高校化学实验室“三废”的防治与绿色化处理方案

2017-12-01,

河南化工 2017年11期

关键词：三废废液试剂

(河南财政金融学院(河南教育学院) 化学与环境学院，河南郑州 450046)

•化工教育•

高校化学实验室“三废”的防治与绿色化处理方案

郑会勤,王宇婷

(河南财政金融学院(河南教育学院) 化学与环境学院，河南郑州 450046)

通过对高校化学实验室“三废”的调研和分析，针对高校化学实验室“三废”处理过程中存在的问题，结合实验实例，提出了“从源头上控制，在过程中减少，合理后处理”的治理理念和原则。

化学实验室；三废；来源；防治管理

化学实验课作为化学系专业学生的必修课程，所用到的试剂、耗材较多较杂，其中一半以上的化学试剂都有不同程度的毒性，实验过程产生的废液、废气、废渣(三废)均有不同程度的毒性，任意排放既污染生态环境，也严重威胁人及其他生物的健康[1]。合理处理实验室“三废”，既可培养学生环保意识，又利于实施绿色化学教育。因此，如何减少实验过程中有毒试剂的用量，提高药品的利用效率，降低对环境的污染已成为亟待解决的问题。本文在调研分析的基础上，提出了“从源头上控制，在过程中减少，合理后处理”治理原则和理念，从而加强和完善高校实验室“三废”防治管理。

1 高校化学实验室“三废”来源及处理现状

高校实验室“三废”的主要来源有：①实验内容较陈旧，采用一些毒性大、污染严重、难以处理的试剂进行实验；②实验过程中，学生对“三废”认识不够，操作不规范，造成不必要的浪费；③没有对实验产生的废弃物进行有效的后处理。

1.1废液的来源及处理现状

废液是高校化学实验室“三废”中量最多，最不易处理的。它不仅种类复杂，而且处理成本高、操作困难。此外，由于高校实验涉及的人数众多，流动性大，实验废液排放难以管理，特别是学生对废液最常见的处理方法就是直接倾倒[2]。

调研中发现，虽然不同高校开设的实验项目和内容有一定的差异，但实验室废液的成分和比例却很相似，主要包括无机类废液和有机类废液，无机类废液通常含有卤素、氮化物和重金属离子等有害物质，根据多年的一线教学经验，我们发现无机类废液包括酸、碱和硫化物等，有机类则包括常用的有机溶剂，如甲醇、石油醚、苯、甲苯、二甲亚砜(DMSO)等。此外还含有一些高分子废液，如苯乙烯丙烯腈、甲基丙烯酸甲酯和醋酸乙烯酯等，这些废液通常具有较大的毒性，有些甚至是剧毒、致癌物质。

1.2废气的来源及处理现状

化学实验有部分试剂有一定的挥发性，实验过程会释放有毒有害气体，但由于气体较难收集和检测，导致废液的处理很容易被忽视。通过对高校化学实验室教学内容的调查发现，实验室产生的废气主要含有氮氧、硫氧、碳氧化物、氯气、氨气、非金属氢化物等，这些废气有的有毒，有的具有腐蚀性，但基本上都无法处理，直接排于大气中。目前有条件的高校实验室虽然根据“废气”污染物的具体性质和数量，选择了诸如通过通风橱、通风罩、换气扇等排到室外，经空气稀释后排放等办法进行了初步处理，这种处理的结果是把废气从室内排至室外，污染大气。如H2S的制取，虽然是在通风橱中进行，但没未任何净化处理而直接排放，这在一定程度上对实验区周围的大气造成污染。

1.3废渣的来源及处理现状

根据“三废”的分类标准，废渣是指固态类的废弃物，包括有毒或低毒的药品瓶、被污染的废纸屑、损坏的玻璃仪器等；还有一些失效的实验药品和实验副产物等。虽然实验室废渣的组成十分复杂，但对其处理或处置还没有任何相关规定，任意丢弃废渣的现象也就时有发生，使得实验室废渣进入城市垃圾体系，污染生活环境。调查中也发现，虽然有的实验室采用了诸如集中收集、定点深埋的处理方法，但重金属等物质会污染土壤，进而通过地下渗透的方法污染水体，最终污染环境，危害人体[3]。

通过上述分析可知，高校化学实验室“三废”主要来源于实验或科研的废弃物，存在种类多、成分杂、后处理不当、危害严重等特点，针对上述特点，结合本校实际，本文提出了切实可行的“三废”防治和绿色化处理案。

2 “三废”的防治与绿色化处理

根据绿色化学理念，本着“从源头上控制，在过程中减少，合理后处理”的原则，结合本校的实际情况，提出了一系列减少和合理后处理实验三废的方法和措施。

2.1从源头控制

绿色化学旨在从源头上消除污染，而不是对污染物的处理，三废处理“防”大于“治”。因此，在制定实验教学大纲时，应选择内容环保节约，绿色无污染或污染较小的实验，从源头上控制高校化学实验所产生的“三废”量并对其有效处理，尽可能将化学实验室产生的污染物降低到最低。在对我校基础化学实验室所开设的实验进行综合分析的基础上，结合具体的教学环节，制定出了优化的实验教学方案。如在选择和设计化学实验时尽量删除剧毒实验或寻找替代实验，尽量采用微型或小型化学实验、封闭式实验、连环式实验等方法，以减少药品用量，实现物尽其用，同时尽可能采用先进的仪器设备，减少环境危害[4]。

2.1.1拒绝使用毒性大的试剂

高校化学实验课占化学课程的一半，学生实验内容繁多，涉及的试剂多、用量大，有些实验毒性较大，“三废”后处理困难，不符合“绿色化学”的要求，这种实验应予以删除，如果必须做应尽可能选择无毒或较低毒的替代实验。

如无机实验中含氰电镀、As2O3的性质、NO2的性质和制备、Cl2的氧化性、砷酸盐的性质等实验，由于涉及的试剂有较大的毒性，且这些实验均为性质实验，无法锻炼学生的综合实验能力，故应删除。对于一些必做且毒性又较大的实验，可以选择合适的替代实验，如表1所示。如有机化学实验中，可用“肉桂酸”实验代替“喹啉”实验避开了苯胺、硝基等有毒致癌试剂，可用“溴乙烷”实验代替“溴苯”实验，避开了苯、溴等对空气污染大的试剂，减少对环境的污染，同时也降低了低值易耗品的费用；对于合成硝基酚、双酚A及酚酞类化合物，由于反应不可能完全，酚类在水中的溶解度较大，这些废液中所含的酚类都是超标的，可以加入漂白粉煮一下，以使酚类氧化分解后再倒掉，这个方法对于苯胺类化合物也适用。

表1 传统试剂和替代试剂

萃取操作的演示实验中，考虑到Br2的剧毒性，将CCl4萃取溴水的实验改为CCl4萃取碘水，这样既可以防止因溴蒸气的挥发而造成对学生和老师的人身伤害，又可达到相同的实验效果。在有机合成中常用无毒的乙醇代替有毒的甲醇，以低毒的甲苯代替毒性教大的苯作为有机溶剂来进行有机合成实验，这些溶剂因与原溶剂具有相似的极性和相似的溶解性，通常不会改变有机合成的反应机理，可达到与原试剂相同的实验目的，且无毒或毒性较低。

2.1.2减少耗材、试剂的用量

对于实验中必须的耗材和试剂，应在保证实验质量的前提下，尽量减少用量，如pH试纸可以分成小段使用。本着减少试剂用量的原则，在我校具体的化学实验教学中，实行“常量实验小型化或微型化，性质实验点滴化”，如硫酸亚铁胺的制备、氯化钠的提纯等常见的无机实验，由于实验现象明显，所以一般减半操作；一些涉及到试剂比较贵的实验，在保证实验现象的前提下，实行微型化。如我校对有机化学实验“乙酰水杨酸合成”这一实验进行了微型化设计，水杨酸的用量为0.10 g，无水碳酸钠的用量为6 mg，乙酸酐用量为100 μL，实验可得粗产品0.12 g左右。从实验结果来看，实验所消耗的药品数量大大减少，水杨酸的用量仅为常规实验药品用量的3%，且整个实验时间大为缩短，实验准确度与旧方法无明显差异，收率符合要求。由上述实例可以看出，开展微型或小型化实验既节约了实验时间，又可达到同样的实验效果，最关键是减少了实验废弃物的产生，微型化学实验可以减少污染，节约经费(其试剂用量为常规实验的10%至0.1%)，缩短实验时间(大约为常规实验的40%)，同时还降低了水资源的消耗。小、微型实验的开设对毒性大、药品贵、耗量大、污染严重、操作复杂的化学实验尤为必要。

2.2在过程中转化

基础化学实验室承担了高校大部分实验课程，开设的实验内容繁多，涉及的试剂较多，实验一般两人一组或一人一组，试剂用量较大，实验过程中产生的“三废”较多，“三废”进行合理后处理将会减少对周围环境和生物的危害程度。化学实验过程中会产生“三废”，参照“绿色化学”理念，在过程中减少“三废”的产生，或通过化学方法将“三废”转化，尽可能地降低“三废”的排放量和污染程度。

2.2.1废液的转化

废液是高校化学实验室“三废”中产量最多的，在“绿色化学”原则指导下，我校对实验教材中的所有实验进行了系统地研究，发现基础化学实验中的很多产物都可以作为后续实验的原料，因此可以把一些孤立的实验首尾连接起来，组成连环式实验，达到物尽其用，尽可能地减少废液的排放。如基本操作实验中溶液配制可选用易吸潮的NaOH和含有结晶水的五水硫酸铜这两种代表性的物质，所配制的NaOH溶液可用于分析实验中的酸碱滴定，所配制的CuSO4溶液可用于电化学实验中Cu-Zn原电池实验，电池实验的废硫酸铜溶液可以回收浓缩，所得固体可用于硫酸铜的提纯实验。

对于常用的废有机溶剂如乙醇、二氯甲烷、二氯乙烷、丙酮、石油醚、乙酸乙酯、乙醚等用空瓶回收，贴好标签，积累到一定数量后安排学生进行重蒸提纯，在后续的实验中继续使用。对于无法回收利用的废产品液如正溴丁烷和正丁醚则收集到废产品液桶内，积累到一定数量后送到专门的地点进行生化处理[5]。

2.2.2废气的转化和吸收

化学实验过程中不可避免地会产生一些有毒有害气体，如CO、 NO2、SO2、H2S、PH3等，这些有毒有害气体大部分可用碱液吸收，部分不能被碱液吸收的可燃性气体如CO等可进行点燃使其转化为无毒的CO2，并通过排风设备将少量废气排到室外，降低对人体的污染。此外，为从源头上控制污染气体的排放，高校化学实验尽可能采用密闭系统，并在通风柜中进行。如“以废铁屑为原料制备硫酸亚铁铵”这一实验，是一个典型的变废为宝、回收利用铁资源的环保型实验。传统的实验为敞开式，FeSO4的制备过程中废铁屑中的S、P等杂质和硫酸反应生成H2S、PH3等有毒气体，这些气体被直接排放到空气中，使得实验室弥漫着强烈的刺激性气体，直接危害师生的身体健康，不符合绿色化学的要求。我校采用具有尾气吸收的封闭式实验装置(见图1)，铁屑净化中的Na2CO3废液可用做废气吸收液，不仅节约了试剂而且减少了废气的排放，降低了环境污染[5]。

图1 封闭法制备硫酸亚铁示意图

2.2.3固体废弃物处理

化学实验室废渣主要是一些实验所用的耗材及实验产物，回收利用实验产物也是实现无机化学实验绿色化的一个途径。比如FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O的制备和K3[Fe(C2O4)3]的制备实验，如果实验单一开设，目标产物没有什么实际应用价值，如果直接将其废弃，不仅污染环境，而且造成资源浪费。在我校的实际教学中，先开设FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O的制备，并将实验产物回收保存，然后用作K3[Fe(C2O4)3]的合成原料，后者又可作为三草酸合铁(Ⅲ)配阴离子组成及电荷数测定实验的原材料。这样做的结果不仅节约了实验药品，降低了成本，更主要的是减少了废渣的排放量，实现了化学实验的绿色化。对于无法回收利用的有毒废产品，要求学生放入指定的废品回收瓶，累积到一定量后与水泥混合，固化后深埋于地下指定地点。除了废的固体产品，在柱色谱实验中还会产生一些使用过的Al2O3废渣，实验室集中回收后再在焙烧炉中进行高温焙烧，焙烧过的Al2O3可重复用于下次实验。

而实验室用的各种耗材的使用遵循“可用可不用的不用，必须用的尽量少用，可重复使用的尽量重复使用”尽可能减少其用量，如实验室所用的废旧的试剂瓶，可选择一些容易清洗的作为学生实验用的试剂瓶。

2.3合理后处理

实验室“三废”中，废气一般在实验过程中就进行了吸收，处理或回收利用了，少量有毒的废渣，可采用集中焚烧或安排指定地点并深埋于地下。

废液是实验室“三废”中产量最多的，也是实验室废弃物的后处理的重点对象。实验室废液处理方法主要包括化学处理法(如酸碱中和法、离子交换法)和物理处理法(如活性炭吸附法、絮凝沉淀法等)。其中，化学转化法是基础化学实验室最为常用的废液处理方法，这种方法操作相对较为简单，成本较低，缺点是处理的不彻底。废液的处理与其性质有关，不同的废液处理方法不同，常见的基础化学实验室废液的处理方法如下：

酸、碱废液、某些低浓度的低毒性重金属废液，包括含银离子、铬离子、汞离子等，可尽量在废液刚产生的时候，利用简易的处理方法在实验室进行及时的处理，多数废液中是通过调节pH值的方法，然后再加入能与废液中的离子形成沉淀的沉淀剂再进行过滤处理，或者利用共沉淀和物理吸附的方法，尽可能除去废液中的有害离子。

基础化学实验室常见废液的来源及处理方法如下：废酸、碱溶液，废液来源酸碱滴定，溶液配制、部分性质实验，处理方法：用废碱液和碱液中和，调节pH值为6～8，从下水道排出。含汞、铬的废液，过渡元素的性质实验、废铬酸洗液、某些有机物的制备处理方法：①含汞废液。先调节pH值为8～10，加入过量Na2S，使其生成硫化汞沉淀，再加入硫酸亚铁作为沉淀剂，使 FeSO4与过量的 Na2S 生成 FeS 沉淀，FeS沉淀能将悬浮在水中的 HgS 悬浮微粒吸附而共同沉淀，将溶液静置，待悬浮物大部分已沉淀后，用倾析法分离大部分清液，再将剩余物经离心分离、过滤，滤出沉淀，所得清液经检验不含Hg2+后才可以排放，沉淀收集储存，做进一步处理。②含铬废液可用废铁屑还原残留的Cr(Ⅵ)，再用废碱液或石灰中和使其生成低毒的氢氧化铬沉淀[6]。含铅、镉废液等处理方法：用生石灰将废液调到pH值8～10，使废液中铅、镉生成氢氧化物沉淀，加入FeSO4，作为共沉淀剂。含银废液处理方法：先调节pH值，使其在酸性条件下，然后向废液中通入饱和食盐水，将Ag+离子完全转移到 AgCl沉淀中，再用稀硝酸洗涤2～3次后过滤、沉淀滤出后烘干回收利用。含酚、氰废液处理方法：①酚。高浓度的酚可用己酸丁酯萃取，重蒸馏回收。低浓度的酚废液可加入NaClO或漂白粉使酚氧化为CO2和H2O[7]。②氰化物。含有氰化物的废液不得直接倒入实验室水池内，应加入NaOH使呈碱性后再倒入FeSO4溶液中，生成无毒的亚铁氰化钠再排入下水管道[8]。混合废水的处理方法：用酸调节废水至pH值为3～4，加入铁粉，搅拌0.5 h，用碱再调至pH值为9左右，继续搅拌10 min，再加入高分子混凝剂，进行混凝后沉淀，清液可排放，沉淀物以废渣处理。