實驗室廢水污染防治措施
——以含銅實驗廢液應用于綜合創(chuàng)新實驗研究為例

秦建芳譚俊民弓巧娟,*

(1運城學院應用化學系，山西運城044000；2康杰中學，山西運城044000)

實驗室廢水污染防治措施
——以含銅實驗廢液應用于綜合創(chuàng)新實驗研究為例

秦建芳1譚俊民2弓巧娟1,*

(1運城學院應用化學系，山西運城044000；2康杰中學，山西運城044000)

將基礎實驗室含銅廢液的處理、回收及檢測創(chuàng)新性地設計為大型綜合性實驗課題，增加了學生理論與實際相結合的能力，培養(yǎng)了學生的環(huán)保意識；同時進行教學反思，對如何減少實驗室廢液提出了可行性建議，以期加強高校化學實驗室的廢液污染控制；借此推動化學實驗課程的教學改革，保護環(huán)境。

含銅實驗廢液；綜合設計性實驗；污染控制；實驗課程教學改革

環(huán)境安全是人類社會普遍關心的重大問題。大多數(shù)高校化學實驗室都會產(chǎn)生廢液，但嚴格處理廢液的措施還有待改進。所以，如何處理實驗室產(chǎn)生的大量廢液，是環(huán)境污染控制中急切需要解決的問題之一[1－3]。同時，為適應社會發(fā)展對人才的需求，高校應適度增加綜合設計性實驗，增強學生的綜合實踐能力。對于地方本科院校，由于缺乏適合本科生的實驗項目和素材，可開設的內容需要認真探究。按照國家對化學類本科生實驗教學中強化實驗綜合性和創(chuàng)新性的設計要求，以及強化學生環(huán)保意識的需要，課題組充分利用現(xiàn)有的實驗室條件，把基礎實驗室產(chǎn)生的含銅廢液進行處理、回收及檢測，創(chuàng)新地整合為一個綜合設計性實驗，具體方法如下：首先向含銅廢液中加入硫化鈉廢液進行處理，使其中的銅離子濃度降低，回收硫化銅沉淀，然后再檢測處理后廢液中的銅離子含量，使其達到排放標準。該實驗以保護環(huán)境為出發(fā)點，強化學生理論與實際相聯(lián)系的能力，著力于增強學生的專業(yè)素養(yǎng)，因此受到師生普遍歡迎。在此基礎上，我們還進行了教學反思，提出減少高校化學實驗室廢液污染的可行性意見，包括加強實驗室廢液管理和合理設計實驗教學內容兩個方面。以期推動化學實驗課程的教學改革，達到提高人才培養(yǎng)質量與保護環(huán)境雙贏的目的。

1 含銅廢液綜合設計實驗

1.1 基本思路

基礎化學實驗“ds區(qū)金屬元素的性質”中，產(chǎn)生了大量含有Cd2+、Ag+、Cu2+、Zn2+等多種金屬元素的廢水。這些重金屬離子對環(huán)境危害很大，必須減少實驗試劑的用量，并對使用后的廢棄物進行處理后再排放。目前對含銅廢液的處理，一般有兩種方案[4]：(1)利用鐵還原法將銅從含銅廢液中直接還原；(2)在含銅廢液中加入Na2CO3，使溶液呈堿性后，銅轉化為Cu(OH)2、Cu2(OH)2CO3或兩者的混合物，如果處理后溶液仍呈很強的堿性，則堿性溶液須經(jīng)中和處理后再排放。但是方案(1)中由于大量鐵粉的加入，使處理的成本過高；方案(2)則由于較大，處理后廢液中銅離子濃度較高，而且處理后多數(shù)情況下得到的是混合物，回收后產(chǎn)品的實用價值不高。為解決含銅廢液處理過程中的問題，筆者利用溶度積原理設計了第3種方案：在含銅廢液中加入基礎實驗室另一種廢液——硫化鈉作為沉淀劑，使銅離子生成溶解度非常小的硫化銅，再過濾，用蒸餾水洗滌沉淀。產(chǎn)品在40－50°C下烘干，回收。取少量剩余液，利用原子吸收光譜法測定溶液中銅離子含量，若c(Cu2+)≤1 mg?L－1，即達到國家污水綜合排放標準要求[5]。本方案中學生首先根據(jù)沉淀-溶解平衡知識，計算處理后廢液中銅離子濃度為s mol?L－1。若生成Cu(OH)2沉淀，Cu(OH)2=Cu2++ 2OH－，而若生成CuS沉淀，CuS=，而則s=2.50×10－18mol?L－1。通過實際問題的引入，加深了學生對難溶性強電解質溶解度計算的理解，并把理論與實際緊密地結合到一起。同時也增加了學生學習理論化學的熱情。由上面的計算可知，當生成CuS沉淀時，處理后廢液中銅離子濃度極低，非常好地滿足了廢水排放的環(huán)保要求，且回收的CuS固體可以供其他基礎實驗使用。該實驗以廢治廢、變廢為寶，資源循環(huán)再利用。此外，通過用原子吸收光譜法測定處理后廢液中銅離子含量，學生既能夠熟練掌握大型儀器的使用，又能進一步加深對分析化學基本術語(如回收率、精密度、標準曲線、檢出限、干擾性等概念)的理解和掌握，激發(fā)了學生的學習興趣，實現(xiàn)了知識、能力及素質的綜合遷移。

1.2 組織與運行

該綜合設計性實驗安排在學期末進行(共2個實驗，6學時)。實驗原料來源于學生基礎實驗產(chǎn)生的含銅廢液。每4人為一組，進行無毒化處理、回收及達標檢測。實驗前讓學生做好準備工作，通過文獻查閱了解此類廢液回收、處理的現(xiàn)狀和意義，根據(jù)沉淀溶解平衡知識自行設計實驗方案，經(jīng)教師準許后才可實施。處理過的廢水經(jīng)原子吸收光譜法檢測達標后方可排入下水道。整個實驗過程由學生獨立完成，學生可根據(jù)個人對實驗內容的理解及儀器的使用情況，與教師商議后對實驗方案作出調整(如有學生提出用分光光度法測量銅離子含量)。該實驗使學生的學習由被動變?yōu)橹鲃樱蟠筇岣吡藢W生的實驗技能及分析和解決問題的能力。

1.3 考核與評價

實驗結束后，要求學生撰寫實驗論文，具體內容包括研究意義、國內外實驗室廢水處理現(xiàn)狀、理論依據(jù)、實驗步驟、結果及討論和心得體會。雖然學生只是用簡單的方法對實驗廢液進行回收、處理及檢測，但是該實驗卻涉及了無機化學的沉淀-溶解平衡理論知識，溶解、沉淀、過濾、洗滌、干燥等基本技能訓練，以及原子吸收光譜儀的使用和分析檢測的基本步驟。論文完成后，再組織各小組之間相互評價，鼓勵質疑，然后進行總結。通過該綜合設計性實驗，既處理了廢液，又回收了化學品，同時也學會了常見金屬離子的檢測方法。最重要的是讓學生認識到廢液處理的不易，在實驗過程中要盡量節(jié)約試劑，減少廢液的產(chǎn)生，從源頭上減少污染，提高學生的環(huán)保意識。

2 教學反思——實驗室廢水污染防治措施

由于高校在進行實驗教學時，學生流動性大、人數(shù)多，加上藥品用量大、品種繁雜、排放時間不定等因素，導致實驗廢液對環(huán)境帶來的壓力不容忽視。結合幾年的教學實踐，提出實驗室廢水污染防治措施，具體如下。

2.1 加強實驗室廢液管理

2.1.1 分類收集

在日常基礎化學實驗過程中，可根據(jù)廢液量的大小、回收利用程度、酸堿性、濃度、毒性，要求學生按要求、按標記對產(chǎn)生的廢液進行分類收集保存。

對于量較多的含銅、含鋇、含鉻廢液，把它們分別盛裝在耐強酸、強堿并且已經(jīng)使用過的塑料桶中，以便于節(jié)約成本，進行二次利用。而對于量較少的含錳、含鎘、含汞、含鉛、含鋅、含鐵廢液，可以用盛裝酸液的大試劑瓶回收，收集的廢液待期末進行綜合設計實驗時處理。

2.1.2 以廢治廢

采用以廢治廢的方法來處理廢液，增加了廢液的利用率，節(jié)約了處理成本。如本研究中利用回收的硫化鈉廢液處理含銅廢液，亦可以用含的廢液處理其他金屬離子，或者利用酸堿中和原理來處理酸性和堿性廢液，降低處理費用。

2.1.3 分級沉降處理

對于混合有多種金屬離子的廢液，可以根據(jù)分步沉淀的原理，用分級沉降的方法處理。由于這類廢液的處理需要無機化學、分析化學、儀器分析等多方面理論知識做支撐，并且廢液中金屬離子的含量須通過科學方法來檢測，所以既可提高學生的基本實驗操作技能，還可與環(huán)境檢測、食品檢驗等工作緊密結合；如果作為畢業(yè)班學生論文的選題也有積極的意義。此外，在保證教學質量的前提下，還可以通過基礎化學實驗的課程改革來降低實驗廢水對環(huán)境的污染。

2.2 合理設計實驗教學內容，進行實驗教學改革

2.2.1 虛擬實驗教學系統(tǒng)

借助先進的虛擬實驗教學系統(tǒng)，使學生產(chǎn)生身臨其境的感受，達到教學目的。目前，已經(jīng)有成熟的虛擬實驗教學系統(tǒng)。利用系統(tǒng)的虛擬實驗平臺可做成Java、Applet、ActiveX或Flash插件，實現(xiàn)界面仿真、模型表示、模型求解和操作控制[6]。某些毒性較大、操作危險、儀器設備比較復雜的實驗可以通過虛擬實驗教學系統(tǒng)進行演示、預習或人機對話進行提示或鞏固。

2.2.2 微型實驗

微型實驗是以盡可能少的實驗試劑來獲取化學信息的實驗方法與技術。它的試劑用量一般只為常規(guī)實驗用量的幾十分之一甚至幾千分之一，卻可以達到準確、安全、方便和防止環(huán)境污染等目的[7]。例如，在“固體堿熔氧化法制備重鉻酸鉀”實驗中，常規(guī)實驗氧化焙燒時須用酒精噴燈加熱30－35 min；改用微型實驗后，由于試劑用量減少，用酒精燈也可以使Cr2O3熔融氧化完全。在常規(guī)方法中，用4 g Cr2O3制備K2Cr2O7，可得產(chǎn)品5.32 g，產(chǎn)率為68.7%；而使用微型實驗方法，試劑用量減少到1/10，制得產(chǎn)物0.4117 g，產(chǎn)率為53.2%，產(chǎn)生的廢液量隨試劑用量減少相應地大量減少。與常規(guī)實驗相比，微型實驗方法產(chǎn)率較低，但已滿足后期含量測定的要求。

2.2.3 探究性實驗

在元素化學中以探究性實驗代替?zhèn)鹘y(tǒng)驗證性實驗。例如，高等教育出版社出版的《無機化學實驗》[8]“第一過渡系元素(二)”中，針對Fe(II)、Co(II)、Ni(II)的還原性和Fe(III)、Co(III)、Ni(III)的氧化性，書上設計了7個實驗內容，涉及到大量的實驗藥品，學生做實驗時產(chǎn)生了大量廢液；而采用探究性實驗，只須提出1個探究性問題，按照Fe、Co、Ni的順序，高氧化態(tài)(+3)化合物的氧化性、穩(wěn)定性和低氧化態(tài)(+2)化合物的還原性、穩(wěn)定性如何變化？首先理論探究：由E?(Fe3+/Fe2+)=0.771 V，E?(Co3+/Co2+)=1.82 V可知：Co3+的氧化性強于Fe3+，即按照上述順序，高氧化態(tài)(+3)的氧化性逐漸增強，化合物的穩(wěn)定性減小；低氧化態(tài)(+2)的還原性逐漸減弱，化合物的穩(wěn)定性增強。其次，設計實驗：自制Fe(OH)2、Co(OH)2、Ni(OH)2在空氣中放置或通入氯氣，觀察現(xiàn)象。而后在Fe(OH)3、Co(OH)3、Ni(OH)3中加入濃鹽酸，觀察現(xiàn)象，用淀粉-碘化鉀試紙檢驗放出的氣體。最后試驗：按照上述設計的實驗步驟進行實驗，觀察并記錄實驗現(xiàn)象，得出結論，寫出反應方程式。通過探究實驗，不僅使藥品的使用量明顯減少，減少了大量廢液的污染，又把無機化學的基本理論融入到元素化學實驗之中，讓學生帶著問題做實驗，提高學生學習的主動性，培養(yǎng)了學生自主獲取知識的能力，比傳統(tǒng)的“照方抓藥”效果要好得多。

3 結語

分類收集是處理實驗室廢水的基本前提，有的廢水還可相互利用，降低處理費用。本實驗創(chuàng)新性地利用以廢治廢的方法將基礎實驗室含銅廢液與含硫化鈉廢液的處理、回收及檢測設計為大型綜合性實驗課題，通過理論與實踐相結合增強了學生分析、解決問題的能力。經(jīng)過教學反思，結合長期教學實踐提出實驗室廢液防治的兩種具體措施：合理設計實驗教學內容、加強實驗室廢液管理。借此推動化學實驗課程的教學改革，達到保護環(huán)境、資源循環(huán)利用的目的。

[1]張奕,賀纓,程文濤.環(huán)境科學與技術,2006,29(8),56.

[2]李鐵龍,金朝暉,宣曉梅.環(huán)境衛(wèi)生工程,2004,12(2),73.

[3]姚運先,王藝娟.化學教育,2002,No.2,9.

[4]李增新,薛淑云,王國明.實驗室研究與探索,2008,27(7),105.

[5]國家環(huán)保總局科技標準司.污水綜合排放標準(GB8978-1996)//中華人民共和國國家標準.北京:中國環(huán)境保護科技出版社,1997.

[6]李愛峰,孫愛玲,柳仁民.大學化學,2012,27(5),26.

[7]王春.化學教育,2009,No.8,53.

[8]北京師范大學無機化學教研室.無機化學實驗.北京:高等教育出版社,2006:183－185.

Treatments for the Laboratory Waste Water:Taking the Copper-Containing Waste Reused in Comprehensive Experiments as a Case

QIN Jian-Fang1TAN Jun-Min2GONG Qiao-Juan1,*
(1Department of Applied Chemistry,Yuncheng University,Yuncheng 044000,Shanxi Province,P.R.China;2Kangjie Middle School,Yuncheng 044000,Shanxi Province,P.R.China)

The treatment,recovery and detection of copper-containing waste from chemical laboratory were designed as a comprehensive experiment for college students.The students′ability of integrating theory with practice was enhanced.The environmental awareness was cultivated.At the same time, feasible suggestions for reducing laboratorial waste were proposed to strengthen the university chemistry laboratory waste pollution control.We aim to promote the teaching reform of chemistry experiment course, and to protect the environment.

Copper-containing waste from chemical laboratory;Comprehensive experiment; Environmental pollution control;Teaching reform

*通訊作者，Email:gqjuan@163.com

山西省普通本科高校教育教學改革研究重點項目(J2014103)；山西省化學特色建設專業(yè)；運城學院教學改革研究項目(JG201611)

10.3866/PKU.DXHX201603001

www.dxhx.pku.edu.cn

G64；O642.0