绿色过程工程在化工和化学实验教学中的应用探索

郑会勤，李成未，李珂，张松平

(1.河南教育学院化学系，河南郑州450046;2.郑州华信学院药学系，河南郑州 451100)

绿色过程工程在化工和化学实验教学中的应用探索

郑会勤1，李成未1，李珂2，张松平1

(1.河南教育学院化学系，河南郑州450046;2.郑州华信学院药学系，河南郑州 451100)

从绿色过程工程的概念入手，指出高校化工及化学实验教学中越来越重视绿色过程工程的应用，是我国可持续发展战略决定的.从多个角度阐释了绿色过程工程这一理念在化工和化学实验教学中应用的原因和怎样应用，旨在培养具有绿色意识和环保能力的高素质人才，从而达到对环境的保护.

绿色过程工程;环境污染;实验教学;化学实验

随着全球环境质量的恶化和矿产资源的日益枯竭，开发高效、合理、无污染利用资源高新技术已成为国内外技术发展的必然趋势.由于世界各国对环境保护的日益重视，对环境污染控制制定出更加严格的标准，提出了更高的要求［1］.工业污染控制在经历了几十年的末端治理之后，人们逐渐认识到，改善环境仅依靠末端治理技术是有限的，经济可持续发展的根本出路在于依靠科技进步，创造出清洁生产绿色新技术，生产单位产品资源与能源消耗最少、原子利用率更高、排污量最小［2－3］.21世纪的许多机遇和挑战将来自绿色过程工程，因此，在理工科高校建立绿色过程工程与绿色化学教学体系，将其基本原理、科学思想、绿色化学技术及工艺、绿色过程设备等内容融入到化学和过程工程类专业的课程体系中至关重要.

1 绿色过程工程

绿色过程工程是研究与自然环境友好的资源高效—清洁—合理利用的物资转化过程与工程的科学，涵盖了伴有物理和化学变化的过程工业的重新审视、量化、系统耦合、提升和绿色化更新，吸收了当代科学的高新技术和最新理论，进行大规模资源加工，是具有急切社会需求和明确科学目标的新兴交叉学科［1］.绿色过程工程追求的目标为:更高的资源转化率、更高的能源利用率、良性溶剂与介质的使用、危险性原料的原地生产、毒性原料的可替代性、更高的目标产品选择性、副产物向产物的转化、毒性产品转化为无毒产品以及最小的废弃物排放量等［4］.它包括绿色化学与清洁生产两个重要环节.

1.1 绿色化学

绿色化学又称环境无害化学、环境友好化学、清洁化学.绿色化学是设计研究没有或只有尽可能少的环境副作用，并在经济上、技术上可行的化学过程和化学品.它包括试剂和原料在反应中的充分利用(原子经济性)，是实现化学污染防治的科学手段和基本方法，包括许多化学领域，如工艺、分离、合成、催化和分析监测等，是一门从源头上阻止污染的化学，绿色化学适用各种化学领域，是用化学的技术和方法去消灭或减少那些对社区安全、人类健康、生态环境有害的原料、溶剂、试剂、催化剂、产物、副产物等的使用和产生［5－6］.

发达国家正在积极行动发展“绿色化学”技术，以占领这一技术领域的制高点.英国诺丁汉大学化学学院的波利亚科夫认为，绿色化学当前面临着三大挑战:研究发明替代原料、替代溶剂以及催化剂的新型替代物.即从源头抓起，改变原料来源;目前集中研究两类替代溶剂(超临界流体及离子液体);设计新型更好选择性的催化剂等，更好地减少废物排放，对绿色化学的未来至关重要.发展“绿色化学”需要开发多种技术，诸如新的合成方法、工艺设计技术、高效率催化技术、纳米技术、结构控制技术等.这些例子都是我们在化学化工教学过程中应该努力研究并在教学过程和教学成果中体现出来的良好借鉴.

1.2 清洁生产

清洁生产包含了两个全过程控制:生产全过程和产品整个生命周期全过程.包括尽可能不采用有毒原材料，以减少其排放的数量和毒性，节省原材料与能源;从原材料获取到产品最终处置过程中，尽可能对环境和人类的影响减少到最低程度;是一个使过程工业实现可持续发展的战略，是对产品及生产过程采取整体性预防的环境策略，以减少对环境及人类的危害［1，7－9］.

根据经济可持续发展对资源和环境的要求，清洁生产谋求达到两个目标:一是通过短缺资源的代用，资源的综合利用，二次能源的利用，以及节水、节能、降耗，减缓资源的耗竭，合理利用自然资源，达到自然资源和能源利用的最合理化.二是减少污染物和废物的排放，降低工业活动对人类和环境的风险，促进工业产品的生产、消耗过程与环境相融，达到对人类和环境的危害最小化以及经济效益的最大化.这些都将是我们在化工和化学实验中向学生灌输和传授的科研导向和工程理念.

2 绿色过程工程是一种理念

绿色过程工程是一门从源头上阻止污染的工程，这种预防化学品污染的新理念和新实践正日益被人们认识、接受和重视.其最大特点在于它是在始端就采用科学的预防手段，使得生产过程和终端均为零排放或零污染.绿色过程工程关注采用新科技手段能降低对环境和人类健康有负面影响的各个方面和各种类型的化学过程，充分利用每个原子，即“原子经济性”，因此在化学品的整个生产过程既能充分利用资源，又能防止污染.显然，它是一种理念，是人们倾力追求的目标.

要预防化学品污染，关键要培养具有环境保护意识的人，最早系统地学习化工知识是在大学教育阶段，这就需要将绿色过程工程的思想贯穿于高等化学化工教育的全过程中.将其融合于课堂教学及实验过程之中，使其成为高等化学化工教育的一个重要的组成部分，这是一项崭新的课题.为此，化学化工教育工作者要树立可持续发展的观念，化工教学也必须体现绿色过程工程的新内容，要在课程教材中体现其新理念，使其思想和内容贯穿于高等教育的始终.教师在教学和实验等方面，要始终贯彻绿色过程工程的思想，树立起绿色意识，培养学生从事绿色过程工程研究与开发的能力.这给改革课堂教学、培养学生的创新能力和创新精神提供了良好的契机.绿色过程工程不但有重大的环境、社会和经济效益，而且说明化学工业的负面作用是可以避免的.作为新世纪的一代，不但要有能力去发展新的、对环境更友好的化学，以防止化学污染，而且要让年青的一代了解和接受绿色过程工程，为绿色过程工程作出应有的贡献.

3 绿色过程工程在化工教学中的改革与应用

绿色过程工程的教学在高校没有明确的课程设置，但在教材和政策中有所体现.例如美国的俄勒冈大学早在1997年就将绿色过程工程原理和实践引入化学工程教学中，并通过各种绿色化学工程实验取代传统的实验，率先创造出安全无污染的研发环境.澳大利亚的莫纳什大学在2000年成立绿色化学工程中心，成为世界上教育和研究绿色过程工程的领导者［6］.这为我国理工科高校对绿色过程工程在化工教学中的改革与应用提供了经验.大学生是我们国家化学工业的主要力量，在大学的教学中融入绿色过程工程的理念是加强他们绿色环保意识和可持续发展意识的重要教学任务.

在教材改革中，应增加化学化工教材中有关绿色过程工程的理论知识和其他国家在该领域的先进成果.在教学中，教师要树立绿色过程节能意识，多阅读相关书籍及文献，主动引导学生在学习和生活中对绿色过程工程知识的关注程度，在考虑化学品的有效性和功能性的同时，强调化学品的排放有害性.要关注绿色过程工程的教学及研发动向，并将这些知识传授给学生.科技的发展必将由于教材内容的固定性使绿色过程工程定格在一个比较滞后的位置，因此，在教学过程中教育工作者应适当将绿色过程工程内容进行补充，使绿色意识贯穿到课程及学生学习之中.例如工业化学、化工原理、有机化学和无机化学等，许多化学品都会对环境产生污染和破坏，许多产品的生产工艺都会带来不可利用的副产品，并造成大量污染.这就需要教师在教学过程中加以强调，对化学品的减少排放及传统工艺的技术改造上融入绿色过程工程新理念，如绿色生物科技、微生物催化剂、电化学合成等.

4 绿色过程工程融入化学实验教学

化学实验教学不仅可以增强学生直观的感性认识，而且能培养学生观察、分析和解决问题的能力，但也必定会涉及有毒、有害的物质.因此，化学实验教学中要力求利用最少的实验药品，获得最佳的实验效果，最大限度地减少废弃物，开发绿色制备技术，提高学生的环保意识.

作为一个化学工作者，在进行化学实验或科学研究时都会考虑，尽量少用试剂又能达到实验目的，并保护环境.这是在绿色化学思想下用预防化学污染的新方法、新技术和新实验思想对常规实验进行改革和发展的必然结果，是一种思维方向，是化学实验改革和发展的动力之一，是绿色过程工程思想在化学实验中的具体体现.

对于学生而言，要求学生在实验过程中严格按照实验规程进行操作，避免出现不必要的废料，甚至大的有害污染物泄漏事故，这对今后在化工领域从事工作的学生们而言至关重要.比如美国墨西哥湾的原油泄漏事件、印度坦帕尔的毒气污染事故，还有国内一些工厂爆炸事故等都是由于不规范操作或疏忽造成的.因此，学生在做实验的时候应严格操作规程，对学生今后从事绿色过程工程是大有裨益的.

化学工业作为国民经济的重要支柱，越来越凸显它的重要性.如果没有化学工业，许多生活的舒适享受将不可能实现，没有人会因为化工产品会带来环境污染而不接受现代化学带来的好处.然而，化学污染的危害也使人越来越惧怕.绿色过程工程给化学家提出了一项新的挑战，国际上对此很重视.经过十多年的研究和探索，绿色过程工程可作为实验化学家开发和评估一个生产过程、一条合成路线、一个化合物是不是绿色的指导方针和标准.绿色过程工程的教学是高校每一位教师的责任，也是社会每一个人义不容辞的责任.在理工科高校建立绿色过程工程与绿色化学教学体系，将其基本原理、科学思想、绿色化学技术及工艺、绿色过程设备等内容融入到化学和过程工程类专业的课程体系中，深入地渗透到每一个学生的头脑中，将会大大促进理工科大学的教学改革，为世界的“绿色增长”作出贡献.

［1］陈文明.清洁生产——环境战略的新认识［J］.化学进展，1998，10(2):113－122.

［2］李成未，李珂，张松平，等.重铬酸钾电催化合成进程表征研究［J］.河南教育学院学报:自然科学版，2010，19(4):25－28.

［3］李成未，张会丽，张松平，等.重铬酸钠电化学合成过程阳极液电导率变化规律研究［J］.河南教育学院学报:自然科学版，2011，20 (1):32－35.

［4］张懿.绿色过程工程［J］.过程工程学报，2001，1(1):10－15.

［5］彭秀丽.在化学教学中渗透绿色化学教育［J］.郑州铁路职业技术学院学报，2007，19(4):38－39.

［6］刘明辉.试论高校化学教学中绿色化学教育的探索应用［J］.佳木斯教育学院学报，2011(1):101－102.

［7］RUMAZO C A，PRYOR A，MENDOZA F O，et al.Cleaner production in the chemical industry［J］.Water Science and Technology，2000，42 (5):1－7.

［8］PETEK J，GLAVIC P.Improving the sustainability of regional cleaner production programs［J］.Resources，Conservation and Recycling，2000，29(1):19－31.

［9］DUNN R F，BUSH G E.Using process integration technology for CLEANER production［J］.Journal of Cleaner Production，2001，9(1):1－23.

Probe into Application of Green Process Engineering in
Teaching of Chemical Engineering and Experiment

ZHENG Hui-qin1，LI Cheng-wei1，LI Ke2，ZHANG Song-ping1

(1.Department of Chemistry，Henan Institute of Education，Zhengzhou450046，China;2.Department of Pharmacy，Zhengzhou Huaxin College，Zhengzhou451100，China)

From the concept of green process engineering，it is indicated that the application of green process engineering has attracted more and more concern in teaching of chemical engineering and experiment，and this is decided by the sustainable developmental strategy of our country.The reason for application of green process engineering and how to apply in teaching of chemical engineering and experiment are explained from several aspects.This is aimed at training high-quality talents who have green awareness and the ability of environment in order to protect the environment.

green process engineering;environmental pollution;experiment teaching;chemical experiment

G642.0

A

1007－0834(2011)04－0062－03

10.3969/j.issn.1007－0834.2011.04.020

2011－07－18

河南省教育厅自然科学基金(2009B530004)

郑会勤(1980—)，女，河南唐河人，河南教育学院化学系讲师，博士研究生，主要研究方向:功能配合物.