化學開放實驗教學綠色化的探索與實踐

陳 敏，盧其明，羅志剛

(華南農業大學a. 公共基礎課實驗教學中心;b. 理學院，廣東 廣州510642)

0 引 言

美國于1991 年提出了“綠色化學”的口號，各個國家也逐漸意識到綠色化學的發展首先要從大學的化學教學著手，國內外相當多的大學已經開設了綠色化學這門課程，個別大學甚至已有招收綠色化學的碩士甚至博士研究生［1］。所謂的“綠色化學”，主要是運用化學方法和技術來減少或降低產品設計、生產和產品在運用過程中有害化學物質的產生，使所設計并生產出來的產品對環境無害，是一門從源頭上阻止污染的化學［2］。綠色化學為大學化學教育提出了新的要求。

綠色化學實驗將是化學實驗教學的教學方向。綠色化學實驗能最有效地降低化學實驗室的化學污染，而不是污染后被動地再進行污染的治理，“末端治理”會大幅度地增加經濟成本，不僅效果不好，給大學增加負擔，嚴重影響學校的發展。因此增強師生的環保意識，優選化學實驗教學內容［3-6］，優選化學實驗方案［7-10］，改進化學實驗儀器［9，11-12］及實驗室產生廢棄物的妥善處理將是建設綠色化學實驗室的有效途徑。

化學開放實驗必須在滿足創新人才培養需要的同時也要實現綠色化，只有將兩者結合起來，才能滿足時代的要求。所以從2008 年開始，華南農業大學公共基礎課實驗教學中心的化學實驗室實行面向全校師生的開放實驗教學模式，學生可以通過本中心的開放實驗室網上預約系統進行網上預約登記，負責開放實驗的教師收到學生的預約實驗后，根據實驗室的實際情況進行受理，對學生所預約的實驗項目及實驗方法進行篩選，對于涉及到有毒有害物質的實驗內容、實驗裝置等建議學生進行改進，以求從源頭上盡量減少污染，逐步實現化學實驗的綠色化。本文結合作者多年在綠色開放化學實驗教學實踐中的嘗試，從優選化學實驗項目、優選化學實驗方案、優選實驗儀器及廢棄物的回收與處理等方面，談談一些體會。

1 優選實驗項目

化學開放實驗室的目的主要是在填補傳統教學不足的基礎上培養學生的實踐能力和創新精神。學生可根據自己的專業要求及興趣在網上預約實驗項目，教師在受理學生開放實驗的過程中，需充分考慮試劑和產物的毒性及整個實驗過程中所產生的廢棄物等情況，盡量減少對人身有危害和環境污染大、毒性強、或者后處理困難的實驗項目，鼓勵學生做一些對環境無污染、友好型的綜合性、設計性、探究性或者結合教師科研的綠色化學實驗。

一般從下面9 個方面引導參與開放實驗的學生優選實驗項目:①引導學生將一些比較簡單的合成實驗設計成探究性實驗，如將乙酸正丁酯的簡單合成實驗設計成一個綜合性的研究性實驗。②鼓勵學生結合自己的日常生活，設計出一些貼近日常生活的探究性實驗，如大學校園里有很多種類的鮮花，讓學生將自己喜歡的鮮花制作成酸堿試紙，并與一些酸堿指示劑進行對比;或者日常食物中摻假物的鑒別，如牛奶中摻假豆漿的鑒別，葡萄酒真假的鑒別等;或者對日常生活環境中的一些環境指標進行檢測，如平時飲用的水質檢測，大氣中二氧化硫檢測、水中溶解氧的測定等。③本校的期刊網查閱科技文獻非常方便，所以鼓勵學生查閱科技文獻，有時可以參考科技文獻上的實驗改進方法對實驗進行改進，如參照科技論文上介紹的在用過氧化氫氧化環己烯制備己二酸時改用Na2WO4·2H2O 做催化劑來進行實驗。④引導學生對一些生活廢棄物進行廢物重新利用實驗，如生活中的廢舊干電池，引導學生設計實驗方案，把其中的銅、鋅、二氧化錳、氯化銨和炭棒等物質提取出來，重新利用;如工業包裝及快餐業中廣泛使用的廢聚苯乙烯泡沫塑料在自然環境中很難降解，造成環境的“白色污染”，引導學生利用無毒、無公害的溶劑將廢聚苯乙烯泡沫塑料溶解制得高膠黏液，然后向其中加入遮蓋劑和助劑，經研磨后可以制成無毒的涂改液等。⑤鼓勵學生把平時實驗過程中所收集的或已經經過預先處理的廢棄物如含銀廢液設計為開放實驗室課題，讓學生開展從含銀廢液中把銀提取出來。⑥鼓勵學生參與到教師科研的綠色化學實驗項目中，如結合教師長期從事的微生物農藥的篩選［13-16］，并對篩選到具有農用活性的微生物進行液體發酵，提取活性物質進行分離及結構鑒定［17］。⑦學生可以自帶校級大學生科技創新項目或本中心的植物生物學國家級示范教學中心設立的研究性實驗項目到開放實驗室做實驗。⑧引導學生開展被稱為“化學實驗革命”的微型化學實驗，具體是對一些常規的實驗進行重新設計與探索，用盡量少的試劑來獲得盡可能豐富的化學信息和目標，這種微型化學實驗是近20 年來發展較快的一種化學實驗新方法和新技術，已經成為國際化學教育發展的重要方向。⑨引導學生引進一些綠色化新技術，如在化學實驗教學中引進微波輻射、固相微萃取等新方法、新技術，探索實驗規律，優化反應條件，在降低實驗室污染，保護環境的同時，讓學生了解相關的先進科學技術方法，可以激發學生的求知欲，同時進一步實現化學開放實驗室的綠色化。

2 優選實驗方案

優選實驗方案，結合本實驗室的具體情況及近幾年的化學實驗室開放教學實踐，主要通過以下幾個方面對教學內容進行優化。

2.1 更改實驗內容減少實驗室污染

確定了學生可以做實驗的項目后，對于一些涉及有毒、有害試劑的實驗內容，必須引導學生對實驗方案進行一些改進，用一些低毒性的試劑來代替有毒、有害的試劑進行實驗。如在安息香綜合反應中要用到劇毒物氰化物作為催化劑，引導學生改用鹽酸硫胺素做催化劑，并對操作過程進行一些改進，合成的效果也很好;如在“己二酸的制備”實驗中，以前常用環己醇為原料，以硝酸作為氧化劑，改以環己烯為原料，雙氧水為氧化劑，實驗結果也不錯，還可以避免原來合成過程中產生的副產物一氧化氮的污染;在做陽離子的沉淀實驗中，用硫化乙酰胺代替有毒氣體硫化氫;在電解反應實驗中，用硫酸鈉代替氯化鈉可以避免有毒氣體氯氣的產生;在甲基化反應實驗中，致癌試劑硫酸二甲酯可用碳酸二甲酯來代替;在羰基化反應實驗中，用碳酸二甲酯代替光氣進行反應;合成鄰、對硝基酚及酚酞類化合物時，不使用有毒的苯做原料，而使用酚類化合物，酚類的水溶性較大，可以在反應廢液中加入漂白粉，使酚類氧化分解，然后再進行后續處理。

2.2 開展微型實驗降低實驗室污染

微型化學實驗的研究的著眼點在于環境保護和化學實驗安全的，微型實驗具有現象明顯、操作快速簡便、節省能源、減少污染等優點。本室根據實驗室的教學實際，借鑒其他高校開展微型實驗的經驗，精選實驗內容，把大部分的定性實驗如陽離子和陰離子的分離等實驗改為微型實驗，不斷探索開展微型實驗的條件，實現部分實驗的微型化，降低了實驗室污染程度。把微型實驗作為綠色化學實驗的一項實驗方法與技術是恰當的，它在培養和提高人的科學素質上發揮著不可估量的作用。但是微型化實驗所用儀器裝置和操作方法都與常規實驗有較大差別，某些實驗中甚至是完全不同的，學生學到一些處理微量樣品的特殊方法和技巧，卻并不能完全覆蓋常量實驗的基本操作技能，故微型化實驗方法只能作為提高性實驗項目，不適合于大比例的推廣。

2.3 引進綠色化新技術控制實驗室污染

近年來，一些近代的新方法能實現綠色化并具有與經典方法相比更多的優點，在化學實驗教學中引進一些新的實驗方法及新的實驗技術，探索實驗規律，優化反應條件，目的在于降低化學實驗室污染，保護環境，同時激發學生學習化學的興趣。

(1) 使用大吸附樹脂提取和純化?；瘜W實驗中使用有機溶劑來提取及純化化學物質(或活性成分)是很普遍的，鑒于用有機溶劑的液-液提取方法需要大量互不相容的溶劑，萃取過程中由于相分離不完全而產生乳化現象［18］，定量分析回收率低［19］，萃取時間長，消耗溶劑量大［20］等缺陷，本室嘗試了很多種取代傳統有機溶劑提取的綠色化學方法。如用大孔吸附樹脂代替有機溶劑的液液提取方法，對一些活性成分進行提取，大孔吸附樹脂已經被廣泛地應用于具生物活性物質的分離和純化［21-24］，相對于經典的有機溶劑液液提取方法，大孔吸附樹脂具有的低消耗、高效率、高選擇性、后續處理簡單并且可再生等優勢，其在農藥、生化藥物的分離純化以及中成藥的制備等方面［25-28］的應用越來越廣泛。本實驗室用大孔吸附樹脂提取和純化具農用活性物質方面做了大量的研究。如本室選用了4 種不同極性的大孔吸附樹脂(S-8，NKA-II，AB-8 和HP-20)，用活性跟蹤的方法對一株鏈霉菌發酵液的除草活性物質進行提取研究，結果表明:AB-8 樹脂對鏈霉菌發酵液除草活性物質的靜態吸附量可達到樹脂體積的7 倍以上，并且所吸附的除草活性物質較易被洗脫劑乙醇水溶液解吸出來，用2 到3 倍樹脂體積的80%乙醇水溶液則可以把吸附的除草活性物質全部從樹脂中解吸出來［15］。這個實驗節省大量的有機溶劑，克服了液液萃取過程中溶劑揮發對環境的污染，并且樹脂再生后可以繼續使用，即節能又環保。

(2) 超聲波法。加熱快速、受熱均勻、容易操作、用量少、產物質量較純，后續處理方便等優勢，從而在我們的實驗教學中也得到廣泛應用。本室也選用超聲波法對鏈霉菌發酵液的除草活性物質進行提取研究，與液液萃取相比，超聲波法只用了三分之一的溶劑，而提取的活性物質的量為有機溶劑液液提取量的兩倍，同時還節省了大量的時間和能源。

(3) 使用可回收利用的固相催化劑新技術。如乙酸乙酯的合成實驗中，把原來用的常規法改為固相催化劑法，不僅能降低乙酸與乙醇反應的時間，也阻止了濃硫酸對環境的污染，而所使用的強酸型陽離子樹脂可以回收利用。改進后的實驗方法更符合綠色化學實驗中化學試劑使用的基本原則，即用量少、可重復使用、可回收、可再生等。

(4) 微波作為一種新型能量形式。用于許多化學反應，特別是在有效化學物質提取方面更是得到了廣泛的應用，微波促進的反應具有操作簡單方便、節時節能、提取率高、提取物后續處理簡單、溶劑用量少等優點。在化學開放實驗中引入微波技術，本室用微波輔助提取藥用植物一點紅的抗氧化活性物質，得到的最佳工藝條件為料液比1:20 g/mL，乙醇濃度60%，微波萃取功率為400 W，微波輻射時間為3 min，此條件下其活性物質的提取率為9.90%。合理地采用微波輻射技術進行化學實驗設計是進行化學實驗綠色化工作的重要組成部分，具有重要的開發前景，目前已經涉及到化學的各個方面并成功地應用于很多類型的化學反應，成為化學反應研究的熱點之一［29］。

(5) 固相微萃取( SPME) 。是一種無溶劑萃取技術，它集采樣、萃取、濃縮、進樣于一體，與傳統的液液萃取和固相萃取相比，其不再使用大量有毒的有機溶劑及復雜裝置，并能較方便地與氣相色譜聯用而得到廣泛的應用。我校大學生科技創新項目——固相微萃取吸附水中有機污染物的研究，該研究項目實驗選用了苯酚、硝基苯和苯胺三種典型有機污染物作為目標化合物進行研究，初步研究結果表明取代基不同的苯的衍生物的電吸附改變量不一樣，正極化條件下對苯酚的吸附萃取較好，而負極化條件下對苯胺的吸附萃取效果較佳，正負極化條件下對硝基苯的影響沒有差別，因為有機污染物的分子極性及在溶液中的狀態受其分子結構的影響的。固相微萃取技術已成功地應用于氣態、液態、固態樣品中的揮發性和半揮發性有機物及無機物的分析。

3 優選實驗儀器

化學實驗需要大量的實驗儀器，有些傳統的儀器不太環保，需要進行一些改進。

(1) 設計封閉裝置代替敞口的反應裝置。在合成甲基橙的反應中，以前常使用燒杯，可用帶吸收裝置的三口燒瓶裝置代替燒杯合成甲基橙，可防止有害氮氧化物廢氣的排放。在用排水集氣法測定過氧化氫催化分解反應速率的實驗中，我們設計了一個上部相通但下部從中間隔開的雙孔反應器，在實驗過程中，可以把兩種反應物分別移入反應器的兩個孔中，待所需的實驗裝置安裝完畢后，用手輕輕搖動反應器使已加入到反應器兩個孔里的化學試劑相互混合，進行相關的化學實驗，減少因氣體的揮發對環境產生污染，這個儀器適合于液液反應或液固反應。在液體飽和蒸氣壓的測定實驗中，實驗儀器漏氣是一個比較突出的問題，為了解決漏氣問題，我們把冷凝管和蒸餾瓶做成連體，而連接溫度計的管口設計得比溫度計的直徑稍大一點點，然后用一小段硅膠管把溫度計和蒸餾瓶連接起來，這樣改裝后的實驗裝置的密閉性比較好，儀器不再漏氣;同時用數字式溫度壓力計替代傳統的U 形水銀壓力計測定大氣壓，可以減少水銀可能引進的慢性中毒及水銀壓力計讀數不準的缺陷，經過這兩方面的改進，此實驗的實驗結果準確，并且綠色環保。

(2) 用簡單節能的實驗儀器代替傳統的實驗儀

器。索式萃取的設備簡單、操作簡便，且其造價低，體積小，索式萃取是直接對萃取劑進行加熱，從根本上保證了能量的快速傳導和充分利用，萃取劑是在索式萃取器中循環利用的，這既減少了溶劑用量，又縮短了操作時間，大大降低了能耗，所以在對植物有效成分的提取中，經常用索氏提取器代替的蒸餾裝置。對于提取后需要進一步蒸餾或濃縮的實驗就可以利用減壓旋轉蒸發儀代替原來的蒸餾裝置，由于其旋轉所產生的作用力能有效抑制樣品的沸騰，液體樣品和蒸發瓶間的向心力和摩擦力的作用，液體樣品在蒸發瓶內表面形成一層液體薄膜，受熱面積增大，使減壓旋轉蒸發儀可以在較低的溫度使溶液揮發，能溫和又快速地對樣品進行蒸餾，如果在冷凝管的頂部再加冰，速度更快，同時又可以減少因試劑揮發到空氣中而污染環境，并且收集到的試劑可以回收再利用，節能又環保。

4 化學實驗廢棄物綠色處理

盡管采取了上面所提及的很多種減少化學實驗室污染的措施并大大地降低了化學實驗室污染的程度和不必要的浪費，但是化學實驗總是多多少少伴隨有氣體、液體或固體產物即“三廢”的產生。開放化學實驗室所產生的污染物的品種較多，數量較少，但不確定度高并且不便于集中處理等特點，這些化學反應產物中有些可能是有毒或有害物質，必須進行必要的處理。

(1) 廢氣。目前主要的處理方法是通過通風櫥、通風罩、換氣扇等排放到空氣中，經空氣稀釋后降低濃度。對于量較大的廢氣，主要采取吸收法，在廢氣排放前進行凈化，如SO2、H2S 等常見廢氣直接用氫氧化鈉溶液吸收轉化為無毒物質;對于實驗過程中產生的有毒害的廢氣，則需要采用專用的氣體吸收裝置來吸收，也可以集中收集后再進行集中處理。

(2) 廢液。先分別收集，再分別進行進一步處理。如氰化物溶液先用FeSO4溶液進行處理，再加NaClO讓其進一步分解;對含汞鹽廢液先調節其酸堿度，調pH 8 ～10，再加入過量Na2S 使其生成硫化汞沉淀，加入共沉淀劑FeSO4，使其生成的硫化鐵而共沉淀;對于常用的廢有機溶劑如CH2Cl2、CH3CHCl2、石油醚、乙醚等進行重新蒸餾后可以循環使用;對于無法回收利用的廢液如正溴丁烷和正丁醚等則收集到廢液桶內，學期結束后送到學校設備處進行專門處理。

(3) 廢渣。主要是采取循環使用，或與教師的課題相結合，或與學生的畢業設計相結合進行處理;對于無法回收利用的有毒廢渣，要求學生放入指定的廢品回收瓶，加入水泥，等固化后深埋于地下指定地點。

實驗過程經常用到水銀溫度計，對于水銀溫度計損壞泄漏出的汞，先用滴管仔細地收集到固定的回收瓶并用水封住，蓋緊，待積累后用硫磺進行反應處理;而對地上的少量無法收集的汞即時用硫磺進行處理。

5 結 語

通過近幾年來的探索實踐證明，以綠色化學思想為指導，將綠色化學教育滲透于化學開放實驗教學中，通過優選實驗項目、優選實驗方案，優選實驗裝置，使化學實驗室的污染降到最低，這種做法實踐證明有利于學生綜合素質的提高，有利于學生實驗技能的培養，有利于激發學生的創新熱情和培養學生的創新精神及綠色化學意識。化學實驗室的綠色開放，既能滿足學生到化學開放實驗室做實驗、搞科研的熱情，又能在培養學生的創新能力和環保意識的同時保證指導教師和參加化學實驗學生的人身安全。

對于化學實驗室的綠色開放，我們才邁出了第一步，下一步將實現強-強聯合，可將微波輻射和微型實驗相結合，微波輻射與無溶劑反應實驗相結合，微型實驗和無溶劑反應實驗相結合，或將三種方法相結合，探索新現象，總結新規律，優選出最佳組合實驗方式和實驗條件，同時發揮計算機輔助多媒體教學優勢，制作多媒體化學實驗教學課件并運用于實驗教學中，更好地發展綠色化學實驗教學。

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