綠色化學理念在“環(huán)境化學實驗”教學中的應用探討

肖玲 朱亮亮

摘 要 “環(huán)境化學實驗”是環(huán)境專業(yè)一門重要的實驗課程，但本課程往往會導致一定的環(huán)境污染問題。本文主要從實驗原料、溶劑和廢液等角度探討了綠色化學理念在實驗教學中的應用情況，以期能對“環(huán)境化學實驗”教學提供一定的指導。

關鍵詞 綠色化學 實驗教學 環(huán)境保護

Abstract Environmental chemistry experiments are very important for environment professional learning. However， the experiment course is often associated with pollution problems. From the views of experimental materials， solvents and wastes， the paper discusses how to apply green chemistry concept in course teaching. It is hoped the paper will be helpful in teaching environmental chemistry experiments.

Keywords Green Chemistry; experimental teaching; environmental protection

1前言

1.1 綠色化學的產生

綠色化學又稱為環(huán)境友好化學，是近二十年發(fā)展起來的新興學科。它顛覆了“先污染，后治理”的理念，倡導從源頭上預防污染的產生，實現零污染或零排放。[1]1984年和1989年美國環(huán)保局曾相繼提出“廢物最小化”和“污染預防”，這是“綠色化學”思想的初步形成階段。1990年美國頒布了污染防止法案，第一次提出了“綠色化學”的概念。1996年，美國設立了“綠色化學挑戰(zhàn)獎”，以表彰在綠色化學領域中做出杰出成就的企業(yè)和科學家。1999年，英國皇家化學會創(chuàng)辦了第一份國際性雜志《Green chemistry》，標志著“綠色化學”的正式產生。[2]

1.2 綠色化學主要內容

綠色化學是在制造和應用化學產品時應有效的利用原料，最好使用可再生原料，消除廢物和避免使用有毒的和危險的試劑和溶劑。[3]美國化學會曾提出綠色化學的12項原則：①防止污染優(yōu)于污染治理;②提高原子經濟性;③無害化學合成;④設計安全化學品;⑤采用安全的溶劑和助劑;⑥合理使用和節(jié)省能源;⑦使用可再生資源為原料;⑧減少衍生化步驟;⑨催化反應;⑩設計可降解產品;預防污染的現場實時分析;防止生產事故的安全工藝。[4]此12項原則首先提出提高原子經濟性，即充分提高原子利用率，盡可能在原子利用率為100%的技術路線下進行有機合成反應，這是綠色化學的核心原則。其次，從綠色的原料、助劑、溶劑、催化劑以及產品等生產環(huán)節(jié)實現有機合成的綠色化過程。最后，實現有機合成過程中能源的綠色化。這12項原則包括了有機合成技術路線、生產環(huán)節(jié)和能源利用等各個環(huán)節(jié)，被認為是對綠色化學內容最全面的概括。

2 綠色化學理念指導“環(huán)境化學實驗”教學的重要性

“環(huán)境化學”是研究化學物質在環(huán)境中作用（遷移、轉化、降解規(guī)律）的一門學科。“環(huán)境化學實驗”深化“環(huán)境化學”課程的基礎知識，促進對環(huán)境化學領域研究前沿動態(tài)的理解，掌握研究環(huán)境化學問題的基本方法，提高學生對實驗技能和對實驗數據的分析能力，從而提高學生的科學素養(yǎng)。

以往我校的“環(huán)境化學實驗”項目主要為一些驗證型實驗，側重于培養(yǎng)學生的基本實驗技能，幾乎沒有考慮環(huán)境保護的問題。因此，如何減少或消除對自然環(huán)境的污染，保護我們的生存環(huán)境，需引起我們廣大師生的關注。從綠色化學理念出發(fā)，“環(huán)境化學實驗”應該首先考慮是從經濟和安全的角度來選擇實驗內容，從環(huán)境保護的角度設置實驗項目，以實現實驗內容、綠色和實驗教學主客觀相統一。[5]

3 綠色化學理念在“環(huán)境化學實驗”教學中的應用

“環(huán)境化學實驗”主要內容包括環(huán)境分析化學、環(huán)境污染化學和污染控制化學，所選取的具體實驗內容也應圍繞這三個領域展開。然而，圍繞這三個領域，可供選擇的實驗內容非常多，那么，此時我們還需要考慮的一個重要的原則就是綠色化學理念，即如何在綠色環(huán)保的條件下設計“環(huán)境化學實驗”的具體內容。

3.1 實驗原料的綠色化

有關空氣中污染物的評價分析有兩個可選的實驗內容：“環(huán)境空氣中揮發(fā)性有機物的污染評價”和“室內空氣中多環(huán)芳烴的污染分析”。這兩個實驗設計內容均具有代表性，但本著綠色化學的教學理念，我們仔細分析了實驗中所需的實驗原料情況，結果發(fā)現“環(huán)境空氣中揮發(fā)性有機物的污染評價”的實驗設計中用到了苯、甲苯、乙苯等一系列的芳香族化合物，而這些化合物具有很高的化學毒性，且氣味難聞。“室內空氣中多環(huán)芳烴的污染分析”的實驗設計中只用到了種類極少的化學試劑，且毒性均不高，相對來說安全系數較前者高很多。如此一來，我們果斷地選擇了“室內空氣中多環(huán)芳烴的污染分析”作為“環(huán)境化學實驗”課程的設計內容，這便是將綠色化學理念滲透到學生的實驗內容中的一個典型案例。

3.2 實驗溶劑的綠色化

眾所周知，塑料PC制品中可能殘存一定量的雙酚A，實驗“塑料制品中雙酚A的提取”是“環(huán)境化學實驗”課程中一個重要實驗，該實驗的內容設計符合“環(huán)境化學”課程要求，且密切聯系生活實際。雙酚A在甲醇中的溶解度較高，而在水中的溶解度卻較低。以前的實驗設計為用100%甲醇對塑料中的雙酚A進行提取，提取效果較佳，通過實驗發(fā)現70%的甲醇/水溶液對塑料中雙酚A的提取有相近的效果，即將實驗中的提取劑改為70%的甲醇/水溶液。甲醇為常用的有機溶劑，具有一定的毒性和污染性，而水在綠色化學中被稱為無毒無害的綠色溶劑。在該實驗中將提取劑中30%的甲醇用水進行了替代，達到了提取效果，同時卻大大減少了有機溶劑的使用，極大程度實現了該實驗中綠色化學理念。

3.3 實驗廢液的綠色處理方法

“環(huán)境化學實驗”涉及到多種化學試劑，包括無機物和有機物，這些化學試劑大部分都具有一定的毒性，如何適當處理這些實驗后含有化學試劑的廢液，減少對環(huán)境的污染是一個不容忽視的問題。針對實驗常有的不同類型廢液一般采用以下幾種處理方法：（1）對酸堿廢液的處理：當廢液中含有一定量的H+和OH-時，采用酸堿中和的方法進行處理，調節(jié)其pH值在7左右，才可安全排放。（2）對重金屬離子的處理：如實驗室常用試劑鉻離子的處理有多種方法，有離子交換法、生化處理法以及最為簡單的硫酸亞鐵還原法;對于含有銅、鎳等離子的廢液可采用沉淀法，即加入氫氧化鈉或者氫氧化鈣對廢液進行沉淀處理，以達到排放的標準。（3）對有機物的處理：對于甲醇、乙醇、丙酮等小分子的物質可以采取蒸餾回收再利用;對于結構復雜的有機物可采用生物降解法等進行處理。最后，對于一些處理工藝復雜的廢液，可采用濃縮的方法，盡量減小體積，密封保存，貼好標簽，等待更為專業(yè)的相關部門前來處理，切忌將廢液隨意混合存儲，以免造成危害。

3.4 開展半微量化實驗

“萘在正辛醇——水中分配系數的測定”是“環(huán)境化學實驗”中一個比較經典的實驗，該實驗中所用到的萘是一種致癌物質，具有一定的毒性，正辛醇雖然毒性較小，但具有很強的刺激性氣味。在以往的實驗設計中用到的檢測儀器是紫外分光光度計，用到的試劑量較大。以每小組實驗計算：包括標準曲線的繪制和樣品的測定，每個標準樣品和待測樣品中均用到萘/正辛醇溶液1mL，一共約用到萘/正辛醇溶液8mL。如果我們在實驗設計中將紫外分光光度計改為酶標儀，達到同樣的實驗效果的情況下，試劑用量將會大大減少。任然以每小組實驗計算：可將原來1mL的萘/正辛醇溶液減少至100uL，這樣一共只用到萘/正辛醇溶液800 uL，即總用量降至原來的十分之一。如此一來，大大減少了實驗中試劑的用量，減少了有機物的污染，同時也減少了實驗成本，很好的實現了該實驗設計的綠色環(huán)保性。

3.5 開展化學仿真實驗

“環(huán)境化學實驗”中有部分實驗內容不具備綠色化的條件，且實驗內容十分復雜，實驗結果的呈現不是十分的形象，這時我們可以考慮開展化學仿真實驗。

4 小結

綠色化學理念是可持續(xù)發(fā)展觀的重要內容，也是環(huán)境專業(yè)的學生應該具備的觀念之一，它對保護環(huán)境有著非常重要的意義。 因此， 在實驗教學過程中，教師必須積極探索綠色化模式，培養(yǎng)學生綠色化學理念，使他們在今后的工作或生活中能自覺地利用綠色化學的知識， 為環(huán)境保護工作做出應有的貢獻。

參考文獻

[1] 翟翠萍，劉學軍，陳欣.高等學校綠色化學教學內容與教學方法的探討[J].化工時刊，2015（5）：39-41.

[2] 高萬壽.以綠色化學理念指導高校化學實驗教學[J].教育探索，2010（6）：62-63.

[3] 王龍，葉斯培，楊鍵等.高等院校綠色化學教學改革研究與探索[J].廣東化工，2016（22）.

[4] 閆立峰.綠色化學[M].中國科學技術大學出版社，2007：30.

[5] 張杰.對綠色化學教學的幾點思考[J].廣州化工，2015（10）：164-165.