高校無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室廢水管控與處理綠色化探索與實(shí)踐

文_吳萃艷 王精華 肖卓杰 張漫波 胡瑞祥 湖南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院

1 高校無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室廢水排放與危害

近年來，隨著在校生人數(shù)的不斷增多以及科技創(chuàng)新能力的不斷提高，高校實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)和科研活動愈加頻繁，實(shí)驗(yàn)廢水急劇增加，其中包括很多危險(xiǎn)、有毒的化學(xué)物質(zhì)。無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室廢水主要含有各種酸堿液以及重金屬離子，若不經(jīng)過處理直接排放，將會對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。其中酸堿廢水排入水體會影響水生生物的生產(chǎn)，排入農(nóng)田會使土壤酸化或鹽堿化，危害農(nóng)作物；鉛、汞、鎘、鉻、砷等重金屬離子廢水會造成人體致畸、致癌、致突變，甚至造成急性中毒。然而目前許多高校實(shí)驗(yàn)室仍對實(shí)驗(yàn)室廢水僅僅是簡單的處理，甚至不作任何處理就直接排放，對周圍環(huán)境和人體健康造成了不利的影響。

2 高校無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室廢水處理的研究現(xiàn)狀

為規(guī)范和加強(qiáng)高校實(shí)驗(yàn)室排污管理工作，2005 年7月，教育部、國家環(huán)境保護(hù)總局聯(lián)合下發(fā)《關(guān)于加強(qiáng)高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)室排污管理的通知》，將高校實(shí)驗(yàn)室納入了環(huán)境監(jiān)管范圍，但仍存在一些問題亟待解決。如：①師生環(huán)保自覺性不強(qiáng)。雖然學(xué)校已制定了實(shí)驗(yàn)廢液管理辦法，但許多實(shí)驗(yàn)室的師生仍被動接收，甚至陰奉陽違。教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中重專業(yè)知識的傳授而輕環(huán)保意識的培養(yǎng)。②廢水排放管理難度大。實(shí)驗(yàn)室廢水雖然相對量少，但排放的主體和排放時(shí)間不確定，導(dǎo)致廢水的收集和處理難以實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)室應(yīng)根據(jù)廢水的主要成分和性質(zhì)確定儲存容器和儲存條件，儲存容器必須標(biāo)明主要成分與儲存時(shí)間等。③廢水處理設(shè)施和處理經(jīng)費(fèi)無法保證。部分高校未設(shè)立實(shí)驗(yàn)室“三廢”處理專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)，使得實(shí)驗(yàn)室污染物處理工作難以開展。④廢水處理方法不完善。實(shí)驗(yàn)室廢水成分復(fù)雜，危害大，處理方法直接決定了廢水處理的效果與經(jīng)濟(jì)成本，若處理方法不得當(dāng)影響處理效果，將會導(dǎo)致資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。本文以無機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室為例，采取管控與處理相結(jié)合的措施，對實(shí)驗(yàn)室廢水的處理進(jìn)行探究與實(shí)踐。

3 無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室廢水管控

化學(xué)實(shí)驗(yàn)室廢水的產(chǎn)生涉及人員眾多，排放時(shí)間、周期不確定，且廢水成分復(fù)雜。對實(shí)驗(yàn)室廢水進(jìn)行有序管理，可大大簡化后期處理過程。由此可見，化學(xué)實(shí)驗(yàn)室廢水的管理對于廢水的有效處理非常重要。為有效控制無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室廢水污染，根據(jù)本實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，采取了如下管理措施。

3.1 培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識

學(xué)生是實(shí)驗(yàn)室廢水產(chǎn)生的主體，要真正解決實(shí)驗(yàn)室污染問題，首先要提高學(xué)生的環(huán)境意識，讓學(xué)生直接參與廢液管理和回收處理，使他們形成節(jié)儉環(huán)保的好習(xí)慣。無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)通常在大學(xué)一年級開設(shè)，大一新生普遍對化學(xué)實(shí)驗(yàn)好奇心強(qiáng)，但對許多化學(xué)試劑的性能和危害了解不夠。因此，高校需設(shè)立實(shí)驗(yàn)室安全教育，專題講解實(shí)驗(yàn)室各類污染物的管理辦法，并在具體的實(shí)驗(yàn)課中設(shè)置集中回收處，讓學(xué)生直接參與廢液管理和回收處理，使他們形成節(jié)儉環(huán)保的好習(xí)慣。禁止學(xué)生隨意傾倒、堆放、丟棄實(shí)驗(yàn)中的廢棄物，并將安全與環(huán)保列入實(shí)驗(yàn)考核范圍。

3.2 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)室廢水管控應(yīng)從減少污染的源頭做起，教師在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，提倡“綠色化學(xué)”概念，盡量做到減量化和無害化。減量化即在可以達(dá)到預(yù)期目的條件下，減少或消除有害物質(zhì)的使用和生產(chǎn)。如元素化學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)部分涉及到很多對環(huán)境有嚴(yán)重污染的化合物，經(jīng)過多次摸索，不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)用量，在保證觀察到明顯實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的同時(shí)，使含有硫、氮、硅、硼、鹵素、銅、銀、鋅、鉻等元素的廢水排放量大大減少。無害化是指在保證學(xué)生能夠?qū)W習(xí)使用各種制備方法的前提下，將部分污染嚴(yán)重的實(shí)驗(yàn)改為實(shí)驗(yàn)操作類似的實(shí)驗(yàn)，如制備實(shí)驗(yàn)部分的《三草酸根合鐵酸鉀的制備》。此外，對有輻射源危險(xiǎn)、易燃易爆的實(shí)驗(yàn)，在不影響教學(xué)效果的前提下，采用仿真實(shí)驗(yàn)代替。

3.3 產(chǎn)物回收利用

將學(xué)生實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的溶液以及化合物在后期的實(shí)驗(yàn)中加以充分利用，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置資源化。如在《試劑取用和溶液配制》一課中，所配置的氯化鉀溶液用于學(xué)生學(xué)習(xí)和練習(xí)測量摩爾電導(dǎo)率?！读蛩醽嗚F銨的制備》實(shí)驗(yàn)中所得的產(chǎn)物硫酸亞鐵銨用于《三草酸合鐵(III)酸鉀的制備》實(shí)驗(yàn)中的合成原料。《五水硫酸銅的制備》實(shí)驗(yàn)中所得的產(chǎn)物用于《電鍍與電解》實(shí)驗(yàn)中電解液的配置，且電解液可重復(fù)使用。《純水的制備（離子交換法）》實(shí)驗(yàn)所用的陰陽離子樹脂集中收集用于離子交換法處理實(shí)驗(yàn)室廢水。對產(chǎn)物進(jìn)行充分利用，不僅減少污染物的排放，還可以減少實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)開支。

高校實(shí)驗(yàn)廢水量較工業(yè)污水相對較少，但每次實(shí)驗(yàn)都會排放一定量廢水，日積月累仍是對環(huán)境的一大威脅。因此，研究快捷有效、成本低廉的實(shí)驗(yàn)室廢水處理方法意義重大。

4 無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)廢水的處理

實(shí)驗(yàn)室廢水處理方法直接決定著廢水的處理效果，若方法選擇不當(dāng)，不僅會造成處理效果達(dá)不達(dá)標(biāo)，同時(shí)也將造成資源浪費(fèi)。無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室排放的廢水主要分為酸、堿廢水以及含重金屬離子的廢水，因此對不同種類的廢液設(shè)置了專門的回收裝置。酸、堿廢水主要處理方法為酸堿中和法，即平時(shí)分開儲存，定期進(jìn)行混合中和處理，使其pH 達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)（6.5＜pH＜8.5）。含重金屬離子的廢水常用處理方法有吸附法、沉淀法和離子交換法。

4.1 酸堿中和法處理酸堿廢水

無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中會產(chǎn)生常見酸（如HCl、H2SO4、HNO3、H3PO4和CH3COOH 等）和 堿（如NaOH、KOH、Ca(OH)2和NH3·H2O 等）廢水，這些廢水本身不含有對環(huán)境有害的元素，相互之間反應(yīng)也不會對環(huán)境造成再次污染。具體流程如圖1 所示。

圖1 無機(jī)廢水處理流程

然而，簡單的酸堿中和處理只能達(dá)到中和廢酸和廢堿的目的，對于含有重金屬離子的廢水在酸堿中和預(yù)處理之后還需進(jìn)一步去除重金屬離子。含重金屬離子的去除常用處理方法有吸附法、沉淀法和離子交換法等，其中離子交換法因其具有操作簡單、處理容量大、效率高、速度快、離子交換劑可重復(fù)使用和運(yùn)行費(fèi)用較低等優(yōu)勢，在重金屬廢水處理方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

4.2 離子交換法處理重金屬離子廢水

離子交換法是利用離子交換劑與溶液中的陰陽離子發(fā)生交換進(jìn)行分離的方法，它的除污容量大且效率高，不僅可以處理含有鎂、鋁、鐵、鋅、鉻、鎘、砷、汞等重金屬離子的廢水，也可以處理含硫化物、氰化物和鹵素離子的廢水等。近年國內(nèi)外生產(chǎn)的離子交換樹脂品種達(dá)數(shù)百種，年產(chǎn)量數(shù)十萬噸。其中強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂和強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂是水純化時(shí)常用的2種樹脂。強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂的活性基因是磺酸基-SO3-M，式中M 可以是Na+、K+、H+。當(dāng)M 為H+時(shí)，叫氫型樹脂；當(dāng)M 為Na+時(shí)，叫鈉型樹脂，它可與水中的其他雜質(zhì)陽離子進(jìn)行交換。強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂是在苯乙烯和二乙烯苯的共聚物加上-NR3Cl 或-NR3-OH（R 是H，或-CH3等）而制成，前者稱為氯型，后者稱為羥型，其中氯（Cl-）氫氧根（OH-）是可以電離的，它們可與水中的其他雜質(zhì)陰離子進(jìn)行交換。使用陰陽離子交換樹脂構(gòu)建混床式離子交換塔可以同時(shí)去除水中的陰陽離子，使廢水達(dá)到排放要求。

離子交換法處理無機(jī)實(shí)驗(yàn)廢水的裝置如圖2 所示，主要包括污水罐、交換柱和濾水罐三部分。具體操作流程如下：1 向污水罐中加入廢水，濾網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)初步過濾，將固體雜質(zhì)與液體分離；2 當(dāng)污水罐儲滿實(shí)驗(yàn)廢水后，打開出水閥1、出水閥2、入水閥1，啟動水泵將廢水泵入過濾裝置；3 當(dāng)污水罐內(nèi)液面低于水位開關(guān)A 時(shí)，A 觸發(fā)，關(guān)閉出水閥1，打開沖洗閥，水泵向過濾裝置泵入干凈的水，將上一步滯留的濾液排出，10min 后關(guān)閉沖洗閥、入水閥1、出水閥2 及水泵；4 當(dāng)濾水罐內(nèi)過濾后的廢水達(dá)到可排放標(biāo)準(zhǔn)，打開排水閥3，將濾水排放；5 當(dāng)濾水罐內(nèi)濾水達(dá)不到排放要求時(shí)，打開入水閥1、入水閥2、出水閥2 及水泵，將廢水重新過濾，30min 后，關(guān)閉入水閥1、入水閥2、出水閥2 及水泵，再次檢測水質(zhì)，達(dá)標(biāo)則排放，否則重新過濾，直至確認(rèn)安全并達(dá)標(biāo)后才能排放。本裝置中交換柱填充的樹脂主要來源于學(xué)生實(shí)驗(yàn)廢棄的陰陽離子交換樹脂的回收利用，失去交換能力的樹脂經(jīng)簡單的酸堿處理再生，可恢復(fù)交換能力和循環(huán)利用，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部實(shí)現(xiàn)“以廢治廢”的綠色化廢水處理。

5 結(jié)語

化學(xué)實(shí)驗(yàn)室廢水處理是一項(xiàng)長期而又艱巨的工作，實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的廢水單人單次量少，但累計(jì)排放量大，有效處理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中廢水，既可減少有害排放，實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好，又可以培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識。酸堿中和法和離子交換法均為成本低廉、快捷有效、便于在無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室推廣的廢水處理方法，兩者結(jié)合使用可有效去除水中的酸堿、重金屬離子等有害污染物。本實(shí)驗(yàn)室處理之后的水質(zhì)可以達(dá)到國家下水道(CI18—86)排放標(biāo)準(zhǔn)，大大改善了實(shí)驗(yàn)廢水對環(huán)境可能造成的不利影響。本文為其他高校進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室廢水的綠色化管控與處理提供了很好的參考意見。

圖 2 離子交換法處理無機(jī)廢水裝置