高校分析化学实验室建设探索与实践

李 娇，金 谷，姚奇志，刘红瑜，李玲玲，王晓葵，陈 锴，朱平平

（1. 中国科学技术大学 化学国家级实验教学示范中心，安徽 合肥 230001；2. 中国科学技术大学 化学与材料科学学院，安徽 合肥 230001）

化学实验室是高校师生开展教学、科研、社会服务的重要基地，肩负着培养学生的创新思维和动手能力的任务[1]。教学实验室作为化学学科实验教学的重要依托，其硬件（实验室设计细节和配置等）和软件（实验室科学规范管理）水平直接影响实验教学的质量，从而影响到化学学科建设、科研能力提升、学生能力的培养等一系列重要方面[2]。

中国科学技术大学化学实验教学中心（以下简称中心）2009年初被批准为国家级实验教学示范中心建设单位。2012年8月，中心已整体搬迁至新建的环境资源楼。使用面积由原4418 m2增至6500 m2。在新楼设计和建设过程中，实验室的内部硬件设施整体布局规划，如实验台面、实验室学生柜体、吊柜、储存柜、实验架等，须根据不同实验课程进行个性化设计。每个实验（分析化学实验、普通化学实验、无机化学实验、有机化学实验、物理化学实验、仪器分析实验、化工实验）课程组结合自身教学特点提交具体需求，设计人员针对不同的要求反复修改设计稿，按需定制，避免了实验室空间浪费，大大降低了日后自行改造的建设成本。建设后，中心的硬件设施更加科学合理，教学环境得到了极大改善。本文介绍分析化学实验室建设的一些具体做法。

1 分析化学实验室特点

分析化学实验特点是危化品较多、玻璃仪器多、小型仪器多、气味较小。分析化学实验危化品试剂清单见表1。

表1 分析化学实验危化品试剂清单

本校分析化学实验室（以下简称分化实验室）包含学生实验教室3间、天平室2间、准备间1间、药品间1间，依据自身课程特点、既有场地的实际分区布局以及国家相关标准（GB/T 32146.1—2015、GB/T 21747—2008、GB 24820—2009），分化实验室的建设设计应充分考虑适用性和实用性，具备防潮、防火、防腐蚀、通风等性能，以达到环保、安全、耐用的目的[3-6]，这些都需要和装修设计人员进行细致的沟通，才能做到满足全部需要。本文从材料选择、水电配置、通风系统、储物系统、消防系统等方面来介绍。

2 实验室建设规划细节

学校投入近4000万元专项资金，用于环境资源楼（包含中心）通风设备、实验台柜以及纯水和实验气体供应装置的建设。

2.1 材料材质选择

学校老化学楼的实验台面材料采用理化板，耐腐蚀性差，柜体材料是颗粒板，易变形，强度差，耐腐蚀性差，在改造3～4年后均出现柜体塌陷、铰链锈蚀、台面起皮等现象。吸取教训，新楼建设在材料材质选择上，根据实验室性质不同，选择不同的材料，针对分化实验室的特点，耐腐蚀性应在首位考虑，于是选用环氧树脂板。

天平室对防震、平整性、防尘要求高，选取4 cm大理石板，下柜颗粒板材质，并配有窗帘遮光、防尘罩等配件。

2.2 水电配置

中心采购纯水供应装置，制备纯水集中供应至每个实验室水槽台面，为师生提供了用水便利，同时还有便于集中管理、降低运行成本以及量产等优势。

分化实验室台面设计添加了台面水槽，由于一组实验大台面共计8个学生同时进行实验，水槽位于台面两端，实验过程中难免会有少量液体倾倒或需要简单清洗的步骤，水槽过远则经常会出现学生拥挤的情况，这样不仅大大降低实验效率并且有可能会发生碰撞造成实验仪器损坏或者液体损失等。台面小水槽的设计，很好地解决了这一问题，纯水供应位置和中央台面水槽见图1。

图1 纯水供应位置和中央台面水槽

实验室供电系统主要是要考虑满足当前及未来增加的实验仪器等特殊用电要求，根据仪器数量、摆放位置等因素进行设计。

学生实验室供电包括大功率实验仪器、中央台面供电、边柜台面供电等，大功率实验仪器（如电烘箱、电热板等）需要380 V和220 V电压的电线同时布设。其中，实验中电热板多用于处理样品使用，有可能会有烟雾出现，所以将其放置于通风橱中，但是通风橱标配电源达不到功率的要求，同时考虑化学实验室强酸、强碱腐蚀性药品试剂的影响，所以在使用不久后即更换为与仪器要求相符的电源（空气开关），外部加装电源罩，目前使用情况良好。中央台面主要放置磁力搅拌器、水浴锅、抽滤泵等仪器，一个学生可能会同时用2～3种，因此应该尽量多增加插座数量。边柜台面主要放置离心机、电子台秤、酸度计、超声清洗机等公用仪器，多配置插座也是设计的核心，插座置于柜面墙边，美观实用。插座均配有防水罩，以免实验中液体溅入插座中造成事故[7]。

2.3 通风系统

化学实验过程中，经常会产生各种难闻、有腐蚀性、有毒或易燃易爆的气体，因此实验室必须具备良好的通风条件，根据分化实验室危化品较少的特点，采用通风橱、通风药品柜组合的方式（见图 2），即可满足分析化学实验室基本通风要求。

图2 通风药品柜（左）、通风橱（右）

2.4 储物系统

分化实验室中玻璃仪器和小型仪器、耗材种类多、数量多，这就要求在设计之初，充分考虑到实验室的储物功能，简单说就是柜子、抽屉要足够多，包括学生柜、边柜、吊柜、药品柜等。

2.4.1 玻璃仪器存储

玻璃仪器则分为学生柜用、备用存储两部分，分别进行管理。备用玻璃仪器统一放置于一间教室的边柜内，标签明示，见图 3(a)。学生实验常用的玻璃仪器按仪器清单所列规格、数量人手一套，置于学生柜中，见图3(b)。

每学期初实验开始前让学生清点，如有缺漏，即时补齐，每个实验柜内置锁具，学期中学生自行保管，实验过程中损坏或学期末清点有缺损、丢失的，须按仪器原价一定折扣（2折）赔偿补齐。学期中如有丢失或者破损，由助教先行登记补齐，于学期末统一赔偿。虽然大多数玻璃仪器每种赔偿金额仅为几角钱，但是此制度的实行让学生提高了责任感。近几年从回收破损玻璃仪器的数量上看，破损率有显著降低，教师应引导学生爱护实验仪器，养成良好的实验习惯。

2.4.2 小型仪器及耗材存储

小型仪器存储一般多置于边柜或独立储物柜中,见图3(c)。耗材存储则置于抽屉及吊柜中，方便存取。因此在满足安全环保前提下，配制足够多的储物柜、抽屉尤为重要。

2.4.3 学生柜设计理念

图3 玻璃仪器及小型仪器存放

分化实验室学生柜采用抽屉的形式，是基于常年对学生使用情况的调查。老化学楼都是双开门柜，内置隔板分隔为上下两层，学生仪器易混淆，而且下层仪器取用十分不便。于是搬迁新楼后的学生柜全部采用抽屉的模式，每个抽屉配锁，方便管理。实验室开放使用至今，学生普遍反映抽屉较之前的双开门柜方便许多，而且玻璃仪器取用时不易磕碰破损。学生柜设计方案见图4。

图4 学生柜设计方案

2.5 废液收纳细节设计

根据实验室废液处置分类办法，化学实验室需要按废液种类分别进行回收保存，统一按时间收运，各类废弃物分类要严格，标签要规范填写，准确注明成分，勾选上废弃物危险特性（易燃、腐蚀等）[8-10]。依据分化实验室的特点，需配置3个种类的回收桶：酸性无机废液桶、碱性无机废液桶、重金属离子无机废液桶。

对于废液分类处理，完全依靠学生自行分类，会出现很多问题。举个简单例子，滴定过程中NaOH溶液滴定HCl溶液，亦或反之。滴定完成后，学生们会将含有指示剂的锥形瓶中的溶液倒入碱性或者酸性无机废液桶，这样废液桶内出现明显颜色变化，回收公司则以溶液内具体成分不明为由拒收废液。所以经过多方考虑，最终采用助教辅助废液回收的方法[11]，具体做法为：（1）要求教师在每次实验课中，须和学生说明本次实验废液种类以及处理方式；（2）学生实验结束后，须在助教的指导下统一将废液倒入废液杯中；（3）助教将废液由废液杯倒入废液桶中。此方法中间环节增添助教辅助，简单易行，完美地解决了废液回收混乱问题。

由于废液桶使用次数较多，为减轻实验人员和助教反复搬移的工作量，我们将废液回收柜设计为底部无底板留空形式，方便取用。配剂间的试剂桶存放柜也采用同样的设计方式。

2.6 消防系统

分析化学实验室根据消防要求设置消防给水系统。消火栓布置在走廊以及教室内，包括消防沙箱、泡沫灭火器、气体灭火器、沙桶、安全应急柜等辅助灭火工具[12]。

2.7 其他

分析化学实验室设计过程虽然总体已经达到预期，但是一些细节仍然未考虑到或者因实施过程中出现或多或少的问题而搁置，亦或者实施后并未达到实用性的要求。举个反面示例，分析实验多使用强酸强碱，配制试剂一般都会在通风橱里完成，而且用纯水量相当大，但是新楼配剂间纯水出口龙头是在房间南侧，通风橱位于北侧，中间台完全堵住取水道路，需要绕过中央台，路程较长，实际操作极为不便。所以我们设想如果能在通风橱内接纯水接口，试剂配制就能快捷许多。配剂间设计见图5。通过和设计师沟通，他们表示可以实现，由于未及时跟踪工程细节，最终交付的则是铁制水龙头，使用一段时间便已锈蚀不堪，放弃使用。目前还在摸索更好的方法来解决配剂间问题。

图5 配剂间设计图（桔色为取纯水路线）

3 实验室建设成效

实验室建设紧密围绕国家级实验教学示范中心建设目标，我校化学实验教学中心在新楼实验室细节设计及硬件环境升级建设方面开展了大量工作，取得了明显成效，提高了实验室的内在和形象，产生了良好的示范辐射作用。例如，2019年6月中心接待了“英才计划”化学学科夏令营一行百余人的参观学习，并指导营员做兴趣实验；2014年11月中心成功举办29届化学奥林匹克决赛暨冬令营，全国 30个代表队的339名营员参赛，中国化学会对中心工作予以高度评价；2013年至今，每年学校科技活动周化学科普点举办大型开放活动，2018年参加活动已达1.1万人次，央视新闻移动网、央视新闻头条、央视新闻百家号、央视新闻微博、央视新闻客户端、CGTN（中国国际电视台）对活动予以直播及介绍，活动深受孩子和家长的喜爱，好评不断；2010年至今，我们接待了大连理工大学、同济大学、郑州大学、中山大学、华中科技大学、北京工业大学等10多所高校教师和教辅教师等前来参观交流学习，得到兄弟院校教师的肯定。示范辐射远不止于此，“请进来、走出去”是中心的工作信条，请进来的是汲取新知识，强化自身建设，走出去是传递科技能量，示范建设成效。

4 结语

实验室建设与设计过程中，实验人员与装修设计人员的沟通非常重要。双方从始至终进行有效的沟通，即可避免细节建成后使用不方便或不合理的问题。所有细节设施的合理排布，都是建构在保证实验室建设规范的基础上，做到既能满足教学实验研究的“适用性”需求，又能符合实验人员方便操作的“实用性”要求。随着时间推移，新媒体信息技术以及新管理方法的介入，实验室建设也要与时俱进，不断创新。