基于廢棄物的微型化學實驗與循環經濟研究

王仁祺，戴鐵軍

(北京工業大學循環經濟研究院，北京 100124)

1 傳統化學實驗的局限性

化學是一門以實驗為基礎的科學，只有將化學理論知識和實驗相結合才能使學生頭腦中抽象的化學概念、實驗場景具體化，最終實現對理論知識的理解和鞏固。由教師組織和指導學生完成實驗對于促進學生的合作意識、動手能力和激發學生學習化學知識的求知欲至關重要。傳統基于標準化儀器的化學實驗在培養學生的綜合實驗素養方面起到了巨大的推動作用，然而傳統化學實驗存在的兩大弊端嚴重制約了它的發展。一方面，對于實驗經費短缺的學校只能以少數人甚至只由教師一人操作而其他同學觀察的方式進行實驗，難以實現預期的實驗效果和提升學生整體的實驗動手能力;另一方面，即使學校實驗經費充足，但為所有同學購買實驗儀器及藥品也是一筆不小的開支，不利于實現化學實驗的長久發展，這在高校化學類專業中表現尤為突出。傳統化學實驗除上述兩大缺點外還伴有產生“三廢”問題突出、容易發生安全事故以及浪費實驗藥品和試劑等不足。針對傳統化學實驗的種種弊端，人們逐漸嘗試用微型實驗對其進行替代。

2 基于廢棄物的微型化學實驗的產生及研究

微型化實驗(英文名稱為Mini－Chemical Experiment，Microscale Chemical Laboratory，Mircoscale Chemical Experiment或 Mircroscale Laboratory，簡寫為M －C.E、M.C.L、M.C.E 或 M.L)沒有一個明確的定義，一般認為“在微型化儀器裝置中進行的化學實驗，實驗所消耗試劑比對應常規實驗少90%以上”［1］。微型化學實驗起源于20世紀80年代經濟發達國家，其高校為解決化學專業耗資巨大、容易發生安全事故及一些試劑價格過于昂貴等問題而逐漸嘗試開展微型化學實驗。北京大學周寧懷教授在國內率先倡導與開展微型化學實驗的研究和推廣，由其牽頭的微型實驗課題研究協作組的成立，標志著我國的微型實驗的開始［2］。我國于1989年將微型化學實驗課題正式列入高等學校化學教育研究中心的科研計劃。微型化學實驗在我國的發展呈現出引入時間雖短，但推廣和發展速度很快的特點。現在不僅在高校已大力推廣微型化學實驗，而且越來越多的中學化學學生實驗也開始積極實踐。很多學校更是獨辟蹊徑，利用生活中常見廢棄物自制實驗儀器開辟了微型實驗的新篇章，在實踐和理論方面的研究逐漸深入。

目前，許多學校和研究人員已經利用生活中微型廢舊物品取代傳統標準實驗儀器進行了大量探究并取得了可喜成果。劉予生［3］利用生活中常見的廢棄物品制作制備氧氣的微型化學實驗儀器及裝置，這為學生業余開展家庭小實驗提供了素材，也為化學實驗走進生活創造了條件，還培養了學生的創新精神和實踐能力，激發了學生學習化學的興趣。魏周英［4］則從微型代用儀器的制作和代用微型實驗儀器在實驗教學中應用兩方面進行了較為詳細地論述，為用廢棄物制備微型實驗儀器提供了參考和應用實例，很好地解決了當地因教學經費緊張導致約有85%的初中完全不開設學生實驗，70%左右的學校連演示實驗都無法做的不良局面。周紅萍［5］結合教育教學實踐中的體會，淺談了醫用廢舊注射器在微型實驗中的一些應用，很好地體現了微型化學實驗的設計原理。畢秀成等［6］利用自制的制取、凈化和收集CO2微型裝置，通過對CO2分子量測定的實驗，證明該條件下具有消耗試劑少、實驗結果和常規實驗結果準確性一致的優點等。總之，基于廢棄物的微型實驗不僅解決了許多常規實驗儀器和藥品耗資巨大、產生“三廢”問題突出、容易發生安全事故、嚴重損害師生身體健康以及標準化微型實驗儀器難于購買、數量缺少的現實，更在微型實驗的基礎上，很好地體現了資源循環利用等觀點，較好地吻合了循環經濟的思想理念。

3 基于廢棄物的微型實驗與循環經濟

3.1 循環經濟的產生及其內涵

傳統經濟發展模式中資源、能源、環境和經濟發展的不協調促使人類對自我行為進行深刻反思。由美國生物學家蕾切爾·卡遜于1962年發表的《寂靜的春天》一書中，作者用觸目驚心的案例闡述了大量使用殺蟲劑對生物界和人類產生的嚴重危害。同年，美國經濟學家鮑爾丁提出了循環經濟，著名的宇宙飛船經濟理論被認為是循環經濟的早期代表，他將人類生活的地球比做太空中的宇宙飛船，指出如果人類不合理地開發和利用有限的資源，當超過地球供給能力時人類就會像宇宙飛船一樣走向毀滅，對資源進行循環利用是實現人類社會持續發展的根本出路。自循環經濟提出以來，以其抓住了當前工業社會發展欲望無限、資源有限但未合理利用這一關鍵癥結，受到了世界各國的高度重視，我國在20世紀90年代引入循環經濟并開始了相關研究。

循環經濟(英文名稱為 Recycling Economy，或Circular Economy，簡寫為 R.E或 C.E)要求在經濟發展過程中要以資源的高效利用和循環利用為核心，以資源和能源的減量化(Reduce)、再利用(Reuse)和資源化(Recycle)，即“3 R”為基本原則，以低投入、低消耗、低排放和高效率為基本特征。它通過對開采、生產、消費和再生利用等各個環節的資源和能源循環、高效利用，使傳統經濟中“資源→產品→廢棄物”的線性發展模式轉變為“資源→產品→廢棄物→再生資源和產品”的閉路循環發展模式，最終實現以盡可能少的資源、能源消耗和盡可能小的環境代價，使目標產物產出效益最大化、使廢物排放最小化，實現經濟增長、環境保護和社會效益同步增長的完美統一，所以說從本質上講它是一種生態經濟。

3.2 基于廢棄物的微型化學實驗中的循環經濟理念

3.2.1 實驗取材體現了R.E中的再利用原則

以廢棄物為實驗儀器的微型化學實驗極大地減輕了傳統化學實驗所需的儀器費用負擔，因而可以為實驗經費緊張的學校順利開展化學實驗提供可能。醫用輸液管、口服液小瓶、注射器、飲料盒、飲料管、青霉素藥瓶、平底瓶蓋、廢棄園珠筆芯(去筆頭)、止咳糖漿瓶、舊筆桿、西藥膠囊包裝盒、泡沫塑料、易拉罐皮、回形針，甚至盛裝喜之郎的塑料小盒等廢棄物都是微型化學實驗的實驗器材，將這些物品進行合理改造均可成功運用于化學實驗。需要注意的是，所選擇的微型廢棄物應該能夠保證化學實驗順利、安全進行，因此，對擬用于微型實驗的廢棄物的綜合性能予以評價至關重要。

總之，基于廢棄物的微型化學實驗在節省實驗經費的同時還使這些廢棄物得以再生利用，而這一點正是循環經濟所遵從的3 R原則中對廢棄物再利用(Reuse)的具體體現。這不僅延長了這些廢棄物的生命周期、避免直接投入環境造成負面影響，而且有利于對其循環利用和集中處理，具有鮮明的經濟價值和生態效益。另外，對于許多無力大批次購買實驗器材的學校還實現了一些實驗“從無到有”的轉變，擴大了學生可參與實驗的領域，極大地促進和激發了學生學好化學的求知欲。最后，很多科研工作由于種種原因，為避免在不確定條件下造成實驗儀器、試劑等方面的損失或出于安全考慮，往往先以廢棄物為實驗儀器，以微型實驗進行預實驗，驗證實驗的可行性，很好地避免了不確定型實驗對標準儀器的破壞和安全事故，為改用標準實驗儀器進一步驗證奠定了基礎，因而，它對科研工作也有較大的協助作用。

3.2.2 實驗藥品、試劑及能耗量體現了R.E中的減量化原則

基于廢棄物的微型化學實驗不僅實現學生實驗儀器的低耗資甚至零耗資，還實現反應物、產物的減量化，從這一點上講，它符合循環經濟3 R原則(3 R principle)中的“減量化(Reduce)”原則。循環經濟不是簡單地通過對廢棄物的循環利用使其資源化，側重于在優先減少資源、能源消耗和減少廢物產生的基礎上綜合運用3R原則，所以，3 R原則在循環經濟中的重要性并非等同的，其優先順序是:減量化—再利用—資源化。“減量化(Reduce)”原則通常是排在首位，它主要是針對產品輸入端，強調以最小的資源、能源消耗，實現最大的經濟、生態效益。微型化學實驗試劑用量一般為常規用量的1/1000～1/10，用量比相應的常規實驗節省90%左右［7］。這就極大地減少了學校在試劑經費方面的投入，而實驗現象依舊明顯，通常情況下并不影響實驗效果。與此同時，反應物的減少必然導致反應過程中產生有毒、副產物的減少，因而更有利于減少環境污染，有利于減少實驗后殘留物的處理成本。在當前環境保護日益加強、排污量控制日趨嚴格的形勢下，對于降低學校用于處理廢氣、廢液等方面的成本具有重要的意義。最后，由于反應物量大大減少，反應的劇烈程度遠弱于常規實驗，所以微型化學實驗的安全性較好。可見，試劑的“減量化”在以廢舊材料為實驗儀器的微型化學實驗中具有顯著的經濟效益、生態效益和安全保障。

伴隨著實驗儀器的微型化，實驗試劑也相應減量化，這已成為無需爭辯的事實，而對于一些需要加熱、攪拌等條件才能完成的化學實驗來講很重要的一點就是實驗耗能的減少。而減少能源消耗也屬于循環經濟理念中很重要的一項。具體來講，在微型化的儀器中以減量的實驗藥品進行實驗必然縮短反應時間，或者說提高反應速率。所以，用于實驗加熱的酒精、水、電能以及油等都相應減少。例如，常規實驗需要每一小組或一位實驗者一瓶酒精，現在改用廢舊玻璃瓶等自制的微型酒精燈后，一瓶常規酒精燈進行實驗所需要的酒精現在就可滿足多個小組進行實驗;另外，常規實驗由于藥品量多、實驗儀器體積偏大，為保證實驗充分進行可能需要每組或每位實驗人員對試劑單獨進行加熱、攪拌等操作，而微型實驗由于儀器的微型化可將多個小組的反應儀器集中而統一加熱等，這樣耗電、耗材都得以減少，縮短反應時間，在相同的時間內甚至可以完成更多的實驗任務。因而，在當今全球資源、能源緊張的背景下，基于廢棄物的微型化學實驗不僅對于建設兩型社會具有現實意義，還有利于培養學生的合作意識、環保意識和獨立完成實驗的能力。

3.3 基于廢棄物的微型化學實驗的優缺點

3.3.1 有利于培養學生的實驗興趣和創新能力

以廢棄物為實驗儀器的微型化學實驗往往需要教師按照實驗要求發動學生自行尋找所需實驗儀器，這不僅有利于改變學生對微型廢棄物的傳統認識，還有利于培養學生的實驗興趣和創新能力。很多實驗學生可能都會利用常規實驗儀器完成，但以自制微型儀器能否實現同樣的效果以及怎樣保證自己的實驗順利完成需要學生認真思考，需要課下對實驗的可行性不斷探討、摸索，所以，基于廢棄物的微型實驗會極大地調動起學生的實驗興趣和參與熱情。另外，對于同樣的實驗，不同的學生會選擇不一樣的廢棄物作為實驗器材替代標準儀器，這就極大地豐富了課堂畫面，實驗場景靈活多樣，為其他學生提供了不同的實驗思路，開拓了學生的實驗視野。因而，這是一個互相學習，共同促進的過程。最后，通常條件下，微型化學實驗能大大縮短反應時間，在既定的實驗時間內，學生可以針對同一實驗多設計一些方案，進行探究實驗，比較不同方案的優缺點，提升學生改進實驗的思維廣度，培養學生的創新能力;也可以在既定的實驗時間完成其他實驗，提高課堂效率，進而提高實驗課的教學質量。

3.3.2 有利于推進綠色化學、循環經濟理念

微型化學實驗將廢棄物再利用為實驗儀器，延長了產品生命周期，間接地減輕環境負荷;另外減少了有毒有害物質的生成量，減輕環境污染，這兩點都很好地體現了對生態環境的保護，也符合建設兩型社會的要求。關于微型化學實驗、綠色化學和循環經濟的關系學術界有少量研究。微型化學實驗方法是綠色化學的一部分，是在綠色化學思想指導下的化學實驗方法的一項重要的發展與變革［8］。徐玲等［9］較為詳細地論述了微型化學實驗與綠色化學的相互關系，指出了微型化學實驗是綠色化學思想在實驗中的體現，符合綠色化學的理念，還利于培養學生的環保意識和關心自然環境的情感。張雪利［10］則指出微型化學實驗是綠色化學新理念、新方法和新技術在化學實驗中的改革和應用。對于綠色化學和循環經濟的關系，季胤［11］指出綠色化學是循環經濟的必然選擇，具體又從循環經濟的特點和循環經濟的發展與實踐進行了論述等。由此可見，微型化學實驗和循環經濟都與綠色化學相聯系，微型化學實驗是推進循環經濟不可缺少的一部分，三者之間相輔相成，共同為構建可持續發展社會貢獻力量。

3.3.3 基于廢棄物的微型化學實驗的局限性

當然，微型化學實驗只是大大減少了環境污染，還不是將污染消滅在生產的源頭［12］。實驗結束后，依舊產生有毒、有害物質，如何使實驗中產生的有毒、有害等物質資源化或徹底無害化處理還需要在設計實驗時充分考慮。當然，做好這項工作如果完全依賴于學生還存在諸多局限性，教師需要予以適當引導。另外，并不是所有的化學實驗都適合采用廢棄物為實驗儀器并以微型實驗的方式來進行，傳統實驗的某些固有優點是這類微型實驗難以相比的，因此，必須正確處理好基于廢棄物的微型實驗和傳統化學實驗之間的關系。考慮到實驗藥品的減量化和實驗儀器的微型化，教師應該發揮主導作用選擇在微型條件下實驗效果和現象不受影響或者受較小影響的化學實驗指導學生開展實驗。最后，資源化(Recycle)在當前基于廢棄物的微型實驗中還體現的較少，因此，加強資源化在微型實驗中的作用也是今后需要努力的方向。

體現該原則可以從以下兩個方面進行考慮:首先是實驗產物或過量反應物的資源化。中學化學及高等教育里學生所進行的實驗主要是驗證性實驗，其反應的產物甚至副產物都已知，因此，根據化學實驗的具體方程式制定針對過量反應物或產物的資源化或無害化處理完全是有可能的，關鍵問題是處理或資源化這些廢棄物的成本和效益，效益不僅包含潛在的經濟價值還包括無形的生態效益。從長遠利益考慮，通過逐漸累積會對生態環境和人類健康產生不利影響的化學反應廢棄物都要進行資源化和無害化處理。其次是實驗儀器的資源化，基于廢棄物的微型化學實驗依托于日常生活中的廢棄材料，對這些廢棄物的循環利用具有一定的期限，將徹底不能用于微型化學實驗的廢棄物丟棄于環境中會產生環境污染及資源浪費，因此，必須加強這類廢棄物的資源化工作。由于其處理具有量少而集中的特點，易于統一收購和管理，因此廢棄微型實驗材料的資源化從本質上講就是收集日常零散的生活廢棄物并對其再利用，失去再利用價值時集中處理使其資源化的過程。

4 結語

微型實驗是傳統實驗的重要趨勢，而基于廢棄物的微型實驗又是微型實驗的進一步革新。與傳統實驗相比基于廢棄物的微型化學實驗實現了突破性進展，它是綠色化學理念在課堂中的具體實踐，更是發展循環經濟的重要體現，包含和體現了許多循環經濟的思想，具有顯著的發展優勢和廣闊的發展前景。基于廢棄物的微型實驗優點固然很多，但也要客觀認識到它存在的不足。科學設計實驗成為有效控制有毒、有害物質的關鍵，教師在該過程中的及時引導至關重要;正確處理基于廢棄物的微型化學實驗和傳統化學實驗的關系是開展微型實驗的重要前提;加強循環經濟3R原則中資源化(Recycle)原則在基于廢棄物的微型化學實驗中的影響是今后開展微型實驗的重要指導思想。將循環經濟的理念徹底貫穿到基于廢棄物的微型化學實驗中，促使化學實驗真正實現綠色化、標準化、規模化是未來微型實驗發展的重要方向。

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