赵胜芳
(黄冈师范学院 化工学院,湖北 黄州 438000)
有机化学实验绿色化探索
赵胜芳
(黄冈师范学院 化工学院,湖北 黄州 438000)
摘要对基础有机化学实验实施绿色化探索,不仅是减少污染、净化环境的需要,是对大学生进行绿色化学教育,培养大学生良好的环境保护行为习惯的需要。本文围绕化学实验绿色化的“5R原则”,从选择实验内容、改进实验条件与方法、开设半微量实验、试剂的循环使用,修旧利废、废弃物处理等几方面,对有机化学实验绿色化的实践进行了介绍。
关键词有机化学实验;绿色化学:环境保护
化学尤其是有机合成为人类提供了绚丽多彩的染料、丰产优质的肥料和农药、疗效显著的药物、性能优良的材料等多种多样的功能性化学品,但是在环境污染中,由化学物质引起的污染约占80%~90%[1]。为了保护环境和促进经济社会可持续发展,需要大力研究和开发从源头上减少和消除污染的绿色化学设计和绿色化学工业。
1学校教育实施绿色化学的重要性和必然性
绿色化学又称环境无害化学、环境友好化学、清洁化学、原子经济化学, 是一门从源头阻止污染的化学。绿色化学的目的是把现有化学和化工生产中的技术路线从“先污染后治理”改变为“从源头上根除污染”。根据《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》[2],我国提出在高等学校实施“卓越工程师教育培养计划”,加速建设绿色化学化工特色专业,为我国创新型国家的建设以及绿色经济发展培养绿色化学化工人才。
实验室化学研究是化学工业的基础和源头,从源头开始实施绿色化学,才可以真正达到降低有毒物排放,保护环境,促进经济社会可持续发展的目的。这不仅要求化学科研工作者有扎实的专业功底,还要有良好的环境保护意识和高度的环保责任感。
加强环保教育,不仅要重视绿色化学得理论和思想教育,而且要使师生身体力行,在实验实践中养成良好的环保素质和提高绿色化学实验技能。这就要求高校实验教师在传授实验教学内容的同时,渗透绿色化学内容对学生进行认知教育,引导学生养成绿色化学意识,不断地对化学实验绿色化的方法进行深入地研究与探索,设计出对环境友好的绿色合成路线,切实减少实验室污染。
2化学实验绿色化设计的目标和内容
从绿色化学的12条原则可以看出:绿色化学的目标和任务不是被动地治理环境污染,而是主动地防止环境污染[3]。可以说,绿色化学是防,环境保护是治,只有从根本上切断污染源,才能真正做到保护环境。绿色化学实验使用化学药品的基本原则是“5R原则”,即:
Reduction ——“减量”,减少“三废”排放; Reuse ——“重复使用”;Recycling ——“回收”;Regeneration ——“再生”;Rejection ——“拒用”,对一些无法替代,又无法回收、再生和重复使用的、有毒副作用及污染作用明显的原料,拒绝在化学过程中使用,这是杜绝污染的最根本方法[4]。
按上述目标要求,化学实验绿色化应从实验原理及条件改进、操作优化、试剂循环使用、产品充分利用、实验废弃物妥善处理等方面进行设计。
3有机化学实验的绿色化探索
有机化学实验是有机化学不可缺少的重要组成部分。有机化学实验常会产生毒性较大、对环境污染较严重的废气、废液、废渣。有机化学实验绿色化,符合环境的可持续发展,能减少酸碱和有机类污染物对环境的污染,而且实现了节约资源的目的,提高实验效率,有利师生身体健康,更重要的是,能培养学生的环境保护意识。
在化学实验中,要用到一些有毒、有害的化学物质,也可能产生一些有毒、有害的化学物质,会对师生健康产生影响,且产生严重的环境污染。所以合理选择实验,尽可能避免对环境和师生身体有害的实验也很重要。如开始设计一组系列合成实验:硝基苯→苯胺→乙酰苯胺,但硝基苯还原制备苯胺,原料和产物都有毒性,苯胺蒸汽还能通过皮肤吸收进入人体,所以后来删除了硝基苯还原的实验。又如环己酮氧化制备己二酸,可以用高锰酸钾氧化,也可以用HNO3氧化,教师试验前拿出两种方案,由学生做出选择,学生们认为HNO3氧化容易产生有害气体红棕色刺鼻且有毒气体二氧化氮,而二氧化氮遇水会产生有毒的氧化氮和硝酸,这是酸雨的来源之一,所以用高锰酸钾优点更多,不但实验基本无毒害和污染,而且高锰酸钾还原产物二氧化锰可以回收利用。实验原理的讨论,使学生有了更强的环保意识,既培养学生的创新能力,又实现实验绿色化。
一些大学有机实验采用天然气作热源,不仅有爆炸起火的危险,而且还有燃烧产生二氧化碳造成的温室效应。近些年来,微波辐射加热、超声辐射引入有机合成已引起了化学工作者的强烈关注,是一些很有发展前景的绿色能源。
微波合成是一种通过微波介电热效应把能量输入化学反应体系的合成方法。利用微波辐射加热不但可以代替传统加热方法,而且可以使反应速度有成倍直至成千倍的增加;目前,微波辐射加热技术在有机化合物合成中已迅速发展起来,成为最方便最高效地促进化学反应的方法之一。将其引入有机化学实验中,比传统加热法省时,且能提高产率和产品的纯度。如肉桂酸的合成,传统加热法为:制备反应45 min,水蒸气蒸馏1.5 h,最终产率68 %,熔点135~136℃。改用微波辐射:制备反应10 min,水蒸气蒸馏15~20 min,产品产率76%~78%,熔点135~136℃[5]。又如乙酰水杨酸(阿司匹林)的合成,传统70~80℃加热反应20 min[6],450~460w微波加热60~75 s[7]。
超声有机合成是将有机反应置于超声辐射下进行,利用超声波的空化作用不仅可以促进反应,还可以避免其它加热方式导致温度升高使热敏物质分解的问题,具有反应产率高、时间短、操作简便等特点。如威廉姆逊合成混合醚,传统加热需要回流数小时甚至数十小时,而超声合成只需要45 min[7]。这些绿色能源的利用,不仅缩短了反应时间,降低了能耗,还使副反应减少,废弃物排放降低。
教师指导学生将微波技术引入精细有机品和复杂化合物的合成,也取得了一些成果,积累了较丰富的经验[8]。
微量或半微量化学实验是在微型化的仪器装置中进行的化学实验,是以尽可能少的试剂,来获取所需化学信息的实验原理与技术[9]。微量或半微量实验能有效地减少污染,节约经费,降低能耗,缩短实验时间,特别适用毒性大,药品贵,耗量大,污染严重,操作复杂的实验。
黄冈师范学院有机化学微量或半微量实验,已经开始十多年了,每届学生有机化学实验的第一次课,每个学生领一套常用半微量实验仪器,在开设有机实验的一年里,这套仪器归学生保管和使用,有机化学实验结束清理归还。更重要的是,半微量仪器的使用,一是使药品使用量大大降低,节约经费;二是节能省时,降低水电耗费; 三是降低废弃物排放,环保;四是微量实验对学生实验操作精确度要求更高,操作稍疏忽粗放,就可能得不到产品,这更有利于实验技能的培养。
另外,对教材中试剂使用量较大的实验,实验中适当减少用量。如乙酰苯胺的制备,教材采用10 mL苯胺,这个合成实验容易完成,减半量,用5 mL苯胺也能取得很好的效果;甲基橙的制备,教材使用2 g对氨基苯磺酸为原料,此试剂是学生从苯胺磺化制备的,每个学生产量不一样,减半只用1 g,做出的甲基橙产量也很好,而且也消除了学生因为上一个实验产物产量不高使本实验原料不够导致得沮丧心理,提高了学生的实验信心和兴趣。
实验中要尽可能减少溶剂尤其是有害溶剂的使用量,换言之是减少有害溶剂的排放量。如蒸馏和分馏及其效率对比实验,我们用丙酮和水体系,先做分馏,第一组分为丙酮,第二组分是丙酮和水的混合物,第三组分是水。做完分馏,要用各组分做燃烧性质实验以检验丙酮含量,第一部分可以燃烧,且燃烧后无液体残留,第二组分可以燃烧,但燃烧后有液体残留,第三部分不燃,故各组分纯度容易判断。做下一次蒸馏时,就用第一组分补加到所需量(因为分馏实验及燃烧试验后有部分损耗了),第二组分很少,一般只有几滴,燃烧性质实验后就没有了。蒸馏完后第一组分还是较纯的丙酮,可以回收再用,第二组分比较多,可以通过分馏回收丙酮。这样,一个实验中,丙酮循环使用,损失很少,既节约,又环保。在合成实验中经常用到低沸点有机溶剂如乙醚、氯仿、二氯甲烷等,有些老师用旋转蒸发仪回收溶剂,虽然操作简便快速,但大部分溶剂被抽到水泵中然后挥发到实验室空气中,不仅损耗溶剂,更重要的是低沸点有毒蒸汽污染空气,损害师生健康。因此,我们要求学生按低沸点液体蒸馏装置要求进行蒸馏,大大减少了溶剂损失,也培养了学生少污染、零排放的绿色化学意识和爱护环境的习惯。
一般有机实验教材注重基本操作技能训练和一类化合物合成或一类反应原理及操作方法的训练,合成的产物实际就成了没用的废物,要么久置在实验室成了占地的累赘,要么丢弃,既浪费资源,还污染环境。为充分利用资源,减少废弃物,应采取一些措施变废为宝。
3.5.1系列实验,使实验产品能循环利用
参照一些综合化学实验教材开设系列实验的方法,在基础有机化学实验基本操作训练完成后进行几个合成实验训练后,开设系列实验。合成实验连续化是从“变废为宝,减排少污”的绿色化学新思想对常规实验进行整合而形成的实验教学方法。根据实验内容和要求把相关的实验联系起来,将几个单一实验设计成一个连续实验,用前一个合成的产品作为后一步合成的原料来完成系列合成实验。如肉桂酸→重结晶;甲苯→苯甲酸→苯甲酸乙酯→三苯甲醇;苯胺→对氨基苯磺酸→甲基橙。开设系列实验,第一可以节省购买试剂的经费;第二可以减少废弃物,利于环境保护;第三利于培养学生实验操作过程认真严谨细心的良好习惯。
推广合成实验连续化和实验药品的回收再利用,通过设计连续实验,可以最大限度地利用资源,变废为宝,符合“节约化和绿色化”的原则,建立“一条龙”实验,可解决实验后废弃物的处理这一问题。同时增加探索性实验、设计性实验、创新性实验板块,体现学生的主体性,培养学生主动探索的精神和能力。
有时,一些物质对本实验室来说可能没有利用价值,但对其它实验室和老师来说可能有用。如合成的甲基橙,无机和分析可以用作指示剂,还可以提供给光降解研究的教师做科研用的试剂,阿司匹林,可以作为分析和制药专业实验的原料。
3.5.2修旧利废,变废为宝
有机实验除了试剂,主要是玻璃仪器,这两样都属于易耗品。为此,将损坏的一些仪器进行修理,修旧利废,变废为宝。如量筒,很容易摔坏,但总是上一截破损,老师们就动手将破损部分用剪刀修剪整齐,再用酒精喷灯将边沿烧齐,制成容量小的量筒继续使用。还有塑料试剂瓶,用完后将瓶子剪掉上口,下面部分可以作为制冰块的容器,或作为装玻棒、滴管和洗衣粉等的容器,比玻璃容器更耐用,上口可以代替固体装样漏斗。较长的废玻璃管也可以拉成滴管使用。这样的做法,同样减少了废弃塑料和玻璃对环境的污染,也节约了实验开支。
实验中产生三废是化学实验室不可避免的问题。目前,凭现有的实验条件和实验方法,还不能完全消灭三废,但是可以合理排放、回收和处理三废,实现实验末端的绿色化。在多数院校,学生实验后的废渣及废液通常是倒入指定的“废液缸”中,再集中进行无害化处理。如果让学生自己设计方案直接将实验产生废液进行化学处理,对学生专业知识利用和创新能力培养,环境保护意识增强都很有益处。例如:对有机废酸废碱,可以采取分类存放,进而分类处理。如废酸和碱回收后,可以制成公厕清洁液。纯度太差不能利用的,也可以经过酸碱中和,使酸、碱腐蚀性降低再进行处理,也能减少对环境的影响。
从长远发展来看,绿色化学的发展是不以人的意志为转移的。所以化学实验实现绿色化是化学实验教学发展的必然趋势,化学实验要以绿色化学原则进行实验设计、改进,这不仅有利于净化实验室环境,保护师生身体健康,
也有利于提高教学质量,还使学生逐步养成对自己负责、对社会负责、对子孙后代负责的环境保护行为和习惯。
参考文献:
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编辑王菊平
基金项目2013年度黄冈师范学院教学研究项目(zj201227)。
作者简介赵胜芳,女,湖北麻城人,教授,主要研究方向为有机化学教学研究。
收稿日期2014-11-14
doi10.3969/j.issn.1003-8078.2015.06.24
中图分类号G642.0
文献标志码A
文章编号1003-8078(2015)06-0087-03