(shù)路線、生產(chǎn)環(huán)節(jié)和能源利用等各個環(huán)節(jié)，被認為是對綠色化學(xué)內(nèi)容最全面的概括。

2 綠色化學(xué)理念指導(dǎo)“環(huán)境化學(xué)實驗”教學(xué)的重要性

“環(huán)境化學(xué)”是研究化學(xué)物質(zhì)在環(huán)境中作用（遷移、轉(zhuǎn)化、降解規(guī)律）的一門學(xué)科?！碍h(huán)境化學(xué)實驗”深化“環(huán)境化學(xué)”課程的基礎(chǔ)知識，促進對環(huán)境化學(xué)領(lǐng)域研究前沿動態(tài)的理解，掌握研究環(huán)境化學(xué)問題的基本方法，提高學(xué)生對實驗技能和對實驗數(shù)據(jù)的分析能力，從而提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

以往我校的“環(huán)境化學(xué)實驗”項目主要為一些驗證型實驗，側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生的基本實驗技能，幾乎沒有考慮環(huán)境保護的問題。因此，如何減少或消除對自然環(huán)境的污染，保護我們的生存環(huán)境，需引起我們廣大師生的關(guān)注。從綠色化學(xué)理念出發(fā)，“環(huán)境化學(xué)實驗”應(yīng)該首先考慮是從經(jīng)濟和安全的角度來選擇實驗內(nèi)容，從環(huán)境保護的角度設(shè)置實驗項目，以實現(xiàn)實驗內(nèi)容、綠色和實驗教學(xué)主客觀相統(tǒng)一。[5]

3 綠色化學(xué)理念在“環(huán)境化學(xué)實驗”教學(xué)中的應(yīng)用

“環(huán)境化學(xué)實驗”主要內(nèi)容包括環(huán)境分析化學(xué)、環(huán)境污染化學(xué)和污染控制化學(xué)，所選取的具體實驗內(nèi)容也應(yīng)圍繞這三個領(lǐng)域展開。然而，圍繞這三個領(lǐng)域，可供選擇的實驗內(nèi)容非常多，那么，此時我們還需要考慮的一個重要的原則就是綠色化學(xué)理念，即如何在綠色環(huán)保的條件下設(shè)計“環(huán)境化學(xué)實驗”的具體內(nèi)容。

3.1 實驗原料的綠色化

有關(guān)空氣中污染物的評價分析有兩個可選的實驗內(nèi)容：“環(huán)境空氣中揮發(fā)性有機物的污染評價”和“室內(nèi)空氣中多環(huán)芳烴的污染分析”。這兩個實驗設(shè)計內(nèi)容均具有代表性，但本著綠色化學(xué)的教學(xué)理念，我們仔細分析了實驗中所需的實驗原料情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)“環(huán)境空氣中揮發(fā)性有機物的污染評價”的實驗設(shè)計中用到了苯、甲苯、乙苯等一系列的芳香族化合物，而這些化合物具有很高的化學(xué)毒性，且氣味難聞?！笆覂?nèi)空氣中多環(huán)芳烴的污染分析”的實驗設(shè)計中只用到了種類極少的化學(xué)試劑，且毒性均不高，相對來說安全系數(shù)較前者高很多。如此一來，我們果斷地選擇了“室內(nèi)空氣中多環(huán)芳烴的污染分析”作為“環(huán)境化學(xué)實驗”課程的設(shè)計內(nèi)容，這便是將綠色化學(xué)理念滲透到學(xué)生的實驗內(nèi)容中的一個典型案例。

3.2 實驗溶劑的綠色化

眾所周知，塑料PC制品中可能殘存一定量的雙酚A，實驗“塑料制品中雙酚A的提取”是“環(huán)境化學(xué)實驗”課程中一個重要實驗，該實驗的內(nèi)容設(shè)計符合“環(huán)境化學(xué)”課程要求，且密切聯(lián)系生活實際。雙酚A在甲醇中的溶解度較高，而在水中的溶解度卻較低。以前的實驗設(shè)計為用100%甲醇對塑料中的雙酚A進行提取，提取效果較佳，通過實驗發(fā)現(xiàn)70%的甲醇/水溶液對塑料中雙酚A的提取有相近的效果，即將實驗中的提取劑改為70%的甲醇/水溶液。甲醇為常用的有機溶劑，具有一定的毒性和污染性，而水在綠色化學(xué)中被稱為無毒無害的綠色溶劑。在該實驗中將提取劑中30%的甲醇用水進行了替代，達到了提取效果，同時卻大大減少了有機溶劑的使用，極大程度實現(xiàn)了該實驗中綠色化學(xué)理念。

3.3 實驗廢液的綠色處理方法

“環(huán)境化學(xué)實驗”涉及到多種化學(xué)試劑，包括無機物和有機物，這些化學(xué)試劑大部分都具有一定的毒性，如何適當處理這些實驗后含有化學(xué)試劑的廢液，減少對環(huán)境的污染是一個不容忽視的問題。針對實驗常有的不同類型廢液一般采用以下幾種處理方法：（1）對酸堿廢液的處理：當廢液中含有一定量的H+和OH-時，采用酸堿中和的方法進行處理，調(diào)節(jié)其pH值在7左右，才可安全排放。（2）對重金屬離子的處理：如實驗室常用試劑鉻離子的處理有多種方法，有離子交換法、生化處理法以及最為簡單的硫酸亞鐵還原法;對于含有銅、鎳等離子的廢液可采用沉淀法，即加入氫氧化鈉或者氫氧化鈣對廢液進行沉淀處理，以達到排放的標準。（3）對有機物的處理：對于甲醇、乙醇、丙酮等小分子的物質(zhì)可以采取蒸餾回收再利用;對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的有機物可采用生物降解法等進行處理。最后，對于一些處理工藝復(fù)雜的廢液，可采用濃縮的方法，盡量減小體積，密封保存，貼好標簽，等待更為專業(yè)的相關(guān)部門前來處理，切忌將廢液隨意混合存儲，以免造成危害。

3.4 開展半微量化實驗

“萘在正辛醇——水中分配系數(shù)的測定”是“環(huán)境化學(xué)實驗”中一個比較經(jīng)典的實驗，該實驗中所用到的萘是一種致癌物質(zhì)，具有一定的毒性，正辛醇雖然毒性較小，但具有很強的刺激性氣味。在以往的實驗設(shè)計中用到的檢測儀器是紫外分光光度計，用到的試劑量較大。以每小組實驗計算：包括標準曲線的繪制和樣品的測定，每個標準樣品和待測樣品中均用到萘/正辛醇溶液1mL，一共約用到萘/正辛醇溶液8mL。如果我們在實驗設(shè)計中將紫外分光光度計改為酶標儀，達到同樣的實驗效果的情況下，試劑用量將會大大減少。任然以每小組實驗計算：可將原來1mL的萘/正辛醇溶液減少至100uL，這樣一共只用到萘/正辛醇溶液800 uL，即總用量降至原來的十分之一。如此一來，大大減少了實驗中試劑的用量，減少了有機物的污染，同時也減少了實驗成本，很好的實現(xiàn)了該實驗設(shè)計的綠色環(huán)保性。

3.5 開展化學(xué)仿真實驗

“環(huán)境化學(xué)實驗”中有部分實驗內(nèi)容不具備綠色化的條件，且實驗內(nèi)容十分復(fù)雜，實驗結(jié)果的呈現(xiàn)不是十分的形象，這時我們可以考慮開展化學(xué)仿真實驗。

4 小結(jié)

綠色化學(xué)理念是可持續(xù)發(fā)展觀的重要內(nèi)容，也是環(huán)境專業(yè)的學(xué)生應(yīng)該具備的觀念之一，它對保護環(huán)境有著非常重要的意義。 因此， 在實驗教學(xué)過程中，教師必須積極探索綠色化模式，培養(yǎng)學(xué)生綠色化學(xué)理念，使他們在今后的工作或生活中能自覺地利用綠色化學(xué)的知識， 為環(huán)境保護工作做出應(yīng)有的貢獻。

參考文獻

[1] 翟翠萍，劉學(xué)軍，陳欣.高等學(xué)校綠色化學(xué)教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法的探討[J].化工時刊，2015（5）：39-41.

[2] 高萬壽.以綠色化學(xué)理念指導(dǎo)高校化學(xué)實驗教學(xué)[J].教育探索，2010（6）：62-63.

[3] 王龍，葉斯培，楊鍵等.高等院校綠色化學(xué)教學(xué)改革研究與探索[J].廣東化工，2016（22）.

[4] 閆立峰.綠色化學(xué)[M].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2007：30.

[5] 張杰.對綠色化學(xué)教學(xué)的幾點思考[J].廣州化工，2015（10）：164-165.