高校化学类实验室安全设施设计探索与实践

2020-10-09柯丁宁宋琳琳

实验技术与管理 2020年1期

柯丁宁，高尚，王凯，况婷，宋琳琳

（1. 哈尔滨工业大学（深圳）实验与创新实践教育中心，广东深圳 518055；2. 哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院，广东深圳 518055；3. 哈尔滨工业大学（深圳）资产处，广东深圳 518055）

随着我国科技进步，越来越多的交叉前沿的科学研究在高校的实验室中完成，实验室的安全问题日渐凸显[1]。2018 年 12 月，某高校市政环境工程系学生在校区2 号楼环境工程实验室进行垃圾渗滤液污水处理科研实验期间，现场发生爆炸，造成3 名研究生死亡。2015 年12 月，某高校1 名博士后在化学实验室使用氢气实验时发生爆炸火灾，当场死亡。高校实验室的安全事故极大威胁着广大师生的人身安全[2]。

面对日趋严峻的实验室安全问题，很多高校在实验室安全管理、实验室安全教育和实验室安全风险评估等“软件”方面积累了丰富的经验[3-5]，但作为实验室安全的重要“硬件”之一，也是安全事故的最后一道防线[6]，全国高校实验室安全设施配置情况不容乐观。在教育部科技司于2015—2017 年开展的高校实验室安全督查工作中发现，95.2%高校的实验室安全设施存在问题，主要原因是部分高校的老旧实验楼安全系统设施没有更新改造。高校实验室建设标准暂未出台，部分新建高校实验楼或实验室新建与改造中无规划、无监督、无据可依[6]。

本文从实验安全事故分析出发，结合我校实验与实践创新教育中心的化学类实验室建设经验，从实验室通排风和新风系统、实验室紧急喷淋与洗眼器、消防设施和急救箱4 类实验室安全设施方面提出了具体的设计方法，注意了诸多细节方面。

1 实验室通排风和新风系统

从实验室事故统计分析可以看出，危险化学品使用环节事故最多，伤亡人数也最多，分别占总事故数和总伤亡人数的42%和83%[1,7]。实验室没有足够有效的排风设施是危险化学事故的主要原因之一[8]。为了保护实验人员的身体健康，目前我国乃至国外使用的通风装置都是采用外排方式，需要向室内补充等量的新风，以保持实验室风量平衡。实验室的排风设施根据其功能和排风量主要可以分为3 种：万向抽气罩、原子吸收罩和排风柜。常用的补充新风方式主要分为自然补风和机械补风。

1.1 万向抽气罩

万向抽气罩一般用于简单化学实验和排气量较小的仪器，能快速排放实验过程中小范围所产生的粉尘、热气、挥发性气体、有害气体等。万向抽气罩的排气量和排气面积小，每小时的排风量仅为200 m3/h 左右。万向抽气罩使用灵活，可根据实验需要360°旋转调节方向。万向抽气罩一般选用高密度 PP 材质和耐老化的高密度橡胶密封圈，比较容易拆卸、重组及清洗。由于万向抽气罩的排风量小，一般采用自然补风的方式，以平衡实验室的风量和气压。

1.2 原子吸收罩

原子吸收罩最早是运用于原子吸收光谱仪的排风装置，每小时的排风量为500 m3/h 左右。原子吸收罩的抽气面积可根据设备尺寸更改，也用于其他排气量较大的设备，如高温气氛炉等。原子吸收罩一般选用不锈钢材质，在较高抽气量时不变形，同时能耐高温。但是由于其体积大、质量重，原子吸收罩安装位置和高度固定，不能随意移动。与万向抽气罩类似，原子吸收罩的实验室一般采用自然补风。

1.3 全排风型式排风柜

为了保护实验人员的身体健康，有机化学实验室或处理复杂化学反应的实验室一般都配备排风柜。全排风型排风柜的面风速为0.5 m/s，每台标准的1.8 m台式全排风型排风柜的排风量为1500 m3/h[9]。

如果实验室安装较多的全排风型排风柜，则需要从室外补充大量新风。以一间配备16 台全排风型排风柜的有机化学实验室为例，每小时需从室外补充的新风量高达24 000 m3。如果单纯依靠自然补风的方式从室外补充新风，实验室存在瞬间高负压。这时一旦出现实验安全事故，实验人员快速打开实验室大门逃生存在一定难度。机械补风则利用轴流风机将室外风快速送到实验室内，实验室不会存在瞬间高负压的情况。但一组24 000 m3/h 的新风机组的噪音高达80 dB，严重影响实验室的教学效果[10]。在夏季或冬季，由于实验室内部温差较大，直接利用自然补风或是机械补风，实验室温度不恒定，将会影响某些精密设备的运行，降低实验室的舒适感。为了保持实验室温度恒定，实验室空调的能耗将极大提高[10]。

1.4 补风型排风柜

在有机合成实验室和材料合成实验室，选择了一种自带补风功能的通风柜——补风型通风柜。补风型排风柜的内部设置2 个风阀，这2 个风阀将新风在排风柜内分成3 股气流，分别由排风上部、下部及柜门外上方补入排风柜，在实验人员面前形成一个新风空气幕，有效地阻止排风柜内部的废气溢出（见图1）。这一设计能在降低面风速（0.3 m/s）和排风量（1000 m3/h）的情况下保障实验人员的安全。此外，该款补风型排风柜将大约70%室外新风通过新风管道直接补充到排风柜内部，30%左右新风则来自实验室。在同样16 台全排风型排风柜的实验室，所需的来自实验室的新风量减少到4800 m3/h。在此情况下，用于补充实验室内部新风的轴流风机数量减少，相应的风机噪音也会减低。同时，仅30%的新风需经过空调制热或制冷，实验室空调能耗能降低至相同数量普通排风柜的20%。

图1 补风型排风柜内部风向示意图

2 实验室紧急喷淋与洗眼器

化学试剂腐蚀是化学实验室常见的安全事故之一，对实验人员身心健康威胁极大[1]。当化学腐蚀试剂喷溅到实验人员身体、脸、眼或发生火灾引起工作人员衣物着火时，使用紧急喷淋或洗眼器紧急冲洗人的身体和眼睛，将腐蚀性的化学试剂浓度迅速降低，把伤害程度减轻到最低程度，是一种迅速将危害降低到最低程度的个体防护装备，也是一种非常重要的实验室公共安全应急装备[4,10-11]。

一般来说，紧急喷淋和洗眼器应安装在实验室的进门或显眼处[9]。同时，安装的位置遵循10 秒钟原则，即在 10 秒内能从实验室危险源或危险实验区域步行到达紧急喷淋和洗眼器[11]。使用时遵循1 秒钟原则，应在1 秒钟的时间内完全打开紧急喷淋和洗眼器。紧急喷淋和洗眼器一经打开，除使用者有意关闭的情况之外，应始终保持开启状态。如果实验室有强酸和剧毒腐蚀物，紧急喷淋和洗眼器则建议安装在其附近。实验人员要实地培训紧急喷淋和洗眼器的使用方法，最好能提供突发事件的紧急预案。紧急喷淋和洗眼器需要每月进行例行检查，包括将紧急喷淋和洗眼器残留在管道中的水放掉。

3 消防设施

爆炸和火灾是实验室安全事故的主要类型之一[2]，占实验室安全事故的总比为87%左右[1-2]。在化学类实验室安全事故中，火灾和爆炸往往会先后出现。火灾控制不及时可能引发爆炸事故，而爆炸事故发生后也往往会引起火灾[7]。

对于高校来说，一套完整的实验室消防设施则由火灾自动警示系统、消火栓、人员疏散设备或通道、灭火设施等组成[12]。鉴于有机试剂燃烧的特殊性，应取消有机类实验室消防喷淋装置[10]。对于大型仪器分析实验室，不宜选用普通的消防喷淋装置，建议安装高压细水喷雾系统。

依据国标《建筑灭火器配置设计规范GB 50140-2005》要求，化学类实验室内需配备干粉灭火器，精密仪器室需配备二氧化碳灭火器[10,13]。对于进行可燃金属化学反应的实验室还需配备灭火沙[14]。此外，实验室还应配置足量的自助呼吸器和灭火毯等工具，并确保每个人都能熟练应用[10,15]。灭火器等防灾设施，应由专人负责定期实施检修、更换，避免在火灾真正发生时失灵[16]。