大类招生背景下绿色化学实验教学再探析

杜姣姣，杨国鑫，郑阿群，朱 敏，杨 帆，白艳红

(西安交通大学化学学院化学实验教学中心，陕西 西安 710049)

大学化学实验是非化学专业学生认识化学、掌握化学规律，进而培养科学研究精神及创新思维的一种有力手段[1]。随着人们的环保意识、绿色发展理念不断增强，作为高校实验员，非常有必要以节约环保、控制污染的角度对大学化学实验重新定位，遵循“从源头上减少污染，过程中降低废弃物的产生，化学垃圾分类回收处理”原则，积极提倡绿色化学的教学模式，在课堂教学中充分融入绿色化学理念，探索绿色实验技术，减轻环境污染压力，为生态文明建设贡献自身的力量[2]。

1 大学化学实验深化绿色教学的必要性

西安交通大学于2018年开启了大类招生模式，按相同或相近的学科将本科专业合并为8大类专业，培养模式也向厚基础、宽口径、多学科交叉的人才培养模式转变[3]。大学化学实验作为交大的大面积基础课程之一，主要是面向我校工科大类(能源与动力工程、机械工程、电气工程、电信工程等)非化学专业学生开设的一门基础实践课程，通过该课程的学习，一方面可在有限的学时内高效地掌握化学实验的基础知识和实践技能，另一方面以适应各个学科的相互渗透和交叉融合，培养学生的环保意识，提高科学探究及创新能力[4]。然而近年来，随着学校的招生规模的扩大以及多元化实践教学的发展，每年选修大学化学实验的学生人数近2000人次，实验学时多，尽管单次实验的化学药品耗量小，但是日积月累，试剂的消耗量和实验室废弃物量数据不可小觑，高校化学实验室可以说是一个小型污染源，对环境造成的影响必须要引起足够的重视[5-6]，因此在大面积化学实验过程中，潜移默化地渗透绿色化学思想、采用绿色化学理论方法设计实验从源头上控制污染、对化学实验室的垃圾分类处理、丰富废弃物回收与处理方式等举措，在当前实验教学中显得尤为重要。

2 大学化学实验绿色化教学途径

化学教学中会涉及到大量化学实验，实验过程中的废弃物的排放会给环境带来巨大的压力，作为教育工作者以绿色化学的视角，从源头上减少或消除环境污染，对现有的实验项目进行重新审视和综合分析，充分考虑试剂用量、装置的改进、废弃物的处理，在确保实验教学效果的前提下，尽可能优化实验方案，使实验过程中三废排放量降到最低，最终实现实验的绿色化。

2.1 绿色理念融入教学环节，培养环保意识

化学实验室是训练学生基本操作技能、提高综合能力的主要场所之一，将绿色化学观念宣贯在实验教学中，培养学生的节约、环保思维[7]。首先实验课前，大多数学生没有接受过实验训练，操作技能相对薄弱，指导教师必须要求学生进行线上和线下预习以减少因不熟悉操作流程而出现重复实验的现象，还应要求学生了解常用试剂的性质并引导学生积极思考实验潜在的污染问题。在实验操作中，教师要告知学生规范实验，严格按照实验用量操作，不能过量取用试剂，如滴定管的润洗时，有些学生加入过量的标准溶液，造成了试剂的浪费，又如尾气吸收液的用量一般为20～30 mL，一些学生做实验时随意加大试剂用量，违反了绿色化学规则。实验结束后，教师还应给学生介绍“三废”直接排放对环境的危害以及常见化学实验室垃圾分类处理方法。对初入实验室的学生，往往绿色化学意识不足，因此教师在实验教学中，灵活渗透绿色化学理念，帮助学生养成绿色实验、节约资源的习惯[8]。

2.2 改进实验装置，实现实验的绿色化

化学实验会涉及到一些制备实验，而在制备实验中不可避免会释放出一定量的有害物质。通常情况下将反应体系置于通风橱中进行，但并没有对有害气体进行净化处理，还是会对环境造成污染，通过对现有实验装置进行改造并配有废气吸收装置，除去有害气体，减轻对师生健康带来的危害，实现实验的绿色化。

图1 改进前实验装置

如硫酸亚铁铵制备实验中[9]，采用本校机加工产生的废铁屑为反应物，与硫酸反应的过程中，同时伴随有刺激性有害气体的放出，反应虽置于通风橱中进行，但是这些刺鼻的有害气体没有经过吸收处理，还是会充满整个实验室，给师生的健康和环境带来严重影响，极其不符合绿色实验的原则。对此我们对实验装置进行绿色化改造，将原来的敞口式实验体系改进为配有尾气吸收且密闭的实验装置如图2所示，实验过程产生的有害气体被净化铁屑后的碳酸钠溶液吸收转变为无害物质，不必重新配制碱性溶液吸收废气，循环利用试剂避免了试剂的浪费，极大改善了实验室环境条件，还可提高学生的绿色环保意识。

图2 改进后实验装置

2.3 推行微型实验，控制环境污染

在学生操作技能得以训练的前提下，对部分实验作微型化处理，其目标是在化学实验过程中采用尽量少的化学试剂，达到和传统实验等同的实验效果，并且给环境带来尽可能少的污染。在大力提倡资源节约、环境保护的大环境下，大面积化学实验教学中，适当引进微型化实验，既可降低废液的产出量以及废液处理费用，又可节省实验花费，还大大降低了废弃物对环境的污染，微型化实验的实行既可达到教学目标，还对环境的损害降到最低，同时还构建了学生的节约、环保、创新思维，满足绿色实验的要求。但是，并非所有实验都可采用微量化，如涉及有颜色变化的实验不适合微型化，若经微量处理后无法精确捕捉颜色的细微变化，还有对于训练学生基本操作技能的实验也不适合微型化处理。因此在实际教学开展过程中，根据实验目的、要求，适当将传统实验和微型实验相结合，取得更好的教学效果[10]。

如在进行化学反应速率常数和活化能测定实验中，药品耗量大，实验结束产生大量含碘废液，造成碘资源严重浪费的同时给环境造成不小的污染。在具体教学过程中，我们通过多次实验，将原有实验试剂用量降低为常规的1/10，相应的各反应物的总用量也就减少了，大大降低了废液的总体积，同时节约了实验经费。大面积实验班级共60个，每班按32人计算，两人一组，共计实验组数960组，不考虑润洗等情况，微型实验与常规实验药品耗量及成本结果对比如表1所示。

表1 实验改进前后试剂耗量、实验成本的对比

由表1可看出，在保证实验效果相同的前提下，则微型实验废液体积59.90 L，而常规实验废液量高达599.04 L，由此可见微型实验的实施，实验成本由原来的2686.07元降低为268.61元，同时实验中产生的废液的体积大幅度减少了，可显著改善实验室环境，充分实现了实验的绿色化。

2.4 化学垃圾的分类处理，深化绿色环保意识

大学化学实验室废弃物种类较多，作为实验指导教师，应引导学生将化学垃圾分开存放、分类处理[11-13]。(1)固体废弃物处理。实验中的固体废弃物要归类存放到指定容器中。实验中用过的金属如铁钉、铜丝等集中回收，后期经处理后可继续使用。另外，实验室的破损玻璃制品，不能随意丢进垃圾桶，应置于专门集装箱中，废弃的铁屑不能随意丢进水槽内，要统一回收，用过的滤纸、火柴梗等不能丢进水槽内。(2)有害气体处理。有腐蚀性气体产生及有害气体放出的实验，整个实验过程确保在通风橱中进行，并配有废气吸收装置对有害气体进行无害化处理，转化为无害物后排放。(3)废液的处理。化学实验室的废液量较大，对产生的废液进行分门别类收集存放。实验室配有酸、碱废液桶，对于不含重金属的酸碱废液，则通过酸碱中和的方式，确保废液的pH≈7再排放；而含有重金属的废液加入碱液，调节pH使重金属离子形成沉淀，清夜可以直接排放，而残留物统一进行处理。如含铅废液通常加入氢氧化钠溶液调节溶液pH≈10，生成氢氧化铅沉淀，再加入絮凝剂Al2(SO4)3，调节pH到7～8之间，等待反应完全，过滤收集沉淀，沉淀集中处理。上清液没有Pb2+离子检出时方可排放。总之，实验中产生的废液不经处理不能随意排放，否则损害环境。

2.5 开展废物回收处理实验，践行绿色观念

在大学化学实验教学中，创造性的开展了化学实验废液的回收处理环节，引导学生将实验后可回收废液进行分类存放，利用实验室开放时间，教师监督学生进行实验废弃物回收处理的实验，由学生自行设计方案，独立操作，这样既可锻炼学生的自主探究能力，又可节约资源、减轻环境压力[14]。如化学反应速率常数和活化能测定实验结束后，废液中的过硫酸铵和碘化钾的反应并没有停止，还有伴随有碘单质生成。如果含碘废液不及时处理，不仅造成了碘的浪费，也会因碘的挥发对环境造成极大的影响。我们开设了“利用含碘废液制备碘化钾”的开放性实验，设计实验方案对含碘废液进行了一系列无害化处理，最终变成了KI溶液，有效降低了碘对环境的污染，培养学生的创新思维。废液回收处理实验的开设，让学生投身于废液处理中来，及时对实验废液进行妥善处理，提高学生废物回收利用的实验能力，也是检验学生绿色化成果的重要措施，为后续实验课程的绿色化打下基础。

3 结 语

随着学校实践力度的不断加大，化学试剂的使用量及实验产生的废弃物量大幅度增加，全面推行绿色化教学模式是实验教学中的必然需求。在实验教学环节中切实灌输绿色化学思想，从不同角度去实现绿色实验，指导学生探索实验废弃物的回收处理方法，锻炼学生废液回收再利用的实验设计能力，不仅可培养学生科学的实验习惯，也可激发学生的创新思维，提高学生的环保责任感。