符合綠色化管理理念的環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

岳俊杰+尹靜+畢成良+劉娟

摘 要：以企事業(yè)單位綠色化管理理念為指導(dǎo)，設(shè)計(jì)了綠色環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)用來從根本上解決化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境污染問題。通過以學(xué)生為主體的綠色環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，訓(xùn)練了學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作技能，更培養(yǎng)了其環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排意識(shí)，為社會(huì)各類企事業(yè)單位輸送具有綠色管理理念的大學(xué)畢業(yè)生，這將有助于綠色化管理模式的推廣，同時(shí)使環(huán)境科學(xué)專業(yè)畢業(yè)生在嚴(yán)峻的就業(yè)形勢(shì)下具有一定的就業(yè)優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：綠色化管理；環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)；設(shè)計(jì)；環(huán)境保護(hù)；節(jié)能減排

一、綠色化管理引入背景

當(dāng)今社會(huì)，綠色、循環(huán)、低碳是目前經(jīng)濟(jì)發(fā)展亟待推進(jìn)的發(fā)展模式，而綠色化管理模式對(duì)于樹立企事業(yè)單位保護(hù)環(huán)境、節(jié)約并合理利用資源的意識(shí)也是非常必要的。所謂綠色化管理，是對(duì)組織決策和活動(dòng)與組織對(duì)自然環(huán)境的影響之間存在緊密聯(lián)系的意識(shí)。它要求企事業(yè)單位在管理中方方面面、時(shí)時(shí)處處都要考慮環(huán)保、體現(xiàn)綠色。

高等學(xué)校化學(xué)實(shí)驗(yàn)室是大學(xué)生驗(yàn)證科學(xué)理論、訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)技能、培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題能力的重要實(shí)訓(xùn)基地，是教師進(jìn)行產(chǎn)學(xué)研的重要場(chǎng)所。隨著高校化學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，化學(xué)專業(yè)各分支學(xué)科的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、數(shù)量、種類及開設(shè)時(shí)長(zhǎng)都有了不同程度增加，全面提高了教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生綜合素質(zhì)。而與此同時(shí)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)室所產(chǎn)生“三廢”的污染問題也呈現(xiàn)愈演愈烈的態(tài)勢(shì)，這種污染雖然具有隱性、間斷性的特點(diǎn)，但污染物的種類遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般工廠，甚至為了得到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和驗(yàn)證經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)方法，期間還會(huì)涉及一些劇毒化學(xué)品的使用，因此化學(xué)實(shí)驗(yàn)室對(duì)環(huán)境的污染問題不容忽視。

為根本解決化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境污染問題，實(shí)驗(yàn)室的綠色化管理勢(shì)在必行。其中，綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)本著從源頭上減少和消除對(duì)環(huán)境污染，充分利用資源和能源，采用無毒、無害原料，并在無毒無害條件下，減少?gòu)U物排放等原則，是實(shí)驗(yàn)室綠色化管理的一條有效途徑。與企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品相類似，大學(xué)生可被看作高等學(xué)校向社會(huì)各個(gè)行業(yè)輸送的“產(chǎn)品”。在綠色化專業(yè)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練中已經(jīng)充分樹立了環(huán)境保護(hù)和節(jié)約合理利用資源意識(shí)的大學(xué)畢業(yè)生，在被輸入到各個(gè)行業(yè)的企事業(yè)單位后，將有助于綠色化管理模式在單位內(nèi)部的推廣和應(yīng)用，對(duì)提高單位綠色管理水平和整體形象的提升也是有利的促進(jìn)。為此，綠色環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)是一個(gè)不可忽視的環(huán)節(jié)。

基于硫酸根自由基（SO4-）的過硫酸鹽活化技術(shù)是一種新型高級(jí)氧化技術(shù)，其在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用是剛剛發(fā)展起來的嶄新研究方向。本文擬將該技術(shù)用于水中三氯乙烯的氧化降解，以綠色化學(xué)理念設(shè)計(jì)“亞鐵離子活化過硫酸鈉降解水中三氯乙烯”的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，引入到環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

二、實(shí)驗(yàn)過程

1.實(shí)驗(yàn)試劑

過硫酸鈉（化學(xué)純）；硫酸亞鐵（0.1mol/L）；三氯乙烯（99.9%）；無水乙醇（分析純）。

2.實(shí)驗(yàn)儀器

島津GC-Plus氣相色譜儀；分析天平（上海分析儀器廠）；氣浴恒溫振蕩器（THZ-82B，金壇市國(guó)旺實(shí)驗(yàn)儀器廠）；棕色血清瓶（100mL）；燒杯（200mL、250mL）；微量進(jìn)樣針（10μL，1000μL，澳大利亞SGE公司）；氣密性進(jìn)樣針（100μL，澳大利亞SGE公司）；移液槍（Dragon）；移液槍頭（1000μL）；移液管（5mL，50 mL）；棕色溶劑瓶（10mL）。

3.實(shí)驗(yàn)原理

過硫酸鹽在水中電離產(chǎn)生過硫酸根離子S2O82-，其相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位E0=+2.01V，但過硫酸鹽比較穩(wěn)定，在常溫下往往反應(yīng)速率比較慢，對(duì)有機(jī)污染物的降解效果并不明顯。而在光、熱、過渡金屬離子（如Fe2+）等條件下，S2O82-被活化分解為氧化性更強(qiáng)的硫酸根自由基（SO4-·），其標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位E0=+2.5～+3.1V，接近甚至高出氧化性極強(qiáng)的羥基自由基（·OH，E0=+1.8～+2.7V）。

過渡金屬離子Fe2+活化過硫酸鹽的過程可表示為反應(yīng)方程式（1）。

Fe2++S2O82-→Fe3++SO4-+SO42- （1）

在這個(gè)活化反應(yīng)過程中，所需活化能為50.2kJ/mol。

通過序批地向過硫酸鈉降解三氯乙烯（TCE）的反應(yīng)體系中加入Fe2+可以使體系中不斷產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的SO4-，進(jìn)而TCE得以高效降解。

4.實(shí)驗(yàn)步驟

（1）三氯乙烯標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

用移液槍移取1mL三氯乙烯溶于4mL無水乙醇中備用。向6個(gè)100mL的棕色血清瓶中分別加入50mL蒸餾水，再以微量進(jìn)樣針量取相應(yīng)劑量（如表1）三氯乙烯的乙醇溶液分別配制成濃度為0、2、4、8、16、20mg/L的三氯乙烯水溶液，密封瓶口，置于氣浴恒溫振蕩器中振蕩備用。

表1 三氯乙烯標(biāo)準(zhǔn)溶液配制表

（2）三氯乙烯檢測(cè)方法

本實(shí)驗(yàn)中三氯乙烯的檢測(cè)方法采用頂空進(jìn)樣，經(jīng)Rtx-1型通用毛細(xì)管柱分離，氫火焰離子化檢測(cè)器（FID）檢測(cè)，以保留時(shí)間定性，峰面積定量。具體色譜條件為：

SPL溫度：200℃；檢測(cè)器溫度：220℃；分流比：39；柱流量：0.57mL/min；

進(jìn)樣量：100μL頂空氣體；

程序升溫：60℃（3min）-50℃/min-100℃（3min）-80℃/min- 220℃（2min）。

（3）三氯乙烯標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

將TCE標(biāo)準(zhǔn)溶液于室溫下震蕩20分鐘后取出，用氣密性進(jìn)樣針抽取100μL溶液上方氣體（頂空氣體），快速注入氣相色譜進(jìn)樣口中，并啟動(dòng)檢測(cè)方法。所得三氯乙烯保留時(shí)間約為5.189min（保留時(shí)間隨進(jìn)樣的操作速度等手法不同而稍有變化），手動(dòng)積分得到相應(yīng)峰面積，記錄于表2中。以峰面積作為縱軸，標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度作為橫軸繪制三氯乙烯的峰面積-濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線。

表2 三氯乙烯標(biāo)準(zhǔn)曲線數(shù)據(jù)記錄表

注意進(jìn)樣完畢之后，要對(duì)樣品瓶口進(jìn)行蠟封處理，以免體系漏氣；同時(shí)將樣品瓶放回恒溫震蕩器備用。

（4）過硫酸鈉用量對(duì)三氯乙烯降解效果的影響

①稱取質(zhì)量分別為0.0119g、0.0179g和0.0357g過硫酸鈉粉末，于50mL小燒杯內(nèi)用5mL蒸餾水溶解后分別轉(zhuǎn)移至3個(gè)100 mL的棕色血清瓶中，保持瓶?jī)?nèi)溶液量為50mL，將血清瓶做好1、2、3號(hào)標(biāo)記，另備一個(gè)棕色血清瓶只加入等量蒸餾水作為空白對(duì)照；

②以微量進(jìn)樣針分別量取3.4μL三氯乙烯的乙醇溶液，注入上述4個(gè)血清瓶后加蓋密封，搖勻；

③分別以微量進(jìn)樣針量取375μL濃度為0.1mol/L的硫酸亞鐵溶液，依次每間隔10分鐘注入1、2、3號(hào)反應(yīng)瓶?jī)?nèi)，立即蠟封瓶蓋并搖勻反應(yīng)瓶，置入氣浴恒溫震蕩器中振蕩，在40分鐘內(nèi)每間隔10分鐘取反應(yīng)瓶頂空氣體檢測(cè)TCE含量，將峰面積值及其對(duì)應(yīng)的TCE降解率記錄在表3中，以降解率為縱軸，反應(yīng)時(shí)間為橫軸繪制曲線。

表3 過硫酸鈉用量對(duì)20mg/L三氯乙烯降解效果影響

（5）硫酸亞鐵用量對(duì)三氯乙烯降解效果的影響

①稱取4份質(zhì)量為0.0357g的過硫酸鈉粉末，操作同（4）中相應(yīng)步驟；

②以微量進(jìn)樣針分別量取3.4μL三氯乙烯的乙醇溶液，注入上述4個(gè)血清瓶后加蓋密封，搖勻；

③分別以微量進(jìn)樣針量取75μL、150μL和375μL濃度為0.1mol/L的硫酸亞鐵溶液，依次每間隔10分鐘注入1、2、3號(hào)反應(yīng)瓶?jī)?nèi)，立即蠟封瓶蓋并搖勻反應(yīng)瓶，置入氣浴恒溫震蕩器中振蕩，并每間隔5 min、分4次分別向上述3個(gè)反應(yīng)瓶中注入與第一次加入量相同的硫酸亞鐵溶液，在40分鐘內(nèi)每間隔10分鐘取反應(yīng)瓶頂空氣體檢測(cè)TCE含量，將峰面積值及其對(duì)應(yīng)的TCE降解率記錄在表4中，以降解率為縱軸，反應(yīng)時(shí)間為橫軸繪制曲線。

表4 硫酸亞鐵用量對(duì)20mg/L三氯乙烯降解效果影響

（6）實(shí)驗(yàn)“三廢”的處理

在完成上述各實(shí)驗(yàn)步驟后，引導(dǎo)學(xué)生分析本實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生廢液、廢渣、廢氣的化學(xué)成分，教育和啟發(fā)學(xué)生對(duì)其進(jìn)行必要的處理。可考慮給學(xué)生3-5天時(shí)間查閱相關(guān)資料，最終給出本實(shí)驗(yàn)“三廢”處理的可行方法。

三、綠色化學(xué)設(shè)計(jì)理念體現(xiàn)分析

在上述“亞鐵離子活化過硫酸鈉降解水中三氯乙烯”的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)過程中，不同程度體現(xiàn)了綠色化學(xué)設(shè)計(jì)理念，主要表現(xiàn)在：

1.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選題是一種新型高級(jí)氧化技術(shù)，充分體現(xiàn)了本學(xué)科的研究熱點(diǎn)，相對(duì)于Fenton氧化技術(shù)所需強(qiáng)酸性等特點(diǎn)而言，該技術(shù)具有環(huán)境友好性特點(diǎn)；

2.實(shí)驗(yàn)所涉及化學(xué)試劑中，過硫酸鈉常溫下穩(wěn)定，分解產(chǎn)物除環(huán)境友好性的鐵離子外，硫酸根離子是環(huán)境水體中的主要陰離子成分。三氯乙烯屬于氯代烴類，與乙醇同屬于有機(jī)溶劑，雖然有一定危害性，但在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中用量很少，作為實(shí)驗(yàn)廢液的有機(jī)成分，以熱活化或亞鐵離子活化過硫酸鈉的方法能在不引入有害廢物的情況下達(dá)到很好的去除效果；

3.對(duì)于三氯乙烯檢測(cè)方法的選擇，實(shí)驗(yàn)采用改良的頂空進(jìn)樣、毛細(xì)管柱氣相色譜法。該方法由實(shí)驗(yàn)教學(xué)組老師在科研項(xiàng)目中建立并經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)是一種操作簡(jiǎn)便、快速、峰形好、干擾少且準(zhǔn)確度較高的方法。

值得提出的是，本檢測(cè)方法的操作步驟中避免了傳統(tǒng)方法中以正己烷作為萃取劑、硫酸鈉作為干燥劑的做法，同時(shí)，快速、簡(jiǎn)單的操作使得氣相色譜使用過程中的能耗也相應(yīng)減少，這些都是綠色化學(xué)原則的很好體現(xiàn)；

4.在影響因素研究步驟中，考慮到總學(xué)時(shí)限制，每組學(xué)生可任選其中一個(gè)影響因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，將實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)控制在8學(xué)時(shí)之內(nèi)。每種因素研究的實(shí)驗(yàn)步驟中僅涉及4個(gè)棕色血清瓶，并且所需的各種溶劑、試劑大多在半微量范圍內(nèi)，這種減量化的設(shè)計(jì)也是綠色化學(xué)理念的充分體現(xiàn)；

5.對(duì)于實(shí)驗(yàn)過程所產(chǎn)生的“三廢”問題，本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ揭彩敲黠@低于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。采用的三氯乙烯和乙醇都是在血清瓶的密閉環(huán)境中，加入試劑均采用注射形式，較好的防止了實(shí)驗(yàn)廢氣逸出；作為廢液的主要成分則主要考慮三氯乙烯和鐵離子，其中鐵離子對(duì)環(huán)境沒有威脅；隨著三氯乙烯降解影響因素的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，瓶?jī)?nèi)殘余三氯乙烯已達(dá)到微量級(jí)，為了確保對(duì)環(huán)境零負(fù)擔(dān)，可采用加入適量過硫酸鈉粉末并適當(dāng)加熱的方法，以熱活化過硫酸鈉更為徹底降解水中殘留的三氯乙烯；而廢渣則只涉及鐵的沉淀物，集中回收后轉(zhuǎn)化為離子還可以考慮循環(huán)利用。這些作為環(huán)境專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)所特有的附加環(huán)節(jié)—“三廢處理”更是對(duì)綠色化學(xué)設(shè)計(jì)理念的集中體現(xiàn)。

四、結(jié)語

通過以上綠色化學(xué)理念貫穿始終的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生對(duì)環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了濃厚的興趣，更新了對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的舊有看法。實(shí)驗(yàn)過程綠色化，對(duì)學(xué)生環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排意識(shí)的形成是一種潛移默化的促進(jìn)；新型、前沿的高級(jí)氧化技術(shù)，先進(jìn)儀器的使用以及科學(xué)性實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)施，拓寬了學(xué)生的視野，為學(xué)生科研思路的形成打下了良好的基礎(chǔ)。最重要的是，經(jīng)過這類綠色化專業(yè)實(shí)訓(xùn)的大學(xué)畢業(yè)生將提早具備綠色化管理理念，對(duì)于企事業(yè)單位綠色化管理模式的推廣是一個(gè)有力促進(jìn)，也因此在目前嚴(yán)峻的就業(yè)形勢(shì)下顯現(xiàn)出一定的就業(yè)優(yōu)勢(shì)。

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作者簡(jiǎn)介：岳俊杰（1977- ），女，天津市人，博士，副教授