高校化學實驗室“三廢”的防治與綠色化處理方案

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(河南財政金融學院(河南教育學院) 化學與環境學院 ， 河南 鄭州 450046)

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高校化學實驗室“三廢”的防治與綠色化處理方案

鄭會勤,王宇婷

(河南財政金融學院(河南教育學院) 化學與環境學院 ， 河南 鄭州 450046)

通過對高校化學實驗室“三廢”的調研和分析，針對高校化學實驗室“三廢”處理過程中存在的問題，結合實驗實例，提出了“從源頭上控制，在過程中減少，合理后處理”的治理理念和原則。

化學實驗室 ； 三廢 ； 來源 ； 防治管理

化學實驗課作為化學系專業學生的必修課程，所用到的試劑、耗材較多較雜，其中一半以上的化學試劑都有不同程度的毒性，實驗過程產生的廢液、廢氣、廢渣(三廢)均有不同程度的毒性，任意排放既污染生態環境，也嚴重威脅人及其他生物的健康[1]。合理處理實驗室“三廢”，既可培養學生環保意識，又利于實施綠色化學教育。因此，如何減少實驗過程中有毒試劑的用量，提高藥品的利用效率，降低對環境的污染已成為亟待解決的問題。本文在調研分析的基礎上，提出了“從源頭上控制，在過程中減少，合理后處理”治理原則和理念，從而加強和完善高校實驗室“三廢”防治管理。

1 高校化學實驗室“三廢”來源及處理現狀

高校實驗室“三廢”的主要來源有：①實驗內容較陳舊，采用一些毒性大、污染嚴重、難以處理的試劑進行實驗；②實驗過程中，學生對“三廢”認識不夠，操作不規范，造成不必要的浪費；③沒有對實驗產生的廢棄物進行有效的后處理。

1.1廢液的來源及處理現狀

廢液是高校化學實驗室“三廢”中量最多，最不易處理的。它不僅種類復雜，而且處理成本高、操作困難。此外，由于高校實驗涉及的人數眾多，流動性大，實驗廢液排放難以管理，特別是學生對廢液最常見的處理方法就是直接傾倒[2]。

調研中發現，雖然不同高校開設的實驗項目和內容有一定的差異，但實驗室廢液的成分和比例卻很相似，主要包括無機類廢液和有機類廢液，無機類廢液通常含有鹵素、氮化物和重金屬離子等有害物質，根據多年的一線教學經驗，我們發現無機類廢液包括酸、堿和硫化物等，有機類則包括常用的有機溶劑，如甲醇、石油醚、苯、甲苯、二甲亞砜(DMSO)等。此外還含有一些高分子廢液，如苯乙烯丙烯腈、甲基丙烯酸甲酯和醋酸乙烯酯等，這些廢液通常具有較大的毒性，有些甚至是劇毒、致癌物質。

1.2廢氣的來源及處理現狀

化學實驗有部分試劑有一定的揮發性，實驗過程會釋放有毒有害氣體，但由于氣體較難收集和檢測，導致廢液的處理很容易被忽視。通過對高校化學實驗室教學內容的調查發現，實驗室產生的廢氣主要含有氮氧、硫氧、碳氧化物、氯氣、氨氣、非金屬氫化物等，這些廢氣有的有毒，有的具有腐蝕性，但基本上都無法處理，直接排于大氣中。目前有條件的高校實驗室雖然根據“廢氣”污染物的具體性質和數量，選擇了諸如通過通風櫥、通風罩、換氣扇等排到室外，經空氣稀釋后排放等辦法進行了初步處理，這種處理的結果是把廢氣從室內排至室外，污染大氣。如H2S的制取，雖然是在通風櫥中進行，但沒未任何凈化處理而直接排放，這在一定程度上對實驗區周圍的大氣造成污染。

1.3廢渣的來源及處理現狀

根據“三廢”的分類標準，廢渣是指固態類的廢棄物，包括有毒或低毒的藥品瓶、被污染的廢紙屑、損壞的玻璃儀器等；還有一些失效的實驗藥品和實驗副產物等。雖然實驗室廢渣的組成十分復雜，但對其處理或處置還沒有任何相關規定，任意丟棄廢渣的現象也就時有發生，使得實驗室廢渣進入城市垃圾體系，污染生活環境。調查中也發現，雖然有的實驗室采用了諸如集中收集、定點深埋的處理方法，但重金屬等物質會污染土壤，進而通過地下滲透的方法污染水體，最終污染環境，危害人體[3]。

通過上述分析可知，高校化學實驗室“三廢”主要來源于實驗或科研的廢棄物，存在種類多、成分雜、后處理不當、危害嚴重等特點，針對上述特點，結合本校實際，本文提出了切實可行的“三廢”防治和綠色化處理案。

2 “三廢”的防治與綠色化處理

根據綠色化學理念，本著“從源頭上控制，在過程中減少，合理后處理”的原則，結合本校的實際情況，提出了一系列減少和合理后處理實驗三廢的方法和措施。

2.1從源頭控制

綠色化學旨在從源頭上消除污染，而不是對污染物的處理，三廢處理“防”大于“治”。因此，在制定實驗教學大綱時，應選擇內容環保節約，綠色無污染或污染較小的實驗，從源頭上控制高校化學實驗所產生的“三廢”量并對其有效處理，盡可能將化學實驗室產生的污染物降低到最低。在對我校基礎化學實驗室所開設的實驗進行綜合分析的基礎上，結合具體的教學環節，制定出了優化的實驗教學方案。如在選擇和設計化學實驗時盡量刪除劇毒實驗或尋找替代實驗，盡量采用微型或小型化學實驗、封閉式實驗、連環式實驗等方法，以減少藥品用量，實現物盡其用，同時盡可能采用先進的儀器設備，減少環境危害[4]。

2.1.1拒絕使用毒性大的試劑

高校化學實驗課占化學課程的一半，學生實驗內容繁多，涉及的試劑多、用量大，有些實驗毒性較大，“三廢”后處理困難，不符合“綠色化學”的要求，這種實驗應予以刪除，如果必須做應盡可能選擇無毒或較低毒的替代實驗。

如無機實驗中含氰電鍍、As2O3的性質、NO2的性質和制備、Cl2的氧化性、砷酸鹽的性質等實驗，由于涉及的試劑有較大的毒性，且這些實驗均為性質實驗，無法鍛煉學生的綜合實驗能力，故應刪除。對于一些必做且毒性又較大的實驗，可以選擇合適的替代實驗，如表1所示。如有機化學實驗中，可用“肉桂酸”實驗代替“喹啉”實驗避開了苯胺、硝基等有毒致癌試劑，可用“溴乙烷”實驗代替“溴苯”實驗，避開了苯、溴等對空氣污染大的試劑，減少對環境的污染，同時也降低了低值易耗品的費用；對于合成硝基酚、雙酚A及酚酞類化合物，由于反應不可能完全，酚類在水中的溶解度較大，這些廢液中所含的酚類都是超標的，可以加入漂白粉煮一下，以使酚類氧化分解后再倒掉，這個方法對于苯胺類化合物也適用。

表1 傳統試劑和替代試劑

萃取操作的演示實驗中，考慮到Br2的劇毒性，將CCl4萃取溴水的實驗改為CCl4萃取碘水，這樣既可以防止因溴蒸氣的揮發而造成對學生和老師的人身傷害，又可達到相同的實驗效果。在有機合成中常用無毒的乙醇代替有毒的甲醇，以低毒的甲苯代替毒性教大的苯作為有機溶劑來進行有機合成實驗，這些溶劑因與原溶劑具有相似的極性和相似的溶解性，通常不會改變有機合成的反應機理，可達到與原試劑相同的實驗目的，且無毒或毒性較低。

2.1.2減少耗材、試劑的用量

對于實驗中必須的耗材和試劑，應在保證實驗質量的前提下，盡量減少用量，如pH試紙可以分成小段使用。本著減少試劑用量的原則，在我校具體的化學實驗教學中，實行“常量實驗小型化或微型化，性質實驗點滴化”，如硫酸亞鐵胺的制備、氯化鈉的提純等常見的無機實驗，由于實驗現象明顯，所以一般減半操作；一些涉及到試劑比較貴的實驗，在保證實驗現象的前提下，實行微型化。如我校對有機化學實驗“乙酰水楊酸合成”這一實驗進行了微型化設計，水楊酸的用量為0.10 g，無水碳酸鈉的用量為6 mg，乙酸酐用量為100 μL，實驗可得粗產品0.12 g左右。從實驗結果來看，實驗所消耗的藥品數量大大減少，水楊酸的用量僅為常規實驗藥品用量的3%，且整個實驗時間大為縮短，實驗準確度與舊方法無明顯差異，收率符合要求。由上述實例可以看出，開展微型或小型化實驗既節約了實驗時間，又可達到同樣的實驗效果，最關鍵是減少了實驗廢棄物的產生，微型化學實驗可以減少污染，節約經費(其試劑用量為常規實驗的10%至0.1%)，縮短實驗時間(大約為常規實驗的40%)，同時還降低了水資源的消耗。小、微型實驗的開設對毒性大、藥品貴、耗量大、污染嚴重、操作復雜的化學實驗尤為必要。

2.2在過程中轉化

基礎化學實驗室承擔了高校大部分實驗課程，開設的實驗內容繁多，涉及的試劑較多，實驗一般兩人一組或一人一組，試劑用量較大，實驗過程中產生的“三廢”較多，“三廢”進行合理后處理將會減少對周圍環境和生物的危害程度。化學實驗過程中會產生“三廢”，參照“綠色化學”理念，在過程中減少“三廢”的產生，或通過化學方法將“三廢”轉化，盡可能地降低“三廢”的排放量和污染程度。

2.2.1廢液的轉化

廢液是高校化學實驗室“三廢”中產量最多的，在“綠色化學”原則指導下，我校對實驗教材中的所有實驗進行了系統地研究，發現基礎化學實驗中的很多產物都可以作為后續實驗的原料，因此可以把一些孤立的實驗首尾連接起來，組成連環式實驗，達到物盡其用，盡可能地減少廢液的排放。如基本操作實驗中溶液配制可選用易吸潮的NaOH和含有結晶水的五水硫酸銅這兩種代表性的物質，所配制的NaOH溶液可用于分析實驗中的酸堿滴定，所配制的CuSO4溶液可用于電化學實驗中Cu-Zn原電池實驗，電池實驗的廢硫酸銅溶液可以回收濃縮，所得固體可用于硫酸銅的提純實驗。

對于常用的廢有機溶劑如乙醇、二氯甲烷、二氯乙烷、丙酮、石油醚、乙酸乙酯、乙醚等用空瓶回收，貼好標簽，積累到一定數量后安排學生進行重蒸提純，在后續的實驗中繼續使用。對于無法回收利用的廢產品液如正溴丁烷和正丁醚則收集到廢產品液桶內，積累到一定數量后送到專門的地點進行生化處理[5]。

2.2.2廢氣的轉化和吸收

化學實驗過程中不可避免地會產生一些有毒有害氣體，如CO、 NO2、SO2、H2S、PH3等，這些有毒有害氣體大部分可用堿液吸收，部分不能被堿液吸收的可燃性氣體如CO等可進行點燃使其轉化為無毒的CO2，并通過排風設備將少量廢氣排到室外，降低對人體的污染。此外，為從源頭上控制污染氣體的排放，高校化學實驗盡可能采用密閉系統，并在通風柜中進行。如“以廢鐵屑為原料制備硫酸亞鐵銨”這一實驗，是一個典型的變廢為寶、回收利用鐵資源的環保型實驗。傳統的實驗為敞開式，FeSO4的制備過程中廢鐵屑中的S、P等雜質和硫酸反應生成H2S、PH3等有毒氣體，這些氣體被直接排放到空氣中，使得實驗室彌漫著強烈的刺激性氣體，直接危害師生的身體健康，不符合綠色化學的要求。我校采用具有尾氣吸收的封閉式實驗裝置(見圖1)，鐵屑凈化中的Na2CO3廢液可用做廢氣吸收液，不僅節約了試劑而且減少了廢氣的排放，降低了環境污染[5]。

圖1 封閉法制備硫酸亞鐵示意圖

2.2.3固體廢棄物處理

化學實驗室廢渣主要是一些實驗所用的耗材及實驗產物，回收利用實驗產物也是實現無機化學實驗綠色化的一個途徑。比如FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O的制備和K3[Fe(C2O4)3]的制備實驗，如果實驗單一開設，目標產物沒有什么實際應用價值，如果直接將其廢棄，不僅污染環境，而且造成資源浪費。在我校的實際教學中，先開設FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O的制備，并將實驗產物回收保存，然后用作K3[Fe(C2O4)3]的合成原料，后者又可作為三草酸合鐵(Ⅲ)配陰離子組成及電荷數測定實驗的原材料。這樣做的結果不僅節約了實驗藥品，降低了成本，更主要的是減少了廢渣的排放量，實現了化學實驗的綠色化。對于無法回收利用的有毒廢產品，要求學生放入指定的廢品回收瓶，累積到一定量后與水泥混合，固化后深埋于地下指定地點。除了廢的固體產品，在柱色譜實驗中還會產生一些使用過的Al2O3廢渣，實驗室集中回收后再在焙燒爐中進行高溫焙燒，焙燒過的Al2O3可重復用于下次實驗。

而實驗室用的各種耗材的使用遵循“可用可不用的不用，必須用的盡量少用，可重復使用的盡量重復使用”盡可能減少其用量，如實驗室所用的廢舊的試劑瓶，可選擇一些容易清洗的作為學生實驗用的試劑瓶。

2.3合理后處理

實驗室“三廢”中，廢氣一般在實驗過程中就進行了吸收，處理或回收利用了，少量有毒的廢渣，可采用集中焚燒或安排指定地點并深埋于地下。

廢液是實驗室“三廢”中產量最多的，也是實驗室廢棄物的后處理的重點對象。實驗室廢液處理方法主要包括化學處理法(如酸堿中和法、離子交換法)和物理處理法(如活性炭吸附法、絮凝沉淀法等)。其中，化學轉化法是基礎化學實驗室最為常用的廢液處理方法，這種方法操作相對較為簡單，成本較低，缺點是處理的不徹底。廢液的處理與其性質有關，不同的廢液處理方法不同，常見的基礎化學實驗室廢液的處理方法如下：

酸、堿廢液、某些低濃度的低毒性重金屬廢液，包括含銀離子、鉻離子、汞離子等，可盡量在廢液剛產生的時候，利用簡易的處理方法在實驗室進行及時的處理，多數廢液中是通過調節pH值的方法，然后再加入能與廢液中的離子形成沉淀的沉淀劑再進行過濾處理，或者利用共沉淀和物理吸附的方法，盡可能除去廢液中的有害離子。

基礎化學實驗室常見廢液的來源及處理方法如下：廢酸、堿溶液，廢液來源酸堿滴定，溶液配制、部分性質實驗，處理方法：用廢堿液和堿液中和，調節pH值為6～8，從下水道排出。含汞、鉻的廢液，過渡元素的性質實驗、廢鉻酸洗液、某些有機物的制備處理方法：①含汞廢液。先調節pH值為8～10，加入過量Na2S，使其生成硫化汞沉淀，再加入硫酸亞鐵作為沉淀劑，使 FeSO4與過量的 Na2S 生成 FeS 沉淀，FeS沉淀能將懸浮在水中的 HgS 懸浮微粒吸附而共同沉淀，將溶液靜置，待懸浮物大部分已沉淀后，用傾析法分離大部分清液，再將剩余物經離心分離、過濾，濾出沉淀，所得清液經檢驗不含Hg2+后才可以排放，沉淀收集儲存，做進一步處理。②含鉻廢液可用廢鐵屑還原殘留的Cr(Ⅵ)，再用廢堿液或石灰中和使其生成低毒的氫氧化鉻沉淀[6]。含鉛、鎘廢液等處理方法：用生石灰將廢液調到pH值8～10，使廢液中鉛、鎘生成氫氧化物沉淀，加入FeSO4，作為共沉淀劑。含銀廢液處理方法：先調節pH值，使其在酸性條件下，然后向廢液中通入飽和食鹽水，將Ag+離子完全轉移到 AgCl沉淀中，再用稀硝酸洗滌2～3次后過濾、沉淀濾出后烘干回收利用。含酚、氰廢液處理方法：①酚。高濃度的酚可用己酸丁酯萃取，重蒸餾回收。低濃度的酚廢液可加入NaClO或漂白粉使酚氧化為CO2和H2O[7]。②氰化物。含有氰化物的廢液不得直接倒入實驗室水池內，應加入NaOH使呈堿性后再倒入FeSO4溶液中，生成無毒的亞鐵氰化鈉再排入下水管道[8]。混合廢水的處理方法：用酸調節廢水至pH值為3～4，加入鐵粉，攪拌0.5 h，用堿再調至pH值為9左右，繼續攪拌10 min，再加入高分子混凝劑，進行混凝后沉淀，清液可排放，沉淀物以廢渣處理。

3 結論

本文通過對高校實驗室“三廢”的調研和分析，針對化學實驗室“三廢”處理過程中存在的問題，結合實驗實例深入分析了化學實驗室三廢的具體處理方法，提出了“從源頭上控制，在過程中減少，合理后處理”的治理理念和原則，可為高校實驗室“三廢”防治提供參考依據。

[1] 蒲艷玲.化學化工實驗廢水排放監測與治理方式研究[J].當代化工研究,2016(6):64-65.

[2] 汪建民,仇念文,劉 葵,等.高校化學實驗室污染控治及安全管理的研究與探索[J].實驗室科學,2015,18(3):189-191.

[3] 趙會武,李 力.做好“三廢”管理及處理,確保實驗室環保安全[J].高校實驗室工作研究.2010(3):62-63.

[4] 鄭會勤,韓春亮,林 鈺.基于“5R”原則的綠色無機化學實驗設計與實踐[J].廣州化工,2013,41(24):162-163,167.

[5] 孫 雁,王秋長,翟玉平.有機化學實驗室廢液處理方法初探[J].實驗室科學,2005(4):73-75.

[6] 李燕靈,王海峰.鐵氧體法處理含鉻廢水及鉻回收實驗研究[J].廣州化工,2013,41(14):101-103.

[7] 施岱松.高校實驗室化學廢液處理辦法與探討[J].實驗室研究與探索.2015,34(4):286-288.

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1003-3467(2017)11-0050-04

2017-08-29

河南省教師教育課程改革研究項目(2017-JSJYYB-125)；河南省科技計劃項目(142102310258)

鄭會勤(1980-)，女，博士，講師，從事光催化材料的研究工作,E-mail：zhenghuiqin2016@163.com。