實(shí)驗(yàn)室無水無氧手套箱操作和安全運(yùn)行管理的探索和實(shí)踐

鄭潔，章福平，李育佳

南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，南京 210023

近年來，高?？蒲袑?shí)驗(yàn)室在新材料、新能源和生物醫(yī)藥領(lǐng)域不斷取得新進(jìn)展。在這些領(lǐng)域中，很多化學(xué)反應(yīng)對實(shí)驗(yàn)過程中的水分和氧含量要求十分嚴(yán)格，水和氧的含量會極大地影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。無水無氧手套箱則可以有效控制箱內(nèi)的水和氧含量，保護(hù)強(qiáng)還原試劑和對水敏感的試劑，因此手套箱在高?？蒲袑?shí)驗(yàn)室中被廣泛應(yīng)用在有機(jī)合成[1]、OLED封裝[2]、鋰電池制作與研究[3]、對水氧敏感的試劑的存儲與分裝[4]以及生物領(lǐng)域如厭氧菌培養(yǎng)、細(xì)胞低氧培養(yǎng)[5]等方面。

然而無水無氧手套箱涉及多種危險(xiǎn)源，例如強(qiáng)還原性金屬試劑、氣體鋼瓶、易燃廢棄物如凈化柱材料等。如果使用、維護(hù)和管理不當(dāng)，會造成嚴(yán)重的安全事故。某高校實(shí)驗(yàn)室將更換的廢棄凈化柱材料(含銅觸媒、分子篩和活性炭)用紙箱盛裝并隨意放置在存有小型氣體鋼瓶和易燃化學(xué)試劑的通風(fēng)櫥中，柱材料發(fā)生自燃，引發(fā)化學(xué)試劑燃燒和氣體鋼瓶爆炸。另一高校實(shí)驗(yàn)室將未加處理的廢棄柱材料收集存放在固廢倉庫，造成倉庫失火。而銅、分子篩和活性炭均未單獨(dú)納入危險(xiǎn)化學(xué)品名錄，國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室及銷售商至今仍未認(rèn)識到手套箱使用中存在的安全隱患，缺乏有效的針對性管理措施。因此，手套箱的安全運(yùn)行管理不容小視，亟待制定和完善安全管理制度，探索新型管理模式來助力實(shí)驗(yàn)室高效安全運(yùn)行[6]。本文介紹了實(shí)驗(yàn)室無水無氧手套箱的安全操作方法和南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院實(shí)驗(yàn)室手套箱的新型安全運(yùn)行管理辦法。

1 實(shí)驗(yàn)室無水無氧手套箱簡介及操作方法

1.1 手套箱的構(gòu)造

無水無氧手套箱具有良好的密閉性，通過輸入干燥的惰性氣體如氮?dú)?、氬氣和氦氣，建立起局部的低含量水氧的?dú)立空間。為防止箱外空氣入侵，常控制手套箱內(nèi)壓高于一個大氣壓。手套箱主要由主箱體和過渡倉兩部分組成(圖1)。主箱體上有兩個或兩個以上手套操作接口，可以由一人單獨(dú)操作或多人同時操作，提高了箱體使用效率。手套箱過渡倉的閥門上有抽放氣接口，氣體置換時可由此接入。手套箱過渡倉由倉體和兩個密封門組成，是主箱體與箱體外的過渡空間。過渡倉用于箱體內(nèi)外的實(shí)驗(yàn)用品在主箱體與大氣隔絕的情況下轉(zhuǎn)移進(jìn)出。手套箱凈化系統(tǒng)包括凈化柱和有機(jī)溶劑吸附柱。凈化柱的成分為銅觸媒和分子篩(各約5 kg)，銅的作用是除氧，分子篩的作用是除水。有機(jī)溶劑吸附柱的成分為活性炭(約3.5 kg)，用來吸附高沸點(diǎn)的有機(jī)溶劑。

圖1 手套箱構(gòu)造及原理示意圖

1.2 手套箱安裝的安全要素

為了設(shè)備的安全運(yùn)行和后續(xù)維保，大型儀器安裝之前要保證合理的空間、用電安全、規(guī)范的氣體鋼瓶或管路設(shè)計(jì)。手套箱金屬外殼須有效接地。設(shè)備安裝地點(diǎn)要求地面堅(jiān)固、平坦，設(shè)備要遠(yuǎn)離火源或高溫源。手套箱非工作面離墻體或其他物體的距離最小為60 cm寬度；手套箱工作面區(qū)域需預(yù)留足夠的操作空間，最小80 cm寬度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，手套箱常充氮?dú)?、氬氣或氦氣，長期吸入惰性氣體對人體有害，因此要確保設(shè)備和氣源連接等環(huán)節(jié)的密封性。再生廢氣排放口和真空泵排氣口要置于落地通風(fēng)櫥或通過管道接入通風(fēng)櫥中。

1.3 手套箱的安全規(guī)范操作

關(guān)閉過渡倉內(nèi)門，打開過渡倉外門，放入實(shí)驗(yàn)用品，關(guān)閉外門。打開真空閥，緩慢將過渡倉抽真空，待壓力表值為-0.1 MPa時，關(guān)閉真空閥。打開充氣閥，通惰性氣體，待壓力表值為0 MPa時，關(guān)閉充氣閥。重復(fù)抽真空、充惰性氣體過程三次。打開過渡倉內(nèi)門，將實(shí)驗(yàn)用品轉(zhuǎn)移至箱體內(nèi)。關(guān)閉內(nèi)門，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作(圖2)。實(shí)驗(yàn)操作完畢，過渡倉抽真空、補(bǔ)惰性氣體三次。打開內(nèi)門，將實(shí)驗(yàn)用品轉(zhuǎn)移到過渡倉，關(guān)閉內(nèi)門。打開外門取出實(shí)驗(yàn)用品后關(guān)閉外門(圖3)。

圖2 實(shí)驗(yàn)用品轉(zhuǎn)入手套箱過程示意圖

圖3 實(shí)驗(yàn)用品轉(zhuǎn)出手套箱過程示意圖

1.4 手套箱除水除氧活性材料的再生

手套箱運(yùn)行時在風(fēng)機(jī)的帶動下密閉式循環(huán)，箱體內(nèi)的氣體流經(jīng)凈化系統(tǒng)，再回到箱體。凈化系統(tǒng)不斷循環(huán)吸收箱內(nèi)氣氛中的水和氧，凈化柱吸附能力逐漸下降，當(dāng)箱體水氧指標(biāo)不能下降到要求時，需要啟用凈化柱材料的再生程序，重新活化凈化柱材料中的活性成分，恢復(fù)其除水除氧能力。因品牌的差異，常用的再生氣體為N2/H2、Ar/H2或He/H2混合氣，其中H2含量為5%-10%。常溫常壓約需3500 L混合氣，約1瓶40 L商售鋼瓶氣體。

開始再生后，首先調(diào)整再生氣的氣流，使其符合操作要求；之后自動執(zhí)行程序?qū)艋閾Q氣，并加熱至再生溫度。最后系統(tǒng)自動通入再生氣后，開始對失活的凈化柱材料重新活化，并等待凈化柱冷卻。不同品牌的手套箱，再生程序和流程相似。再生程序自動結(jié)束后，將手套箱工作壓力調(diào)整至正常范圍。

1.5 手套箱廢棄凈化系統(tǒng)材料的處理

若再生后仍然無法獲得較好的凈化性能，應(yīng)及時聯(lián)系手套箱廠家更換凈化柱和吸附柱材料。廢棄凈化柱和吸附柱材料的主成分為銅觸媒、分子篩和活性炭。廢棄銅觸媒中剩余的金屬銅接觸空氣后會被氧化并釋放熱量，而活性炭吸附了低閃點(diǎn)的揮發(fā)性有機(jī)物，兩者混放并相互接觸，容易引發(fā)火災(zāi)。更換下來的廢棄柱材料，應(yīng)由廠商及時帶離校園并妥善處理，嚴(yán)禁存放在紙質(zhì)、木質(zhì)或塑料等易燃易熔材質(zhì)容器內(nèi)。廠商若不能及時帶走和處理廢棄柱材料，須將銅觸媒和活性炭分開，嚴(yán)禁混放；嚴(yán)禁不加處理，直接將廢棄柱材料混在固廢中收集；嚴(yán)禁將廢棄柱材料靠近易燃易爆化學(xué)品、熱源和電源。

實(shí)驗(yàn)室如需自行處理廢棄柱材料，可將其置于防火桶或玻璃、搪瓷等不易燃材質(zhì)容器中，貼上警示標(biāo)貼后放置在無易燃物品的通風(fēng)櫥內(nèi)。后處理可采用兩種方式，一種方式是在空氣中自然氧化失活，加少量水如無明顯放熱反應(yīng)，即可判定失活；另一種方式是緩慢多次分批加水并同時攪拌，液面覆蓋材料，使氧化亞銅與水和溶解氧充分反應(yīng)，直至無明顯放熱現(xiàn)象，即可判定失活。失活后的固體可作固廢收集，液體作堿性廢液收集。

2 南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院實(shí)驗(yàn)室手套箱安全運(yùn)行管理

南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院實(shí)驗(yàn)室數(shù)量多，研究人員規(guī)模和流動性大。近年來，隨著新能源、新材料以及生物醫(yī)藥領(lǐng)域的快速發(fā)展，越來越多的實(shí)驗(yàn)室都涉及相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)，手套箱的使用率越來越高，但絕大多數(shù)研究生入學(xué)前未接觸過無水無氧手套箱，普遍欠缺安全操作意識，給手套箱的安全運(yùn)行管理帶來了極大的挑戰(zhàn)[7]。因此，學(xué)院從制定和完善制度建設(shè)、強(qiáng)化安全培訓(xùn)、規(guī)范廢棄物處置等方面入手[8]，對手套箱安全管理進(jìn)行了探索和實(shí)踐，出臺了一系列手套箱安全運(yùn)行管理對策。

2.1 執(zhí)行登記和備案制度

學(xué)院安全辦公室聯(lián)合資產(chǎn)管理處，對每臺手套箱都進(jìn)行了核查登記和專項(xiàng)檢查。學(xué)院專門給每臺手套箱配備了使用記錄本，記錄儀器設(shè)備概況、成套配件、驗(yàn)收安裝、操作規(guī)程、儀器移交、教學(xué)及科研使用、定期維護(hù)檢查、損壞與修理及使用人和箱內(nèi)物品的存取等內(nèi)容。學(xué)院建立了實(shí)驗(yàn)室人員定期自查和維護(hù)手套箱制度，形成手套箱管理檔案。導(dǎo)師負(fù)責(zé)本實(shí)驗(yàn)室人員使用前的安全培訓(xùn)。各實(shí)驗(yàn)室做到儀器使用記錄有據(jù)可查，應(yīng)急處理措施有備無患。

2.2 制作手套箱安全培訓(xùn)視頻

在以往的培訓(xùn)實(shí)踐中，各實(shí)驗(yàn)室以產(chǎn)品說明書或口頭簡要敘述形式對學(xué)生進(jìn)行零散的講解，學(xué)生難以建立起較為全面和專業(yè)的手套箱安全操作知識。由于學(xué)院使用人員流動性大，開設(shè)系統(tǒng)的手套箱安全教育培訓(xùn)受限于課時和效率的影響[9]。因此，學(xué)院制作了一系列專業(yè)的手套箱安全操作規(guī)程和注意事項(xiàng)培訓(xùn)視頻，作為自學(xué)和考評資料，借助網(wǎng)絡(luò)視頻課程資源，強(qiáng)化學(xué)生安全操作意識。首次使用手套箱的人員，必須提前進(jìn)行手套箱安全培訓(xùn)，培訓(xùn)合格后方可進(jìn)行操作。網(wǎng)絡(luò)視頻課程不受時間、空間限制，內(nèi)容生動直觀，學(xué)生可以隨時隨地學(xué)習(xí)，有效地解決了學(xué)生科研安排限制等問題。視頻內(nèi)容主要包括手套箱使用前準(zhǔn)備、安全操作規(guī)范、凈化系統(tǒng)再生過程、凈化柱廢棄材料處置等。特別強(qiáng)調(diào)下列安全操作規(guī)范：

(1) 使用前應(yīng)確保手套箱周圍無可燃物或易燃物，保持良好的通風(fēng)環(huán)境。使用前要進(jìn)行必要的檢查，如設(shè)備的電源連接是否穩(wěn)定，過濾器是否需要清潔或更換，手套箱水、氧含量是否達(dá)標(biāo)，鋼瓶氣體容量是否足夠，真空泵油是否需要更換等。

(2) 使用時必須佩戴個人防護(hù)裝備，如防護(hù)服、護(hù)目鏡、防護(hù)手套等。使用設(shè)備時，不能留長指甲，禁止佩戴戒指、手鏈、手表等有可能劃破手套的尖銳物品。使用時要緩慢將手套伸入箱體，避免壓力變化過大引起循環(huán)停止。轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)物品進(jìn)入箱體時，如物品是塑料袋或小件物品時，務(wù)必小心謹(jǐn)慎，避免堵塞過渡倉抽氣口；如物品是瓶、罐類，須開口傳遞，避免容器內(nèi)外壓差過大而破裂；如傳遞不能開口的容器，抽真空時，不要抽至-0.1 MPa，建議抽到-0.05 MPa左右。切記不要同時打開過渡倉內(nèi)外倉門。過渡倉內(nèi)氣體氛圍不確定的情況下，不要打開內(nèi)倉門。實(shí)驗(yàn)過程中小心謹(jǐn)慎操作，避免溶劑、試劑的灑落，避免實(shí)驗(yàn)容器的破碎。對于灑落的溶劑、試劑應(yīng)及時擦拭干凈，對于破碎的容器尤其是細(xì)小的碎玻璃，應(yīng)避免手套直接接觸以免割破手套，可使用鑷子夾起帶出倉外。

(3) 操作完畢后，須把手套的五個指套指向外，防止長期使用后汗液或化學(xué)品把指套粘住。手套如有破損，不可進(jìn)行修補(bǔ)，須立即更換。

(4) 手套箱凈化系統(tǒng)再生時，排放的尾氣容易造成污染，必須排入通風(fēng)櫥或經(jīng)凈化處理后排放，不能直接排放至室內(nèi)或室外。再生時凈化柱溫度較高，嚴(yán)禁直接接觸凈化柱，防止?fàn)C傷。

2.3 手套箱凈化系統(tǒng)廢棄物處理備案制度

由于手套箱廢棄凈化柱材料量大易燃，極易導(dǎo)致火災(zāi)事故的發(fā)生。購買手套箱時，應(yīng)在售后合同中明確由廠家負(fù)責(zé)廢棄柱材料無害化處理，嚴(yán)禁將其遺留在實(shí)驗(yàn)室或校園。為杜絕安全隱患，學(xué)院責(zé)令安全辦公室強(qiáng)制實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行更換凈化柱材料登記備案制度。實(shí)驗(yàn)室如需自行處理更換下來的廢棄凈化柱材料，須經(jīng)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人簽字同意并報(bào)備學(xué)院安全管理辦公室，填寫《手套箱凈化材料更換備案記錄表》。滅活前須將廢棄凈化材料置于防火桶或玻璃、搪瓷等不易燃材質(zhì)容器中，貼上警示標(biāo)貼后置于無易燃物品的通風(fēng)櫥內(nèi)，由安全辦公室工作人員現(xiàn)場指導(dǎo)滅活。

2.4 節(jié)假期間手套箱安全管理

高等院校每年擁有較長的寒暑假，期間大部分實(shí)驗(yàn)室會出現(xiàn)一段時間無人值守的情況，大型儀器需要關(guān)閉或提前做好處置。如手套箱內(nèi)放置了需要持續(xù)隔絕水和氧的試劑或?qū)嶒?yàn)用品，在實(shí)驗(yàn)室無人值守時，手套箱須妥善處理，做好應(yīng)急預(yù)案。首先，要更換一瓶新的工作氣體，避免出現(xiàn)工作氣體在假期不夠使用的情況。第二，手套箱內(nèi)如果有敞開的液體試劑，須將其密封，以免試劑揮發(fā)影響手套箱性能。第三，強(qiáng)還原性的金屬試劑應(yīng)密封保存，防止工作氣體不足導(dǎo)致循環(huán)停止，引起箱體內(nèi)水氧含量上升，使得試劑變質(zhì)甚至燃燒，引發(fā)安全事故。最后，手套箱的總開關(guān)不斷電，箱體內(nèi)如有電子天平、磁力攪拌器等其他通電設(shè)備，應(yīng)切斷通電設(shè)備電源。對于長期停用的手套箱，應(yīng)取出手套箱內(nèi)物品并對手套箱進(jìn)行清潔；關(guān)閉所有通路閥門；關(guān)閉手套箱電源并拔掉電源插頭；將手套塞入箱體內(nèi)，避免手套在箱體外被磨損或劃破。

2.5 未來手套箱安全管理創(chuàng)新模式展望

隨著智能科研設(shè)備的發(fā)展和創(chuàng)新物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，手套箱廠家也在不斷研發(fā)針對實(shí)驗(yàn)室手套箱的集成管理解決方案。可通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將實(shí)驗(yàn)室手套箱相互連接，集中管理，為用戶提供遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、警告推送、智能檢修等功能，讓高校安全管理部門隨時隨地都能了解各實(shí)驗(yàn)室手套箱的運(yùn)行情況，為高校實(shí)驗(yàn)室手套箱安全管理提供了新思路。

3 結(jié)語

無水無氧手套箱在高?？蒲袑?shí)驗(yàn)室的使用越來越廣泛，伴隨而來的安全隱患甚至事故，應(yīng)當(dāng)引起使用方和管理方的高度重視。為避免和防范安全事故的發(fā)生，須及時編制手套箱安全規(guī)范的操作規(guī)程和注意事項(xiàng)，建立安全培訓(xùn)、使用登記和廢棄物后處理備案制度，提升使用人員安全操作能力，減少危險(xiǎn)動作，保障實(shí)驗(yàn)室安全。