符合綠色化管理理念的環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

岳俊杰+尹靜+畢成良+劉娟

摘 要：以企事業(yè)單位綠色化管理理念為指導(dǎo)，設(shè)計(jì)了綠色環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)用來(lái)從根本上解決化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境污染問(wèn)題。通過(guò)以學(xué)生為主體的綠色環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，訓(xùn)練了學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作技能，更培養(yǎng)了其環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排意識(shí)，為社會(huì)各類企事業(yè)單位輸送具有綠色管理理念的大學(xué)畢業(yè)生，這將有助于綠色化管理模式的推廣，同時(shí)使環(huán)境科學(xué)專業(yè)畢業(yè)生在嚴(yán)峻的就業(yè)形勢(shì)下具有一定的就業(yè)優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：綠色化管理；環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)；設(shè)計(jì)；環(huán)境保護(hù)；節(jié)能減排

一、綠色化管理引入背景

當(dāng)今社會(huì)，綠色、循環(huán)、低碳是目前經(jīng)濟(jì)發(fā)展亟待推進(jìn)的發(fā)展模式，而綠色化管理模式對(duì)于樹(shù)立企事業(yè)單位保護(hù)環(huán)境、節(jié)約并合理利用資源的意識(shí)也是非常必要的。所謂綠色化管理，是對(duì)組織決策和活動(dòng)與組織對(duì)自然環(huán)境的影響之間存在緊密聯(lián)系的意識(shí)。它要求企事業(yè)單位在管理中方方面面、時(shí)時(shí)處處都要考慮環(huán)保、體現(xiàn)綠色。

高等學(xué)校化學(xué)實(shí)驗(yàn)室是大學(xué)生驗(yàn)證科學(xué)理論、訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)技能、培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問(wèn)題能力的重要實(shí)訓(xùn)基地，是教師進(jìn)行產(chǎn)學(xué)研的重要場(chǎng)所。隨著高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，化學(xué)專業(yè)各分支學(xué)科的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、數(shù)量、種類及開(kāi)設(shè)時(shí)長(zhǎng)都有了不同程度增加，全面提高了教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生綜合素質(zhì)。而與此同時(shí)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)室所產(chǎn)生“三廢”的污染問(wèn)題也呈現(xiàn)愈演愈烈的態(tài)勢(shì)，這種污染雖然具有隱性、間斷性的特點(diǎn)，但污染物的種類遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一般工廠，甚至為了得到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和驗(yàn)證經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)方法，期間還會(huì)涉及一些劇毒化學(xué)品的使用，因此化學(xué)實(shí)驗(yàn)室對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題不容忽視。

為根本解決化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境污染問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)室的綠色化管理勢(shì)在必行。其中，綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)本著從源頭上減少和消除對(duì)環(huán)境污染，充分利用資源和能源，采用無(wú)毒、無(wú)害原料，并在無(wú)毒無(wú)害條件下，減少?gòu)U物排放等原則，是實(shí)驗(yàn)室綠色化管理的一條有效途徑。與企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品相類似，大學(xué)生可被看作高等學(xué)校向社會(huì)各個(gè)行業(yè)輸送的“產(chǎn)品”。在綠色化專業(yè)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練中已經(jīng)充分樹(shù)立了環(huán)境保護(hù)和節(jié)約合理利用資源意識(shí)的大學(xué)畢業(yè)生，在被輸入到各個(gè)行業(yè)的企事業(yè)單位后，將有助于綠色化管理模式在單位內(nèi)部的推廣和應(yīng)用，對(duì)提高單位綠色管理水平和整體形象的提升也是有利的促進(jìn)。為此，綠色環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)是一個(gè)不可忽視的環(huán)節(jié)。

基于硫酸根自由基（SO4-·）的過(guò)硫酸鹽活化技術(shù)是一種新型高級(jí)氧化技術(shù)，其在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用是剛剛發(fā)展起來(lái)的嶄新研究方向。本文擬將該技術(shù)用于水中三氯乙烯的氧化降解，以綠色化學(xué)理念設(shè)計(jì)“亞鐵離子活化過(guò)硫酸鈉降解水中三氯乙烯”的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，引入到環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

二、實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.實(shí)驗(yàn)試劑

過(guò)硫酸鈉（化學(xué)純）；硫酸亞鐵（0.1mol/L）；三氯乙烯（99.9%）；無(wú)水乙醇（分析純）。

2.實(shí)驗(yàn)儀器

島津GC-Plus氣相色譜儀；分析天平（上海分析儀器廠）；氣浴恒溫振蕩器（THZ-82B，金壇市國(guó)旺實(shí)驗(yàn)儀器廠）；棕色血清瓶（100mL）；燒杯（200mL、250mL）；微量進(jìn)樣針（10μL，1000μL，澳大利亞SGE公司）；氣密性進(jìn)樣針（100μL，澳大利亞SGE公司）；移液槍（Dragon）；移液槍頭（1000μL）；移液管（5mL，50mL）；棕色溶劑瓶（10mL）。

3.實(shí)驗(yàn)原理

過(guò)硫酸鹽在水中電離產(chǎn)生過(guò)硫酸根離子S2O82-，其相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位E0=+2.01V，但過(guò)硫酸鹽比較穩(wěn)定，在常溫下往往反應(yīng)速率比較慢，對(duì)有機(jī)污染物的降解效果并不明顯。而在光、熱、過(guò)渡金屬離子（如Fe2+）等條件下，S2O82-被活化分解為氧化性更強(qiáng)的硫酸根自由基（SO4-·），其標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位E0=+2.5～+3.1V，接近甚至高出氧化性極強(qiáng)的羥基自由基（·OH，E0=+1.8～+2.7V）。

過(guò)渡金屬離子Fe2+活化過(guò)硫酸鹽的過(guò)程可表示為反應(yīng)方程式（1）。

Fe2++S2O82-→Fe3++SO4-·+SO42- （1）

在這個(gè)活化反應(yīng)過(guò)程中，所需活化能為50.2kJ/mol。

通過(guò)序批地向過(guò)硫酸鈉降解三氯乙烯（TCE）的反應(yīng)體系中加入Fe2+可以使體系中不斷產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的SO4-·，進(jìn)而TCE得以高效降解。

4.實(shí)驗(yàn)步驟

（1）三氯乙烯標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

用移液槍移取1mL三氯乙烯溶于4mL無(wú)水乙醇中備用。向6個(gè)100mL的棕色血清瓶中分別加入50mL蒸餾水，再以微量進(jìn)樣針量取相應(yīng)劑量（如表1）三氯乙烯的乙醇溶液分別配制成濃度為0、2、4、8、16、20mg/L的三氯乙烯水溶液，密封瓶口，置于氣浴恒溫振蕩器中振蕩備用。

表1 三氯乙烯標(biāo)準(zhǔn)溶液配制表

（2）三氯乙烯檢測(cè)方法

本實(shí)驗(yàn)中三氯乙烯的檢測(cè)方法采用頂空進(jìn)樣，經(jīng)Rtx-1型通用毛細(xì)管柱分離，氫火焰離子化檢測(cè)器（FID）檢測(cè)，以保留時(shí)間定性，峰面積定量。具體色譜條件為：

SPL溫度：200℃；檢測(cè)器溫度：220℃；分流比：39；柱流量：0.57mL/min；

進(jìn)樣量：100μL頂空氣體；

程序升溫：60℃（3min）-50℃/min-100℃（3min）-80℃/min-2

20℃（2min）。

（3）三氯乙烯標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

將TCE標(biāo)準(zhǔn)溶液于室溫下震蕩20分鐘后取出，用氣密性進(jìn)樣針抽取100μL溶液上方氣體（頂空氣體），快速注入氣相色譜進(jìn)樣口中，并啟動(dòng)檢測(cè)方法。所得三氯乙烯保留時(shí)間約為5.189min（保留時(shí)間隨進(jìn)樣的操作速度等手法不同而稍有變化），手動(dòng)積分得到相應(yīng)峰面積，記錄于表2中。以峰面積作為縱軸，標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度作為橫軸繪制三氯乙烯的峰面積-濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線。

表2 三氯乙烯標(biāo)準(zhǔn)曲線數(shù)據(jù)記錄表

注意進(jìn)樣完畢之后，要對(duì)樣品瓶口進(jìn)行蠟封處理，以免體系漏氣；同時(shí)將樣品瓶放回恒溫震蕩器備用。

（4）過(guò)硫酸鈉用量對(duì)三氯乙烯降解效果的影響

①稱取質(zhì)量分別為0.0119g、0.0179g和0.0357g過(guò)硫酸鈉粉末，于50mL小燒杯內(nèi)用5mL蒸餾水溶解后分別轉(zhuǎn)移至3個(gè)100mL的棕色血清瓶中，保持瓶?jī)?nèi)溶液量為50mL，將血清瓶做好1、2、3號(hào)標(biāo)記，另備一個(gè)棕色血清瓶只加入等量蒸餾水作為空白對(duì)照；

②以微量進(jìn)樣針?lè)謩e量取3.4μL三氯乙烯的乙醇溶液，注入上述4個(gè)血清瓶后加蓋密封，搖勻；

③分別以微量進(jìn)樣針量取375μL濃度為0.1mol/L的硫酸亞鐵溶液，依次每間隔10分鐘注入1、2、3號(hào)反應(yīng)瓶?jī)?nèi)，立即蠟封瓶蓋并搖勻反應(yīng)瓶，置入氣浴恒溫震蕩器中振蕩，在40分鐘內(nèi)每間隔10分鐘取反應(yīng)瓶頂空氣體檢測(cè)TCE含量，將峰面積值及其對(duì)應(yīng)的TCE降解率記錄在表3中，以降解率為縱軸，反應(yīng)時(shí)間為橫軸繪制曲線。

表3 過(guò)硫酸鈉用量對(duì)20mg/L三氯乙烯降解效果影響

（5）硫酸亞鐵用量對(duì)三氯乙烯降解效果的影響

①稱取4份質(zhì)量為0.0357g的過(guò)硫酸鈉粉末，操作同2.4.4中相應(yīng)步驟；

②以微量進(jìn)樣針?lè)謩e量取3.4μL三氯乙烯的乙醇溶液，注入上述4個(gè)血清瓶后加蓋密封，搖勻；

③分別以微量進(jìn)樣針量取75μL、150μL和375μL濃度為0.1mol/L的硫酸亞鐵溶液，依次每間隔10分鐘注入1、2、3號(hào)反應(yīng)瓶?jī)?nèi)，立即蠟封瓶蓋并搖勻反應(yīng)瓶，置入氣浴恒溫震蕩器中振蕩，并每間隔5min、分4次分別向上述3個(gè)反應(yīng)瓶中注入與第一次加入量相同的硫酸亞鐵溶液，在40分鐘內(nèi)每間隔10分鐘取反應(yīng)瓶頂空氣體檢測(cè)TCE含量，將峰面積值及其對(duì)應(yīng)的TCE降解率記錄在表4中，以降解率為縱軸，反應(yīng)時(shí)間為橫軸繪制曲線。

表4 硫酸亞鐵用量對(duì)20mg/L三氯乙烯降解效果影響

（6）實(shí)驗(yàn)“三廢”的處理

在完成上述各實(shí)驗(yàn)步驟后，引導(dǎo)學(xué)生分析本實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生廢液、廢渣、廢氣的化學(xué)成分，教育和啟發(fā)學(xué)生對(duì)其進(jìn)行必要的處理。可考慮給學(xué)生3-5天時(shí)間查閱相關(guān)資料，最終給出本實(shí)驗(yàn)“三廢”處理的可行方法。

三、綠色化學(xué)設(shè)計(jì)理念體現(xiàn)分析

在上述“亞鐵離子活化過(guò)硫酸鈉降解水中三氯乙烯”的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)過(guò)程中，不同程度體現(xiàn)了綠色化學(xué)設(shè)計(jì)理念，主要表現(xiàn)在：

1.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選題是一種新型高級(jí)氧化技術(shù)，充分體現(xiàn)了本學(xué)科的研究熱點(diǎn)，相對(duì)于Fenton氧化技術(shù)所需強(qiáng)酸性等特點(diǎn)而言，該技術(shù)具有環(huán)境友好性特點(diǎn)。

2.實(shí)驗(yàn)所涉及化學(xué)試劑中，過(guò)硫酸鈉常溫下穩(wěn)定，分解產(chǎn)物除環(huán)境友好性的鐵離子外，硫酸根離子是環(huán)境水體中的主要陰離子成分。三氯乙烯屬于氯代烴類，與乙醇同屬于有機(jī)溶劑，雖然有一定危害性，但在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中用量很少，作為實(shí)驗(yàn)廢液的有機(jī)成分，以熱活化或亞鐵離子活化過(guò)硫酸鈉的方法能在不引入有害廢物的情況下達(dá)到很好的去除效果。

3.對(duì)于三氯乙烯檢測(cè)方法的選擇，實(shí)驗(yàn)采用改良的頂空進(jìn)樣、毛細(xì)管柱氣相色譜法。該方法由實(shí)驗(yàn)教學(xué)組老師在科研項(xiàng)目中建立并經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)是一種操作簡(jiǎn)便、快速、峰形好、干擾少且準(zhǔn)確度較高的方法。

值得提出的是，本檢測(cè)方法的操作步驟中避免了傳統(tǒng)方法中以正己烷作為萃取劑、硫酸鈉作為干燥劑的做法，同時(shí)，快速、簡(jiǎn)單的操作使得氣相色譜使用過(guò)程中的能耗也相應(yīng)減少，這些都是綠色化學(xué)原則的很好體現(xiàn)。

4.在影響因素研究步驟中，考慮到總學(xué)時(shí)限制，每組學(xué)生可任選其中一個(gè)影響因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，將實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)控制在8學(xué)時(shí)之內(nèi)。每種因素研究的實(shí)驗(yàn)步驟中僅涉及4個(gè)棕色血清瓶，并且所需的各種溶劑、試劑大多在半微量范圍內(nèi)，這種減量化的設(shè)計(jì)也是綠色化學(xué)理念的充分體現(xiàn)。

5.對(duì)于實(shí)驗(yàn)過(guò)程所產(chǎn)生的“三廢”問(wèn)題，本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ揭彩敲黠@低于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。采用的三氯乙烯和乙醇都是在血清瓶的密閉環(huán)境中，加入試劑均采用注射形式，較好的防止了實(shí)驗(yàn)廢氣逸出；作為廢液的主要成分則主要考慮三氯乙烯和鐵離子，其中鐵離子對(duì)環(huán)境沒(méi)有威脅；隨著三氯乙烯降解影響因素的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，瓶?jī)?nèi)殘余三氯乙烯已達(dá)到微量級(jí)，為了確保對(duì)環(huán)境零負(fù)擔(dān)，可采用加入適量過(guò)硫酸鈉粉末并適當(dāng)加熱的方法，以熱活化過(guò)硫酸鈉更為徹底降解水中殘留的三氯乙烯；而廢渣則只涉及鐵的沉淀物，集中回收后轉(zhuǎn)化為離子還可以考慮循環(huán)利用。這些作為環(huán)境專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)所特有的附加環(huán)節(jié)—“三廢處理”更是對(duì)綠色化學(xué)設(shè)計(jì)理念的集中體現(xiàn)。

三、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上綠色化學(xué)理念貫穿始終的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生對(duì)環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了濃厚的興趣，更新了對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的舊有看法。實(shí)驗(yàn)過(guò)程綠色化，對(duì)學(xué)生環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排意識(shí)的形成是一種潛移默化的促進(jìn)；新型、前沿的高級(jí)氧化技術(shù)，先進(jìn)儀器的使用以及科學(xué)性實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)施，拓寬了學(xué)生的視野，為學(xué)生科研思路的形成打下了良好的基礎(chǔ)。最重要的是，經(jīng)過(guò)這類綠色化專業(yè)實(shí)訓(xùn)的大學(xué)畢業(yè)生將提早具備綠色化管理理念，對(duì)于企事業(yè)單位綠色化管理模式的推廣是一個(gè)有力促進(jìn)，也因此在目前嚴(yán)峻的就業(yè)形勢(shì)下顯現(xiàn)出一定的就業(yè)優(yōu)勢(shì)。

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作者簡(jiǎn)介：岳俊杰（1977- ），女，天津市人，博士，副教授