高校分析化學(xué)實驗室建設(shè)探索與實踐

李 嬌，金 谷，姚奇志，劉紅瑜，李玲玲，王曉葵，陳 鍇，朱平平

（1. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 化學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心，安徽 合肥 230001；2. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230001）

化學(xué)實驗室是高校師生開展教學(xué)、科研、社會服務(wù)的重要基地，肩負著培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和動手能力的任務(wù)[1]。教學(xué)實驗室作為化學(xué)學(xué)科實驗教學(xué)的重要依托，其硬件（實驗室設(shè)計細節(jié)和配置等）和軟件（實驗室科學(xué)規(guī)范管理）水平直接影響實驗教學(xué)的質(zhì)量，從而影響到化學(xué)學(xué)科建設(shè)、科研能力提升、學(xué)生能力的培養(yǎng)等一系列重要方面[2]。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)中心（以下簡稱中心）2009年初被批準(zhǔn)為國家級實驗教學(xué)示范中心建設(shè)單位。2012年8月，中心已整體搬遷至新建的環(huán)境資源樓。使用面積由原4418 m2增至6500 m2。在新樓設(shè)計和建設(shè)過程中，實驗室的內(nèi)部硬件設(shè)施整體布局規(guī)劃，如實驗臺面、實驗室學(xué)生柜體、吊柜、儲存柜、實驗架等，須根據(jù)不同實驗課程進行個性化設(shè)計。每個實驗（分析化學(xué)實驗、普通化學(xué)實驗、無機化學(xué)實驗、有機化學(xué)實驗、物理化學(xué)實驗、儀器分析實驗、化工實驗）課程組結(jié)合自身教學(xué)特點提交具體需求，設(shè)計人員針對不同的要求反復(fù)修改設(shè)計稿，按需定制，避免了實驗室空間浪費，大大降低了日后自行改造的建設(shè)成本。建設(shè)后，中心的硬件設(shè)施更加科學(xué)合理，教學(xué)環(huán)境得到了極大改善。本文介紹分析化學(xué)實驗室建設(shè)的一些具體做法。

1 分析化學(xué)實驗室特點

分析化學(xué)實驗特點是?；份^多、玻璃儀器多、小型儀器多、氣味較小。分析化學(xué)實驗?；吩噭┣鍐我姳?。

表1 分析化學(xué)實驗?；吩噭┣鍐?/p>

本校分析化學(xué)實驗室（以下簡稱分化實驗室）包含學(xué)生實驗教室3間、天平室2間、準(zhǔn)備間1間、藥品間1間，依據(jù)自身課程特點、既有場地的實際分區(qū)布局以及國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 32146.1—2015、GB/T 21747—2008、GB 24820—2009），分化實驗室的建設(shè)設(shè)計應(yīng)充分考慮適用性和實用性，具備防潮、防火、防腐蝕、通風(fēng)等性能，以達到環(huán)保、安全、耐用的目的[3-6]，這些都需要和裝修設(shè)計人員進行細致的溝通，才能做到滿足全部需要。本文從材料選擇、水電配置、通風(fēng)系統(tǒng)、儲物系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等方面來介紹。

2 實驗室建設(shè)規(guī)劃細節(jié)

學(xué)校投入近4000萬元專項資金，用于環(huán)境資源樓（包含中心）通風(fēng)設(shè)備、實驗臺柜以及純水和實驗氣體供應(yīng)裝置的建設(shè)。

2.1 材料材質(zhì)選擇

學(xué)校老化學(xué)樓的實驗臺面材料采用理化板，耐腐蝕性差，柜體材料是顆粒板，易變形，強度差，耐腐蝕性差，在改造3～4年后均出現(xiàn)柜體塌陷、鉸鏈銹蝕、臺面起皮等現(xiàn)象。吸取教訓(xùn)，新樓建設(shè)在材料材質(zhì)選擇上，根據(jù)實驗室性質(zhì)不同，選擇不同的材料，針對分化實驗室的特點，耐腐蝕性應(yīng)在首位考慮，于是選用環(huán)氧樹脂板。

天平室對防震、平整性、防塵要求高，選取4 cm大理石板，下柜顆粒板材質(zhì)，并配有窗簾遮光、防塵罩等配件。

2.2 水電配置

中心采購純水供應(yīng)裝置，制備純水集中供應(yīng)至每個實驗室水槽臺面，為師生提供了用水便利，同時還有便于集中管理、降低運行成本以及量產(chǎn)等優(yōu)勢。

分化實驗室臺面設(shè)計添加了臺面水槽，由于一組實驗大臺面共計8個學(xué)生同時進行實驗，水槽位于臺面兩端，實驗過程中難免會有少量液體傾倒或需要簡單清洗的步驟，水槽過遠則經(jīng)常會出現(xiàn)學(xué)生擁擠的情況，這樣不僅大大降低實驗效率并且有可能會發(fā)生碰撞造成實驗儀器損壞或者液體損失等。臺面小水槽的設(shè)計，很好地解決了這一問題，純水供應(yīng)位置和中央臺面水槽見圖1。

圖1 純水供應(yīng)位置和中央臺面水槽

實驗室供電系統(tǒng)主要是要考慮滿足當(dāng)前及未來增加的實驗儀器等特殊用電要求，根據(jù)儀器數(shù)量、擺放位置等因素進行設(shè)計。

學(xué)生實驗室供電包括大功率實驗儀器、中央臺面供電、邊柜臺面供電等，大功率實驗儀器（如電烘箱、電熱板等）需要380 V和220 V電壓的電線同時布設(shè)。其中，實驗中電熱板多用于處理樣品使用，有可能會有煙霧出現(xiàn)，所以將其放置于通風(fēng)櫥中，但是通風(fēng)櫥標(biāo)配電源達不到功率的要求，同時考慮化學(xué)實驗室強酸、強堿腐蝕性藥品試劑的影響，所以在使用不久后即更換為與儀器要求相符的電源（空氣開關(guān)），外部加裝電源罩，目前使用情況良好。中央臺面主要放置磁力攪拌器、水浴鍋、抽濾泵等儀器，一個學(xué)生可能會同時用2～3種，因此應(yīng)該盡量多增加插座數(shù)量。邊柜臺面主要放置離心機、電子臺秤、酸度計、超聲清洗機等公用儀器，多配置插座也是設(shè)計的核心，插座置于柜面墻邊，美觀實用。插座均配有防水罩，以免實驗中液體濺入插座中造成事故[7]。

2.3 通風(fēng)系統(tǒng)

化學(xué)實驗過程中，經(jīng)常會產(chǎn)生各種難聞、有腐蝕性、有毒或易燃易爆的氣體，因此實驗室必須具備良好的通風(fēng)條件，根據(jù)分化實驗室危化品較少的特點，采用通風(fēng)櫥、通風(fēng)藥品柜組合的方式（見圖 2），即可滿足分析化學(xué)實驗室基本通風(fēng)要求。

圖2 通風(fēng)藥品柜（左）、通風(fēng)櫥（右）

2.4 儲物系統(tǒng)

分化實驗室中玻璃儀器和小型儀器、耗材種類多、數(shù)量多，這就要求在設(shè)計之初，充分考慮到實驗室的儲物功能，簡單說就是柜子、抽屜要足夠多，包括學(xué)生柜、邊柜、吊柜、藥品柜等。

2.4.1 玻璃儀器存儲

玻璃儀器則分為學(xué)生柜用、備用存儲兩部分，分別進行管理。備用玻璃儀器統(tǒng)一放置于一間教室的邊柜內(nèi)，標(biāo)簽明示，見圖 3(a)。學(xué)生實驗常用的玻璃儀器按儀器清單所列規(guī)格、數(shù)量人手一套，置于學(xué)生柜中，見圖3(b)。

每學(xué)期初實驗開始前讓學(xué)生清點，如有缺漏，即時補齊，每個實驗柜內(nèi)置鎖具，學(xué)期中學(xué)生自行保管，實驗過程中損壞或?qū)W期末清點有缺損、丟失的，須按儀器原價一定折扣（2折）賠償補齊。學(xué)期中如有丟失或者破損，由助教先行登記補齊，于學(xué)期末統(tǒng)一賠償。雖然大多數(shù)玻璃儀器每種賠償金額僅為幾角錢，但是此制度的實行讓學(xué)生提高了責(zé)任感。近幾年從回收破損玻璃儀器的數(shù)量上看，破損率有顯著降低，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生愛護實驗儀器，養(yǎng)成良好的實驗習(xí)慣。

2.4.2 小型儀器及耗材存儲

小型儀器存儲一般多置于邊柜或獨立儲物柜中,見圖3(c)。耗材存儲則置于抽屜及吊柜中，方便存取。因此在滿足安全環(huán)保前提下，配制足夠多的儲物柜、抽屜尤為重要。

2.4.3 學(xué)生柜設(shè)計理念

圖3 玻璃儀器及小型儀器存放

分化實驗室學(xué)生柜采用抽屜的形式，是基于常年對學(xué)生使用情況的調(diào)查。老化學(xué)樓都是雙開門柜，內(nèi)置隔板分隔為上下兩層，學(xué)生儀器易混淆，而且下層儀器取用十分不便。于是搬遷新樓后的學(xué)生柜全部采用抽屜的模式，每個抽屜配鎖，方便管理。實驗室開放使用至今，學(xué)生普遍反映抽屜較之前的雙開門柜方便許多，而且玻璃儀器取用時不易磕碰破損。學(xué)生柜設(shè)計方案見圖4。

圖4 學(xué)生柜設(shè)計方案

2.5 廢液收納細節(jié)設(shè)計

根據(jù)實驗室廢液處置分類辦法，化學(xué)實驗室需要按廢液種類分別進行回收保存，統(tǒng)一按時間收運，各類廢棄物分類要嚴格，標(biāo)簽要規(guī)范填寫，準(zhǔn)確注明成分，勾選上廢棄物危險特性（易燃、腐蝕等）[8-10]。依據(jù)分化實驗室的特點，需配置3個種類的回收桶：酸性無機廢液桶、堿性無機廢液桶、重金屬離子無機廢液桶。

對于廢液分類處理，完全依靠學(xué)生自行分類，會出現(xiàn)很多問題。舉個簡單例子，滴定過程中NaOH溶液滴定HCl溶液，亦或反之。滴定完成后，學(xué)生們會將含有指示劑的錐形瓶中的溶液倒入堿性或者酸性無機廢液桶，這樣廢液桶內(nèi)出現(xiàn)明顯顏色變化，回收公司則以溶液內(nèi)具體成分不明為由拒收廢液。所以經(jīng)過多方考慮，最終采用助教輔助廢液回收的方法[11]，具體做法為：（1）要求教師在每次實驗課中，須和學(xué)生說明本次實驗廢液種類以及處理方式；（2）學(xué)生實驗結(jié)束后，須在助教的指導(dǎo)下統(tǒng)一將廢液倒入廢液杯中；（3）助教將廢液由廢液杯倒入廢液桶中。此方法中間環(huán)節(jié)增添助教輔助，簡單易行，完美地解決了廢液回收混亂問題。

由于廢液桶使用次數(shù)較多，為減輕實驗人員和助教反復(fù)搬移的工作量，我們將廢液回收柜設(shè)計為底部無底板留空形式，方便取用。配劑間的試劑桶存放柜也采用同樣的設(shè)計方式。

2.6 消防系統(tǒng)

分析化學(xué)實驗室根據(jù)消防要求設(shè)置消防給水系統(tǒng)。消火栓布置在走廊以及教室內(nèi)，包括消防沙箱、泡沫滅火器、氣體滅火器、沙桶、安全應(yīng)急柜等輔助滅火工具[12]。

2.7 其他

分析化學(xué)實驗室設(shè)計過程雖然總體已經(jīng)達到預(yù)期，但是一些細節(jié)仍然未考慮到或者因?qū)嵤┻^程中出現(xiàn)或多或少的問題而擱置，亦或者實施后并未達到實用性的要求。舉個反面示例，分析實驗多使用強酸強堿，配制試劑一般都會在通風(fēng)櫥里完成，而且用純水量相當(dāng)大，但是新樓配劑間純水出口龍頭是在房間南側(cè)，通風(fēng)櫥位于北側(cè)，中間臺完全堵住取水道路，需要繞過中央臺，路程較長，實際操作極為不便。所以我們設(shè)想如果能在通風(fēng)櫥內(nèi)接純水接口，試劑配制就能快捷許多。配劑間設(shè)計見圖5。通過和設(shè)計師溝通，他們表示可以實現(xiàn)，由于未及時跟蹤工程細節(jié)，最終交付的則是鐵制水龍頭，使用一段時間便已銹蝕不堪，放棄使用。目前還在摸索更好的方法來解決配劑間問題。

圖5 配劑間設(shè)計圖（桔色為取純水路線）

3 實驗室建設(shè)成效

實驗室建設(shè)緊密圍繞國家級實驗教學(xué)示范中心建設(shè)目標(biāo)，我?；瘜W(xué)實驗教學(xué)中心在新樓實驗室細節(jié)設(shè)計及硬件環(huán)境升級建設(shè)方面開展了大量工作，取得了明顯成效，提高了實驗室的內(nèi)在和形象，產(chǎn)生了良好的示范輻射作用。例如，2019年6月中心接待了“英才計劃”化學(xué)學(xué)科夏令營一行百余人的參觀學(xué)習(xí)，并指導(dǎo)營員做興趣實驗；2014年11月中心成功舉辦29屆化學(xué)奧林匹克決賽暨冬令營，全國 30個代表隊的339名營員參賽，中國化學(xué)會對中心工作予以高度評價；2013年至今，每年學(xué)?？萍蓟顒又芑瘜W(xué)科普點舉辦大型開放活動，2018年參加活動已達1.1萬人次，央視新聞移動網(wǎng)、央視新聞頭條、央視新聞百家號、央視新聞微博、央視新聞客戶端、CGTN（中國國際電視臺）對活動予以直播及介紹，活動深受孩子和家長的喜愛，好評不斷；2010年至今，我們接待了大連理工大學(xué)、同濟大學(xué)、鄭州大學(xué)、中山大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)等10多所高校教師和教輔教師等前來參觀交流學(xué)習(xí)，得到兄弟院校教師的肯定。示范輻射遠不止于此，“請進來、走出去”是中心的工作信條，請進來的是汲取新知識，強化自身建設(shè)，走出去是傳遞科技能量，示范建設(shè)成效。

4 結(jié)語

實驗室建設(shè)與設(shè)計過程中，實驗人員與裝修設(shè)計人員的溝通非常重要。雙方從始至終進行有效的溝通，即可避免細節(jié)建成后使用不方便或不合理的問題。所有細節(jié)設(shè)施的合理排布，都是建構(gòu)在保證實驗室建設(shè)規(guī)范的基礎(chǔ)上，做到既能滿足教學(xué)實驗研究的“適用性”需求，又能符合實驗人員方便操作的“實用性”要求。隨著時間推移，新媒體信息技術(shù)以及新管理方法的介入，實驗室建設(shè)也要與時俱進，不斷創(chuàng)新。