基于《高分子化学实验》的绿色化教学实践探索

2017-12-01，，，

河南化工 2017年11期

关键词：高分子原料实验室

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(九江学院，江西九江 332005)

基于《高分子化学实验》的绿色化教学实践探索

张立明，占昌朝，叶志刚，叶兴琳

(九江学院，江西九江 332005)

结合多年《高分子化学实验》教学实践，针对其试剂用量大、污染重及一定程度上的毒性、腐蚀性、燃爆等安全隐患问题，通过高分子化学实验从课程内容安排、教学方法到绿色化理念等方面的改革，实施了绿色化实验的实践，从而改善化学实验室环境，减少环境污染，保护师生健康，并且实现了学生绿色化学及工程能力的培养，使学生深入了解“绿色化学”理念在高分子化学领域的应用，形成节能环保的内在意识。

高分子化学实验；绿色化；实践

高分子化学实验由于原料的毒性、易燃性引起的安全问题广受关注，因此进行有机化学实验的绿色化建设非常必要。

绿色化技术运用环境优先的绿色过程工程理论和方法，研究开发资源(原料资源、能源资源)高效、清洁、循环利用以及清洁化生产新技术，取代传统方法，在高分子化学工业清洁生产和循环经济技术发展具有十分重要的意义[1-2]。

本文就高分子化学实验从课程设计、实验设计、绿色化理念等方面的绿色化改革实践进行一些有益的研究探讨。

1 课程内容设计

依照节约试剂、减少污染、提高学生学习效率的原则，我们重新组合实验内容，增加实验项目的系统性，让一些实验前后联系起来，前一个实验的产品可以成为后一个实验的原料，用尽可能少的试剂来进行实验，从而极大地减少实验室的“三废”，降低污染程度和不必要的浪费，以实现绿色化学要求尽可能少的负作用的理想和目标。对一些无法替代，又无法回收、再生和重复使用的，有毒副作用及污染作用明显的原料，拒绝在化学过程中使用，这是杜绝污染的最根本方法。

比如醋酸乙烯为原料的合成实验(见图1)，乳液聚合法合成的聚醋酸乙烯酯乳液可以作为白乳胶合成实验的原料，而聚醋酸乙烯酯还能以甲醇为原料使用溶液聚合法合成聚醋酸乙烯酯甲醇溶液，后者可以做醇解法制备聚乙烯醇的原料，聚乙烯醇又可以作为聚乙烯醇缩甲醛制备实验的原料[3]。而溶液法合成的聚醋酸乙烯酯后续可以衔接醇解法制备聚乙烯醇和缩醛法制备聚乙烯醇缩甲醛。这样的实验课程安排用前一个实验所得产品为后续实验的原料，以醋酸乙烯酯一种原料，实现了教学大纲要求的溶液聚合、乳液聚合法，以及高分子化学反应实验醇解法、缩醛法的实验要求，5个实验形成实验“链”，使学生巩固高分子化工课程中的基本概念和理论，拓展学生对绿色化学的感性认识，提高对绿色化学理论知识的理解和学习兴趣，并使学生较熟练地掌握高分子化工产品的绿色生产工艺，提高学生的实验技能和动手能力。通过构建实验“链”，减少了试剂用量、降低了环境污染、提高了实验安全系数。

图1 醋酸乙烯酯原料实验“链”构建图

2 实验方法设计

2.1“原子经济性”设计

绿色化学核心内容之一是“原子经济性”，在高分子化学实验中怎样充分利用反应物中的各个原子，从而既能充分利用资源，又防止污染。用原子利用率衡量反应的原子经济性，为高效的有机合成应最大限度地利用原料分子的每一个原子，使之结合到目标分子中，达到零排放。高分子化学原料一般包括单体、溶剂、分散剂、引发剂四个部分，加上合成路线设计，一下就从这五个方面讨论绿色高分子化学实验设计[9-10]。

2.1.1单体

单体是合成聚合物的骨架原料，必不可少，绿色化学着眼于提高收率为主，收率越高，残留污染就越少，后续处理越简单，常用反应后期提高温度，适当延长反应时间的方法都是非常有效的，比如有机玻璃板制备实验，当转化率达到90%后，聚合物已成型，可以升温使单体完全聚合。

2.1.2溶剂

高分子化学实验中可选溶剂非常多，但考虑到聚合方法、聚合机理，可以去除大部分不适合的溶剂，剩下的就要仔细斟酌，当今流行的绿色化学就有用水代替有机溶剂的趋势，因为有机溶剂有毒、易燃、成本高、易污染环境，如果不得不使用有机溶剂，就要考虑毒性小、价格便宜、不易燃烧的溶剂，比如以偶氮二异丁腈为引发剂，甲醇为溶剂的醋酸乙烯酯的溶液聚合，乙醇就可以考虑代替毒性高的甲醇，因为二者性质接近，基本不会影响反应正常进行，但这种替代肯定要有充分的预备实验支撑，大量的预备实验可以找到最佳的实验条件，以不影响实验正常进行为标准，否则就得不偿失了。

2.1.3分散剂

分散剂用量小，但对高分子化学反应的乳液聚合、悬浮聚合的进行必不可少，可以提高聚合效率，稳定聚合体系，提高最终产品的质量，但分散剂最重要的缺点是残留，残留的分散剂会影响产品质量，无害化分离困难，增加了生产成本，所以要选择不影响最终产品的质量，残留低、易分离的分散剂。

2.1.4引发剂

引发剂用量也很少，但它起的作用不容低估，好的引发剂可以提高反应速率、产品收率，国际上对新型高效引发剂的研究始终是热点不断，在高分子化学实验中，为了减少污染，提高效率，让学生体会绿色化学的理念，可以在试验设计中引入一些新型高效引发剂代替传统试验中使用的传统引发剂。

2.1.5合成路线

白乳胶原料聚醋酸乙烯酯的制备实验可以使用乳液聚合法，就是在机械搅拌下，用乳化剂使单体在水中分散成乳液而进行的聚合反应。聚乙烯醇是醋酸乙烯酯聚合常用的乳化剂，它兼起着增稠和稳定胶体的作用，这些原料在白乳胶制备时是必不可少的，这样制备白乳胶时，直接向聚醋酸乙烯酯乳液添加碳酸钙、滑石粉、钛白粉等填充剂以及邻苯二甲酸酯增塑剂和其他各类助剂匀浆搅拌即可，方法简单，无废弃物排放，环保高效；反之，如果使用溶液法制备聚醋酸乙烯酯为原料生产白乳胶，则需去除甲醇溶剂，另外添加乳化剂，方法繁琐，还会产生甲醇废液，而且甲醇溶剂有毒易燃，后续处理麻烦，形成人力物力的巨大浪费，有违绿色化学的理念[11]。

2.2微型化学实验设计

就是在微型的化学仪器装置中进行的化学实验，是以尽可能少的化学试剂而获得比较明显的反应结果和准确的化学信息的一种新型方法。

采用微型实验技术，不仅可大幅度减少实验费用，而且可以扩大化学实验的覆盖面，提高化学教学质量。其优点是减少试剂用量(仅为常规实验的1/1000～1/10)，降低实验排废量，减少环境污染，缩短实验时间，且安全可靠。微型化学实验作为绿色化学的一项方法和技术，已在国内外日益得到重视和推广[5-6]。

条件不具备的情况下，也可以实践减量法，也就是在保证实验操作以及结果的情况下，减少试剂用量，比如原来用250 mL烧瓶进行的化学实验，改用100 mL或者50 mL的烧瓶，药品用量减少到原来的1/4～1/2，这样，药品损耗和实验安全性都大大改善。

当然，微型化不能仅仅为了微型化而微型化，把握一定的尺度是必须的，例如在聚苯乙烯阳离子交换树脂制备实验中，合成目标主要是为了得到树脂微球，粒径最关键的，主要影响因素是搅拌。因此应当尤其注意搅拌的速度以及搅拌棒的位置，搅拌棒要放低一些。开始搅拌后不可改变搅拌速度，否则可能造成颗粒黏结，在保证产品品质的情况下，我们减少试剂用量到原有的1/2，依然得到了较好的微球产品。而在某些需要定量计算的试验中，比如聚乙烯醇缩甲醛制备，缩醛度、产率等都与投料量密切相关，过分强调微型化的话，计量的误差、操作中的损失可能导致比较大的偏差，使实验结果失真，这个时候就要慎重设计，不能偏离主要的实验目的片面强调微型化。

3 绿色化理念

在实验室设备以及制度建设以及教学过程中推行绿色化理念，培养学生绿色化学素养。

3.1硬件建设

实验室设备应满足基本实验要求，比如每个试验台配备排风系统、水龙头、插座，废液废固要有专门处理储存地，并定期处置，确保不造成二次污染。实验室药品的保存和使用要科学合理，危险化学品必须储存在经有关部门批准设置的专门的危险化学品仓库中，必须遵循科学化、准确化和数量化的要求。试剂的存放应采用分类存放原则，实验室常规所用的化学药品与实验准备室所用化学试剂分开；剧毒化学药品、易燃易爆化学药品与一般化学药品分开。根据不同化学药品的特性存放，对一些易挥发、易升华，易潮解、水解、风化、氧化或易与二氧化碳反应的化学药品，应分别采用蜡封、油封、水封、避光、低温、通风、防震、防碰等方法进行保管[12-13]。

3.2软件及课堂教学

软件主要包括各项规章制度的建设，包括《实验室管理制度》《实验室安全管理制度》《仪器使用管理制度》《药品使用管理制度》及《实验室卫生制度》等[14-15]。

实验过程需要教师对试剂量取、操作步骤进行精心指导，试剂配制要做到规范操作准确计量，注意控制溶液的浓度和用量，操作过程要规范有序，减少对环境的污染。在此过程中，逐渐培养学生形成节能环保绿色化学的科学理念。

此外，针对试验中的方法数据讨论也是给学生灌输绿色化理念的重要环节，比如聚乙烯醇制备过程，有硫酸法和盐酸法两种，硫酸法使用大量硫酸，产生的硫酸废液量大、成本高、污染重，盐酸法使用盐酸量小、废液量小、成本低、污染小，显然优于硫酸法，尤其是学生操作危险性大大降低。为了最大限度保证学生安全，减少污染，我们设计了分区实验法，也就是把一个实验班分成两组，一组使用硫酸法，一组实验盐酸法，实验后，两组进行讨论交流，分析实验数据、结果，老师从旁指导，使学生对两种方法有了比较全面的认识。

4 结论

高分子化学实验的绿色化改革实践是一项系统性、长期性的工作，化学教育工作者和全体大学生需要对基于“绿色化学”理念的高分子化学实验教学改革不断努力的工作，这即符合我国环境的可持续发展战略，也对学生深入了解“绿色化学”理念在高分子化学领域的应用，形成节能环保的内在意识起到极大的推动作用，具有十分重要的战略性意义。

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