基于《高分子化學實驗》的綠色化教學實踐探索

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(九江學院 ， 江西 九江 332005)

基于《高分子化學實驗》的綠色化教學實踐探索

張立明，占昌朝，葉志剛，葉興琳

(九江學院 ， 江西 九江 332005)

結合多年《高分子化學實驗》教學實踐，針對其試劑用量大、污染重及一定程度上的毒性、腐蝕性、燃爆等安全隱患問題，通過高分子化學實驗從課程內容安排、教學方法到綠色化理念等方面的改革，實施了綠色化實驗的實踐，從而改善化學實驗室環境，減少環境污染，保護師生健康，并且實現了學生綠色化學及工程能力的培養，使學生深入了解“綠色化學”理念在高分子化學領域的應用，形成節能環保的內在意識。

高分子化學實驗 ； 綠色化 ； 實踐

高分子化學實驗由于原料的毒性、易燃性引起的安全問題廣受關注，因此進行有機化學實驗的綠色化建設非常必要。

綠色化技術運用環境優先的綠色過程工程理論和方法，研究開發資源(原料資源、能源資源)高效、清潔、循環利用以及清潔化生產新技術，取代傳統方法，在高分子化學工業清潔生產和循環經濟技術發展具有十分重要的意義[1-2]。

本文就高分子化學實驗從課程設計、實驗設計、綠色化理念等方面的綠色化改革實踐進行一些有益的研究探討。

1 課程內容設計

依照節約試劑、減少污染、提高學生學習效率的原則，我們重新組合實驗內容，增加實驗項目的系統性，讓一些實驗前后聯系起來，前一個實驗的產品可以成為后一個實驗的原料，用盡可能少的試劑來進行實驗，從而極大地減少實驗室的“三廢”，降低污染程度和不必要的浪費，以實現綠色化學要求盡可能少的負作用的理想和目標。對一些無法替代，又無法回收、再生和重復使用的，有毒副作用及污染作用明顯的原料，拒絕在化學過程中使用，這是杜絕污染的最根本方法。

比如醋酸乙烯為原料的合成實驗(見圖1)，乳液聚合法合成的聚醋酸乙烯酯乳液可以作為白乳膠合成實驗的原料，而聚醋酸乙烯酯還能以甲醇為原料使用溶液聚合法合成聚醋酸乙烯酯甲醇溶液，后者可以做醇解法制備聚乙烯醇的原料，聚乙烯醇又可以作為聚乙烯醇縮甲醛制備實驗的原料[3]。而溶液法合成的聚醋酸乙烯酯后續可以銜接醇解法制備聚乙烯醇和縮醛法制備聚乙烯醇縮甲醛。這樣的實驗課程安排用前一個實驗所得產品為后續實驗的原料，以醋酸乙烯酯一種原料，實現了教學大綱要求的溶液聚合、乳液聚合法，以及高分子化學反應實驗醇解法、縮醛法的實驗要求，5個實驗形成實驗“鏈”，使學生鞏固高分子化工課程中的基本概念和理論，拓展學生對綠色化學的感性認識，提高對綠色化學理論知識的理解和學習興趣，并使學生較熟練地掌握高分子化工產品的綠色生產工藝，提高學生的實驗技能和動手能力。通過構建實驗“鏈”，減少了試劑用量、降低了環境污染、提高了實驗安全系數。

圖1 醋酸乙烯酯原料實驗“鏈”構建圖

2 實驗方法設計

2.1“原子經濟性”設計

綠色化學核心內容之一是“原子經濟性”，在高分子化學實驗中怎樣充分利用反應物中的各個原子，從而既能充分利用資源，又防止污染。用原子利用率衡量反應的原子經濟性，為高效的有機合成應最大限度地利用原料分子的每一個原子，使之結合到目標分子中，達到零排放。高分子化學原料一般包括單體、溶劑、分散劑、引發劑四個部分，加上合成路線設計，一下就從這五個方面討論綠色高分子化學實驗設計[9-10]。

2.1.1單體

單體是合成聚合物的骨架原料，必不可少，綠色化學著眼于提高收率為主，收率越高，殘留污染就越少，后續處理越簡單，常用反應后期提高溫度，適當延長反應時間的方法都是非常有效的，比如有機玻璃板制備實驗，當轉化率達到90%后，聚合物已成型，可以升溫使單體完全聚合。

2.1.2溶劑

高分子化學實驗中可選溶劑非常多，但考慮到聚合方法、聚合機理，可以去除大部分不適合的溶劑，剩下的就要仔細斟酌，當今流行的綠色化學就有用水代替有機溶劑的趨勢，因為有機溶劑有毒、易燃、成本高、易污染環境，如果不得不使用有機溶劑，就要考慮毒性小、價格便宜、不易燃燒的溶劑，比如以偶氮二異丁腈為引發劑，甲醇為溶劑的醋酸乙烯酯的溶液聚合，乙醇就可以考慮代替毒性高的甲醇，因為二者性質接近，基本不會影響反應正常進行，但這種替代肯定要有充分的預備實驗支撐，大量的預備實驗可以找到最佳的實驗條件，以不影響實驗正常進行為標準，否則就得不償失了。

2.1.3分散劑

分散劑用量小，但對高分子化學反應的乳液聚合、懸浮聚合的進行必不可少，可以提高聚合效率，穩定聚合體系，提高最終產品的質量，但分散劑最重要的缺點是殘留，殘留的分散劑會影響產品質量，無害化分離困難，增加了生產成本，所以要選擇不影響最終產品的質量，殘留低、易分離的分散劑。

2.1.4引發劑

引發劑用量也很少，但它起的作用不容低估，好的引發劑可以提高反應速率、產品收率，國際上對新型高效引發劑的研究始終是熱點不斷，在高分子化學實驗中，為了減少污染，提高效率，讓學生體會綠色化學的理念，可以在試驗設計中引入一些新型高效引發劑代替傳統試驗中使用的傳統引發劑。

2.1.5合成路線

白乳膠原料聚醋酸乙烯酯的制備實驗可以使用乳液聚合法，就是在機械攪拌下，用乳化劑使單體在水中分散成乳液而進行的聚合反應。聚乙烯醇是醋酸乙烯酯聚合常用的乳化劑，它兼起著增稠和穩定膠體的作用，這些原料在白乳膠制備時是必不可少的，這樣制備白乳膠時，直接向聚醋酸乙烯酯乳液添加碳酸鈣、滑石粉、鈦白粉等填充劑以及鄰苯二甲酸酯增塑劑和其他各類助劑勻漿攪拌即可，方法簡單，無廢棄物排放，環保高效；反之，如果使用溶液法制備聚醋酸乙烯酯為原料生產白乳膠，則需去除甲醇溶劑，另外添加乳化劑，方法繁瑣，還會產生甲醇廢液，而且甲醇溶劑有毒易燃，后續處理麻煩，形成人力物力的巨大浪費，有違綠色化學的理念[11]。

2.2微型化學實驗設計

就是在微型的化學儀器裝置中進行的化學實驗，是以盡可能少的化學試劑而獲得比較明顯的反應結果和準確的化學信息的一種新型方法。

采用微型實驗技術，不僅可大幅度減少實驗費用，而且可以擴大化學實驗的覆蓋面，提高化學教學質量。其優點是減少試劑用量(僅為常規實驗的1/1000～1/10)，降低實驗排廢量，減少環境污染，縮短實驗時間，且安全可靠。微型化學實驗作為綠色化學的一項方法和技術，已在國內外日益得到重視和推廣[5-6]。

條件不具備的情況下，也可以實踐減量法，也就是在保證實驗操作以及結果的情況下，減少試劑用量，比如原來用250 mL燒瓶進行的化學實驗，改用100 mL或者50 mL的燒瓶，藥品用量減少到原來的1/4～1/2，這樣，藥品損耗和實驗安全性都大大改善。

當然，微型化不能僅僅為了微型化而微型化，把握一定的尺度是必須的，例如在聚苯乙烯陽離子交換樹脂制備實驗中，合成目標主要是為了得到樹脂微球，粒徑最關鍵的，主要影響因素是攪拌。因此應當尤其注意攪拌的速度以及攪拌棒的位置，攪拌棒要放低一些。開始攪拌后不可改變攪拌速度，否則可能造成顆粒黏結，在保證產品品質的情況下，我們減少試劑用量到原有的1/2，依然得到了較好的微球產品。而在某些需要定量計算的試驗中，比如聚乙烯醇縮甲醛制備，縮醛度、產率等都與投料量密切相關，過分強調微型化的話，計量的誤差、操作中的損失可能導致比較大的偏差，使實驗結果失真，這個時候就要慎重設計，不能偏離主要的實驗目的片面強調微型化。

3 綠色化理念

在實驗室設備以及制度建設以及教學過程中推行綠色化理念，培養學生綠色化學素養。

3.1硬件建設

實驗室設備應滿足基本實驗要求，比如每個試驗臺配備排風系統、水龍頭、插座，廢液廢固要有專門處理儲存地，并定期處置，確保不造成二次污染。實驗室藥品的保存和使用要科學合理，危險化學品必須儲存在經有關部門批準設置的專門的危險化學品倉庫中，必須遵循科學化、準確化和數量化的要求。試劑的存放應采用分類存放原則，實驗室常規所用的化學藥品與實驗準備室所用化學試劑分開；劇毒化學藥品、易燃易爆化學藥品與一般化學藥品分開。根據不同化學藥品的特性存放，對一些易揮發、易升華，易潮解、水解、風化、氧化或易與二氧化碳反應的化學藥品，應分別采用蠟封、油封、水封、避光、低溫、通風、防震、防碰等方法進行保管[12-13]。

3.2軟件及課堂教學

軟件主要包括各項規章制度的建設，包括《實驗室管理制度》《實驗室安全管理制度》《儀器使用管理制度》《藥品使用管理制度》及《實驗室衛生制度》等[14-15]。

實驗過程需要教師對試劑量取、操作步驟進行精心指導，試劑配制要做到規范操作準確計量，注意控制溶液的濃度和用量，操作過程要規范有序，減少對環境的污染。在此過程中，逐漸培養學生形成節能環保綠色化學的科學理念。

此外，針對試驗中的方法數據討論也是給學生灌輸綠色化理念的重要環節，比如聚乙烯醇制備過程，有硫酸法和鹽酸法兩種，硫酸法使用大量硫酸，產生的硫酸廢液量大、成本高、污染重，鹽酸法使用鹽酸量小、廢液量小、成本低、污染小，顯然優于硫酸法，尤其是學生操作危險性大大降低。為了最大限度保證學生安全，減少污染，我們設計了分區實驗法，也就是把一個實驗班分成兩組，一組使用硫酸法，一組實驗鹽酸法，實驗后，兩組進行討論交流，分析實驗數據、結果，老師從旁指導，使學生對兩種方法有了比較全面的認識。

4 結論

高分子化學實驗的綠色化改革實踐是一項系統性、長期性的工作，化學教育工作者和全體大學生需要對基于“綠色化學”理念的高分子化學實驗教學改革不斷努力的工作，這即符合我國環境的可持續發展戰略，也對學生深入了解“綠色化學”理念在高分子化學領域的應用，形成節能環保的內在意識起到極大的推動作用，具有十分重要的戰略性意義。

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G642.4

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1003-3467(2017)11-0054-03

2017-08-11

2015年江西省高等學校省級教改課題(JXJG-15-17-8)

張立明(1969-)，男，博士，副教授，從事高分子化學方面的教學和研究工作，E-mail：zlmhhy@163.com。