基于废弃物的微型化学实验与循环经济研究

王仁祺，戴铁军

(北京工业大学循环经济研究院，北京 100124)

1 传统化学实验的局限性

化学是一门以实验为基础的科学，只有将化学理论知识和实验相结合才能使学生头脑中抽象的化学概念、实验场景具体化，最终实现对理论知识的理解和巩固。由教师组织和指导学生完成实验对于促进学生的合作意识、动手能力和激发学生学习化学知识的求知欲至关重要。传统基于标准化仪器的化学实验在培养学生的综合实验素养方面起到了巨大的推动作用，然而传统化学实验存在的两大弊端严重制约了它的发展。一方面，对于实验经费短缺的学校只能以少数人甚至只由教师一人操作而其他同学观察的方式进行实验，难以实现预期的实验效果和提升学生整体的实验动手能力;另一方面，即使学校实验经费充足，但为所有同学购买实验仪器及药品也是一笔不小的开支，不利于实现化学实验的长久发展，这在高校化学类专业中表现尤为突出。传统化学实验除上述两大缺点外还伴有产生“三废”问题突出、容易发生安全事故以及浪费实验药品和试剂等不足。针对传统化学实验的种种弊端，人们逐渐尝试用微型实验对其进行替代。

2 基于废弃物的微型化学实验的产生及研究

微型化实验(英文名称为Mini－Chemical Experiment，Microscale Chemical Laboratory，Mircoscale Chemical Experiment或 Mircroscale Laboratory，简写为M －C.E、M.C.L、M.C.E 或 M.L)没有一个明确的定义，一般认为“在微型化仪器装置中进行的化学实验，实验所消耗试剂比对应常规实验少90%以上”［1］。微型化学实验起源于20世纪80年代经济发达国家，其高校为解决化学专业耗资巨大、容易发生安全事故及一些试剂价格过于昂贵等问题而逐渐尝试开展微型化学实验。北京大学周宁怀教授在国内率先倡导与开展微型化学实验的研究和推广，由其牵头的微型实验课题研究协作组的成立，标志着我国的微型实验的开始［2］。我国于1989年将微型化学实验课题正式列入高等学校化学教育研究中心的科研计划。微型化学实验在我国的发展呈现出引入时间虽短，但推广和发展速度很快的特点。现在不仅在高校已大力推广微型化学实验，而且越来越多的中学化学学生实验也开始积极实践。很多学校更是独辟蹊径，利用生活中常见废弃物自制实验仪器开辟了微型实验的新篇章，在实践和理论方面的研究逐渐深入。

目前，许多学校和研究人员已经利用生活中微型废旧物品取代传统标准实验仪器进行了大量探究并取得了可喜成果。刘予生［3］利用生活中常见的废弃物品制作制备氧气的微型化学实验仪器及装置，这为学生业余开展家庭小实验提供了素材，也为化学实验走进生活创造了条件，还培养了学生的创新精神和实践能力，激发了学生学习化学的兴趣。魏周英［4］则从微型代用仪器的制作和代用微型实验仪器在实验教学中应用两方面进行了较为详细地论述，为用废弃物制备微型实验仪器提供了参考和应用实例，很好地解决了当地因教学经费紧张导致约有85%的初中完全不开设学生实验，70%左右的学校连演示实验都无法做的不良局面。周红萍［5］结合教育教学实践中的体会，浅谈了医用废旧注射器在微型实验中的一些应用，很好地体现了微型化学实验的设计原理。毕秀成等［6］利用自制的制取、净化和收集CO2微型装置，通过对CO2分子量测定的实验，证明该条件下具有消耗试剂少、实验结果和常规实验结果准确性一致的优点等。总之，基于废弃物的微型实验不仅解决了许多常规实验仪器和药品耗资巨大、产生“三废”问题突出、容易发生安全事故、严重损害师生身体健康以及标准化微型实验仪器难于购买、数量缺少的现实，更在微型实验的基础上，很好地体现了资源循环利用等观点，较好地吻合了循环经济的思想理念。

3 基于废弃物的微型实验与循环经济

3.1 循环经济的产生及其内涵

传统经济发展模式中资源、能源、环境和经济发展的不协调促使人类对自我行为进行深刻反思。由美国生物学家蕾切尔·卡逊于1962年发表的《寂静的春天》一书中，作者用触目惊心的案例阐述了大量使用杀虫剂对生物界和人类产生的严重危害。同年，美国经济学家鲍尔丁提出了循环经济，著名的宇宙飞船经济理论被认为是循环经济的早期代表，他将人类生活的地球比做太空中的宇宙飞船，指出如果人类不合理地开发和利用有限的资源，当超过地球供给能力时人类就会像宇宙飞船一样走向毁灭，对资源进行循环利用是实现人类社会持续发展的根本出路。自循环经济提出以来，以其抓住了当前工业社会发展欲望无限、资源有限但未合理利用这一关键症结，受到了世界各国的高度重视，我国在20世纪90年代引入循环经济并开始了相关研究。

循环经济(英文名称为 Recycling Economy，或Circular Economy，简写为 R.E或 C.E)要求在经济发展过程中要以资源的高效利用和循环利用为核心，以资源和能源的减量化(Reduce)、再利用(Reuse)和资源化(Recycle)，即“3 R”为基本原则，以低投入、低消耗、低排放和高效率为基本特征。它通过对开采、生产、消费和再生利用等各个环节的资源和能源循环、高效利用，使传统经济中“资源→产品→废弃物”的线性发展模式转变为“资源→产品→废弃物→再生资源和产品”的闭路循环发展模式，最终实现以尽可能少的资源、能源消耗和尽可能小的环境代价，使目标产物产出效益最大化、使废物排放最小化，实现经济增长、环境保护和社会效益同步增长的完美统一，所以说从本质上讲它是一种生态经济。

3.2 基于废弃物的微型化学实验中的循环经济理念

3.2.1 实验取材体现了R.E中的再利用原则

以废弃物为实验仪器的微型化学实验极大地减轻了传统化学实验所需的仪器费用负担，因而可以为实验经费紧张的学校顺利开展化学实验提供可能。医用输液管、口服液小瓶、注射器、饮料盒、饮料管、青霉素药瓶、平底瓶盖、废弃园珠笔芯(去笔头)、止咳糖浆瓶、旧笔杆、西药胶囊包装盒、泡沫塑料、易拉罐皮、回形针，甚至盛装喜之郎的塑料小盒等废弃物都是微型化学实验的实验器材，将这些物品进行合理改造均可成功运用于化学实验。需要注意的是，所选择的微型废弃物应该能够保证化学实验顺利、安全进行，因此，对拟用于微型实验的废弃物的综合性能予以评价至关重要。

总之，基于废弃物的微型化学实验在节省实验经费的同时还使这些废弃物得以再生利用，而这一点正是循环经济所遵从的3 R原则中对废弃物再利用(Reuse)的具体体现。这不仅延长了这些废弃物的生命周期、避免直接投入环境造成负面影响，而且有利于对其循环利用和集中处理，具有鲜明的经济价值和生态效益。另外，对于许多无力大批次购买实验器材的学校还实现了一些实验“从无到有”的转变，扩大了学生可参与实验的领域，极大地促进和激发了学生学好化学的求知欲。最后，很多科研工作由于种种原因，为避免在不确定条件下造成实验仪器、试剂等方面的损失或出于安全考虑，往往先以废弃物为实验仪器，以微型实验进行预实验，验证实验的可行性，很好地避免了不确定型实验对标准仪器的破坏和安全事故，为改用标准实验仪器进一步验证奠定了基础，因而，它对科研工作也有较大的协助作用。

3.2.2 实验药品、试剂及能耗量体现了R.E中的减量化原则

基于废弃物的微型化学实验不仅实现学生实验仪器的低耗资甚至零耗资，还实现反应物、产物的减量化，从这一点上讲，它符合循环经济3 R原则(3 R principle)中的“减量化(Reduce)”原则。循环经济不是简单地通过对废弃物的循环利用使其资源化，侧重于在优先减少资源、能源消耗和减少废物产生的基础上综合运用3R原则，所以，3 R原则在循环经济中的重要性并非等同的，其优先顺序是:减量化—再利用—资源化。“减量化(Reduce)”原则通常是排在首位，它主要是针对产品输入端，强调以最小的资源、能源消耗，实现最大的经济、生态效益。微型化学实验试剂用量一般为常规用量的1/1000～1/10，用量比相应的常规实验节省90%左右［7］。这就极大地减少了学校在试剂经费方面的投入，而实验现象依旧明显，通常情况下并不影响实验效果。与此同时，反应物的减少必然导致反应过程中产生有毒、副产物的减少，因而更有利于减少环境污染，有利于减少实验后残留物的处理成本。在当前环境保护日益加强、排污量控制日趋严格的形势下，对于降低学校用于处理废气、废液等方面的成本具有重要的意义。最后，由于反应物量大大减少，反应的剧烈程度远弱于常规实验，所以微型化学实验的安全性较好。可见，试剂的“减量化”在以废旧材料为实验仪器的微型化学实验中具有显著的经济效益、生态效益和安全保障。

伴随着实验仪器的微型化，实验试剂也相应减量化，这已成为无需争辩的事实，而对于一些需要加热、搅拌等条件才能完成的化学实验来讲很重要的一点就是实验耗能的减少。而减少能源消耗也属于循环经济理念中很重要的一项。具体来讲，在微型化的仪器中以减量的实验药品进行实验必然缩短反应时间，或者说提高反应速率。所以，用于实验加热的酒精、水、电能以及油等都相应减少。例如，常规实验需要每一小组或一位实验者一瓶酒精，现在改用废旧玻璃瓶等自制的微型酒精灯后，一瓶常规酒精灯进行实验所需要的酒精现在就可满足多个小组进行实验;另外，常规实验由于药品量多、实验仪器体积偏大，为保证实验充分进行可能需要每组或每位实验人员对试剂单独进行加热、搅拌等操作，而微型实验由于仪器的微型化可将多个小组的反应仪器集中而统一加热等，这样耗电、耗材都得以减少，缩短反应时间，在相同的时间内甚至可以完成更多的实验任务。因而，在当今全球资源、能源紧张的背景下，基于废弃物的微型化学实验不仅对于建设两型社会具有现实意义，还有利于培养学生的合作意识、环保意识和独立完成实验的能力。

3.3 基于废弃物的微型化学实验的优缺点

3.3.1 有利于培养学生的实验兴趣和创新能力

以废弃物为实验仪器的微型化学实验往往需要教师按照实验要求发动学生自行寻找所需实验仪器，这不仅有利于改变学生对微型废弃物的传统认识，还有利于培养学生的实验兴趣和创新能力。很多实验学生可能都会利用常规实验仪器完成，但以自制微型仪器能否实现同样的效果以及怎样保证自己的实验顺利完成需要学生认真思考，需要课下对实验的可行性不断探讨、摸索，所以，基于废弃物的微型实验会极大地调动起学生的实验兴趣和参与热情。另外，对于同样的实验，不同的学生会选择不一样的废弃物作为实验器材替代标准仪器，这就极大地丰富了课堂画面，实验场景灵活多样，为其他学生提供了不同的实验思路，开拓了学生的实验视野。因而，这是一个互相学习，共同促进的过程。最后，通常条件下，微型化学实验能大大缩短反应时间，在既定的实验时间内，学生可以针对同一实验多设计一些方案，进行探究实验，比较不同方案的优缺点，提升学生改进实验的思维广度，培养学生的创新能力;也可以在既定的实验时间完成其他实验，提高课堂效率，进而提高实验课的教学质量。

3.3.2 有利于推进绿色化学、循环经济理念

微型化学实验将废弃物再利用为实验仪器，延长了产品生命周期，间接地减轻环境负荷;另外减少了有毒有害物质的生成量，减轻环境污染，这两点都很好地体现了对生态环境的保护，也符合建设两型社会的要求。关于微型化学实验、绿色化学和循环经济的关系学术界有少量研究。微型化学实验方法是绿色化学的一部分，是在绿色化学思想指导下的化学实验方法的一项重要的发展与变革［8］。徐玲等［9］较为详细地论述了微型化学实验与绿色化学的相互关系，指出了微型化学实验是绿色化学思想在实验中的体现，符合绿色化学的理念，还利于培养学生的环保意识和关心自然环境的情感。张雪利［10］则指出微型化学实验是绿色化学新理念、新方法和新技术在化学实验中的改革和应用。对于绿色化学和循环经济的关系，季胤［11］指出绿色化学是循环经济的必然选择，具体又从循环经济的特点和循环经济的发展与实践进行了论述等。由此可见，微型化学实验和循环经济都与绿色化学相联系，微型化学实验是推进循环经济不可缺少的一部分，三者之间相辅相成，共同为构建可持续发展社会贡献力量。

3.3.3 基于废弃物的微型化学实验的局限性

当然，微型化学实验只是大大减少了环境污染，还不是将污染消灭在生产的源头［12］。实验结束后，依旧产生有毒、有害物质，如何使实验中产生的有毒、有害等物质资源化或彻底无害化处理还需要在设计实验时充分考虑。当然，做好这项工作如果完全依赖于学生还存在诸多局限性，教师需要予以适当引导。另外，并不是所有的化学实验都适合采用废弃物为实验仪器并以微型实验的方式来进行，传统实验的某些固有优点是这类微型实验难以相比的，因此，必须正确处理好基于废弃物的微型实验和传统化学实验之间的关系。考虑到实验药品的减量化和实验仪器的微型化，教师应该发挥主导作用选择在微型条件下实验效果和现象不受影响或者受较小影响的化学实验指导学生开展实验。最后，资源化(Recycle)在当前基于废弃物的微型实验中还体现的较少，因此，加强资源化在微型实验中的作用也是今后需要努力的方向。

体现该原则可以从以下两个方面进行考虑:首先是实验产物或过量反应物的资源化。中学化学及高等教育里学生所进行的实验主要是验证性实验，其反应的产物甚至副产物都已知，因此，根据化学实验的具体方程式制定针对过量反应物或产物的资源化或无害化处理完全是有可能的，关键问题是处理或资源化这些废弃物的成本和效益，效益不仅包含潜在的经济价值还包括无形的生态效益。从长远利益考虑，通过逐渐累积会对生态环境和人类健康产生不利影响的化学反应废弃物都要进行资源化和无害化处理。其次是实验仪器的资源化，基于废弃物的微型化学实验依托于日常生活中的废弃材料，对这些废弃物的循环利用具有一定的期限，将彻底不能用于微型化学实验的废弃物丢弃于环境中会产生环境污染及资源浪费，因此，必须加强这类废弃物的资源化工作。由于其处理具有量少而集中的特点，易于统一收购和管理，因此废弃微型实验材料的资源化从本质上讲就是收集日常零散的生活废弃物并对其再利用，失去再利用价值时集中处理使其资源化的过程。

4 结语

微型实验是传统实验的重要趋势，而基于废弃物的微型实验又是微型实验的进一步革新。与传统实验相比基于废弃物的微型化学实验实现了突破性进展，它是绿色化学理念在课堂中的具体实践，更是发展循环经济的重要体现，包含和体现了许多循环经济的思想，具有显著的发展优势和广阔的发展前景。基于废弃物的微型实验优点固然很多，但也要客观认识到它存在的不足。科学设计实验成为有效控制有毒、有害物质的关键，教师在该过程中的及时引导至关重要;正确处理基于废弃物的微型化学实验和传统化学实验的关系是开展微型实验的重要前提;加强循环经济3R原则中资源化(Recycle)原则在基于废弃物的微型化学实验中的影响是今后开展微型实验的重要指导思想。将循环经济的理念彻底贯穿到基于废弃物的微型化学实验中，促使化学实验真正实现绿色化、标准化、规模化是未来微型实验发展的重要方向。

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