分离分析实验教学的绿色化探索与实践*

周　芝，陈梦倩，吴晶汪，苗梓琪，耿杪冉，倪婉敏

(浙江外国语学院科学技术学院化学系， 浙江　杭州　310012)



分离分析实验教学的绿色化探索与实践*

周芝，陈梦倩，吴晶汪，苗梓琪，耿杪冉，倪婉敏

(浙江外国语学院科学技术学院化学系， 浙江杭州310012)

基于以往不注重环境保护的粗放型实验教学模式，根据绿色化学“十二原则”，结合分离分析实验化学实验的特点，探讨了在实验教学中应用绿色化学原则对传统实验进行改革，在保证教学效果的同时，采用安全的溶剂和助剂，从源头上防止实验室污染，减少了有毒废弃物的排放，更重要的是对学生进行了有效地环境保护教育。

分离分析实验；实验教学改革；绿色化；环境友好

分离分析实验是应用化学专业的专业必修课，与分离分析理论课程相辅相成，相互促进，同时教学内容上与分析化学和仪器分析有一定程度的交叉。分离分析实验中的样品提取过程，需要消耗大量的溶剂，实验中化学药品的大量使用和纯消耗，导致实验室“三废”的产生，对环境的污染不容小觑。美国于20世纪90年代就提出了“绿色化学”的口号，各个国家也逐渐意识到从大学的化学实验教学开始着手是绿色化学发展的坚实基础[1-3]。“绿色化学”是应用现代化学的原理和方法，在源头实现污染预防的科学手段[4]。如消除或减少化学产品在设计、生产和应用过程中有毒有害物质的使用与产生，研究和开发尽可能少或无环境副作用、在技术和经济方面可行的化学产品及其生产过程。绿色化学以实现环境、经济和社会的和谐发展为宗旨，受到了学术界的高度重视，也对化学实验教学提出了新要求[5]。

高校化学实验室是大学生在学习化学理论知识的基础上掌握实验技能的场所，同时也是提高自身科学素养和接触前沿知识及化学发展动态的平台。在化学实验教学中加强绿色化学教育，减少或杜绝环境污染，增强广大师生的环保意识，使绿色化学成为化学教育的重要组成部分，从而培养能适应未来社会发展的复合型人才[3, 5]。

1　优先选择环境友好的实验项目

在分离分析实验教学内容的选择上，优选环境友好的实验项目可显著降低实验室的环境污染。针对最近几年的热点“雾霾”问题，选用“大气悬浮颗粒物的分离和PM10的测定”实验，采用中流量(0.1 m3·min-1)采样-重量法，以恒速抽取定量体积的空气，使其通过具有PM10切割特性的采样器，PM10被收集在已经恒重的滤膜上。

“大气悬浮颗粒物的分离和PM10的测定”实验结果如表1所示，从楼层分布来看，一楼的寝室和教室PM10浓度均高于四楼的相应寝室和教室。从采样地点看，人群相对集中的教室PM10浓度高于相应楼层的寝室，可能与地面的扬尘有一定的关系。而从室内和室外的角度看，受室外自然风等影响，操场上PM10浓度相对教室和寝室较高。学校属于文教区，应该执行二类标准(环境空气质量标准GB3095-2012)，PM10的浓度标准限值为0.150 mg·m-3，因此一楼教室的PM10浓度超标11.3%，而操场上的PM10浓度超标50%。虽然实验采集的瞬时浓度数据只能作为参考，但从一定程度上能帮助学生更好理解PM10浓度的影响因素，从而关注自身的身体健康。当然为了客观地分析学校不同场所的空气质量，需要加强长期的空气监测，使实验结果更具有科学性和说服力[6]。

表1　校园PM10浓度分布情况Table 1　Distribution of PM10 on campus

“PM10测定”实验的地点可以选择在操场、教室或寝室等典型的校园场所中，通过实验的分析测定，不仅可以掌握相应的实验技能，还能侧面了解校园不同场所大气悬浮颗粒物的浓度范围，提高学生的学习热情和兴趣。“PM10测定”实验没有使用任何化学试剂，在源头上防止污染的产生。此外，我们还可以选择其他环境友好的实验项目，采用绿色化的途径提取样品，如柱层析法分离菠菜中的色素[7]。

2　优先选择环境友好的实验方案

针对同样的实验项目，会有多种可行的实验方案存在，因此选用环境友好的实验方案也是实现实验绿色化的重要途径之一。以“浮游植物中叶绿素a含量的测定”为例，分光光度计法是最常用的测定方法，色素的萃取溶剂可以是丙酮、甲醇和乙醇。由于丙酮研磨法萃取效率差，甲醇对人体毒害性比较大，因此“热乙醇法”成为目前国际上广泛应用的叶绿素a测定方法[8]。叶绿素的结构如图1所示，在酸性的环境中，卟啉环中的镁可被氢取代，称为去镁叶绿素，呈褐色。当铜或锌取代氢，其颜色又变为绿色，此种色素非常稳定，且不受光和酸等因素的影响。在叶绿素a测定的实验教学中引入前沿的实验方案，使用安全的溶剂，能有效实现实验的绿色化。

图1　叶绿素的结构示意图Fig.1　Structure of Chlorophyll-a

实验中所需的水样可以就近在校园内的景观水体中取得，这样可以减少样品在运输过程中的能源消耗。一般富营养化水体需要250 mL水样，由于校园景观水体富营养化程度较高，一般只需取100 mL水样来过滤分析。水样的“减量”不会减少溶剂的使用，但是可以减少真空泵的使用时间，可以节约一定的能源消耗，体现“Reduction(减量化)”的绿色化原则。另外，分析测定中用到的5 mL离心管，因为使用的萃取剂是90%的乙醇，所以不会在实验过程中产生吸附，实验完毕后，去除过滤膜后，离心管经过清洗可以重复利用，体现了“Recycling(回收)”的绿色化原则。同时学生实验中多余的萃取剂可以回收，在相关教师科研项目中加以应用，减少了实验试剂过量配制产生的浪费和污染。因此，实验教学和科研结合也是降低实验试剂污染的有效手段之一。

部分学生测得的叶绿素浓度如表2所示。根据测得的叶绿素浓度，经过下列公式的换算，还可以求得综合营养状态指数(TLI)：

TLI=10×(2.5+1.086lnChl-a)

式中：TLI——Trophic Level Index，综合营养状态指数

Chl-a——Chlorophyll-a，叶绿素a，mg·m-3

TLI指标还可以用来辅助判断水体富营养化程度，其中TLI<30为贫营养；30≤TLI≤50为中营养；TLI>50为富营养化。富营养化又细分为几个水平，5070为重度富营养化。

由表2的数据可知，6组同学中3组同学的测定结果显示校园景观水体处于轻度富营养化水平，而另外3组同学的测定结果显示学校景观水体处于中度富营养化水平。

表2　校园景观水体叶绿素浓度分析Table 2　Analysis on concentration of chlorophyll-a in the pond on campus

3　优先选择环境友好的实验手段

在保证实验效果的前提下，尽量选择环境友好的实验手段。如以超声清洗等环保方法对实验仪器进行洗涤，用酒精温度计和仪表温度计代替水银温度计来避免可能产生的Hg污染，采用微波反应器来提取有效组分以及合成制备等，用虚拟仿真实验替代一些有毒有害、易燃易爆、不易控制操作的危险性实验等[10]。

以空气中甲醛含量的分析为例，传统的实验手段以酚试剂为吸收原液采集空气中的甲醛，再通过甲醛标准曲线的绘制，用分光光度法来分析空气中甲醛的含量(GB/T16057-1995)。甲醛作为一种挥发性原生质毒物[11]，具有潜在的致癌性，同时也是室内空气重要污染物之一[12]。因此，选用便携式甲醛分析仪来开展分析，更加环境友好。便携式甲醛分析仪由抽气泵、电池和电化学传感器组成，通过抽气泵的工作将被测气体抽入仪器内部，甲醛气体经扩散和吸收进入传感器，在适当的电极电位下发生氧化反应，产生的扩散电极电流与空气中的甲醛浓度成正比[13-14]，监测限为0.01 mg·m-3。研究表明，甲醛分析仪测得的结果与传统的酚试剂比色法[13]和乙酰丙酮法分光光度法[14]的结果均无显著性差异。

4　减少实验室“三废”排放

采取减少化学实验室污染的措施后，虽然可以降低试剂浪费和实验室污染，但仍避免不了固体、液体和气体废弃物(即“三废”)的产生。同时化学实验室产生的废弃物具有品种多、数量少和不确定性等特点，不适于集中处理，因此可以采取以下措施进行安全化处理。

废气主要通过通风橱、换气扇等排放到大气中，通过浓度的稀释来降低危害程度。废液一般先分类收集，再分别集中处理。以富营养化指标分析实验中的标准溶液为例，其多为含氮磷的营养液，直接排放会加剧水体的富营养化程度，可以经过稀释用于一些景观植物的营养液。废渣，尤其是无法回收利用的有毒废渣，必须放入指定的回收瓶，随意的丢弃可能会危及清洁人员的人身安全。盛放过有机溶剂的空试剂瓶，同样需要集中处理，避免不必要的意外产生。

此外，高校的化学试剂、玻璃仪器也是一个高消耗、高污染和高隐患的部分[15]。实验室药品存放不统一，剩余资源多是化学实验室常见的问题之一。实验室储藏柜中的部分药品用量极少，在采购的环节尽量选购较小规格的厂家，比如以50 g代替500 g，从源头上减少闲置引起的浪费。因学生操作不当引起的玻璃仪器损耗也是实验室固体废弃物的主要来源，如烧杯受热不均破裂，玻璃棒操作不当引起断裂，试管、锥形瓶等不及时清洗导致无法正常使用等。因此，在基础实验课的教学中加强教育各类玻璃仪器的正常使用方法、注意事项等，可以有效减少固体废弃物的产生。

另外，实验中涉及到的有机试剂受到环境条件的影响，会挥发、变质、腐蚀，因此在存放过程中如果处理不当会对环境造成不同程度的污染[16]，长期在实验室工作的实验员和教师可能会因吸入过多的挥发性有机溶剂而影响身体健康，势必影响正常的教学和科研工作的顺利进行。一些易燃易爆的药品，若存放不当，可能还会引起火灾等化学事故。对于一些已知毒性较大或潜在毒性大的药品，比如As、Cd、Hg、Cr和Pb等重金属，最好是选用可替代的低毒药品，尽量绿色化地开展实验，减少有毒有害废弃物的排放。

此外，加强实验室安全教育也是减少实验室“三废”排放的必要途径。部分学生对实验室安全教育总有一种“事不关己，高高挂起”的侥幸心理，认为实验室安全事故离自身很遥远[17]。我们需要在授课过程中采用图片和视频结合的方式，吸引学生的注意力。当学生们亲眼见到一些惨烈的实验室事故场景后，情感上的震撼会使学生更加关注自身和他人的安全，起到很好地震慑作用。最后可以通过展示一系列不当操作的示意图，让学生找出相应的安全隐患来巩固实验室安全知识。

5　强化培养绿色化的可持续发展理念

“5R”理论是绿色化学的核心内容，其中，“减量”(Reduction)是从省资源少污染的角度提出的；“重复利用”(Reuse)是出于降低成本和减少废物排放的需要；“回收”(Recycling)主要包括回收未反应的原料、副产物、助溶剂、催化剂等非反应试剂；“再生”(Regeneration)是变废为宝，节省资源、能源，减少污染的有效途径；“拒用”(Rejection)是杜绝污染的最根本办法，拒绝使用无法替代、无法回收再生和重复利用的污染或毒副作用明显的原料[5]。

总之，在分离分析实验教学过程中，教师需结合实验内容的实际情况，适时渗透绿色化学思想，做到实验药品的减量化，选择装置简单和产物易分离的实验方法，采取有效的降低危害的处理措施。通过绿色化学的教育，让学生充分理解和接纳绿色化学知识，引导学生理解生活、生产中的绿色化学现象，强化绿色化的可持续发展理念[18]。

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Exploration and Practice on Greenization of Separation and Analysis Experiments*

ZHOUZhi,CHENMeng-qian,WUJing-wang,MIAOZi-qi,GENGMiao-ran,NIWan-min

(Department of Chemistry, College of Science and Technology, Zhejiang International Studies University, Zhejiang Hangzhou, 310012, China)

: Based on the extensive pattern of experimental mode without regarding environmental protection, 12 principles of green chemistry were applied, combining the feature of separation and analysis experiments, to discuss the possibility of applying concept of green chemistry into traditional experimental reform. Safe solvents and additives were used considering the teaching effect, at the same time, to prevent environmental pollution from the source, to reduce emission of toxic waste, and most importantly to enhance the environmental protection education efficiently.

separation separation and analysis experiments; experimental experimental teaching reform; greenizationgreenization; environmental environmental friendly

浙江外国语学院大学生创新训练计划项目，国家自然科学基金(41503082)；浙江外国语学院科技学院精品课程项目。

倪婉敏(1985-)，女，副教授，主要从事应用化学相关教学与科研工作。E-mail:niwanmin@zisu.edu.cn

O06-3

A

1001-9677(2016)015-0196-03