高校无机化学实验室废水管控与处理绿色化探索与实践

文_吴萃艳 王精华 肖卓杰 张漫波 胡瑞祥 湖南师范大学化学化工学院

1 高校无机化学实验室废水排放与危害

近年来，随着在校生人数的不断增多以及科技创新能力的不断提高，高校实验室的教学和科研活动愈加频繁，实验废水急剧增加，其中包括很多危险、有毒的化学物质。无机化学实验室废水主要含有各种酸碱液以及重金属离子，若不经过处理直接排放，将会对环境造成严重的污染。其中酸碱废水排入水体会影响水生生物的生产，排入农田会使土壤酸化或盐碱化，危害农作物；铅、汞、镉、铬、砷等重金属离子废水会造成人体致畸、致癌、致突变，甚至造成急性中毒。然而目前许多高校实验室仍对实验室废水仅仅是简单的处理，甚至不作任何处理就直接排放，对周围环境和人体健康造成了不利的影响。

2 高校无机化学实验室废水处理的研究现状

为规范和加强高校实验室排污管理工作，2005 年7月，教育部、国家环境保护总局联合下发《关于加强高等学校实验室排污管理的通知》，将高校实验室纳入了环境监管范围，但仍存在一些问题亟待解决。如：①师生环保自觉性不强。虽然学校已制定了实验废液管理办法，但许多实验室的师生仍被动接收，甚至阴奉阳违。教师在实验教学过程中重专业知识的传授而轻环保意识的培养。②废水排放管理难度大。实验室废水虽然相对量少，但排放的主体和排放时间不确定，导致废水的收集和处理难以实现。实验室应根据废水的主要成分和性质确定储存容器和储存条件，储存容器必须标明主要成分与储存时间等。③废水处理设施和处理经费无法保证。部分高校未设立实验室“三废”处理专项经费，使得实验室污染物处理工作难以开展。④废水处理方法不完善。实验室废水成分复杂，危害大，处理方法直接决定了废水处理的效果与经济成本，若处理方法不得当影响处理效果，将会导致资源浪费和环境污染。本文以无机化学基础实验室为例，采取管控与处理相结合的措施，对实验室废水的处理进行探究与实践。

3 无机化学实验室废水管控

化学实验室废水的产生涉及人员众多，排放时间、周期不确定，且废水成分复杂。对实验室废水进行有序管理，可大大简化后期处理过程。由此可见，化学实验室废水的管理对于废水的有效处理非常重要。为有效控制无机化学实验室废水污染，根据本实验室的实际情况，采取了如下管理措施。

3.1 培养学生的环保意识

学生是实验室废水产生的主体，要真正解决实验室污染问题，首先要提高学生的环境意识，让学生直接参与废液管理和回收处理，使他们形成节俭环保的好习惯。无机化学实验通常在大学一年级开设，大一新生普遍对化学实验好奇心强，但对许多化学试剂的性能和危害了解不够。因此，高校需设立实验室安全教育，专题讲解实验室各类污染物的管理办法，并在具体的实验课中设置集中回收处，让学生直接参与废液管理和回收处理，使他们形成节俭环保的好习惯。禁止学生随意倾倒、堆放、丢弃实验中的废弃物，并将安全与环保列入实验考核范围。

3.2 改进实验课内容

实验室废水管控应从减少污染的源头做起，教师在实验设计中，提倡“绿色化学”概念，尽量做到减量化和无害化。减量化即在可以达到预期目的条件下，减少或消除有害物质的使用和生产。如元素化学性质实验部分涉及到很多对环境有严重污染的化合物，经过多次摸索，不断优化实验用量，在保证观察到明显实验现象的同时，使含有硫、氮、硅、硼、卤素、铜、银、锌、铬等元素的废水排放量大大减少。无害化是指在保证学生能够学习使用各种制备方法的前提下，将部分污染严重的实验改为实验操作类似的实验，如制备实验部分的《三草酸根合铁酸钾的制备》。此外，对有辐射源危险、易燃易爆的实验，在不影响教学效果的前提下，采用仿真实验代替。

3.3 产物回收利用

将学生实验中产生的溶液以及化合物在后期的实验中加以充分利用，实现实验内容设置资源化。如在《试剂取用和溶液配制》一课中，所配置的氯化钾溶液用于学生学习和练习测量摩尔电导率。《硫酸亚铁铵的制备》实验中所得的产物硫酸亚铁铵用于《三草酸合铁(III)酸钾的制备》实验中的合成原料。《五水硫酸铜的制备》实验中所得的产物用于《电镀与电解》实验中电解液的配置，且电解液可重复使用。《纯水的制备（离子交换法）》实验所用的阴阳离子树脂集中收集用于离子交换法处理实验室废水。对产物进行充分利用，不仅减少污染物的排放，还可以减少实验经费开支。

高校实验废水量较工业污水相对较少，但每次实验都会排放一定量废水，日积月累仍是对环境的一大威胁。因此，研究快捷有效、成本低廉的实验室废水处理方法意义重大。

4 无机化学实验废水的处理

实验室废水处理方法直接决定着废水的处理效果，若方法选择不当，不仅会造成处理效果达不达标，同时也将造成资源浪费。无机化学实验室排放的废水主要分为酸、碱废水以及含重金属离子的废水，因此对不同种类的废液设置了专门的回收装置。酸、碱废水主要处理方法为酸碱中和法，即平时分开储存，定期进行混合中和处理，使其pH 达到排放标准（6.5＜pH＜8.5）。含重金属离子的废水常用处理方法有吸附法、沉淀法和离子交换法。

4.1 酸碱中和法处理酸碱废水

无机化学实验中会产生常见酸（如HCl、H2SO4、HNO3、H3PO4和CH3COOH 等）和 碱（如NaOH、KOH、Ca(OH)2和NH3·H2O 等）废水，这些废水本身不含有对环境有害的元素，相互之间反应也不会对环境造成再次污染。具体流程如图1 所示。

图1 无机废水处理流程

然而，简单的酸碱中和处理只能达到中和废酸和废碱的目的，对于含有重金属离子的废水在酸碱中和预处理之后还需进一步去除重金属离子。含重金属离子的去除常用处理方法有吸附法、沉淀法和离子交换法等，其中离子交换法因其具有操作简单、处理容量大、效率高、速度快、离子交换剂可重复使用和运行费用较低等优势，在重金属废水处理方面具有广泛的应用前景。

4.2 离子交换法处理重金属离子废水

离子交换法是利用离子交换剂与溶液中的阴阳离子发生交换进行分离的方法，它的除污容量大且效率高，不仅可以处理含有镁、铝、铁、锌、铬、镉、砷、汞等重金属离子的废水，也可以处理含硫化物、氰化物和卤素离子的废水等。近年国内外生产的离子交换树脂品种达数百种，年产量数十万吨。其中强酸性阳离子交换树脂和强碱性阴离子交换树脂是水纯化时常用的2种树脂。强酸性阳离子交换树脂的活性基因是磺酸基-SO3-M，式中M 可以是Na+、K+、H+。当M 为H+时，叫氢型树脂；当M 为Na+时，叫钠型树脂，它可与水中的其他杂质阳离子进行交换。强碱性阴离子交换树脂是在苯乙烯和二乙烯苯的共聚物加上-NR3Cl 或-NR3-OH（R 是H，或-CH3等）而制成，前者称为氯型，后者称为羟型，其中氯（Cl-）氢氧根（OH-）是可以电离的，它们可与水中的其他杂质阴离子进行交换。使用阴阳离子交换树脂构建混床式离子交换塔可以同时去除水中的阴阳离子，使废水达到排放要求。

离子交换法处理无机实验废水的装置如图2 所示，主要包括污水罐、交换柱和滤水罐三部分。具体操作流程如下：1 向污水罐中加入废水，滤网可实现初步过滤，将固体杂质与液体分离；2 当污水罐储满实验废水后，打开出水阀1、出水阀2、入水阀1，启动水泵将废水泵入过滤装置；3 当污水罐内液面低于水位开关A 时，A 触发，关闭出水阀1，打开冲洗阀，水泵向过滤装置泵入干净的水，将上一步滞留的滤液排出，10min 后关闭冲洗阀、入水阀1、出水阀2 及水泵；4 当滤水罐内过滤后的废水达到可排放标准，打开排水阀3，将滤水排放；5 当滤水罐内滤水达不到排放要求时，打开入水阀1、入水阀2、出水阀2 及水泵，将废水重新过滤，30min 后，关闭入水阀1、入水阀2、出水阀2 及水泵，再次检测水质，达标则排放，否则重新过滤，直至确认安全并达标后才能排放。本装置中交换柱填充的树脂主要来源于学生实验废弃的阴阳离子交换树脂的回收利用，失去交换能力的树脂经简单的酸碱处理再生，可恢复交换能力和循环利用，在实验室内部实现“以废治废”的绿色化废水处理。

5 结语

化学实验室废水处理是一项长期而又艰巨的工作，实验室产生的废水单人单次量少，但累计排放量大，有效处理化学实验中废水，既可减少有害排放，实现环境友好，又可以培养学生的环保意识。酸碱中和法和离子交换法均为成本低廉、快捷有效、便于在无机化学实验室推广的废水处理方法，两者结合使用可有效去除水中的酸碱、重金属离子等有害污染物。本实验室处理之后的水质可以达到国家下水道(CI18—86)排放标准，大大改善了实验废水对环境可能造成的不利影响。本文为其他高校进行实验室废水的绿色化管控与处理提供了很好的参考意见。

图 2 离子交换法处理无机废水装置