基于5R原則的高校有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)“綠色”化改革

南米娜，強(qiáng) 垚

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，蘭州 730070；2.長(zhǎng)春理工大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012)

隨著高校實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的增加，實(shí)驗(yàn)室排放的“三廢”對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題越來(lái)越引起社會(huì)的關(guān)注[1]。2018年教育部、國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局針對(duì)加強(qiáng)高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)室排污管理，嚴(yán)格要求各地高校規(guī)范實(shí)驗(yàn)室排污，減少實(shí)驗(yàn)室廢物排放，降低環(huán)境危害，保障公共安全。綠色化學(xué)的概念源自于上世紀(jì)90年代的美國(guó)環(huán)保局，其核心內(nèi)容為“5R”原則，包括減量（Reduce）、重復(fù)使用（Reuse）、回收（Recycling）、再生（Regeneration）和拒用（Rejection）[2]，旨在采用科學(xué)的方法，在減少或消除環(huán)境污染的同時(shí)維持經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

化學(xué)的基石是實(shí)踐，化學(xué)實(shí)驗(yàn)作為理論課程的重要延伸和補(bǔ)充，是環(huán)境、農(nóng)學(xué)、林學(xué)、動(dòng)物醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)等綜合性大學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)必修課，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能具有重要作用[3]。無(wú)機(jī)、有機(jī)和分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)是這些專(zhuān)業(yè)主要的化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，這三門(mén)實(shí)驗(yàn)課程都會(huì)產(chǎn)生大量的廢氣、廢液及固體廢棄物。其中，無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)主要以性質(zhì)實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所需試劑用量遠(yuǎn)小于其他化學(xué)實(shí)驗(yàn)，從而降低了該課程“三廢”的產(chǎn)生量。分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)主要廢棄物為廢液，但實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)酸堿中和，氧化還原滴定等操作，廢液的危害程度大大降低。然而，有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)由于其特殊的實(shí)驗(yàn)性質(zhì)和要求，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及大量揮發(fā)性、易燃、易爆及易制毒試劑的使用，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣、廢液及固體廢棄物的量與危害程度明顯高于無(wú)機(jī)和分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)[4]。如何既能保證教學(xué)質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)效果，又能降低環(huán)境污染是有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程面臨的主要問(wèn)題。因此，作者根據(jù)綠色化學(xué)的“5R”原則和有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的課程實(shí)際，對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行改革，將綠色化學(xué)理念落實(shí)到實(shí)踐教學(xué)的全過(guò)程。

1 有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀

綜合性大學(xué)專(zhuān)業(yè)涵蓋面廣，除化學(xué)專(zhuān)業(yè)外，有機(jī)化學(xué)同樣是農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、生物等專(zhuān)業(yè)的必修課程。有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)可以有效培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，訓(xùn)練學(xué)生的基本操作，建立初步的實(shí)驗(yàn)理念。綜合性大學(xué)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)具有學(xué)生基數(shù)大、專(zhuān)業(yè)多、覆蓋面廣等特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)中所用的試劑和產(chǎn)生的廢棄物數(shù)量較大，存在一定的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)是一所以農(nóng)科類(lèi)專(zhuān)業(yè)為主的綜合性大學(xué)，每年農(nóng)學(xué)、植物保護(hù)、動(dòng)物醫(yī)學(xué)、食品科學(xué)、公共衛(wèi)生、生態(tài)、草業(yè)、園藝等18個(gè)專(zhuān)業(yè)1800多名學(xué)生需要上有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課，實(shí)驗(yàn)中所用的儀器、試劑和產(chǎn)生的“三廢”的量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)預(yù)期。其中僅“菠菜色素的提取與分離”實(shí)驗(yàn)，每學(xué)期石油醚消耗量近70 L，無(wú)水乙醇80 L，丙酮10L，正丁醇10L；“乙酰苯胺的制備”實(shí)驗(yàn)最終可收集到學(xué)生制備的粗乙酰苯胺約5 kg。甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)科專(zhuān)業(yè)《基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)》有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)部分共開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目7個(gè)，教學(xué)時(shí)長(zhǎng)為14周，如果按照10年計(jì)，累計(jì)使用的試劑和產(chǎn)生的“三廢”量是非常驚人的。此外，個(gè)別學(xué)生為了提高產(chǎn)率，擅自增加反應(yīng)物用量；部分學(xué)生因?qū)嶒?yàn)操作失誤，多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，以上情況無(wú)形中進(jìn)一步加大了實(shí)驗(yàn)試劑的消耗，增大了有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)廢棄物的產(chǎn)生量。因此，在保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的同時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行改革勢(shì)在必行。

2 有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)“綠色”改革措施

2.1 基于回收、重復(fù)使用、再生原則的“綠色”改革

基于“5R”理論的回收（Recycling）、再生（Regeneration）與重復(fù)使用（Reuse）原則，作者在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，盡可能使各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所用的原料和產(chǎn)物相互交叉，以便重復(fù)利用，即上一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的產(chǎn)物可作為下一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的原料。改革的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括“水蒸氣蒸餾、蒸餾”“乙酰苯胺的制備”“重結(jié)晶”系列實(shí)驗(yàn)，如圖1所示。無(wú)色的苯胺易被氧化變黃，長(zhǎng)時(shí)間氧化甚至?xí)優(yōu)樯钭厣?。“乙酰苯胺的制備”?shí)驗(yàn)所用反應(yīng)物為苯胺和冰醋酸，其中所用的苯胺需提前進(jìn)行提純。因此，作者將水蒸氣蒸餾的原料設(shè)計(jì)為粗苯胺，讓學(xué)生先通過(guò)水蒸氣蒸餾、蒸餾實(shí)驗(yàn)提純苯胺，然后將提純后的苯胺用于“乙酰苯胺的制備”實(shí)驗(yàn)，“乙酰苯胺的制備”實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)物粗乙酰苯胺又可作“重結(jié)晶”實(shí)驗(yàn)的原料。原來(lái)的“重結(jié)晶”實(shí)驗(yàn)需要提純的化合物為含有雜質(zhì)的苯甲酸，改革后我們將學(xué)生制備的粗乙酰苯胺作為重結(jié)晶實(shí)驗(yàn)的原料，學(xué)生重結(jié)晶后的乙酰苯胺經(jīng)回收、人為加入雜質(zhì)后可再次用于下一次的重結(jié)晶實(shí)驗(yàn)。由此，以上系列實(shí)驗(yàn)達(dá)到了產(chǎn)物回收、重復(fù)利用和再生的效果，同時(shí)減少了反應(yīng)原材料的經(jīng)費(fèi)投入和實(shí)驗(yàn)室廢棄物的產(chǎn)生量，降低了“三廢”處理的成本和環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 回收、重復(fù)使用、再生模式實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

2.2 利用減量原則的“綠色”改革

按照減量（Reduce）原則，作者將“乙酸乙酯的制備”“菠菜色素的提取與分離”“阿司匹林的制備”三個(gè)實(shí)驗(yàn)的試劑量減量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，減量后的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)率較高，仍能達(dá)到良好的實(shí)驗(yàn)效果（見(jiàn)表1）。減量后乙酸乙酯與阿司匹林的理論產(chǎn)量分別為9.24 g與2.61g，學(xué)生的實(shí)際產(chǎn)量約為理論產(chǎn)量的50%，即4.62 g與1.31 g，實(shí)驗(yàn)效果仍很明顯?！安げ松氐奶崛∨c分離”實(shí)驗(yàn)在對(duì)提取溶劑減量后，所得濃縮菠菜汁由10mL減少為5mL，每組學(xué)生在色素分離階段需要濃縮菠菜汁僅1mL左右，提取量仍可以充分滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)需要。由于每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目約900組學(xué)生參加，三個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可節(jié)約無(wú)水乙醇72 L、冰乙酸5.4 L、濃硫酸2.7 L、石油醚27 L、水楊酸3.6 kg、乙酸酐2.7 L、濃鹽酸4.5 L、飽和碳酸氫鈉17 L。

表1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目減量前后對(duì)比

因此，實(shí)驗(yàn)改革后每年試劑的用量大大減少，實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)顯著降低，危險(xiǎn)化學(xué)品如濃硫酸、濃鹽酸、易制毒化學(xué)品如乙酸酐的使用量也大大降低，有效保證了實(shí)驗(yàn)室安全；同時(shí)實(shí)驗(yàn)室廢棄物量減小，“三廢”處理壓力降低。此外，通過(guò)減量實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)，將“綠色”化學(xué)理念根植于學(xué)生心靈之中。

2.3 基于拒用原則的“綠色”改革

作者在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，拒用（Rejection）原則主要體現(xiàn)在拒用部分危險(xiǎn)化學(xué)品，改革的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為“茶葉中咖啡因的提取”。原實(shí)驗(yàn)方案先用水溶解茶葉中的咖啡因，再用氯仿萃取，最后蒸去溶劑、升華可獲得咖啡因晶體。該實(shí)驗(yàn)所用的氯仿為危險(xiǎn)化學(xué)品，需在公安局備案，使用量較大，每年約需35L，同時(shí)在升華過(guò)程中，氯仿蒸發(fā)后通過(guò)通風(fēng)系統(tǒng)直接排入大氣，會(huì)造成大氣污染，人體吸入氯仿可引起腹脹、惡心、嘔吐、乏力等中毒癥狀，損傷中樞神經(jīng)、肝臟甚至心臟[5]。改革后實(shí)驗(yàn)采用無(wú)水乙醇提取茶葉中的咖啡因，省去了氯仿萃取步驟，直接用乙醇提取液進(jìn)行升華實(shí)驗(yàn)，同樣可以獲得咖啡因晶體，而乙醇的毒性遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氯仿。就實(shí)驗(yàn)效果而言，水法由于需要萃取操作，使得部分咖啡因在萃取中損失，導(dǎo)致升華實(shí)驗(yàn)學(xué)生成功率不足50%；而采用乙醇提取法，由于減少了氯仿萃取步驟造成的產(chǎn)物損失，乙醇提取液中咖啡因的含量較高，通過(guò)升華實(shí)驗(yàn)幾乎每組學(xué)生都觀察到了咖啡因的白色針狀晶體。因此，改革后的實(shí)驗(yàn)方案不僅保證了實(shí)驗(yàn)的成功率，而且有效避免了危險(xiǎn)化學(xué)品的大量使用，提高了實(shí)驗(yàn)的安全性，減少了有毒廢氣的排放，對(duì)環(huán)境友好。

2.4 實(shí)驗(yàn)熱源的“綠色”改革

大多數(shù)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)都涉及加熱操作，改革前我們使用的熱源為酒精燈，每年僅燈用酒精用量就達(dá)400L左右，顯然不利于實(shí)驗(yàn)的“綠色”化改革，同時(shí)在使用揮發(fā)性溶劑時(shí)，用明火加熱存在重大安全隱患，因此，使用綠色化能源迫在眉睫。電能作為一種潔凈、安全的能源，可有效替代酒精燈成為新的熱源。因此，作者將有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的酒精燈替換為電熱套。但是，部分實(shí)驗(yàn)需要水浴加熱或加熱進(jìn)行升華實(shí)驗(yàn)，而電熱套的球形凹面無(wú)法直接加熱燒杯，也不便進(jìn)行升華操作。為了減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備投入，做到物盡其用，我們?cè)谑蘧W(wǎng)中間剪出空隙后覆蓋在電熱套凹面上方，做成可加熱燒杯和進(jìn)行升華實(shí)驗(yàn)的裝置（見(jiàn)圖2），從而徹底棄用酒精燈，完成了實(shí)驗(yàn)熱源的“綠色”改革。

圖2 電熱套加熱裝置

3 通過(guò)“綠色”改革提高學(xué)生環(huán)保意識(shí)

本科階段是學(xué)生人生觀與價(jià)值觀形成的關(guān)鍵時(shí)期，這一階段所獲得的信息和知識(shí)將對(duì)他們未來(lái)的工作、學(xué)習(xí)、生活產(chǎn)生重要影響[6]。將綠色化學(xué)理念貫穿于整個(gè)有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程，對(duì)學(xué)生綠色化學(xué)理念和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的形成具有重要的作用。對(duì)于理、醫(yī)、農(nóng)等專(zhuān)業(yè)的學(xué)生而言，在專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)中同樣涉及大量的環(huán)境污染問(wèn)題。大一在有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中建立起的環(huán)保理念，將對(duì)其后續(xù)的學(xué)習(xí)和生活起到潛移默化的作用，改變了學(xué)生垃圾分類(lèi)、危險(xiǎn)藥品保存和使用的習(xí)慣，提高了廢棄物處理的能力。如，動(dòng)物醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生在后續(xù)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)中會(huì)自覺(jué)進(jìn)行針頭等垃圾的分類(lèi)，減少有毒有害藥品的排放；動(dòng)物實(shí)驗(yàn)在不影響實(shí)驗(yàn)效果的情況下，用體型較小的動(dòng)物代替體型較大的動(dòng)物，減少了動(dòng)物尸體的處理量，養(yǎng)成了良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣。學(xué)生環(huán)保理念的提高大大減輕了學(xué)校的環(huán)保壓力，提高了環(huán)保效率。培養(yǎng)的“綠色”人才進(jìn)入社會(huì)后，可以推動(dòng)整個(gè)社會(huì)環(huán)保意識(shí)的提高，使經(jīng)濟(jì)和環(huán)境得到可持續(xù)發(fā)展，人與自然和諧共處。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)幾年的有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)改革實(shí)踐，作者發(fā)現(xiàn)用“5R”原則指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)“綠色”化改革成效顯著。通過(guò)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物的回收和重復(fù)使用，固體產(chǎn)物得以循環(huán)利用，固廢量大大降低；通過(guò)化學(xué)試劑的減量，實(shí)驗(yàn)試劑使用量大幅減少，實(shí)驗(yàn)成本降低，廢液量也隨之下降；通過(guò)危險(xiǎn)化學(xué)品的拒用，從源頭上杜絕了有毒廢氣的排放?；谝陨稀熬G色”改革方案，最終達(dá)到了減少“三廢”排放量，降低試劑投入量，嚴(yán)格執(zhí)行教育部高校實(shí)驗(yàn)室有關(guān)節(jié)能環(huán)保規(guī)定，培養(yǎng)學(xué)生社會(huì)責(zé)任感和環(huán)保意識(shí)的目的。