分離分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綠色化探索與實(shí)踐*

周　芝，陳夢(mèng)倩，吳晶汪，苗梓琪，耿杪冉，倪婉敏

(浙江外國語學(xué)院科學(xué)技術(shù)學(xué)院化學(xué)系， 浙江　杭州　310012)

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分離分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綠色化探索與實(shí)踐*

周芝，陳夢(mèng)倩，吳晶汪，苗梓琪，耿杪冉，倪婉敏

(浙江外國語學(xué)院科學(xué)技術(shù)學(xué)院化學(xué)系， 浙江杭州310012)

基于以往不注重環(huán)境保護(hù)的粗放型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，根據(jù)綠色化學(xué)“十二原則”，結(jié)合分離分析實(shí)驗(yàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，探討了在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用綠色化學(xué)原則對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改革，在保證教學(xué)效果的同時(shí)，采用安全的溶劑和助劑，從源頭上防止實(shí)驗(yàn)室污染，減少了有毒廢棄物的排放，更重要的是對(duì)學(xué)生進(jìn)行了有效地環(huán)境保護(hù)教育。

分離分析實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革；綠色化；環(huán)境友好

分離分析實(shí)驗(yàn)是應(yīng)用化學(xué)專業(yè)的專業(yè)必修課，與分離分析理論課程相輔相成，相互促進(jìn)，同時(shí)教學(xué)內(nèi)容上與分析化學(xué)和儀器分析有一定程度的交叉。分離分析實(shí)驗(yàn)中的樣品提取過程，需要消耗大量的溶劑，實(shí)驗(yàn)中化學(xué)藥品的大量使用和純消耗，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室“三廢”的產(chǎn)生，對(duì)環(huán)境的污染不容小覷。美國于20世紀(jì)90年代就提出了“綠色化學(xué)”的口號(hào)，各個(gè)國家也逐漸意識(shí)到從大學(xué)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)開始著手是綠色化學(xué)發(fā)展的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[1-3]?！熬G色化學(xué)”是應(yīng)用現(xiàn)代化學(xué)的原理和方法，在源頭實(shí)現(xiàn)污染預(yù)防的科學(xué)手段[4]。如消除或減少化學(xué)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和應(yīng)用過程中有毒有害物質(zhì)的使用與產(chǎn)生，研究和開發(fā)盡可能少或無環(huán)境副作用、在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面可行的化學(xué)產(chǎn)品及其生產(chǎn)過程。綠色化學(xué)以實(shí)現(xiàn)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的和諧發(fā)展為宗旨，受到了學(xué)術(shù)界的高度重視，也對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了新要求[5]。

高校化學(xué)實(shí)驗(yàn)室是大學(xué)生在學(xué)習(xí)化學(xué)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上掌握實(shí)驗(yàn)技能的場(chǎng)所，同時(shí)也是提高自身科學(xué)素養(yǎng)和接觸前沿知識(shí)及化學(xué)發(fā)展動(dòng)態(tài)的平臺(tái)。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中加強(qiáng)綠色化學(xué)教育，減少或杜絕環(huán)境污染，增強(qiáng)廣大師生的環(huán)保意識(shí)，使綠色化學(xué)成為化學(xué)教育的重要組成部分，從而培養(yǎng)能適應(yīng)未來社會(huì)發(fā)展的復(fù)合型人才[3, 5]。

1　優(yōu)先選擇環(huán)境友好的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

在分離分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的選擇上，優(yōu)選環(huán)境友好的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可顯著降低實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境污染。針對(duì)最近幾年的熱點(diǎn)“霧霾”問題，選用“大氣懸浮顆粒物的分離和PM10的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)，采用中流量(0.1 m3·min-1)采樣-重量法，以恒速抽取定量體積的空氣，使其通過具有PM10切割特性的采樣器，PM10被收集在已經(jīng)恒重的濾膜上。

“大氣懸浮顆粒物的分離和PM10的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，從樓層分布來看，一樓的寢室和教室PM10濃度均高于四樓的相應(yīng)寢室和教室。從采樣地點(diǎn)看，人群相對(duì)集中的教室PM10濃度高于相應(yīng)樓層的寢室，可能與地面的揚(yáng)塵有一定的關(guān)系。而從室內(nèi)和室外的角度看，受室外自然風(fēng)等影響，操場(chǎng)上PM10濃度相對(duì)教室和寢室較高。學(xué)校屬于文教區(qū)，應(yīng)該執(zhí)行二類標(biāo)準(zhǔn)(環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB3095-2012)，PM10的濃度標(biāo)準(zhǔn)限值為0.150 mg·m-3，因此一樓教室的PM10濃度超標(biāo)11.3%，而操場(chǎng)上的PM10濃度超標(biāo)50%。雖然實(shí)驗(yàn)采集的瞬時(shí)濃度數(shù)據(jù)只能作為參考，但從一定程度上能幫助學(xué)生更好理解PM10濃度的影響因素，從而關(guān)注自身的身體健康。當(dāng)然為了客觀地分析學(xué)校不同場(chǎng)所的空氣質(zhì)量，需要加強(qiáng)長期的空氣監(jiān)測(cè)，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具有科學(xué)性和說服力[6]。

表1　校園PM10濃度分布情況Table 1　Distribution of PM10 on campus

“PM10測(cè)定”實(shí)驗(yàn)的地點(diǎn)可以選擇在操場(chǎng)、教室或?qū)嬍业鹊湫偷男@場(chǎng)所中，通過實(shí)驗(yàn)的分析測(cè)定，不僅可以掌握相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)技能，還能側(cè)面了解校園不同場(chǎng)所大氣懸浮顆粒物的濃度范圍，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣?！癙M10測(cè)定”實(shí)驗(yàn)沒有使用任何化學(xué)試劑，在源頭上防止污染的產(chǎn)生。此外，我們還可以選擇其他環(huán)境友好的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，采用綠色化的途徑提取樣品，如柱層析法分離菠菜中的色素[7]。

2　優(yōu)先選擇環(huán)境友好的實(shí)驗(yàn)方案

針對(duì)同樣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，會(huì)有多種可行的實(shí)驗(yàn)方案存在，因此選用環(huán)境友好的實(shí)驗(yàn)方案也是實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)綠色化的重要途徑之一。以“浮游植物中葉綠素a含量的測(cè)定”為例，分光光度計(jì)法是最常用的測(cè)定方法，色素的萃取溶劑可以是丙酮、甲醇和乙醇。由于丙酮研磨法萃取效率差，甲醇對(duì)人體毒害性比較大，因此“熱乙醇法”成為目前國際上廣泛應(yīng)用的葉綠素a測(cè)定方法[8]。葉綠素的結(jié)構(gòu)如圖1所示，在酸性的環(huán)境中，卟啉環(huán)中的鎂可被氫取代，稱為去鎂葉綠素，呈褐色。當(dāng)銅或鋅取代氫，其顏色又變?yōu)榫G色，此種色素非常穩(wěn)定，且不受光和酸等因素的影響。在葉綠素a測(cè)定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入前沿的實(shí)驗(yàn)方案，使用安全的溶劑，能有效實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的綠色化。

圖1　葉綠素的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Structure of Chlorophyll-a

實(shí)驗(yàn)中所需的水樣可以就近在校園內(nèi)的景觀水體中取得，這樣可以減少樣品在運(yùn)輸過程中的能源消耗。一般富營養(yǎng)化水體需要250 mL水樣，由于校園景觀水體富營養(yǎng)化程度較高，一般只需取100 mL水樣來過濾分析。水樣的“減量”不會(huì)減少溶劑的使用，但是可以減少真空泵的使用時(shí)間，可以節(jié)約一定的能源消耗，體現(xiàn)“Reduction(減量化)”的綠色化原則。另外，分析測(cè)定中用到的5 mL離心管，因?yàn)槭褂玫妮腿┦?0%的乙醇，所以不會(huì)在實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生吸附，實(shí)驗(yàn)完畢后，去除過濾膜后，離心管經(jīng)過清洗可以重復(fù)利用，體現(xiàn)了“Recycling(回收)”的綠色化原則。同時(shí)學(xué)生實(shí)驗(yàn)中多余的萃取劑可以回收，在相關(guān)教師科研項(xiàng)目中加以應(yīng)用，減少了實(shí)驗(yàn)試劑過量配制產(chǎn)生的浪費(fèi)和污染。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研結(jié)合也是降低實(shí)驗(yàn)試劑污染的有效手段之一。

部分學(xué)生測(cè)得的葉綠素濃度如表2所示。根據(jù)測(cè)得的葉綠素濃度，經(jīng)過下列公式的換算，還可以求得綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)：

TLI=10×(2.5+1.086lnChl-a)

式中：TLI——Trophic Level Index，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

Chl-a——Chlorophyll-a，葉綠素a，mg·m-3

TLI指標(biāo)還可以用來輔助判斷水體富營養(yǎng)化程度，其中TLI<30為貧營養(yǎng)；30≤TLI≤50為中營養(yǎng)；TLI>50為富營養(yǎng)化。富營養(yǎng)化又細(xì)分為幾個(gè)水平，5070為重度富營養(yǎng)化。

由表2的數(shù)據(jù)可知，6組同學(xué)中3組同學(xué)的測(cè)定結(jié)果顯示校園景觀水體處于輕度富營養(yǎng)化水平，而另外3組同學(xué)的測(cè)定結(jié)果顯示學(xué)校景觀水體處于中度富營養(yǎng)化水平。

表2　校園景觀水體葉綠素濃度分析Table 2　Analysis on concentration of chlorophyll-a in the pond on campus

3　優(yōu)先選擇環(huán)境友好的實(shí)驗(yàn)手段

在保證實(shí)驗(yàn)效果的前提下，盡量選擇環(huán)境友好的實(shí)驗(yàn)手段。如以超聲清洗等環(huán)保方法對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行洗滌，用酒精溫度計(jì)和儀表溫度計(jì)代替水銀溫度計(jì)來避免可能產(chǎn)生的Hg污染，采用微波反應(yīng)器來提取有效組分以及合成制備等，用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)替代一些有毒有害、易燃易爆、不易控制操作的危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)等[10]。

以空氣中甲醛含量的分析為例，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手段以酚試劑為吸收原液采集空氣中的甲醛，再通過甲醛標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制，用分光光度法來分析空氣中甲醛的含量(GB/T16057-1995)。甲醛作為一種揮發(fā)性原生質(zhì)毒物[11]，具有潛在的致癌性，同時(shí)也是室內(nèi)空氣重要污染物之一[12]。因此，選用便攜式甲醛分析儀來開展分析，更加環(huán)境友好。便攜式甲醛分析儀由抽氣泵、電池和電化學(xué)傳感器組成，通過抽氣泵的工作將被測(cè)氣體抽入儀器內(nèi)部，甲醛氣體經(jīng)擴(kuò)散和吸收進(jìn)入傳感器，在適當(dāng)?shù)碾姌O電位下發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生的擴(kuò)散電極電流與空氣中的甲醛濃度成正比[13-14]，監(jiān)測(cè)限為0.01 mg·m-3。研究表明，甲醛分析儀測(cè)得的結(jié)果與傳統(tǒng)的酚試劑比色法[13]和乙酰丙酮法分光光度法[14]的結(jié)果均無顯著性差異。

4　減少實(shí)驗(yàn)室“三廢”排放

采取減少化學(xué)實(shí)驗(yàn)室污染的措施后，雖然可以降低試劑浪費(fèi)和實(shí)驗(yàn)室污染，但仍避免不了固體、液體和氣體廢棄物(即“三廢”)的產(chǎn)生。同時(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的廢棄物具有品種多、數(shù)量少和不確定性等特點(diǎn)，不適于集中處理，因此可以采取以下措施進(jìn)行安全化處理。

廢氣主要通過通風(fēng)櫥、換氣扇等排放到大氣中，通過濃度的稀釋來降低危害程度。廢液一般先分類收集，再分別集中處理。以富營養(yǎng)化指標(biāo)分析實(shí)驗(yàn)中的標(biāo)準(zhǔn)溶液為例，其多為含氮磷的營養(yǎng)液，直接排放會(huì)加劇水體的富營養(yǎng)化程度，可以經(jīng)過稀釋用于一些景觀植物的營養(yǎng)液。廢渣，尤其是無法回收利用的有毒廢渣，必須放入指定的回收瓶，隨意的丟棄可能會(huì)危及清潔人員的人身安全。盛放過有機(jī)溶劑的空試劑瓶，同樣需要集中處理，避免不必要的意外產(chǎn)生。

此外，高校的化學(xué)試劑、玻璃儀器也是一個(gè)高消耗、高污染和高隱患的部分[15]。實(shí)驗(yàn)室藥品存放不統(tǒng)一，剩余資源多是化學(xué)實(shí)驗(yàn)室常見的問題之一。實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)藏柜中的部分藥品用量極少，在采購的環(huán)節(jié)盡量選購較小規(guī)格的廠家，比如以50 g代替500 g，從源頭上減少閑置引起的浪費(fèi)。因?qū)W生操作不當(dāng)引起的玻璃儀器損耗也是實(shí)驗(yàn)室固體廢棄物的主要來源，如燒杯受熱不均破裂，玻璃棒操作不當(dāng)引起斷裂，試管、錐形瓶等不及時(shí)清洗導(dǎo)致無法正常使用等。因此，在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)中加強(qiáng)教育各類玻璃儀器的正常使用方法、注意事項(xiàng)等，可以有效減少固體廢棄物的產(chǎn)生。

另外，實(shí)驗(yàn)中涉及到的有機(jī)試劑受到環(huán)境條件的影響，會(huì)揮發(fā)、變質(zhì)、腐蝕，因此在存放過程中如果處理不當(dāng)會(huì)對(duì)環(huán)境造成不同程度的污染[16]，長期在實(shí)驗(yàn)室工作的實(shí)驗(yàn)員和教師可能會(huì)因吸入過多的揮發(fā)性有機(jī)溶劑而影響身體健康，勢(shì)必影響正常的教學(xué)和科研工作的順利進(jìn)行。一些易燃易爆的藥品，若存放不當(dāng)，可能還會(huì)引起火災(zāi)等化學(xué)事故。對(duì)于一些已知毒性較大或潛在毒性大的藥品，比如As、Cd、Hg、Cr和Pb等重金屬，最好是選用可替代的低毒藥品，盡量綠色化地開展實(shí)驗(yàn)，減少有毒有害廢棄物的排放。

此外，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室安全教育也是減少實(shí)驗(yàn)室“三廢”排放的必要途徑。部分學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)室安全教育總有一種“事不關(guān)己，高高掛起”的僥幸心理，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)室安全事故離自身很遙遠(yuǎn)[17]。我們需要在授課過程中采用圖片和視頻結(jié)合的方式，吸引學(xué)生的注意力。當(dāng)學(xué)生們親眼見到一些慘烈的實(shí)驗(yàn)室事故場(chǎng)景后，情感上的震撼會(huì)使學(xué)生更加關(guān)注自身和他人的安全，起到很好地震懾作用。最后可以通過展示一系列不當(dāng)操作的示意圖，讓學(xué)生找出相應(yīng)的安全隱患來鞏固實(shí)驗(yàn)室安全知識(shí)。

5　強(qiáng)化培養(yǎng)綠色化的可持續(xù)發(fā)展理念

“5R”理論是綠色化學(xué)的核心內(nèi)容，其中，“減量”(Reduction)是從省資源少污染的角度提出的；“重復(fù)利用”(Reuse)是出于降低成本和減少廢物排放的需要；“回收”(Recycling)主要包括回收未反應(yīng)的原料、副產(chǎn)物、助溶劑、催化劑等非反應(yīng)試劑；“再生”(Regeneration)是變廢為寶，節(jié)省資源、能源，減少污染的有效途徑；“拒用”(Rejection)是杜絕污染的最根本辦法，拒絕使用無法替代、無法回收再生和重復(fù)利用的污染或毒副作用明顯的原料[5]。

總之，在分離分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，教師需結(jié)合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的實(shí)際情況，適時(shí)滲透綠色化學(xué)思想，做到實(shí)驗(yàn)藥品的減量化，選擇裝置簡單和產(chǎn)物易分離的實(shí)驗(yàn)方法，采取有效的降低危害的處理措施。通過綠色化學(xué)的教育，讓學(xué)生充分理解和接納綠色化學(xué)知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生理解生活、生產(chǎn)中的綠色化學(xué)現(xiàn)象，強(qiáng)化綠色化的可持續(xù)發(fā)展理念[18]。

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Exploration and Practice on Greenization of Separation and Analysis Experiments*

ZHOUZhi,CHENMeng-qian,WUJing-wang,MIAOZi-qi,GENGMiao-ran,NIWan-min

(Department of Chemistry, College of Science and Technology, Zhejiang International Studies University, Zhejiang Hangzhou, 310012, China)

: Based on the extensive pattern of experimental mode without regarding environmental protection, 12 principles of green chemistry were applied, combining the feature of separation and analysis experiments, to discuss the possibility of applying concept of green chemistry into traditional experimental reform. Safe solvents and additives were used considering the teaching effect, at the same time, to prevent environmental pollution from the source, to reduce emission of toxic waste, and most importantly to enhance the environmental protection education efficiently.

separation separation and analysis experiments; experimental experimental teaching reform; greenizationgreenization; environmental environmental friendly

浙江外國語學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，國家自然科學(xué)基金(41503082)；浙江外國語學(xué)院科技學(xué)院精品課程項(xiàng)目。

倪婉敏(1985-)，女，副教授，主要從事應(yīng)用化學(xué)相關(guān)教學(xué)與科研工作。E-mail:niwanmin@zisu.edu.cn

O06-3

A

1001-9677(2016)015-0196-03