大類招生背景下綠色化學(xué)實驗教學(xué)再探析

杜姣姣，楊國鑫，鄭阿群，朱 敏，楊 帆，白艷紅

(西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院化學(xué)實驗教學(xué)中心，陜西 西安 710049)

大學(xué)化學(xué)實驗是非化學(xué)專業(yè)學(xué)生認(rèn)識化學(xué)、掌握化學(xué)規(guī)律，進而培養(yǎng)科學(xué)研究精神及創(chuàng)新思維的一種有力手段[1]。隨著人們的環(huán)保意識、綠色發(fā)展理念不斷增強，作為高校實驗員，非常有必要以節(jié)約環(huán)保、控制污染的角度對大學(xué)化學(xué)實驗重新定位，遵循“從源頭上減少污染，過程中降低廢棄物的產(chǎn)生，化學(xué)垃圾分類回收處理”原則，積極提倡綠色化學(xué)的教學(xué)模式，在課堂教學(xué)中充分融入綠色化學(xué)理念，探索綠色實驗技術(shù)，減輕環(huán)境污染壓力，為生態(tài)文明建設(shè)貢獻自身的力量[2]。

1 大學(xué)化學(xué)實驗深化綠色教學(xué)的必要性

西安交通大學(xué)于2018年開啟了大類招生模式，按相同或相近的學(xué)科將本科專業(yè)合并為8大類專業(yè)，培養(yǎng)模式也向厚基礎(chǔ)、寬口徑、多學(xué)科交叉的人才培養(yǎng)模式轉(zhuǎn)變[3]。大學(xué)化學(xué)實驗作為交大的大面積基礎(chǔ)課程之一，主要是面向我校工科大類(能源與動力工程、機械工程、電氣工程、電信工程等)非化學(xué)專業(yè)學(xué)生開設(shè)的一門基礎(chǔ)實踐課程，通過該課程的學(xué)習(xí)，一方面可在有限的學(xué)時內(nèi)高效地掌握化學(xué)實驗的基礎(chǔ)知識和實踐技能，另一方面以適應(yīng)各個學(xué)科的相互滲透和交叉融合，培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識，提高科學(xué)探究及創(chuàng)新能力[4]。然而近年來，隨著學(xué)校的招生規(guī)模的擴大以及多元化實踐教學(xué)的發(fā)展，每年選修大學(xué)化學(xué)實驗的學(xué)生人數(shù)近2000人次，實驗學(xué)時多，盡管單次實驗的化學(xué)藥品耗量小，但是日積月累，試劑的消耗量和實驗室廢棄物量數(shù)據(jù)不可小覷，高?；瘜W(xué)實驗室可以說是一個小型污染源，對環(huán)境造成的影響必須要引起足夠的重視[5-6]，因此在大面積化學(xué)實驗過程中，潛移默化地滲透綠色化學(xué)思想、采用綠色化學(xué)理論方法設(shè)計實驗從源頭上控制污染、對化學(xué)實驗室的垃圾分類處理、豐富廢棄物回收與處理方式等舉措，在當(dāng)前實驗教學(xué)中顯得尤為重要。

2 大學(xué)化學(xué)實驗綠色化教學(xué)途徑

化學(xué)教學(xué)中會涉及到大量化學(xué)實驗，實驗過程中的廢棄物的排放會給環(huán)境帶來巨大的壓力，作為教育工作者以綠色化學(xué)的視角，從源頭上減少或消除環(huán)境污染，對現(xiàn)有的實驗項目進行重新審視和綜合分析，充分考慮試劑用量、裝置的改進、廢棄物的處理，在確保實驗教學(xué)效果的前提下，盡可能優(yōu)化實驗方案，使實驗過程中三廢排放量降到最低，最終實現(xiàn)實驗的綠色化。

2.1 綠色理念融入教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)環(huán)保意識

化學(xué)實驗室是訓(xùn)練學(xué)生基本操作技能、提高綜合能力的主要場所之一，將綠色化學(xué)觀念宣貫在實驗教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的節(jié)約、環(huán)保思維[7]。首先實驗課前，大多數(shù)學(xué)生沒有接受過實驗訓(xùn)練，操作技能相對薄弱，指導(dǎo)教師必須要求學(xué)生進行線上和線下預(yù)習(xí)以減少因不熟悉操作流程而出現(xiàn)重復(fù)實驗的現(xiàn)象，還應(yīng)要求學(xué)生了解常用試劑的性質(zhì)并引導(dǎo)學(xué)生積極思考實驗潛在的污染問題。在實驗操作中，教師要告知學(xué)生規(guī)范實驗，嚴(yán)格按照實驗用量操作，不能過量取用試劑，如滴定管的潤洗時，有些學(xué)生加入過量的標(biāo)準(zhǔn)溶液，造成了試劑的浪費，又如尾氣吸收液的用量一般為20～30 mL，一些學(xué)生做實驗時隨意加大試劑用量，違反了綠色化學(xué)規(guī)則。實驗結(jié)束后，教師還應(yīng)給學(xué)生介紹“三廢”直接排放對環(huán)境的危害以及常見化學(xué)實驗室垃圾分類處理方法。對初入實驗室的學(xué)生，往往綠色化學(xué)意識不足，因此教師在實驗教學(xué)中，靈活滲透綠色化學(xué)理念，幫助學(xué)生養(yǎng)成綠色實驗、節(jié)約資源的習(xí)慣[8]。

2.2 改進實驗裝置，實現(xiàn)實驗的綠色化

化學(xué)實驗會涉及到一些制備實驗，而在制備實驗中不可避免會釋放出一定量的有害物質(zhì)。通常情況下將反應(yīng)體系置于通風(fēng)櫥中進行，但并沒有對有害氣體進行凈化處理，還是會對環(huán)境造成污染，通過對現(xiàn)有實驗裝置進行改造并配有廢氣吸收裝置，除去有害氣體，減輕對師生健康帶來的危害，實現(xiàn)實驗的綠色化。

圖1 改進前實驗裝置

如硫酸亞鐵銨制備實驗中[9]，采用本校機加工產(chǎn)生的廢鐵屑為反應(yīng)物，與硫酸反應(yīng)的過程中，同時伴隨有刺激性有害氣體的放出，反應(yīng)雖置于通風(fēng)櫥中進行，但是這些刺鼻的有害氣體沒有經(jīng)過吸收處理，還是會充滿整個實驗室，給師生的健康和環(huán)境帶來嚴(yán)重影響，極其不符合綠色實驗的原則。對此我們對實驗裝置進行綠色化改造，將原來的敞口式實驗體系改進為配有尾氣吸收且密閉的實驗裝置如圖2所示，實驗過程產(chǎn)生的有害氣體被凈化鐵屑后的碳酸鈉溶液吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害物質(zhì)，不必重新配制堿性溶液吸收廢氣，循環(huán)利用試劑避免了試劑的浪費，極大改善了實驗室環(huán)境條件，還可提高學(xué)生的綠色環(huán)保意識。

圖2 改進后實驗裝置

2.3 推行微型實驗，控制環(huán)境污染

在學(xué)生操作技能得以訓(xùn)練的前提下，對部分實驗作微型化處理，其目標(biāo)是在化學(xué)實驗過程中采用盡量少的化學(xué)試劑，達到和傳統(tǒng)實驗等同的實驗效果，并且給環(huán)境帶來盡可能少的污染。在大力提倡資源節(jié)約、環(huán)境保護的大環(huán)境下，大面積化學(xué)實驗教學(xué)中，適當(dāng)引進微型化實驗，既可降低廢液的產(chǎn)出量以及廢液處理費用，又可節(jié)省實驗花費，還大大降低了廢棄物對環(huán)境的污染，微型化實驗的實行既可達到教學(xué)目標(biāo)，還對環(huán)境的損害降到最低，同時還構(gòu)建了學(xué)生的節(jié)約、環(huán)保、創(chuàng)新思維，滿足綠色實驗的要求。但是，并非所有實驗都可采用微量化，如涉及有顏色變化的實驗不適合微型化，若經(jīng)微量處理后無法精確捕捉顏色的細微變化，還有對于訓(xùn)練學(xué)生基本操作技能的實驗也不適合微型化處理。因此在實際教學(xué)開展過程中，根據(jù)實驗?zāi)康?、要求，適當(dāng)將傳統(tǒng)實驗和微型實驗相結(jié)合，取得更好的教學(xué)效果[10]。

如在進行化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)和活化能測定實驗中，藥品耗量大，實驗結(jié)束產(chǎn)生大量含碘廢液，造成碘資源嚴(yán)重浪費的同時給環(huán)境造成不小的污染。在具體教學(xué)過程中，我們通過多次實驗，將原有實驗試劑用量降低為常規(guī)的1/10，相應(yīng)的各反應(yīng)物的總用量也就減少了，大大降低了廢液的總體積，同時節(jié)約了實驗經(jīng)費。大面積實驗班級共60個，每班按32人計算，兩人一組，共計實驗組數(shù)960組，不考慮潤洗等情況，微型實驗與常規(guī)實驗藥品耗量及成本結(jié)果對比如表1所示。

表1 實驗改進前后試劑耗量、實驗成本的對比

由表1可看出，在保證實驗效果相同的前提下，則微型實驗廢液體積59.90 L，而常規(guī)實驗廢液量高達599.04 L，由此可見微型實驗的實施，實驗成本由原來的2686.07元降低為268.61元，同時實驗中產(chǎn)生的廢液的體積大幅度減少了，可顯著改善實驗室環(huán)境，充分實現(xiàn)了實驗的綠色化。

2.4 化學(xué)垃圾的分類處理，深化綠色環(huán)保意識

大學(xué)化學(xué)實驗室廢棄物種類較多，作為實驗指導(dǎo)教師，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生將化學(xué)垃圾分開存放、分類處理[11-13]。(1)固體廢棄物處理。實驗中的固體廢棄物要歸類存放到指定容器中。實驗中用過的金屬如鐵釘、銅絲等集中回收，后期經(jīng)處理后可繼續(xù)使用。另外，實驗室的破損玻璃制品，不能隨意丟進垃圾桶，應(yīng)置于專門集裝箱中，廢棄的鐵屑不能隨意丟進水槽內(nèi)，要統(tǒng)一回收，用過的濾紙、火柴梗等不能丟進水槽內(nèi)。(2)有害氣體處理。有腐蝕性氣體產(chǎn)生及有害氣體放出的實驗，整個實驗過程確保在通風(fēng)櫥中進行，并配有廢氣吸收裝置對有害氣體進行無害化處理，轉(zhuǎn)化為無害物后排放。(3)廢液的處理。化學(xué)實驗室的廢液量較大，對產(chǎn)生的廢液進行分門別類收集存放。實驗室配有酸、堿廢液桶，對于不含重金屬的酸堿廢液，則通過酸堿中和的方式，確保廢液的pH≈7再排放；而含有重金屬的廢液加入堿液，調(diào)節(jié)pH使重金屬離子形成沉淀，清夜可以直接排放，而殘留物統(tǒng)一進行處理。如含鉛廢液通常加入氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)溶液pH≈10，生成氫氧化鉛沉淀，再加入絮凝劑Al2(SO4)3，調(diào)節(jié)pH到7～8之間，等待反應(yīng)完全，過濾收集沉淀，沉淀集中處理。上清液沒有Pb2+離子檢出時方可排放。總之，實驗中產(chǎn)生的廢液不經(jīng)處理不能隨意排放，否則損害環(huán)境。

2.5 開展廢物回收處理實驗，踐行綠色觀念

在大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中，創(chuàng)造性的開展了化學(xué)實驗廢液的回收處理環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生將實驗后可回收廢液進行分類存放，利用實驗室開放時間，教師監(jiān)督學(xué)生進行實驗廢棄物回收處理的實驗，由學(xué)生自行設(shè)計方案，獨立操作，這樣既可鍛煉學(xué)生的自主探究能力，又可節(jié)約資源、減輕環(huán)境壓力[14]。如化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)和活化能測定實驗結(jié)束后，廢液中的過硫酸銨和碘化鉀的反應(yīng)并沒有停止，還有伴隨有碘單質(zhì)生成。如果含碘廢液不及時處理，不僅造成了碘的浪費，也會因碘的揮發(fā)對環(huán)境造成極大的影響。我們開設(shè)了“利用含碘廢液制備碘化鉀”的開放性實驗，設(shè)計實驗方案對含碘廢液進行了一系列無害化處理，最終變成了KI溶液，有效降低了碘對環(huán)境的污染，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。廢液回收處理實驗的開設(shè)，讓學(xué)生投身于廢液處理中來，及時對實驗廢液進行妥善處理，提高學(xué)生廢物回收利用的實驗?zāi)芰?，也是檢驗學(xué)生綠色化成果的重要措施，為后續(xù)實驗課程的綠色化打下基礎(chǔ)。

3 結(jié) 語

隨著學(xué)校實踐力度的不斷加大，化學(xué)試劑的使用量及實驗產(chǎn)生的廢棄物量大幅度增加，全面推行綠色化教學(xué)模式是實驗教學(xué)中的必然需求。在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中切實灌輸綠色化學(xué)思想，從不同角度去實現(xiàn)綠色實驗，指導(dǎo)學(xué)生探索實驗廢棄物的回收處理方法，鍛煉學(xué)生廢液回收再利用的實驗設(shè)計能力，不僅可培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的實驗習(xí)慣，也可激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生的環(huán)保責(zé)任感。