應用綠色化學原理構建化學實驗室安全體系的思路和方法

趙 會 吉

(中國石油大學(華東) 化學工程學院，重質油國家重點實驗室，CNPC催化重點實驗室，山東 青島 266580)

0 引 言

近年來高校化學實驗室安全事故頻發，這些安全事故輕則使個人及實驗室財物受到損失，重則導致實驗室人員受到肉體及精神的傷害，甚至失去生命，從而嚴重影響了高校正常的教學、科研秩序，同時給高校的聲譽帶來極壞的影響。

化學實驗室安全事故的起因，人們提到最多的是：①實驗室人員的安全意識淡薄；②實驗室安全投入的欠缺；③安全管理不完善等[1-3]，一般歸結到實驗室人員的責任安全意識不強或管理不善[4-5]，認為主要是人的因素[6-7]導致了安全事故的發生。因此高校建立多級安全管理體系[8-9]，制定完善的實驗室管理制度[10-11]，進行安全培訓[12]，事無巨細，層層加碼，甚至不惜對出現安全事故的教師和學生進行嚴厲處罰，要求實驗室人員簽訂安全責任書[13]，認為這樣就可以解決安全問題。

以上對安全事故的原因分析及相應措施貌似合理，但是并沒有從源頭上找到安全事故發生的根本原因，因而也不能杜絕安全事故的再次發生。化學實驗室安全事故的原因是多方面的，并非都是人的因素，如果只是過分強調人的安全意識及實驗室管理，而不從源頭上解決化學實驗室本身的安全隱患，南轅北轍，則不僅不能解決安全問題，甚至還會起到打擊師生進行科學研究的信心和熱情的反作用。

綠色化學的概念是在1991年由美國化學會(ACS)提出并成為美國環保署(EPA)的中心口號，是指利用一系列原理在化學產品的設計、制造和應用過程中減少或消除使用或產生對人類健康和環境有害物質的科學。這里所說的“一系列原理”即綠色化學研究者們總結出的綠色化學12個基本原理，或稱綠色化學12個基本原則[14]，這些原則可作為實驗化學家開發和評估一條合成路線、一個生產過程、一個化合物是不是綠色的指導方針和標準。綠色化學理念注重源頭預防，提倡無毒、低毒原料和綠色反應條件的應用，使資源和原料得到最大限度的利用，從而實現環境的無害化和可持續發展。綠色化學除了提倡化學品的綠色、節能、環保之外，同樣注重化學品及其生產過程中的安全問題，提倡通過本質安全設計來減少突發性的安全事故[15]，因而采用綠色化學原理與本質安全設計構建高校化學實驗室安全體系，才有可能防患于未然，從源頭上解決高校化學實驗室的安全問題。

1 高校化學實驗室安全問題的根本原因

1.1 化學實驗室自身是發生安全問題的源頭

綠色化學理論體系中有一句非常簡單而著名的話：“What you do not have can not harm you”，意即“你不曾擁有的東西不會傷害你”。很顯然，如果天津港碼頭瑞海公司危險品倉庫沒有集中堆放多種易燃易爆化學品，就不會發生震驚全國的“8·12”特別重大火災爆炸事故；或者即使發生安全事故，結果也不會如此嚴重，這不是單靠加強安全管理所能決定的。號稱世界最發達、安全管理經驗豐富的美國也不能完全杜絕突發性安全事故的發生，也從側面驗證了上述話語的正確性。化學實驗室中發生危險的源頭如果一直存在，一旦管理出現漏洞，就無法避免發生各種安全事故，而管理的疏漏則會經常發生。僅僅依靠加強化學實驗室的管理制度、消防設施和個人防護不能解決問題，因為這些只能在發生安全事故時降低事故危害，并不能從源頭上消除事故的發生。

當然綠色化學理論不是要取消高校化學實驗室的存在，而是要應用綠色化學的原理對化學實驗室中的設施進行本質安全設計，并在遵循綠色化學基本原則的基礎上進行科學研究及實驗教學工作，同時輔之以適當的安全管理制度，才能從根本上解決高校化學實驗室的安全問題。

1.2 實驗室人員缺乏常識及必要的保障安全的技術

在高校化學實驗室進行實驗工作的一般均為高學歷人群，但高學歷并不意味著高的素質和能力。很多本科生甚至研究生缺乏基本的常識，雖然經過培訓了解安全的重要性，但是卻不知道怎樣進行實驗才會保障安全。進行化學實驗之前不進行必要的前期調研，實驗過程中也不與導師進行必要的溝通，而是僅憑著導師的安排及個人的一知半解進行實驗，出現輕微事故時無法及時處理導致釀成大錯，這是化學實驗室經常出現安全事故的重要原因之一。

例如，用脫脂棉代替石棉布進行高溫保溫導致脫脂棉起火燃燒，進行高壓實驗時采用玻璃燒瓶導致燒瓶炸裂損傷身體，采用易揮發性有機溶劑進行非密封加熱實驗導致溶劑蒸氣泄漏燃燒，氫氣鋼瓶輕微泄漏不知如何找到泄漏點并加以處理等。以上例子都不是缺乏所謂安全意識的問題，而是缺乏常識的表現。例如1個體積30 dm3、壓力12.5 MPa的普通氫氣鋼瓶中裝有約4 m3(標準壓力)氫氣，即使全部泄漏到100 m2的實驗室中，也遠遠達不到氫氣的爆炸極限(體積濃度4.0%～75.6%)，說明少量氫氣泄漏時，只要保持開窗通風，及時找到泄漏點加以解決即可，只要不是有意在氫氣泄漏點動用明火，基本不會發生氫氣爆炸事故。道理雖然簡單，但由于實驗室人員缺乏相關常識，碰到偶然的氫氣泄漏，因驚慌失措而處置不當，反而會引發不必要的安全事故。

1.3 安全管理者與實驗人員的脫節

高校化學實驗室中化學品種類繁多，所進行的科研實驗類型更是多種多樣，因而不同的化學實驗室所面臨的安全問題各有其特殊性，而安全管理者無法了解各個化學實驗室安全問題的關鍵所在。如果安全管理者與實驗室人員不能及時溝通，則只能按照常規要求進行安全督導，不利于找到影響安全的關鍵點，不能有效消除安全隱患。

研究生進行科研實驗時如果沒有與導師很好地溝通并制定詳細的實驗方案，或者在進行未知領域的探索實驗時導師不在現場加以指導，則必然會增大不可預知的安全事故的發生幾率。例如2016年5月23日華東理工大學1名二年級研究生在企業進行中試放大試驗時，導師未現場指導，結果導致發生爆炸事故，造成3人身亡的慘劇。由此可見，安全管理者、導師與一線實驗人員脫節也是導致高校化學實驗室事故頻發的原因之一。

2 綠色化學基本原則與本質安全設計對保障化學實驗室安全的指導作用

2.1 綠色化學12個基本原則

綠色化學12個基本原則是綠色化學研究者們總結得出的指導綠色化學品合成及綠色化工清潔生產的準則，這些原則中所蘊含的理念在構建化學實驗室安全體系中的指導作用如表1中所示。

表1 綠色化學12個基本原則及其對保障化學實驗室安全的指導作用

綠色化學基本原則對保障化學實驗室安全的指導作用預防污染的產生優于污染治理預防安全事故的產生優于嚴防死守設計安全的化學品、設計可降解化學品使用可再生原料、使用安全的溶劑和輔助試劑選擇安全的化學試劑采用原子經濟性反應、減少不必要的衍生步驟無害化學合成、催化作用優于化學計量的反應設計安全的化學反應盡量降低能耗化學實驗條件盡量緩和在線監測控制有害物質產生實時監測可能造成安全事故的關鍵點進行本質安全設計,預防安全事故的產生對化學實驗室進行本質安全設計

2.2 本質安全設計

本質安全設計是指通過設計等手段使生產設備或生產系統本身具有安全性，即使在誤操作或發生故障的情況下也不會發生安全事故。本質安全設計是人類在生產、生活實踐的發展過程中，對安全事故由被動接受到積極預防，以實現從源頭杜絕事故和人類自身安全保護的需要。表2中所示為本質安全設計理念及其對保障化學實驗室安全的指導作用。

表2 本質安全設計理念及其對保障化學實驗室安全的指導作用

本質安全設計理念對保障化學實驗室安全的指導作用減少:通過化工過程強化,減小反應器尺寸,減少反應裝置中有害物質的存量減小化學反應裝置的規模,開發微型反應器,以減少反應試劑的用量簡化:通過安全研究進行工藝設計,盡量簡化裝置以求減少誤操作和機械故障在保持原有功能前提下盡量簡化化學實驗裝置,減少危險物質容器、管線、連接點數量替代:將有害物質替換為無害物質進行化學實驗時盡量選用具有相同功能的低毒無害物質代替有害物質減緩:如必須使用有害物質,使用其危害較小的形式,或者在危害較小的條件下使用盡量采用危害程度低、安全系數高的設備限制:通過設計,將裝置本身或誤操作導致的安全事故的破壞力限制在適當的水平改進化學實驗設施,即使發生安全事故,也會將事故所造成的影響限制在較低的水平

3 應用綠色化學基本原則構建化學實驗室安全體系的思路與方法

3.1 有效預防優于嚴防死守

在安全事故發生之前進行有效預防是實現化學實驗室安全的首要原則，這已經成為人們的共識，但是如何進行有效預防卻需要進行深入探討。雖然當前的化學實驗室安全管理制度也提出預防為主，如進實驗室之前進行安全培訓，對于具有危險性、易燃易爆的化學試劑及化工原料，要了解其性質及使用注意事項，對于實驗儀器設備要熟悉操作規程，實驗過程中實驗人員不得擅離職守等，但是僅僅做到這些對于預防安全事故的發生還遠遠不夠。

如果不能減少或者消除危險性化學品的使用，即使知道其性質與注意事項，仍有發生危險的可能；如果實驗儀器設備本身的潛在危險不能得到消除，即使熟知操作流程，仍有因發生誤操作導致安全事故的可能，這些都已經由頻繁發生的實驗室安全事故得到證明。要求實驗人員在實驗過程中全程跟蹤，本身就是一件不可能完成的任務，比如在無機材料的高溫煅燒過程中，實驗人員不可能做到在加熱爐旁全程跟蹤加熱過程；高壓微反實驗過程中，實驗人員也不可能在裝置旁邊全程跟蹤反應評價的全過程，因為一次微反實驗可能就要延續數十甚至數百小時，而這樣的評價實驗可能要進行很多次。如果硬性要求實驗人員全程跟蹤每一項實驗操作，那么科研實驗將不可能正常進行，研究生將不可能有足夠的時間完成其學位論文。

如何解決以上矛盾，只能通過對化學實驗室中的儀器設備進行本質安全設計，才能在一定程度上保證使用技術安全；在遵循綠色化學基本原理的基礎上進行科學研究和實驗操作，設計無害化學反應方法，采用綠色安全的化學試劑和緩和的反應條件，同時采用高科技手段實時監測可能造成安全事故關鍵點[16]，才是預防化學實驗室安全事故發生的根本途徑。

3.2 通過本質安全設計保障化學實驗室安全

“嚴格限制化學實驗室中具有安全隱患的儀器設備和危險試劑的存放數量，如每個實驗室中高壓鋼瓶數量不能超過幾瓶，危險試劑數量不能超過幾升”等等，是安全管理者慣常采用的安全管理措施之一。姑且不論這種只有在安全檢查時才可能被認真執行的規定對于安全的實際意義，難道不能采取措施消除危險設備在實驗室中的存在和危險試劑在化學實驗中的使用嗎？當然所采取的措施不是將危險設備和試劑搬到其它實驗室，而是要對化學實驗室的儀器設備進行本質安全設計，使其做到安全化、綠色化，這才是保障安全、減少甚至杜絕安全事故發生的最根本基礎。

(1) 減小化學反應裝置的規模，開發微型反應器。在保持功能前提下盡量減小化學反應裝置的規模，特別是反應器的體積，因為反應器的體積一般決定了反應裝置中裝填的反應物料的數量，而反應物料越多，一旦發生泄漏，就可能造成更大的安全事故。相反如果盡量采用體積較小的反應器，反應裝置中運行的反應物料數量有限，即使發生事故也會將危害限制在較小的范圍之內。

為了更接近工業裝置的實際運行情況，往往需要進行規模較大的中試實驗。中試實驗應該盡量在具有相關資質的企業單位進行，如果有必要在高校化學實驗室中建立中試裝置，則要對這些裝置的安裝地點及運行情況進行重點監控。裝置安裝地點應該盡量遠離其他實驗室，中試反應器的規模也應該盡量減小以減少化工原料的用量，進行中試試驗時要有導師進行現場指導，不允許學生單獨操作。

(2) 盡量簡化化學反應裝置。在保持功能前提下盡量簡化反應裝置的結構，減少危險物質容器、管線、連接點的數量，因為裝置越復雜，越容易產生機械故障且難以有效控制；反應器及管線的連接點越多，越容易發生泄漏導致安全事故。同樣，實驗室中安裝的危險裝置數量不應過多，如果將很多高溫、高壓反應裝置集中在一個實驗室，除了容易使實驗室變得雜亂無章，增加操作難度之外，還會容易出現安全事故的可能性。

在實際條件允許的情況下，實驗室中應設法消除或減少危險品容器，如高壓氣體鋼瓶以及有毒有害、易燃易爆的化學品容器的存放。為了保證科研應用和實驗室安全，可采用高壓鋼瓶組對使用高壓氣體的實驗室集中供氣，高壓鋼瓶組可就近存放在單獨的實驗室并由專人管理。相對而言，高壓鋼瓶組集中供氣相比每個實驗室中都存放鋼瓶更有利于保證安全。此外，危險化學品和化工原料也應該分門別類在專門藥品室存放，相同課題組中要盡量避免研究生重復購置藥品并不按要求隨意存放。

(3) 采用危害程度低、安全系數高的設備。在條件允許的情況下，盡量采用安全系數高的儀器設備，可在一定程度下避免安全事故的發生，或者即使發生安全事故，也會將事故所造成的影響限制在較低的水平。設計化學反應裝置時，應充分考慮所選材料的耐高溫、高壓能力；針對化學反應原料及產物性質選擇反應器材質，避免因材質不當發生腐蝕而泄漏。反應器盡量選擇易于實現密封、不易泄漏且反應物容量較小的管式反應器，釜式反應器盡量采用較小容積，且額定使用溫度、壓力遠高于反應條件的反應釜。反應裝置上應設置足夠的監測儀表，具有超溫、超壓報警，或者斷電、斷氣等保護功能。

3.3 科研實驗遵循綠色化學基本原則

(1) 設計安全的化學反應。進行科學研究或者學生實驗時，盡量選擇安全無害、操作簡單、易于控制的化學反應類型。采用原子經濟性反應，并盡量選擇催化反應代替熱反應，原子經濟性反應的副反應少，催化反應可在相對緩和的條件下進行，并可以提高反應產物的選擇性，這些都可以減少反應及后處理步驟，從而減少產生危險的可能性。盡量避免采用高溫高壓反應和強放熱反應，對于高溫高壓反應需要探索適當催化劑降低反應壓力，強放熱反應需要減少反應原料的加入數量，避免出現反應器飛溫等難以控制的現象。

學生實驗也要盡量采用教學效果相當的實驗項目代替原有的高風險實驗，如制氧試驗選用在常溫下即可進行的H2O2催化分解，代替需要加熱的KClO3催化分解法，既實現了原料和反應過程的綠色化，又減少了明火加熱操作帶來的危險。

(2) 選擇安全的化學品和試劑。設計化學反應時，反應原料、產品、溶劑和其它試劑均應選用對人和環境危害較小的化學品，盡量限制化學性質活潑但易于帶來危險的化學品的使用及用量。化學性質活潑雖然易于發生化學反應，但也會由于過于活潑而帶來某種危險。如光氣、HCN、氯氣的化學性質活潑，但是它們本身均為劇毒物質，一旦泄漏將帶來慘重后果。可用無毒無害或毒害較低的物質取代有毒有害的物質，如可用碳酸二甲酯代替光氣作為甲基化劑或羰基化劑使用，用甲苯代替強致癌作用的苯作為某些物質的溶劑等。如果實驗要求必須使用有害化學試劑，也應該換用毒害較低試劑或在危害較低的條件下使用，比如用次氯酸鈉代替氯氣用作消毒劑，在常壓冷藏條件下儲存氯氣，相比在高壓容器中儲存更加安全等。

(3) 減小化學試劑的用量。在保證實驗效果的前提下，應該盡量減少化學試劑的用量，使實驗小型化、微型化。當使用有毒有害、易燃易爆的物質時更應該這樣，小劑量的化學試劑即使發生危險，也會將危害限制在較小的范圍之內。

進行化學反應放大試驗一定要慎重，尤其對于采用危險化學品，或者熱效應比較大的反應更應該慎之又慎。放大試驗不可避免要增大各種化學試劑使用量，大劑量的劇烈化學反應很可能失去控制，從而引發嚴重的安全事故和不可預測后果。因此放大試驗要做到計劃詳盡周密，循序漸進，不可貿然增大試劑用量。

(4) 在緩和的反應條件下進行化學實驗。化學實驗應盡量避免采用高溫、高壓、高真空、高腐蝕等極限條件，最好在常溫常壓下進行實驗，這不僅降低能耗，是保證實驗室安全的重要因素。反應條件緩和易于實現控制，不容易出現因電路故障、氣體泄漏而著火爆炸，也不容易出現因腐蝕嚴重而導致反應器出現危險。

(5) 妥善處置實驗產生的廢氣、廢物。實驗中有危害性氣體產生時要加強廢氣吸收，廢液、固體廢物應有專人分門別類集中處理。大量廢液、廢油堆放在實驗室中，容易增加著火及人身傷害的發生概率。廢物要注意按照其物理化學性質分別處理，不能隨意混合，特別是強氧化性和強還原性的物質絕對不能混合，否則極易產生爆炸等安全事故。

3.4 實時監測可能造成安全事故的關鍵點

條件允許的情況下，實驗室中易于發生危險的關鍵點應用電子設備進行全天候監控，如可燃性氣體鋼瓶及管線連接點、油氣儲罐等處設置可燃性氣體報警裝置，重點儀器設備以及其它容易發生安全事故的設施安裝電子監控等。將各種電子監控與反應裝置上的控制儀表相聯，當出現反應器超溫時可實現自動切斷電源和原料進料；超壓或氣體泄漏時，可以自動切斷氣體供應等。

3.5 加強安全管理者與實驗人員的溝通，制定完善安全管理制度

(1) 轉變思想觀念。目前安全管理者主要通過制定嚴格的實驗室安全管理制度，對于實驗室危險化學品數量及擺放標準、消防設施及實驗人員的個人防護進行硬性規定，進行安全培訓和定期的安全檢查等措施來試圖實現化學實驗的安全，看似合理但百密一疏。首先不同的課題組和實驗室有不同情況，且隨時都在不斷變化，研究不同的課題時會帶來不同的安全問題，即使規定的再詳細，也總有疏漏之處；其次，安全檢查時，實驗室人員一般會按照要求進行整改，但是過后依然會保持日常狀態，這些實際因素都不是現有安全管理制度所能解決。因此需要安全管理者轉變觀念，從強制管理轉變為提供實現安全的引導和幫助。

安全管理者應與一線實驗人員進行充分溝通與交流建立安全管理體系，針對不同課題組和不同實驗室，找出每個實驗室中最有可能產生安全漏洞的地方，引導并適當提供幫助使實驗室按照本質安全原則進行整改并重點防范。出現安全事故時，適當的獎勵和懲罰措施是有必要的，但不要因為發生一些影響不大的操作失誤而草木皆兵。化學實驗過程中發生失誤乃至錯誤操作在所難免，這也是化學工程師培養過程中不可避免會經歷的磨煉，只要不是有意為之，或者接連犯錯，都應該對一線實驗室人員給予足夠的理解與包容，而不只是簡單進行嚴厲的懲罰，這樣不利于人才的培養，而且于事無補。

(2) 加強導師對學生的現場指導與常識教育。采取適當措施督促導師在實驗室中對研究生加強現場指導，特別是學生進行未知領域的探索實驗時，導師必須在現場指導。據統計本科生發生安全事故的數量明顯低于研究生，這是由于研究生所涉及的實驗項目多為探索未知知識，但是本科生實驗一般有老師現場指導也是重要原因之一。

高校學生除了學習必要的專業理論知識之外，也應該加強必要的常識教育。這里所說的“常識”其實也經常貫穿在日常學習的知識之中，這些“常識”經常與實際問題聯系比較緊密，高校教師注重學生的理論學習，而對理論聯系實際重視不夠。因此高校和研究生導師應多注意理論聯系實際，多與學生進行實驗問題的交流探討，多到實驗室現場指導，而不能只憑自己的經驗和想象指導學生實驗。

4 結 語

高校化學實驗室出現安全事故的直接原因：實驗人員在缺乏必要的保證安全操作的常識知識以及保障安全的技術條件下，使用具有安全隱患的儀器設備以及危險試劑，在不安全的實驗條件下進行科研工作，安全管理者、導師與一線實驗人員缺乏有效的溝通交流，實驗人員在事關安全的關鍵時刻得不到導師的現場指導，等等。化學實驗室中存在安全隱患的儀器設備以及不安全的實驗研究方法是發生安全問題的源頭，需要對化學實驗設施進行本質安全設計，科研實驗應在綠色化學基本原則的指導下進行，設計安全的實驗方法，選用無害的化學試劑和緩和的實驗條件，才可從源頭上解決化學實驗室的安全問題。另外安全管理者在與實驗人員進行充分溝通交流的基礎上，引導幫助建立適當的安全管理體系，同時加強實驗人員的安全常識教育，才能實現化學實驗室的安全化、綠色化。