綠色過程工程在化工和化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探索

鄭會勤，李成未，李珂，張松平

(1.河南教育學(xué)院化學(xué)系，河南鄭州450046;2.鄭州華信學(xué)院藥學(xué)系，河南鄭州 451100)

綠色過程工程在化工和化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探索

鄭會勤1，李成未1，李珂2，張松平1

(1.河南教育學(xué)院化學(xué)系，河南鄭州450046;2.鄭州華信學(xué)院藥學(xué)系，河南鄭州 451100)

從綠色過程工程的概念入手，指出高?；ぜ盎瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中越來越重視綠色過程工程的應(yīng)用，是我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略決定的.從多個(gè)角度闡釋了綠色過程工程這一理念在化工和化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的原因和怎樣應(yīng)用，旨在培養(yǎng)具有綠色意識和環(huán)保能力的高素質(zhì)人才，從而達(dá)到對環(huán)境的保護(hù).

綠色過程工程;環(huán)境污染;實(shí)驗(yàn)教學(xué);化學(xué)實(shí)驗(yàn)

隨著全球環(huán)境質(zhì)量的惡化和礦產(chǎn)資源的日益枯竭，開發(fā)高效、合理、無污染利用資源高新技術(shù)已成為國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展的必然趨勢.由于世界各國對環(huán)境保護(hù)的日益重視，對環(huán)境污染控制制定出更加嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，提出了更高的要求［1］.工業(yè)污染控制在經(jīng)歷了幾十年的末端治理之后，人們逐漸認(rèn)識到，改善環(huán)境僅依靠末端治理技術(shù)是有限的，經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的根本出路在于依靠科技進(jìn)步，創(chuàng)造出清潔生產(chǎn)綠色新技術(shù)，生產(chǎn)單位產(chǎn)品資源與能源消耗最少、原子利用率更高、排污量最?。?－3］.21世紀(jì)的許多機(jī)遇和挑戰(zhàn)將來自綠色過程工程，因此，在理工科高校建立綠色過程工程與綠色化學(xué)教學(xué)體系，將其基本原理、科學(xué)思想、綠色化學(xué)技術(shù)及工藝、綠色過程設(shè)備等內(nèi)容融入到化學(xué)和過程工程類專業(yè)的課程體系中至關(guān)重要.

1 綠色過程工程

綠色過程工程是研究與自然環(huán)境友好的資源高效—清潔—合理利用的物資轉(zhuǎn)化過程與工程的科學(xué)，涵蓋了伴有物理和化學(xué)變化的過程工業(yè)的重新審視、量化、系統(tǒng)耦合、提升和綠色化更新，吸收了當(dāng)代科學(xué)的高新技術(shù)和最新理論，進(jìn)行大規(guī)模資源加工，是具有急切社會需求和明確科學(xué)目標(biāo)的新興交叉學(xué)科［1］.綠色過程工程追求的目標(biāo)為:更高的資源轉(zhuǎn)化率、更高的能源利用率、良性溶劑與介質(zhì)的使用、危險(xiǎn)性原料的原地生產(chǎn)、毒性原料的可替代性、更高的目標(biāo)產(chǎn)品選擇性、副產(chǎn)物向產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化、毒性產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為無毒產(chǎn)品以及最小的廢棄物排放量等［4］.它包括綠色化學(xué)與清潔生產(chǎn)兩個(gè)重要環(huán)節(jié).

1.1 綠色化學(xué)

綠色化學(xué)又稱環(huán)境無害化學(xué)、環(huán)境友好化學(xué)、清潔化學(xué).綠色化學(xué)是設(shè)計(jì)研究沒有或只有盡可能少的環(huán)境副作用，并在經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上可行的化學(xué)過程和化學(xué)品.它包括試劑和原料在反應(yīng)中的充分利用(原子經(jīng)濟(jì)性)，是實(shí)現(xiàn)化學(xué)污染防治的科學(xué)手段和基本方法，包括許多化學(xué)領(lǐng)域，如工藝、分離、合成、催化和分析監(jiān)測等，是一門從源頭上阻止污染的化學(xué)，綠色化學(xué)適用各種化學(xué)領(lǐng)域，是用化學(xué)的技術(shù)和方法去消滅或減少那些對社區(qū)安全、人類健康、生態(tài)環(huán)境有害的原料、溶劑、試劑、催化劑、產(chǎn)物、副產(chǎn)物等的使用和產(chǎn)生［5－6］.

發(fā)達(dá)國家正在積極行動發(fā)展“綠色化學(xué)”技術(shù)，以占領(lǐng)這一技術(shù)領(lǐng)域的制高點(diǎn).英國諾丁漢大學(xué)化學(xué)學(xué)院的波利亞科夫認(rèn)為，綠色化學(xué)當(dāng)前面臨著三大挑戰(zhàn):研究發(fā)明替代原料、替代溶劑以及催化劑的新型替代物.即從源頭抓起，改變原料來源;目前集中研究兩類替代溶劑(超臨界流體及離子液體);設(shè)計(jì)新型更好選擇性的催化劑等，更好地減少廢物排放，對綠色化學(xué)的未來至關(guān)重要.發(fā)展“綠色化學(xué)”需要開發(fā)多種技術(shù)，諸如新的合成方法、工藝設(shè)計(jì)技術(shù)、高效率催化技術(shù)、納米技術(shù)、結(jié)構(gòu)控制技術(shù)等.這些例子都是我們在化學(xué)化工教學(xué)過程中應(yīng)該努力研究并在教學(xué)過程和教學(xué)成果中體現(xiàn)出來的良好借鑒.

1.2 清潔生產(chǎn)

清潔生產(chǎn)包含了兩個(gè)全過程控制:生產(chǎn)全過程和產(chǎn)品整個(gè)生命周期全過程.包括盡可能不采用有毒原材料，以減少其排放的數(shù)量和毒性，節(jié)省原材料與能源;從原材料獲取到產(chǎn)品最終處置過程中，盡可能對環(huán)境和人類的影響減少到最低程度;是一個(gè)使過程工業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，是對產(chǎn)品及生產(chǎn)過程采取整體性預(yù)防的環(huán)境策略，以減少對環(huán)境及人類的危害［1，7－9］.

根據(jù)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展對資源和環(huán)境的要求，清潔生產(chǎn)謀求達(dá)到兩個(gè)目標(biāo):一是通過短缺資源的代用，資源的綜合利用，二次能源的利用，以及節(jié)水、節(jié)能、降耗，減緩資源的耗竭，合理利用自然資源，達(dá)到自然資源和能源利用的最合理化.二是減少污染物和廢物的排放，降低工業(yè)活動對人類和環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)、消耗過程與環(huán)境相融，達(dá)到對人類和環(huán)境的危害最小化以及經(jīng)濟(jì)效益的最大化.這些都將是我們在化工和化學(xué)實(shí)驗(yàn)中向?qū)W生灌輸和傳授的科研導(dǎo)向和工程理念.

2 綠色過程工程是一種理念

綠色過程工程是一門從源頭上阻止污染的工程，這種預(yù)防化學(xué)品污染的新理念和新實(shí)踐正日益被人們認(rèn)識、接受和重視.其最大特點(diǎn)在于它是在始端就采用科學(xué)的預(yù)防手段，使得生產(chǎn)過程和終端均為零排放或零污染.綠色過程工程關(guān)注采用新科技手段能降低對環(huán)境和人類健康有負(fù)面影響的各個(gè)方面和各種類型的化學(xué)過程，充分利用每個(gè)原子，即“原子經(jīng)濟(jì)性”，因此在化學(xué)品的整個(gè)生產(chǎn)過程既能充分利用資源，又能防止污染.顯然，它是一種理念，是人們傾力追求的目標(biāo).

要預(yù)防化學(xué)品污染，關(guān)鍵要培養(yǎng)具有環(huán)境保護(hù)意識的人，最早系統(tǒng)地學(xué)習(xí)化工知識是在大學(xué)教育階段，這就需要將綠色過程工程的思想貫穿于高等化學(xué)化工教育的全過程中.將其融合于課堂教學(xué)及實(shí)驗(yàn)過程之中，使其成為高等化學(xué)化工教育的一個(gè)重要的組成部分，這是一項(xiàng)嶄新的課題.為此，化學(xué)化工教育工作者要樹立可持續(xù)發(fā)展的觀念，化工教學(xué)也必須體現(xiàn)綠色過程工程的新內(nèi)容，要在課程教材中體現(xiàn)其新理念，使其思想和內(nèi)容貫穿于高等教育的始終.教師在教學(xué)和實(shí)驗(yàn)等方面，要始終貫徹綠色過程工程的思想，樹立起綠色意識，培養(yǎng)學(xué)生從事綠色過程工程研究與開發(fā)的能力.這給改革課堂教學(xué)、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神提供了良好的契機(jī).綠色過程工程不但有重大的環(huán)境、社會和經(jīng)濟(jì)效益，而且說明化學(xué)工業(yè)的負(fù)面作用是可以避免的.作為新世紀(jì)的一代，不但要有能力去發(fā)展新的、對環(huán)境更友好的化學(xué)，以防止化學(xué)污染，而且要讓年青的一代了解和接受綠色過程工程，為綠色過程工程作出應(yīng)有的貢獻(xiàn).

3 綠色過程工程在化工教學(xué)中的改革與應(yīng)用

綠色過程工程的教學(xué)在高校沒有明確的課程設(shè)置，但在教材和政策中有所體現(xiàn).例如美國的俄勒岡大學(xué)早在1997年就將綠色過程工程原理和實(shí)踐引入化學(xué)工程教學(xué)中，并通過各種綠色化學(xué)工程實(shí)驗(yàn)取代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，率先創(chuàng)造出安全無污染的研發(fā)環(huán)境.澳大利亞的莫納什大學(xué)在2000年成立綠色化學(xué)工程中心，成為世界上教育和研究綠色過程工程的領(lǐng)導(dǎo)者［6］.這為我國理工科高校對綠色過程工程在化工教學(xué)中的改革與應(yīng)用提供了經(jīng)驗(yàn).大學(xué)生是我們國家化學(xué)工業(yè)的主要力量，在大學(xué)的教學(xué)中融入綠色過程工程的理念是加強(qiáng)他們綠色環(huán)保意識和可持續(xù)發(fā)展意識的重要教學(xué)任務(wù).

在教材改革中，應(yīng)增加化學(xué)化工教材中有關(guān)綠色過程工程的理論知識和其他國家在該領(lǐng)域的先進(jìn)成果.在教學(xué)中，教師要樹立綠色過程節(jié)能意識，多閱讀相關(guān)書籍及文獻(xiàn)，主動引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)和生活中對綠色過程工程知識的關(guān)注程度，在考慮化學(xué)品的有效性和功能性的同時(shí)，強(qiáng)調(diào)化學(xué)品的排放有害性.要關(guān)注綠色過程工程的教學(xué)及研發(fā)動向，并將這些知識傳授給學(xué)生.科技的發(fā)展必將由于教材內(nèi)容的固定性使綠色過程工程定格在一個(gè)比較滯后的位置，因此，在教學(xué)過程中教育工作者應(yīng)適當(dāng)將綠色過程工程內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充，使綠色意識貫穿到課程及學(xué)生學(xué)習(xí)之中.例如工業(yè)化學(xué)、化工原理、有機(jī)化學(xué)和無機(jī)化學(xué)等，許多化學(xué)品都會對環(huán)境產(chǎn)生污染和破壞，許多產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝都會帶來不可利用的副產(chǎn)品，并造成大量污染.這就需要教師在教學(xué)過程中加以強(qiáng)調(diào)，對化學(xué)品的減少排放及傳統(tǒng)工藝的技術(shù)改造上融入綠色過程工程新理念，如綠色生物科技、微生物催化劑、電化學(xué)合成等.

4 綠色過程工程融入化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅可以增強(qiáng)學(xué)生直觀的感性認(rèn)識，而且能培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析和解決問題的能力，但也必定會涉及有毒、有害的物質(zhì).因此，化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中要力求利用最少的實(shí)驗(yàn)藥品，獲得最佳的實(shí)驗(yàn)效果，最大限度地減少廢棄物，開發(fā)綠色制備技術(shù)，提高學(xué)生的環(huán)保意識.

作為一個(gè)化學(xué)工作者，在進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)或科學(xué)研究時(shí)都會考慮，盡量少用試劑又能達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，并保護(hù)環(huán)境.這是在綠色化學(xué)思想下用預(yù)防化學(xué)污染的新方法、新技術(shù)和新實(shí)驗(yàn)思想對常規(guī)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改革和發(fā)展的必然結(jié)果，是一種思維方向，是化學(xué)實(shí)驗(yàn)改革和發(fā)展的動力之一，是綠色過程工程思想在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的具體體現(xiàn).

對于學(xué)生而言，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行操作，避免出現(xiàn)不必要的廢料，甚至大的有害污染物泄漏事故，這對今后在化工領(lǐng)域從事工作的學(xué)生們而言至關(guān)重要.比如美國墨西哥灣的原油泄漏事件、印度坦帕爾的毒氣污染事故，還有國內(nèi)一些工廠爆炸事故等都是由于不規(guī)范操作或疏忽造成的.因此，學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候應(yīng)嚴(yán)格操作規(guī)程，對學(xué)生今后從事綠色過程工程是大有裨益的.

化學(xué)工業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱，越來越凸顯它的重要性.如果沒有化學(xué)工業(yè)，許多生活的舒適享受將不可能實(shí)現(xiàn)，沒有人會因?yàn)榛ぎa(chǎn)品會帶來環(huán)境污染而不接受現(xiàn)代化學(xué)帶來的好處.然而，化學(xué)污染的危害也使人越來越懼怕.綠色過程工程給化學(xué)家提出了一項(xiàng)新的挑戰(zhàn)，國際上對此很重視.經(jīng)過十多年的研究和探索，綠色過程工程可作為實(shí)驗(yàn)化學(xué)家開發(fā)和評估一個(gè)生產(chǎn)過程、一條合成路線、一個(gè)化合物是不是綠色的指導(dǎo)方針和標(biāo)準(zhǔn).綠色過程工程的教學(xué)是高校每一位教師的責(zé)任，也是社會每一個(gè)人義不容辭的責(zé)任.在理工科高校建立綠色過程工程與綠色化學(xué)教學(xué)體系，將其基本原理、科學(xué)思想、綠色化學(xué)技術(shù)及工藝、綠色過程設(shè)備等內(nèi)容融入到化學(xué)和過程工程類專業(yè)的課程體系中，深入地滲透到每一個(gè)學(xué)生的頭腦中，將會大大促進(jìn)理工科大學(xué)的教學(xué)改革，為世界的“綠色增長”作出貢獻(xiàn).

［1］陳文明.清潔生產(chǎn)——環(huán)境戰(zhàn)略的新認(rèn)識［J］.化學(xué)進(jìn)展，1998，10(2):113－122.

［2］李成未，李珂，張松平，等.重鉻酸鉀電催化合成進(jìn)程表征研究［J］.河南教育學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，19(4):25－28.

［3］李成未，張會麗，張松平，等.重鉻酸鈉電化學(xué)合成過程陽極液電導(dǎo)率變化規(guī)律研究［J］.河南教育學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，20 (1):32－35.

［4］張懿.綠色過程工程［J］.過程工程學(xué)報(bào)，2001，1(1):10－15.

［5］彭秀麗.在化學(xué)教學(xué)中滲透綠色化學(xué)教育［J］.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，19(4):38－39.

［6］劉明輝.試論高?；瘜W(xué)教學(xué)中綠色化學(xué)教育的探索應(yīng)用［J］.佳木斯教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2011(1):101－102.

［7］RUMAZO C A，PRYOR A，MENDOZA F O，et al.Cleaner production in the chemical industry［J］.Water Science and Technology，2000，42 (5):1－7.

［8］PETEK J，GLAVIC P.Improving the sustainability of regional cleaner production programs［J］.Resources，Conservation and Recycling，2000，29(1):19－31.

［9］DUNN R F，BUSH G E.Using process integration technology for CLEANER production［J］.Journal of Cleaner Production，2001，9(1):1－23.

Probe into Application of Green Process Engineering in
Teaching of Chemical Engineering and Experiment

ZHENG Hui-qin1，LI Cheng-wei1，LI Ke2，ZHANG Song-ping1

(1.Department of Chemistry，Henan Institute of Education，Zhengzhou450046，China;2.Department of Pharmacy，Zhengzhou Huaxin College，Zhengzhou451100，China)

From the concept of green process engineering，it is indicated that the application of green process engineering has attracted more and more concern in teaching of chemical engineering and experiment，and this is decided by the sustainable developmental strategy of our country.The reason for application of green process engineering and how to apply in teaching of chemical engineering and experiment are explained from several aspects.This is aimed at training high-quality talents who have green awareness and the ability of environment in order to protect the environment.

green process engineering;environmental pollution;experiment teaching;chemical experiment

G642.0

A

1007－0834(2011)04－0062－03

10.3969/j.issn.1007－0834.2011.04.020

2011－07－18

河南省教育廳自然科學(xué)基金(2009B530004)

鄭會勤(1980—)，女，河南唐河人，河南教育學(xué)院化學(xué)系講師，博士研究生，主要研究方向:功能配合物.