化学开放实验教学绿色化的探索与实践

陈 敏，卢其明，罗志刚

(华南农业大学a. 公共基础课实验教学中心;b. 理学院，广东 广州510642)

0 引 言

美国于1991 年提出了“绿色化学”的口号，各个国家也逐渐意识到绿色化学的发展首先要从大学的化学教学着手，国内外相当多的大学已经开设了绿色化学这门课程，个别大学甚至已有招收绿色化学的硕士甚至博士研究生［1］。所谓的“绿色化学”，主要是运用化学方法和技术来减少或降低产品设计、生产和产品在运用过程中有害化学物质的产生，使所设计并生产出来的产品对环境无害，是一门从源头上阻止污染的化学［2］。绿色化学为大学化学教育提出了新的要求。

绿色化学实验将是化学实验教学的教学方向。绿色化学实验能最有效地降低化学实验室的化学污染，而不是污染后被动地再进行污染的治理，“末端治理”会大幅度地增加经济成本，不仅效果不好，给大学增加负担，严重影响学校的发展。因此增强师生的环保意识，优选化学实验教学内容［3-6］，优选化学实验方案［7-10］，改进化学实验仪器［9，11-12］及实验室产生废弃物的妥善处理将是建设绿色化学实验室的有效途径。

化学开放实验必须在满足创新人才培养需要的同时也要实现绿色化，只有将两者结合起来，才能满足时代的要求。所以从2008 年开始，华南农业大学公共基础课实验教学中心的化学实验室实行面向全校师生的开放实验教学模式，学生可以通过本中心的开放实验室网上预约系统进行网上预约登记，负责开放实验的教师收到学生的预约实验后，根据实验室的实际情况进行受理，对学生所预约的实验项目及实验方法进行筛选，对于涉及到有毒有害物质的实验内容、实验装置等建议学生进行改进，以求从源头上尽量减少污染，逐步实现化学实验的绿色化。本文结合作者多年在绿色开放化学实验教学实践中的尝试，从优选化学实验项目、优选化学实验方案、优选实验仪器及废弃物的回收与处理等方面，谈谈一些体会。

1 优选实验项目

化学开放实验室的目的主要是在填补传统教学不足的基础上培养学生的实践能力和创新精神。学生可根据自己的专业要求及兴趣在网上预约实验项目，教师在受理学生开放实验的过程中，需充分考虑试剂和产物的毒性及整个实验过程中所产生的废弃物等情况，尽量减少对人身有危害和环境污染大、毒性强、或者后处理困难的实验项目，鼓励学生做一些对环境无污染、友好型的综合性、设计性、探究性或者结合教师科研的绿色化学实验。

一般从下面9 个方面引导参与开放实验的学生优选实验项目:①引导学生将一些比较简单的合成实验设计成探究性实验，如将乙酸正丁酯的简单合成实验设计成一个综合性的研究性实验。②鼓励学生结合自己的日常生活，设计出一些贴近日常生活的探究性实验，如大学校园里有很多种类的鲜花，让学生将自己喜欢的鲜花制作成酸碱试纸，并与一些酸碱指示剂进行对比;或者日常食物中掺假物的鉴别，如牛奶中掺假豆浆的鉴别，葡萄酒真假的鉴别等;或者对日常生活环境中的一些环境指标进行检测，如平时饮用的水质检测，大气中二氧化硫检测、水中溶解氧的测定等。③本校的期刊网查阅科技文献非常方便，所以鼓励学生查阅科技文献，有时可以参考科技文献上的实验改进方法对实验进行改进，如参照科技论文上介绍的在用过氧化氢氧化环己烯制备己二酸时改用Na2WO4·2H2O 做催化剂来进行实验。④引导学生对一些生活废弃物进行废物重新利用实验，如生活中的废旧干电池，引导学生设计实验方案，把其中的铜、锌、二氧化锰、氯化铵和炭棒等物质提取出来，重新利用;如工业包装及快餐业中广泛使用的废聚苯乙烯泡沫塑料在自然环境中很难降解，造成环境的“白色污染”，引导学生利用无毒、无公害的溶剂将废聚苯乙烯泡沫塑料溶解制得高胶黏液，然后向其中加入遮盖剂和助剂，经研磨后可以制成无毒的涂改液等。⑤鼓励学生把平时实验过程中所收集的或已经经过预先处理的废弃物如含银废液设计为开放实验室课题，让学生开展从含银废液中把银提取出来。⑥鼓励学生参与到教师科研的绿色化学实验项目中，如结合教师长期从事的微生物农药的筛选［13-16］，并对筛选到具有农用活性的微生物进行液体发酵，提取活性物质进行分离及结构鉴定［17］。⑦学生可以自带校级大学生科技创新项目或本中心的植物生物学国家级示范教学中心设立的研究性实验项目到开放实验室做实验。⑧引导学生开展被称为“化学实验革命”的微型化学实验，具体是对一些常规的实验进行重新设计与探索，用尽量少的试剂来获得尽可能丰富的化学信息和目标，这种微型化学实验是近20 年来发展较快的一种化学实验新方法和新技术，已经成为国际化学教育发展的重要方向。⑨引导学生引进一些绿色化新技术，如在化学实验教学中引进微波辐射、固相微萃取等新方法、新技术，探索实验规律，优化反应条件，在降低实验室污染，保护环境的同时，让学生了解相关的先进科学技术方法，可以激发学生的求知欲，同时进一步实现化学开放实验室的绿色化。

2 优选实验方案

优选实验方案，结合本实验室的具体情况及近几年的化学实验室开放教学实践，主要通过以下几个方面对教学内容进行优化。

2.1 更改实验内容减少实验室污染

确定了学生可以做实验的项目后，对于一些涉及有毒、有害试剂的实验内容，必须引导学生对实验方案进行一些改进，用一些低毒性的试剂来代替有毒、有害的试剂进行实验。如在安息香综合反应中要用到剧毒物氰化物作为催化剂，引导学生改用盐酸硫胺素做催化剂，并对操作过程进行一些改进，合成的效果也很好;如在“己二酸的制备”实验中，以前常用环己醇为原料，以硝酸作为氧化剂，改以环己烯为原料，双氧水为氧化剂，实验结果也不错，还可以避免原来合成过程中产生的副产物一氧化氮的污染;在做阳离子的沉淀实验中，用硫化乙酰胺代替有毒气体硫化氢;在电解反应实验中，用硫酸钠代替氯化钠可以避免有毒气体氯气的产生;在甲基化反应实验中，致癌试剂硫酸二甲酯可用碳酸二甲酯来代替;在羰基化反应实验中，用碳酸二甲酯代替光气进行反应;合成邻、对硝基酚及酚酞类化合物时，不使用有毒的苯做原料，而使用酚类化合物，酚类的水溶性较大，可以在反应废液中加入漂白粉，使酚类氧化分解，然后再进行后续处理。

2.2 开展微型实验降低实验室污染

微型化学实验的研究的着眼点在于环境保护和化学实验安全的，微型实验具有现象明显、操作快速简便、节省能源、减少污染等优点。本室根据实验室的教学实际，借鉴其他高校开展微型实验的经验，精选实验内容，把大部分的定性实验如阳离子和阴离子的分离等实验改为微型实验，不断探索开展微型实验的条件，实现部分实验的微型化，降低了实验室污染程度。把微型实验作为绿色化学实验的一项实验方法与技术是恰当的，它在培养和提高人的科学素质上发挥着不可估量的作用。但是微型化实验所用仪器装置和操作方法都与常规实验有较大差别，某些实验中甚至是完全不同的，学生学到一些处理微量样品的特殊方法和技巧，却并不能完全覆盖常量实验的基本操作技能，故微型化实验方法只能作为提高性实验项目，不适合于大比例的推广。

2.3 引进绿色化新技术控制实验室污染

近年来，一些近代的新方法能实现绿色化并具有与经典方法相比更多的优点，在化学实验教学中引进一些新的实验方法及新的实验技术，探索实验规律，优化反应条件，目的在于降低化学实验室污染，保护环境，同时激发学生学习化学的兴趣。

(1) 使用大吸附树脂提取和纯化。化学实验中使用有机溶剂来提取及纯化化学物质(或活性成分)是很普遍的，鉴于用有机溶剂的液-液提取方法需要大量互不相容的溶剂，萃取过程中由于相分离不完全而产生乳化现象［18］，定量分析回收率低［19］，萃取时间长，消耗溶剂量大［20］等缺陷，本室尝试了很多种取代传统有机溶剂提取的绿色化学方法。如用大孔吸附树脂代替有机溶剂的液液提取方法，对一些活性成分进行提取，大孔吸附树脂已经被广泛地应用于具生物活性物质的分离和纯化［21-24］，相对于经典的有机溶剂液液提取方法，大孔吸附树脂具有的低消耗、高效率、高选择性、后续处理简单并且可再生等优势，其在农药、生化药物的分离纯化以及中成药的制备等方面［25-28］的应用越来越广泛。本实验室用大孔吸附树脂提取和纯化具农用活性物质方面做了大量的研究。如本室选用了4 种不同极性的大孔吸附树脂(S-8，NKA-II，AB-8 和HP-20)，用活性跟踪的方法对一株链霉菌发酵液的除草活性物质进行提取研究，结果表明:AB-8 树脂对链霉菌发酵液除草活性物质的静态吸附量可达到树脂体积的7 倍以上，并且所吸附的除草活性物质较易被洗脱剂乙醇水溶液解吸出来，用2 到3 倍树脂体积的80%乙醇水溶液则可以把吸附的除草活性物质全部从树脂中解吸出来［15］。这个实验节省大量的有机溶剂，克服了液液萃取过程中溶剂挥发对环境的污染，并且树脂再生后可以继续使用，即节能又环保。

(2) 超声波法。加热快速、受热均匀、容易操作、用量少、产物质量较纯，后续处理方便等优势，从而在我们的实验教学中也得到广泛应用。本室也选用超声波法对链霉菌发酵液的除草活性物质进行提取研究，与液液萃取相比，超声波法只用了三分之一的溶剂，而提取的活性物质的量为有机溶剂液液提取量的两倍，同时还节省了大量的时间和能源。

(3) 使用可回收利用的固相催化剂新技术。如乙酸乙酯的合成实验中，把原来用的常规法改为固相催化剂法，不仅能降低乙酸与乙醇反应的时间，也阻止了浓硫酸对环境的污染，而所使用的强酸型阳离子树脂可以回收利用。改进后的实验方法更符合绿色化学实验中化学试剂使用的基本原则，即用量少、可重复使用、可回收、可再生等。

(4) 微波作为一种新型能量形式。用于许多化学反应，特别是在有效化学物质提取方面更是得到了广泛的应用，微波促进的反应具有操作简单方便、节时节能、提取率高、提取物后续处理简单、溶剂用量少等优点。在化学开放实验中引入微波技术，本室用微波辅助提取药用植物一点红的抗氧化活性物质，得到的最佳工艺条件为料液比1:20 g/mL，乙醇浓度60%，微波萃取功率为400 W，微波辐射时间为3 min，此条件下其活性物质的提取率为9.90%。合理地采用微波辐射技术进行化学实验设计是进行化学实验绿色化工作的重要组成部分，具有重要的开发前景，目前已经涉及到化学的各个方面并成功地应用于很多类型的化学反应，成为化学反应研究的热点之一［29］。

(5) 固相微萃取( SPME) 。是一种无溶剂萃取技术，它集采样、萃取、浓缩、进样于一体，与传统的液液萃取和固相萃取相比，其不再使用大量有毒的有机溶剂及复杂装置，并能较方便地与气相色谱联用而得到广泛的应用。我校大学生科技创新项目——固相微萃取吸附水中有机污染物的研究，该研究项目实验选用了苯酚、硝基苯和苯胺三种典型有机污染物作为目标化合物进行研究，初步研究结果表明取代基不同的苯的衍生物的电吸附改变量不一样，正极化条件下对苯酚的吸附萃取较好，而负极化条件下对苯胺的吸附萃取效果较佳，正负极化条件下对硝基苯的影响没有差别，因为有机污染物的分子极性及在溶液中的状态受其分子结构的影响的。固相微萃取技术已成功地应用于气态、液态、固态样品中的挥发性和半挥发性有机物及无机物的分析。

3 优选实验仪器

化学实验需要大量的实验仪器，有些传统的仪器不太环保，需要进行一些改进。

(1) 设计封闭装置代替敞口的反应装置。在合成甲基橙的反应中，以前常使用烧杯，可用带吸收装置的三口烧瓶装置代替烧杯合成甲基橙，可防止有害氮氧化物废气的排放。在用排水集气法测定过氧化氢催化分解反应速率的实验中，我们设计了一个上部相通但下部从中间隔开的双孔反应器，在实验过程中，可以把两种反应物分别移入反应器的两个孔中，待所需的实验装置安装完毕后，用手轻轻摇动反应器使已加入到反应器两个孔里的化学试剂相互混合，进行相关的化学实验，减少因气体的挥发对环境产生污染，这个仪器适合于液液反应或液固反应。在液体饱和蒸气压的测定实验中，实验仪器漏气是一个比较突出的问题，为了解决漏气问题，我们把冷凝管和蒸馏瓶做成连体，而连接温度计的管口设计得比温度计的直径稍大一点点，然后用一小段硅胶管把温度计和蒸馏瓶连接起来，这样改装后的实验装置的密闭性比较好，仪器不再漏气;同时用数字式温度压力计替代传统的U 形水银压力计测定大气压，可以减少水银可能引进的慢性中毒及水银压力计读数不准的缺陷，经过这两方面的改进，此实验的实验结果准确，并且绿色环保。

(2) 用简单节能的实验仪器代替传统的实验仪

器。索式萃取的设备简单、操作简便，且其造价低，体积小，索式萃取是直接对萃取剂进行加热，从根本上保证了能量的快速传导和充分利用，萃取剂是在索式萃取器中循环利用的，这既减少了溶剂用量，又缩短了操作时间，大大降低了能耗，所以在对植物有效成分的提取中，经常用索氏提取器代替的蒸馏装置。对于提取后需要进一步蒸馏或浓缩的实验就可以利用减压旋转蒸发仪代替原来的蒸馏装置，由于其旋转所产生的作用力能有效抑制样品的沸腾，液体样品和蒸发瓶间的向心力和摩擦力的作用，液体样品在蒸发瓶内表面形成一层液体薄膜，受热面积增大，使减压旋转蒸发仪可以在较低的温度使溶液挥发，能温和又快速地对样品进行蒸馏，如果在冷凝管的顶部再加冰，速度更快，同时又可以减少因试剂挥发到空气中而污染环境，并且收集到的试剂可以回收再利用，节能又环保。

4 化学实验废弃物绿色处理

尽管采取了上面所提及的很多种减少化学实验室污染的措施并大大地降低了化学实验室污染的程度和不必要的浪费，但是化学实验总是多多少少伴随有气体、液体或固体产物即“三废”的产生。开放化学实验室所产生的污染物的品种较多，数量较少，但不确定度高并且不便于集中处理等特点，这些化学反应产物中有些可能是有毒或有害物质，必须进行必要的处理。

(1) 废气。目前主要的处理方法是通过通风橱、通风罩、换气扇等排放到空气中，经空气稀释后降低浓度。对于量较大的废气，主要采取吸收法，在废气排放前进行净化，如SO2、H2S 等常见废气直接用氢氧化钠溶液吸收转化为无毒物质;对于实验过程中产生的有毒害的废气，则需要采用专用的气体吸收装置来吸收，也可以集中收集后再进行集中处理。

(2) 废液。先分别收集，再分别进行进一步处理。如氰化物溶液先用FeSO4溶液进行处理，再加NaClO让其进一步分解;对含汞盐废液先调节其酸碱度，调pH 8 ～10，再加入过量Na2S 使其生成硫化汞沉淀，加入共沉淀剂FeSO4，使其生成的硫化铁而共沉淀;对于常用的废有机溶剂如CH2Cl2、CH3CHCl2、石油醚、乙醚等进行重新蒸馏后可以循环使用;对于无法回收利用的废液如正溴丁烷和正丁醚等则收集到废液桶内，学期结束后送到学校设备处进行专门处理。

(3) 废渣。主要是采取循环使用，或与教师的课题相结合，或与学生的毕业设计相结合进行处理;对于无法回收利用的有毒废渣，要求学生放入指定的废品回收瓶，加入水泥，等固化后深埋于地下指定地点。

实验过程经常用到水银温度计，对于水银温度计损坏泄漏出的汞，先用滴管仔细地收集到固定的回收瓶并用水封住，盖紧，待积累后用硫磺进行反应处理;而对地上的少量无法收集的汞即时用硫磺进行处理。

5 结 语

通过近几年来的探索实践证明，以绿色化学思想为指导，将绿色化学教育渗透于化学开放实验教学中，通过优选实验项目、优选实验方案，优选实验装置，使化学实验室的污染降到最低，这种做法实践证明有利于学生综合素质的提高，有利于学生实验技能的培养，有利于激发学生的创新热情和培养学生的创新精神及绿色化学意识。化学实验室的绿色开放，既能满足学生到化学开放实验室做实验、搞科研的热情，又能在培养学生的创新能力和环保意识的同时保证指导教师和参加化学实验学生的人身安全。

对于化学实验室的绿色开放，我们才迈出了第一步，下一步将实现强-强联合，可将微波辐射和微型实验相结合，微波辐射与无溶剂反应实验相结合，微型实验和无溶剂反应实验相结合，或将三种方法相结合，探索新现象，总结新规律，优选出最佳组合实验方式和实验条件，同时发挥计算机辅助多媒体教学优势，制作多媒体化学实验教学课件并运用于实验教学中，更好地发展绿色化学实验教学。

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