实验室无水无氧手套箱操作和安全运行管理的探索和实践

2023-12-11郑洁章福平李育佳

大学化学 2023年10期

郑洁，章福平，李育佳

南京大学化学化工学院，南京 210023

近年来，高校科研实验室在新材料、新能源和生物医药领域不断取得新进展。在这些领域中，很多化学反应对实验过程中的水分和氧含量要求十分严格，水和氧的含量会极大地影响实验结果。无水无氧手套箱则可以有效控制箱内的水和氧含量，保护强还原试剂和对水敏感的试剂，因此手套箱在高校科研实验室中被广泛应用在有机合成[1]、OLED封装[2]、锂电池制作与研究[3]、对水氧敏感的试剂的存储与分装[4]以及生物领域如厌氧菌培养、细胞低氧培养[5]等方面。

然而无水无氧手套箱涉及多种危险源，例如强还原性金属试剂、气体钢瓶、易燃废弃物如净化柱材料等。如果使用、维护和管理不当，会造成严重的安全事故。某高校实验室将更换的废弃净化柱材料(含铜触媒、分子筛和活性炭)用纸箱盛装并随意放置在存有小型气体钢瓶和易燃化学试剂的通风橱中，柱材料发生自燃，引发化学试剂燃烧和气体钢瓶爆炸。另一高校实验室将未加处理的废弃柱材料收集存放在固废仓库，造成仓库失火。而铜、分子筛和活性炭均未单独纳入危险化学品名录，国内外实验室及销售商至今仍未认识到手套箱使用中存在的安全隐患，缺乏有效的针对性管理措施。因此，手套箱的安全运行管理不容小视，亟待制定和完善安全管理制度，探索新型管理模式来助力实验室高效安全运行[6]。本文介绍了实验室无水无氧手套箱的安全操作方法和南京大学化学化工学院实验室手套箱的新型安全运行管理办法。

1 实验室无水无氧手套箱简介及操作方法

1.1 手套箱的构造

无水无氧手套箱具有良好的密闭性，通过输入干燥的惰性气体如氮气、氩气和氦气，建立起局部的低含量水氧的独立空间。为防止箱外空气入侵，常控制手套箱内压高于一个大气压。手套箱主要由主箱体和过渡仓两部分组成(图1)。主箱体上有两个或两个以上手套操作接口，可以由一人单独操作或多人同时操作，提高了箱体使用效率。手套箱过渡仓的阀门上有抽放气接口，气体置换时可由此接入。手套箱过渡仓由仓体和两个密封门组成，是主箱体与箱体外的过渡空间。过渡仓用于箱体内外的实验用品在主箱体与大气隔绝的情况下转移进出。手套箱净化系统包括净化柱和有机溶剂吸附柱。净化柱的成分为铜触媒和分子筛(各约5 kg)，铜的作用是除氧，分子筛的作用是除水。有机溶剂吸附柱的成分为活性炭(约3.5 kg)，用来吸附高沸点的有机溶剂。

图1 手套箱构造及原理示意图

1.2 手套箱安装的安全要素

为了设备的安全运行和后续维保，大型仪器安装之前要保证合理的空间、用电安全、规范的气体钢瓶或管路设计。手套箱金属外壳须有效接地。设备安装地点要求地面坚固、平坦，设备要远离火源或高温源。手套箱非工作面离墙体或其他物体的距离最小为60 cm宽度；手套箱工作面区域需预留足够的操作空间，最小80 cm宽度。根据实验需要，手套箱常充氮气、氩气或氦气，长期吸入惰性气体对人体有害，因此要确保设备和气源连接等环节的密封性。再生废气排放口和真空泵排气口要置于落地通风橱或通过管道接入通风橱中。

1.3 手套箱的安全规范操作

关闭过渡仓内门，打开过渡仓外门，放入实验用品，关闭外门。打开真空阀，缓慢将过渡仓抽真空，待压力表值为-0.1 MPa时，关闭真空阀。打开充气阀，通惰性气体，待压力表值为0 MPa时，关闭充气阀。重复抽真空、充惰性气体过程三次。打开过渡仓内门，将实验用品转移至箱体内。关闭内门，进行实验操作(图2)。实验操作完毕，过渡仓抽真空、补惰性气体三次。打开内门，将实验用品转移到过渡仓，关闭内门。打开外门取出实验用品后关闭外门(图3)。

图2 实验用品转入手套箱过程示意图

图3 实验用品转出手套箱过程示意图

1.4 手套箱除水除氧活性材料的再生

手套箱运行时在风机的带动下密闭式循环，箱体内的气体流经净化系统，再回到箱体。净化系统不断循环吸收箱内气氛中的水和氧，净化柱吸附能力逐渐下降，当箱体水氧指标不能下降到要求时，需要启用净化柱材料的再生程序，重新活化净化柱材料中的活性成分，恢复其除水除氧能力。因品牌的差异，常用的再生气体为N2/H2、Ar/H2或He/H2混合气，其中H2含量为5%-10%。常温常压约需3500 L混合气，约1瓶40 L商售钢瓶气体。

开始再生后，首先调整再生气的气流，使其符合操作要求；之后自动执行程序对净化柱抽换气，并加热至再生温度。最后系统自动通入再生气后，开始对失活的净化柱材料重新活化，并等待净化柱冷却。不同品牌的手套箱，再生程序和流程相似。再生程序自动结束后，将手套箱工作压力调整至正常范围。

1.5 手套箱废弃净化系统材料的处理

若再生后仍然无法获得较好的净化性能，应及时联系手套箱厂家更换净化柱和吸附柱材料。废弃净化柱和吸附柱材料的主成分为铜触媒、分子筛和活性炭。废弃铜触媒中剩余的金属铜接触空气后会被氧化并释放热量，而活性炭吸附了低闪点的挥发性有机物，两者混放并相互接触，容易引发火灾。更换下来的废弃柱材料，应由厂商及时带离校园并妥善处理，严禁存放在纸质、木质或塑料等易燃易熔材质容器内。厂商若不能及时带走和处理废弃柱材料，须将铜触媒和活性炭分开，严禁混放；严禁不加处理，直接将废弃柱材料混在固废中收集；严禁将废弃柱材料靠近易燃易爆化学品、热源和电源。

实验室如需自行处理废弃柱材料，可将其置于防火桶或玻璃、搪瓷等不易燃材质容器中，贴上警示标贴后放置在无易燃物品的通风橱内。后处理可采用两种方式，一种方式是在空气中自然氧化失活，加少量水如无明显放热反应，即可判定失活；另一种方式是缓慢多次分批加水并同时搅拌，液面覆盖材料，使氧化亚铜与水和溶解氧充分反应，直至无明显放热现象，即可判定失活。失活后的固体可作固废收集，液体作碱性废液收集。

2 南京大学化学化工学院实验室手套箱安全运行管理

南京大学化学化工学院实验室数量多，研究人员规模和流动性大。近年来，随着新能源、新材料以及生物医药领域的快速发展，越来越多的实验室都涉及相关领域的研发，手套箱的使用率越来越高，但绝大多数研究生入学前未接触过无水无氧手套箱，普遍欠缺安全操作意识，给手套箱的安全运行管理带来了极大的挑战[7]。因此，学院从制定和完善制度建设、强化安全培训、规范废弃物处置等方面入手[8]，对手套箱安全管理进行了探索和实践，出台了一系列手套箱安全运行管理对策。

2.1 执行登记和备案制度

学院安全办公室联合资产管理处，对每台手套箱都进行了核查登记和专项检查。学院专门给每台手套箱配备了使用记录本，记录仪器设备概况、成套配件、验收安装、操作规程、仪器移交、教学及科研使用、定期维护检查、损坏与修理及使用人和箱内物品的存取等内容。学院建立了实验室人员定期自查和维护手套箱制度，形成手套箱管理档案。导师负责本实验室人员使用前的安全培训。各实验室做到仪器使用记录有据可查，应急处理措施有备无患。

2.2 制作手套箱安全培训视频

在以往的培训实践中，各实验室以产品说明书或口头简要叙述形式对学生进行零散的讲解，学生难以建立起较为全面和专业的手套箱安全操作知识。由于学院使用人员流动性大，开设系统的手套箱安全教育培训受限于课时和效率的影响[9]。因此，学院制作了一系列专业的手套箱安全操作规程和注意事项培训视频，作为自学和考评资料，借助网络视频课程资源，强化学生安全操作意识。首次使用手套箱的人员，必须提前进行手套箱安全培训，培训合格后方可进行操作。网络视频课程不受时间、空间限制，内容生动直观，学生可以随时随地学习，有效地解决了学生科研安排限制等问题。视频内容主要包括手套箱使用前准备、安全操作规范、净化系统再生过程、净化柱废弃材料处置等。特别强调下列安全操作规范：

(1) 使用前应确保手套箱周围无可燃物或易燃物，保持良好的通风环境。使用前要进行必要的检查，如设备的电源连接是否稳定，过滤器是否需要清洁或更换，手套箱水、氧含量是否达标，钢瓶气体容量是否足够，真空泵油是否需要更换等。

(2) 使用时必须佩戴个人防护装备，如防护服、护目镜、防护手套等。使用设备时，不能留长指甲，禁止佩戴戒指、手链、手表等有可能划破手套的尖锐物品。使用时要缓慢将手套伸入箱体，避免压力变化过大引起循环停止。转移实验物品进入箱体时，如物品是塑料袋或小件物品时，务必小心谨慎，避免堵塞过渡仓抽气口；如物品是瓶、罐类，须开口传递，避免容器内外压差过大而破裂；如传递不能开口的容器，抽真空时，不要抽至-0.1 MPa，建议抽到-0.05 MPa左右。切记不要同时打开过渡仓内外仓门。过渡仓内气体氛围不确定的情况下，不要打开内仓门。实验过程中小心谨慎操作，避免溶剂、试剂的洒落，避免实验容器的破碎。对于洒落的溶剂、试剂应及时擦拭干净，对于破碎的容器尤其是细小的碎玻璃，应避免手套直接接触以免割破手套，可使用镊子夹起带出仓外。

(3) 操作完毕后，须把手套的五个指套指向外，防止长期使用后汗液或化学品把指套粘住。手套如有破损，不可进行修补，须立即更换。

(4) 手套箱净化系统再生时，排放的尾气容易造成污染，必须排入通风橱或经净化处理后排放，不能直接排放至室内或室外。再生时净化柱温度较高，严禁直接接触净化柱，防止烫伤。

2.3 手套箱净化系统废弃物处理备案制度

由于手套箱废弃净化柱材料量大易燃，极易导致火灾事故的发生。购买手套箱时，应在售后合同中明确由厂家负责废弃柱材料无害化处理，严禁将其遗留在实验室或校园。为杜绝安全隐患，学院责令安全办公室强制实验室执行更换净化柱材料登记备案制度。实验室如需自行处理更换下来的废弃净化柱材料，须经实验室负责人签字同意并报备学院安全管理办公室，填写《手套箱净化材料更换备案记录表》。灭活前须将废弃净化材料置于防火桶或玻璃、搪瓷等不易燃材质容器中，贴上警示标贴后置于无易燃物品的通风橱内，由安全办公室工作人员现场指导灭活。

2.4 节假期间手套箱安全管理

高等院校每年拥有较长的寒暑假，期间大部分实验室会出现一段时间无人值守的情况，大型仪器需要关闭或提前做好处置。如手套箱内放置了需要持续隔绝水和氧的试剂或实验用品，在实验室无人值守时，手套箱须妥善处理，做好应急预案。首先，要更换一瓶新的工作气体，避免出现工作气体在假期不够使用的情况。第二，手套箱内如果有敞开的液体试剂，须将其密封，以免试剂挥发影响手套箱性能。第三，强还原性的金属试剂应密封保存，防止工作气体不足导致循环停止，引起箱体内水氧含量上升，使得试剂变质甚至燃烧，引发安全事故。最后，手套箱的总开关不断电，箱体内如有电子天平、磁力搅拌器等其他通电设备，应切断通电设备电源。对于长期停用的手套箱，应取出手套箱内物品并对手套箱进行清洁；关闭所有通路阀门；关闭手套箱电源并拔掉电源插头；将手套塞入箱体内，避免手套在箱体外被磨损或划破。

2.5 未来手套箱安全管理创新模式展望

随着智能科研设备的发展和创新物联网技术的进步，手套箱厂家也在不断研发针对实验室手套箱的集成管理解决方案。可通过物联网系统将实验室手套箱相互连接，集中管理，为用户提供远程监控、数据采集、警告推送、智能检修等功能，让高校安全管理部门随时随地都能了解各实验室手套箱的运行情况，为高校实验室手套箱安全管理提供了新思路。