基于《高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)》的綠色化教學(xué)實(shí)踐探索

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(九江學(xué)院 ， 江西 九江 332005)

基于《高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)》的綠色化教學(xué)實(shí)踐探索

張立明，占昌朝，葉志剛，葉興琳

(九江學(xué)院 ， 江西 九江 332005)

結(jié)合多年《高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)》教學(xué)實(shí)踐，針對(duì)其試劑用量大、污染重及一定程度上的毒性、腐蝕性、燃爆等安全隱患問題，通過高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)從課程內(nèi)容安排、教學(xué)方法到綠色化理念等方面的改革，實(shí)施了綠色化實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐，從而改善化學(xué)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，減少環(huán)境污染，保護(hù)師生健康，并且實(shí)現(xiàn)了學(xué)生綠色化學(xué)及工程能力的培養(yǎng)，使學(xué)生深入了解“綠色化學(xué)”理念在高分子化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，形成節(jié)能環(huán)保的內(nèi)在意識(shí)。

高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn) ； 綠色化 ； 實(shí)踐

高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)由于原料的毒性、易燃性引起的安全問題廣受關(guān)注，因此進(jìn)行有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化建設(shè)非常必要。

綠色化技術(shù)運(yùn)用環(huán)境優(yōu)先的綠色過程工程理論和方法，研究開發(fā)資源(原料資源、能源資源)高效、清潔、循環(huán)利用以及清潔化生產(chǎn)新技術(shù)，取代傳統(tǒng)方法，在高分子化學(xué)工業(yè)清潔生產(chǎn)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展具有十分重要的意義[1-2]。

本文就高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)從課程設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、綠色化理念等方面的綠色化改革實(shí)踐進(jìn)行一些有益的研究探討。

1 課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

依照節(jié)約試劑、減少污染、提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率的原則，我們重新組合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增加實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的系統(tǒng)性，讓一些實(shí)驗(yàn)前后聯(lián)系起來，前一個(gè)實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)品可以成為后一個(gè)實(shí)驗(yàn)的原料，用盡可能少的試劑來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而極大地減少實(shí)驗(yàn)室的“三廢”，降低污染程度和不必要的浪費(fèi)，以實(shí)現(xiàn)綠色化學(xué)要求盡可能少的負(fù)作用的理想和目標(biāo)。對(duì)一些無法替代，又無法回收、再生和重復(fù)使用的，有毒副作用及污染作用明顯的原料，拒絕在化學(xué)過程中使用，這是杜絕污染的最根本方法。

比如醋酸乙烯為原料的合成實(shí)驗(yàn)(見圖1)，乳液聚合法合成的聚醋酸乙烯酯乳液可以作為白乳膠合成實(shí)驗(yàn)的原料，而聚醋酸乙烯酯還能以甲醇為原料使用溶液聚合法合成聚醋酸乙烯酯甲醇溶液，后者可以做醇解法制備聚乙烯醇的原料，聚乙烯醇又可以作為聚乙烯醇縮甲醛制備實(shí)驗(yàn)的原料[3]。而溶液法合成的聚醋酸乙烯酯后續(xù)可以銜接醇解法制備聚乙烯醇和縮醛法制備聚乙烯醇縮甲醛。這樣的實(shí)驗(yàn)課程安排用前一個(gè)實(shí)驗(yàn)所得產(chǎn)品為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的原料，以醋酸乙烯酯一種原料，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)大綱要求的溶液聚合、乳液聚合法，以及高分子化學(xué)反應(yīng)實(shí)驗(yàn)醇解法、縮醛法的實(shí)驗(yàn)要求，5個(gè)實(shí)驗(yàn)形成實(shí)驗(yàn)“鏈”，使學(xué)生鞏固高分子化工課程中的基本概念和理論，拓展學(xué)生對(duì)綠色化學(xué)的感性認(rèn)識(shí)，提高對(duì)綠色化學(xué)理論知識(shí)的理解和學(xué)習(xí)興趣，并使學(xué)生較熟練地掌握高分子化工產(chǎn)品的綠色生產(chǎn)工藝，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和動(dòng)手能力。通過構(gòu)建實(shí)驗(yàn)“鏈”，減少了試劑用量、降低了環(huán)境污染、提高了實(shí)驗(yàn)安全系數(shù)。

圖1 醋酸乙烯酯原料實(shí)驗(yàn)“鏈”構(gòu)建圖

2 實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

2.1“原子經(jīng)濟(jì)性”設(shè)計(jì)

綠色化學(xué)核心內(nèi)容之一是“原子經(jīng)濟(jì)性”，在高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)中怎樣充分利用反應(yīng)物中的各個(gè)原子，從而既能充分利用資源，又防止污染。用原子利用率衡量反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性，為高效的有機(jī)合成應(yīng)最大限度地利用原料分子的每一個(gè)原子，使之結(jié)合到目標(biāo)分子中，達(dá)到零排放。高分子化學(xué)原料一般包括單體、溶劑、分散劑、引發(fā)劑四個(gè)部分，加上合成路線設(shè)計(jì)，一下就從這五個(gè)方面討論綠色高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[9-10]。

2.1.1單體

單體是合成聚合物的骨架原料，必不可少，綠色化學(xué)著眼于提高收率為主，收率越高，殘留污染就越少，后續(xù)處理越簡單，常用反應(yīng)后期提高溫度，適當(dāng)延長反應(yīng)時(shí)間的方法都是非常有效的，比如有機(jī)玻璃板制備實(shí)驗(yàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)化率達(dá)到90%后，聚合物已成型，可以升溫使單體完全聚合。

2.1.2溶劑

高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)中可選溶劑非常多，但考慮到聚合方法、聚合機(jī)理，可以去除大部分不適合的溶劑，剩下的就要仔細(xì)斟酌，當(dāng)今流行的綠色化學(xué)就有用水代替有機(jī)溶劑的趨勢，因?yàn)橛袡C(jī)溶劑有毒、易燃、成本高、易污染環(huán)境，如果不得不使用有機(jī)溶劑，就要考慮毒性小、價(jià)格便宜、不易燃燒的溶劑，比如以偶氮二異丁腈為引發(fā)劑，甲醇為溶劑的醋酸乙烯酯的溶液聚合，乙醇就可以考慮代替毒性高的甲醇，因?yàn)槎咝再|(zhì)接近，基本不會(huì)影響反應(yīng)正常進(jìn)行，但這種替代肯定要有充分的預(yù)備實(shí)驗(yàn)支撐，大量的預(yù)備實(shí)驗(yàn)可以找到最佳的實(shí)驗(yàn)條件，以不影響實(shí)驗(yàn)正常進(jìn)行為標(biāo)準(zhǔn)，否則就得不償失了。

2.1.3分散劑

分散劑用量小，但對(duì)高分子化學(xué)反應(yīng)的乳液聚合、懸浮聚合的進(jìn)行必不可少，可以提高聚合效率，穩(wěn)定聚合體系，提高最終產(chǎn)品的質(zhì)量，但分散劑最重要的缺點(diǎn)是殘留，殘留的分散劑會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量，無害化分離困難，增加了生產(chǎn)成本，所以要選擇不影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量，殘留低、易分離的分散劑。

2.1.4引發(fā)劑

引發(fā)劑用量也很少，但它起的作用不容低估，好的引發(fā)劑可以提高反應(yīng)速率、產(chǎn)品收率，國際上對(duì)新型高效引發(fā)劑的研究始終是熱點(diǎn)不斷，在高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，為了減少污染，提高效率，讓學(xué)生體會(huì)綠色化學(xué)的理念，可以在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中引入一些新型高效引發(fā)劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)試驗(yàn)中使用的傳統(tǒng)引發(fā)劑。

2.1.5合成路線

白乳膠原料聚醋酸乙烯酯的制備實(shí)驗(yàn)可以使用乳液聚合法，就是在機(jī)械攪拌下，用乳化劑使單體在水中分散成乳液而進(jìn)行的聚合反應(yīng)。聚乙烯醇是醋酸乙烯酯聚合常用的乳化劑，它兼起著增稠和穩(wěn)定膠體的作用，這些原料在白乳膠制備時(shí)是必不可少的，這樣制備白乳膠時(shí)，直接向聚醋酸乙烯酯乳液添加碳酸鈣、滑石粉、鈦白粉等填充劑以及鄰苯二甲酸酯增塑劑和其他各類助劑勻漿攪拌即可，方法簡單，無廢棄物排放，環(huán)保高效；反之，如果使用溶液法制備聚醋酸乙烯酯為原料生產(chǎn)白乳膠，則需去除甲醇溶劑，另外添加乳化劑，方法繁瑣，還會(huì)產(chǎn)生甲醇廢液，而且甲醇溶劑有毒易燃，后續(xù)處理麻煩，形成人力物力的巨大浪費(fèi)，有違綠色化學(xué)的理念[11]。

2.2微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

就是在微型的化學(xué)儀器裝置中進(jìn)行的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，是以盡可能少的化學(xué)試劑而獲得比較明顯的反應(yīng)結(jié)果和準(zhǔn)確的化學(xué)信息的一種新型方法。

采用微型實(shí)驗(yàn)技術(shù)，不僅可大幅度減少實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，而且可以擴(kuò)大化學(xué)實(shí)驗(yàn)的覆蓋面，提高化學(xué)教學(xué)質(zhì)量。其優(yōu)點(diǎn)是減少試劑用量(僅為常規(guī)實(shí)驗(yàn)的1/1000～1/10)，降低實(shí)驗(yàn)排廢量，減少環(huán)境污染，縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，且安全可靠。微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)作為綠色化學(xué)的一項(xiàng)方法和技術(shù)，已在國內(nèi)外日益得到重視和推廣[5-6]。

條件不具備的情況下，也可以實(shí)踐減量法，也就是在保證實(shí)驗(yàn)操作以及結(jié)果的情況下，減少試劑用量，比如原來用250 mL燒瓶進(jìn)行的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，改用100 mL或者50 mL的燒瓶，藥品用量減少到原來的1/4～1/2，這樣，藥品損耗和實(shí)驗(yàn)安全性都大大改善。

當(dāng)然，微型化不能僅僅為了微型化而微型化，把握一定的尺度是必須的，例如在聚苯乙烯陽離子交換樹脂制備實(shí)驗(yàn)中，合成目標(biāo)主要是為了得到樹脂微球，粒徑最關(guān)鍵的，主要影響因素是攪拌。因此應(yīng)當(dāng)尤其注意攪拌的速度以及攪拌棒的位置，攪拌棒要放低一些。開始攪拌后不可改變攪拌速度，否則可能造成顆粒黏結(jié)，在保證產(chǎn)品品質(zhì)的情況下，我們減少試劑用量到原有的1/2，依然得到了較好的微球產(chǎn)品。而在某些需要定量計(jì)算的試驗(yàn)中，比如聚乙烯醇縮甲醛制備，縮醛度、產(chǎn)率等都與投料量密切相關(guān)，過分強(qiáng)調(diào)微型化的話，計(jì)量的誤差、操作中的損失可能導(dǎo)致比較大的偏差，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果失真，這個(gè)時(shí)候就要慎重設(shè)計(jì)，不能偏離主要的實(shí)驗(yàn)?zāi)康钠鎻?qiáng)調(diào)微型化。

3 綠色化理念

在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備以及制度建設(shè)以及教學(xué)過程中推行綠色化理念，培養(yǎng)學(xué)生綠色化學(xué)素養(yǎng)。

3.1硬件建設(shè)

實(shí)驗(yàn)室設(shè)備應(yīng)滿足基本實(shí)驗(yàn)要求，比如每個(gè)試驗(yàn)臺(tái)配備排風(fēng)系統(tǒng)、水龍頭、插座，廢液廢固要有專門處理儲(chǔ)存地，并定期處置，確保不造成二次污染。實(shí)驗(yàn)室藥品的保存和使用要科學(xué)合理，危險(xiǎn)化學(xué)品必須儲(chǔ)存在經(jīng)有關(guān)部門批準(zhǔn)設(shè)置的專門的危險(xiǎn)化學(xué)品倉庫中，必須遵循科學(xué)化、準(zhǔn)確化和數(shù)量化的要求。試劑的存放應(yīng)采用分類存放原則，實(shí)驗(yàn)室常規(guī)所用的化學(xué)藥品與實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備室所用化學(xué)試劑分開；劇毒化學(xué)藥品、易燃易爆化學(xué)藥品與一般化學(xué)藥品分開。根據(jù)不同化學(xué)藥品的特性存放，對(duì)一些易揮發(fā)、易升華，易潮解、水解、風(fēng)化、氧化或易與二氧化碳反應(yīng)的化學(xué)藥品，應(yīng)分別采用蠟封、油封、水封、避光、低溫、通風(fēng)、防震、防碰等方法進(jìn)行保管[12-13]。

3.2軟件及課堂教學(xué)

軟件主要包括各項(xiàng)規(guī)章制度的建設(shè)，包括《實(shí)驗(yàn)室管理制度》《實(shí)驗(yàn)室安全管理制度》《儀器使用管理制度》《藥品使用管理制度》及《實(shí)驗(yàn)室衛(wèi)生制度》等[14-15]。

實(shí)驗(yàn)過程需要教師對(duì)試劑量取、操作步驟進(jìn)行精心指導(dǎo)，試劑配制要做到規(guī)范操作準(zhǔn)確計(jì)量，注意控制溶液的濃度和用量，操作過程要規(guī)范有序，減少對(duì)環(huán)境的污染。在此過程中，逐漸培養(yǎng)學(xué)生形成節(jié)能環(huán)保綠色化學(xué)的科學(xué)理念。

此外，針對(duì)試驗(yàn)中的方法數(shù)據(jù)討論也是給學(xué)生灌輸綠色化理念的重要環(huán)節(jié)，比如聚乙烯醇制備過程，有硫酸法和鹽酸法兩種，硫酸法使用大量硫酸，產(chǎn)生的硫酸廢液量大、成本高、污染重，鹽酸法使用鹽酸量小、廢液量小、成本低、污染小，顯然優(yōu)于硫酸法，尤其是學(xué)生操作危險(xiǎn)性大大降低。為了最大限度保證學(xué)生安全，減少污染，我們?cè)O(shè)計(jì)了分區(qū)實(shí)驗(yàn)法，也就是把一個(gè)實(shí)驗(yàn)班分成兩組，一組使用硫酸法，一組實(shí)驗(yàn)鹽酸法，實(shí)驗(yàn)后，兩組進(jìn)行討論交流，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、結(jié)果，老師從旁指導(dǎo)，使學(xué)生對(duì)兩種方法有了比較全面的認(rèn)識(shí)。

4 結(jié)論

高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化改革實(shí)踐是一項(xiàng)系統(tǒng)性、長期性的工作，化學(xué)教育工作者和全體大學(xué)生需要對(duì)基于“綠色化學(xué)”理念的高分子化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革不斷努力的工作，這即符合我國環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，也對(duì)學(xué)生深入了解“綠色化學(xué)”理念在高分子化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，形成節(jié)能環(huán)保的內(nèi)在意識(shí)起到極大的推動(dòng)作用，具有十分重要的戰(zhàn)略性意義。

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G642.4

B

1003-3467(2017)11-0054-03

2017-08-11

2015年江西省高等學(xué)校省級(jí)教改課題(JXJG-15-17-8)

張立明(1969-)，男，博士，副教授，從事高分子化學(xué)方面的教學(xué)和研究工作，E-mail：zlmhhy@163.com。