绿色化学在高校化学实验中的认识

郝新奇　朱新举　杨贯羽　宋毛平

摘要：文章阐述了“绿色化学”和“绿色化学实验”概念，指出了现阶段高校实验室教学绿色化的必要性，紧紧根据绿色化学原则，针对高校化学实验室教学的特点提出了可行的绿色化解决方案。

关键词：绿色化学；绿色化学实验；实验室教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）33-0267-02

随着公众日益关注的环境污染问题，化学化工行业与环境保护有着密切联系，高校化学实验不容忽视。传统的高校化学实验在人才培养中起着举足轻重的作用，但在许多高校化学实验中没有很有效的利用资源，并产生一定的“三废”，对环境造成了不同程度的污染。20世纪90年代，绿色化学作为新兴交叉学科应运而生。绿色化学核心内涵是在生产或反应过程中减少以致消除使用和产生有害物质。化学是实验科学，其中重要组成部分包括化学实验，高校实验室是师生学习和科研的重要场所，如何实现实验室教学科研绿色化，主动地减少和消除实验室的化学污染，是实施可持续发展战略必然要求。

一、绿色化学及其原则

（一）“绿色化学”定义

绿色化学概念最早是在1991年ACS提出的，又称清洁、环境无害、环境友好化学。绿色化学以在使用和生产化学品时有效利用原材料、不产生废物、避免危险和有毒的试剂及溶剂为目标，其最大的特征在于从产品生产的始端就采用科学手段来控制污染，通过“原子经济性”的原则来设计和实施化学转化，在化学转化中充分利用每个原料每一个原子来获得目标产物，并且在生产过程和最终产品使用中均做到零排放和零污染，它既充分利用了资源，又防止了污染。可见，绿色化学是一门从源头上阻止污染的化学，不仅将给传统的化学工业带来革命性变化，是目前化学化工行业的研究热点和前沿课题，是开发从始端到终端解决污染的新兴学科，对保护环境、促进社会可持续发展有着重要的时代和历史意义。

（二）“绿色化学”原则

20世纪90年代对绿色化学提出的12条原则仍然适用于现代化学发展方向，也被国际公认，其指明了该学科的发展方向。近些年，化学研究者以12条原则为指导开展了深入、细致的工作，在绿色化学方面取得了突破性进展和突出的研究成果。绿色化学12条原则可概括为：①防止污染优于污染形成后处理；②设计合成方法时应最大限度地使所用的全部材料均转化到最终产品中；③使反应中使用和生成的物质对人类和环境无毒或毒性很小；④设计化学产品时应尽量保持其功效而降低其毒性；⑤尽量不用辅助剂，需要使用时应采用无毒物质；⑥能量使用应最小，并应考虑其对环境和经济的影响，合成方法应在常温、常压下操作；⑦最大限度地使用可更新原料；⑧尽量避免不必要的衍生步骤；⑨催化试剂优于化学计量试剂；⑩化学品应设计成使用后容易降解为无害物质的类型；11分析方法应能真正实现在线监测，在有害物质形成前加以控制；12化工生产过程中各种物质的选择与使用，应使化学事故的隐患最小。绿色化学从根本上对化学工作者提出了新的要求，要求其以全新的角度来考虑化学研究和生产过程。

二、高校开设“绿色化学实验”重要性

（一）绿色化学实验

“绿色化学实验”必须遵循“绿色化学”提出的十二原则，通过对指导思想、实验仪器、实验装置、实验内容、实验步骤、反应过程等的改变，对常规实验进行改革而形成的化学实验新方法。绿色化学实验对化学药品的使用以重复使用、回收、再生、减量、拒用等为基本原则。

（二）高校开设“绿色化学实验”的重要性

化学是一门实验学科，实验在高校化学教学中起着非常重要的作用，能够很好地培养学生的观察能力、动手能力、分析问题能力和解决问题能力，同时激发学生的创新力。高校化学实验涉及比较多的专业、学科，实验项目内容涵盖化学、化工和环境、生物、医药、医学、农业、检验、食品、护理等相关学科。高校中每天都有大批学生通过各种各样的化学实验来学习、理解各类基础知识，消耗的药品种类繁多、消耗量比较大，时常包含有腐蚀性或有毒药品、往往还会伴随有毒或有害物质的产生。目前，将“三废”直接排入环境的高校实验室还很多，仅有少数设有相应处理设施。虽然单独一个实验室排放三废量不大，但整个国家或地区排放的总量还是相当大的，不容忽视其对环境的累积破环效应，污染环境、破环生态平衡、威胁人类健康等等使社会发展走向不可持续。在高校建设绿色化学实验室，推行绿色化学实验，开展绿色化学研究，宣传绿色化学实验思想，将能够大大减少环境污染，维持生态平衡、保护人类健康，增强环保意识都会产生现实意义和历史意义。

三、高校开设非绿色化学实验的原因

（一）资金投入不足和管理者思想认识不到位

实验教学本身花费就很大，同时一些学校又对实验教学资金投入不足，购买实验药品往往也是唯价格论，能够开设的化学实验很有限，更没有处理实验“三废”的能力，凸显对污染的防治无能为力。此外，实验管理者思想认识不足，缺乏有效的管理方法。实验室管理人员中部分存在环保意识薄弱，更有甚者认为实验室产生的“三废”只是一点点，对环境构不成什么污染，完全认为是小题大作，这就导致在药品使用上存在浪費现象、废物排放处置上比较随意，增大了化学实验对环境的污染。在对学生实验管理上有时也存在不足，部分实验管理者和实验指导老师没有很好的要求学生，同时学生在实验中也缺少相关的环保意识，存在操作不规范，乱倒废液、废渣，任意排放废气等现象。

（二）实验有效指导缺乏、安排不合理

高校化学实验在教学上牵涉面比较广，往往涉及实验计划、实验内容、实验教材等等。很多高校还一直沿用老的实验内容，虽然实验教材经过了多次的修订和改版，但所做实验多年沿袭，疏于创新，在这种情况下实验本身就是非绿色的，所以只要做实验，就会带来污染。同时，通观现行的化学实验教材多数明确指出要求学生掌握实验目的、步骤、现象和结果讨论；然而在实验中使用的原料、试剂、添加剂、催化剂等药品的毒性、危害性，实验过程、后处理等可能产生的“三废”、带来的环境污染以及如何减少“三废”产生或避免污染很少涉及，没有做到人文关怀和环保意识的培养。另外，化学“三废”的种类较多，处理方法各异，耗资较大，再加上大家环保意识缺乏，致使至今还没有较全面的整理。

四、高校化学实验如何实现绿色化

根据绿色化学的十二原则，高校化学实验实现绿色化应从以下几个方面进行改革。（1）采用绿色化的化学试剂，例如选择无毒试剂和可再生资源用作实验试剂；（2）采用绿色化的溶剂，例如选择挥发性小、无害的溶液，避免有毒有害溶剂的使用；（3）采用绿色的催化剂，例如选取无害、无毒、无腐蚀性的催化剂；（4）选择无毒副产物生成或毒副产物生成最小化的反应条件，实现反应条件绿色化；（5）选择不具有原子经济性反应，避免“三废”的产生，实现化学反应绿色化；（6）反应的产物（包括副产物）应无害、无毒、环境友好，实现反应产物绿色化；（7）在保证实验效果的前提下，选择最小剂量的试剂、溶剂、催化剂，实现剂量绿色化；（8）合理分类收集“三废”，并做好无毒、无害化处理，实现“三废”处理绿色化。具体措施如下：

（一）培养实验人员的绿色化学意识

绿色化学意识的培养是高校绿色化学实验的保证。只有实验管理人员、教师和学生都有很强的绿色化学意识，才能为高校推行绿色化学提供有效的保证。当前，未进行传统化学实验教学内容改革的高校，在绿色化学实验方面的知识还比较缺乏，致使实验人员未能意识到绿色化学实验的重要性。目前实验人员的首要任务是更新观念、培养绿色化学意识，这就要求所有与化学实验有关的人员充分认识绿色化学实验的迫切性和重要性，系统掌握化学基础知识和实验技能，深入研究绿色化学实验理论和最新研究成果，积极实践、共同探讨，尽早实现传统化学实验到绿色化学实验教学的转变。同时，要加强宣传、严格要求、完善教学环节，使学生充分了解绿色化学实验，养成良好的实验习惯，确保化学实验教学中各个环节均实现绿色化。

（二）废除污染、毒性大的化学实验

依据高校化学实验教学的要求，在保证实验教学任务的前提下，修订实验课程教学体系，更新实验教学内容，选择污染小、毒性低、后续处理更环保的实验内容代替污染大、毒性高、“三废”产生多的实验内容，来完成高等学校对学生在化学实验基本操作方面要求的目的。这样不仅避免了实验对环境的污染，还增强了学生的环保意识。

（三）寻找有毒有害试剂、溶剂、催化剂的替代品

化学转化往往存在多种途径，高校化学实验教学应按照无毒或低毒化原则选择实验药品，尽量寻找选择无毒试剂和可再生资源用作实验试剂。选择挥发性小、无害的溶液，避免有毒有害溶剂的使用。例如，能够在水中进行的实验尽量使用水作为溶剂，使用更安全的甲苯代替苯。用无害、无毒、无腐蚀性的催化剂代替强腐蚀性催化剂。例如阳离子沉淀实验中使用硫代乙酰胺替代有毒的硫化氢反应，乙酸乙酯制备中催化剂使用固体酸代替浓硫酸。

（四）推广减量、半微量或微量化学实验

在满足教学大纲要求通过高校化学实验获取化学信息的量，积极推广减量、半微量或微量化学实验。通过试剂用量、辅助材料、水电消耗的减少也可以大大降低实验成本，也就能够缓解学校对实验教学有限投入的压力；其次也能够减少实验过程中比如爆炸、中毒、燃烧等事故的发生，使得实验更具有安全性；同时由于用料的减少，实验中“三废”的排放也将减少，对环境的污染将减小，实验环境条件将会得到一定的改善。在保证高校实验教学效果的前提下，应大力推进微量实验的开发和推广。在没有更好的实验方案的情况下，通过微量实验减少污染也是目前实现化学实验绿色化的一个重要途径。

（五）开展串联实验

传统化学实验教学是在理论课开设的同时或紧跟理论课来开设实验课程，每个实验基本上都是单独开设的、孤立的，因重复实验增加实验投入和“三废”的产生。通过对实验进行分类、整合实验课程，将存在关联的实验进行研究并调整实验内容，打破学科间、实验间的壁垒，开展串联实验。如把无机实验中溶液的配制与分析实验中滴定串联，有机实验中化合物的合成与提纯与仪器分析实验中产品纯度测定串联，合成实验与化学动力学实验串联。经串联以后开设的实验课程，可提高试剂的利用率，减少环境污染，降低实验费用。

（六）开设微波、超声等先进技术实验

在高校化学实验中引入微波、超声波等先进技术，设计、开设相关的实验项目，比如微波辅助提取、微波灼烧、微波消化、超声提取、超声催化。微波、超声波等先进技术实验的开设将大大减少环境污染、提高效率、节约能源，更有助于拓展学生对相关先进科学技术的深入了解，激发学习兴趣，提高学习效率。

（七）建立虚拟仿真化学实验室

伴随着当前信息技术及互联网技术的快速发展，在国家信息化发展战略指导下，虚拟现实技术在教育教学领域和管理过程中的应用正在逐步深入，有力促进了教育模式、教学方法和学习方式的深刻变革。针对放射性、高危险、高污染、学生难以理解的抽象的理论和概念，以及中学化学实验中有毒有害、易燃易爆等真实实验难以开展的实验项目，设计并建设一系列化学虚拟仿真实验项目，通过虚拟仿真实验教学平台实现开放共享。根据《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》，教育部高等教育司已在2013年开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作。目前已立项两批国家级虚拟仿真实验教学中心建设项目。

（八）处理化学实验中的三废

实验室在“三废”管理、处置上应该规范化、制度化，根据“变废为宝、化害为利、分别处理”的原则，随时收集、集中处理和回收使用。对“三废”进行分别处理：废气，实验室中凡可能产生有害废气的操作都應在有通风装置的条件下进行，同时应根据废气的种类和性质进行溶液吸收法或固体吸收法来进行处理；废渣，经回收、提取有用物质后，其残渣可采用掩埋法处理；废液，是化学实验室产生的主要废弃物，并且种类繁多，组成变化大，首先应根据溶液的性质进行分类（酸性废液、碱性废液、废洗液、含有害物废水液、剧毒氰化物、含汞盐废液、含重金属离子废液、含碱土金属离子废液及含非金属离子废液），分别处理。

总之，绿色化学是一种新的教学方法和理念。绿色化学概念的提出也促使我们从防止污染、保护环境和节约资源的观点来重新审视和改革高校化学实验教学内容、实验计划及实验过程，更新和发展传统的高校化学实验教学思维方式，建立化学实验绿色化教学新理念，牢固树立起环境保护的意识。

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