化学实验教学中废弃物处理

尹文萱， 谢广元， 李　颖， 李宇璇， 徐世伟， 涂敬媛， 丁　毅

(1. 中国矿业大学 化工学院， 江苏 徐州　221116； 2. 中国矿业大学 环测学院，江苏 徐州　221116；3. 中国矿业大学 实验教务部， 江苏 徐州　221116；4. Department of Chemical Engineering， University of Saskatachewan，Saskatoon 57615a1 Canada)



化学实验教学中废弃物处理

尹文萱1， 谢广元1， 李颖3， 李宇璇1， 徐世伟1， 涂敬媛4， 丁毅2

(1. 中国矿业大学 化工学院， 江苏 徐州221116； 2. 中国矿业大学 环测学院，江苏 徐州221116；3. 中国矿业大学 实验教务部， 江苏 徐州221116；4.DepartmentofChemicalEngineering，UniversityofSaskatachewan，Saskatoon57615a1Canada)

针对化学实验产生的各种废弃物的处理展开系统研究,以国家标准监测处理效果确定简洁高效的处理方法。将废弃物的处理环节融于实验教学中,作为实验教学内容由学生当堂或利用开放实验进行有效处理，增强学生的环保意识,切实培养学生的实验能力和绿色化学意识。记述了废弃物的处理路线，阐述了含钙镁离子废液、含甲笨废液、含铬废液等的处理方法。

化学实验； 废弃物处理； 绿色化学

实验室产生的废液通常成分复杂,毒性较大,如果未经处理就和普通的生活污水混到一起排入到下水管网,极有可能会损害生活废水处理厂的处理能力[1]。2005年7月,教育部、国家环境保护总局联合下发了《关于加强高等学校实验室排污管理的通知》,美国等国家也出台了相关的文件,以加强实验室废弃物的管理[2]。高校化学实验室通常采取分类收集、集中送往相关处理厂处理的方式[3-4]。这种方式的分类收集、贮存麻烦,而且还要花费废液处理费,学生的环境保护意识也得不到有效培养,无法切实体会绿色实验意义。

王琴等[5]通过实验研究对于化学实验废弃物的处理取得了一些成果,并在《化学实验室废液处理方法的研究》中介绍了实验室废液的来源、种类及危害,对不同性质的实验室废液的处理方法进行了综合概述。杨柳[6]总结了化学实验室有机废液的管理办法,具体说明了有机废液的焚烧处理措施,列举了几种常见实验室有机溶剂的回收方法。 卢炯元等[7]在铁氧体法处理含铬废水的研究中提出用铁氧体法处理含铬等重金属离子废液。裴东波等[8]在还原沉淀法处理含铬废水时提出还原沉淀法处理含铬废水。谢东丽等[9]在钡盐法处理六价铬废水的研究中提出钡盐法处理铬废水用钡盐法处理含铬废水。刘欣等[10]对含铜废水的处理技术进行了研究。宋学省等[11-12]对高校分析测试实验室的废弃物的处理进行了研究。但以上研究成果没有融入学生实验课程中、让学生完成。

针对化学实验室废弃物污染问题,很多高校通过改革实验项目，选用无毒或毒性小的实验药品或者将实验微型化减少环境污染,但污染依旧无法避免。本文针对化学实验产生的各种废弃物的处理方法进行系统研究,以国家标准监测处理效果,优化处理方法和工艺,确定简便、高效，并能融入实验教学的处理方法,并将此环节作为实验教学内容由学生及时在相应实验项目中或在开放实验中完成，让学生亲身参与并切实体会废弃物的危害,践行绿色化学的同时让学生实践能力、创新能力都得到提高。

1　废弃物处理路线

化学实验废弃物采用图1路线进行处理及回收。

图1　废弃物处理路线框图

2　废液中钙镁离子的处理

向50mL去离子水中加入适量的MgCl2·6H2O

和CaCl2,配制成钙离子浓度和镁离子浓度均近似为0.100、0.050、0.038、0.025mol/L的混合废液。各浓度平行设置10组,用EDTA(乙二胺四乙酸)滴定处理前废液的总硬和钙硬；10组溶液中梯度加入NaOH溶液进行沉淀处理,待沉淀老化后抽滤,再用EDTA滴定处理后废液的总硬和钙硬,滤渣干燥后收集。

在每个浓度下,根据物料守恒计算出理论上将钙、镁离子完全沉淀时所需的6mol/L的NaOH溶液的用量分别为7.5、3.5、2.1、1.50mL。实验时每一浓度设置的平行实验中钙、镁离子的浓度相近,但不完全相等,因此实验结果反映出了废液浓度近似时的变化规律,具有一般性。

对于不同浓度的废液,完全除去其中的钙离子和镁离子所需的NaOH溶液的量是不同的。随着废液中钙、镁离子浓度的增加,NaOH的消耗量也逐步增加。表1列出了各浓度下废液处理前后的总硬和钙硬。沉淀法处理效果明显,且近似呈线性关系。

3　含甲苯废液的处理

根据污水综合排放标准GB8978—1996,化学实验室的废水中甲苯的最大允许排放浓度为0.5mg/L。实验使用紫外光谱仪、水作溶剂时,得到甲苯的紫外光谱见图2。甲苯的最大吸收波长λmax为261nm,吸光系数εmax为225L/(mol·cm-1)。

图3为处理前的样品的紫外光谱，在218nm和273nm处各有一个吸收峰，处理前样品的吸光度为0.590 0，甲苯浓度为242mg/L。向废液中梯度加入活性炭，用量范围0.1～1.0g,梯度为0.1g。废液中甲苯浓度与活性炭用量关系见表2和图4。

表1　废液处理前后的总硬和钙硬比较

表2　含甲苯废液中甲苯浓度与活性炭用量

图2　甲苯的紫外光谱图

图3　含甲苯废液的紫外光谱图

由图4可知，随活性炭加入量的增加处理效果越好,且活性炭用量高于0.098g/mL时,废液中甲苯浓度达到国家污水排放标准。

图4　含甲苯废液处理效果与活性炭用量

4　含铬废液处理

对化学实验室产生的含铬废液采用还原-沉淀法处理,用FeSO4、NaHSO3为还原剂,以Ca(OH)2、NaOH为沉淀剂,处理前后的总铬浓度用原子吸收分光光度法检测。结果表明,以NaHSO3为还原剂、Ca(OH)2为沉淀剂对含铬废液进行处理,处理结果符合污水综合排放标准GB8978—1996的要求,总铬浓度低于1.5mg/L,处理方案简洁高效,适于学生在实验后期完成处理。

4.1处理流程

处理流程框图见图5。

图5　处理流程框图

4.2pH对处理效果的影响

铬最终以Cr(OH)3沉淀形式从废液中分离。由于Cr(OH)3具有两性,pH会对处理效果产生影响。以NaHSO3为还原剂,还原后用NaOH调节pH分别为8、9、10时实验结果见表3(不同序号样品的铬浓度不同)。由表3可知，pH值为9时处理效果最佳。

表3　不同pH对处理效果的影响

表3(续)

4.3还原剂比较

分别对0.001mol/L和0.01mol/L两种浓度的含铬废液进行实验,还原剂分别使用NaHSO3和FeSO4,沉淀剂使用NaOH。在使用还原剂对6价铬(Cr(Ⅵ))进行还原时,还原剂用量过多则浪费试剂,用量过低则处理不彻底,无法达到要求。本实验还原剂采用理论用量的1.4倍进行反应,pH=3,还原后在pH=9条件下沉淀处理,实验结果见表4。由表4可知,NaHSO3和FeSO4处理含铬废液均有明显效果,使用NaHSO3处理的效果优于FeSO4。以NaHSO3为还原剂时,0.001mol/L和0.01mol/L废液处理后总铬均低于国标GB8978—1996规定的1.5mg/L。随着废液中铬浓度的降低,去除率降低,但处理效果更好。以FeSO4为还原剂时,0.001mol/L废液处理后达标,0.01mol/L废液处理后总铬高于国家标准,去除率分别为99.17%和99.29%。以FeSO4作为还原剂时可将废液先稀释再进行处理。FeSO4可同时达到还原、沉淀的目的,操作简便,但引入铁带来新的污染。

表4　不同还原剂的处理效果

4.4沉淀剂比较

对两浓度废液分别进行实验。还原剂用NaHSO3,沉淀剂采用NaOH和Ca(OH)2。调节pH为9时作为反应终点。废液抽滤后检测总铬含量。实验结果见表5,由表5可知,NaOH和Ca(OH)2作沉淀剂时处理效果明显,Ca(OH)2的处理效果优于NaOH。以NaOH为沉淀剂时,0.001mol/L和0.01mol/L废液处理后总铬均低于国家污水综合排放标准GB8978—1996规定的1.5mg/L,去除率分别为99.68%和99.88%。Ca(OH)2作沉淀剂时,0.001mol/L和0.01mol/L废液处理后总铬均达标,低于用NaOH作沉淀剂时的总铬,去除率分别为99.90%和99.92%。

表5　不同沉淀剂的处理效果

5　结语

采用沉淀法去除钙镁离子,活性炭吸附法去除甲苯,还原沉淀法处理含铬(VI)废液；分别通过EDTA滴定法、紫外光谱以及原子吸收光谱对处理效果进行测定：水硬小于450mg/L,符合国家饮用水标准GB5749—2006；甲苯浓度低于0.5mg/L,符合污水综合排放标准GB8978—1996。应用于实验教学环节或设置为开放性实验取得良好的教学效果。

References)

[1] 彭实. 学校化学实验室的废液问题[J].教学仪器与实验,2004(11):38-39.

[2] 彭实,邢晓星,吴良莉. 美国一些高校实验室废弃物管理概况[J]. 实验室研究与探索,2009,28(5):151-152.

[3] 沈晓君,华德尊,李春燕. 高校实验室废水处理及污染防治措施研究[J]. 环境科学与管理,2007,32(10):107-109.

[4] 麦艺炽,张以科 何广坚,等. 高校实验室废液管理的探讨[J]. 实验室研究与探索,2011,30(11):414-416.

[5] 王琴,李春新,韩庆荣.化学实验室废液处理方法的研究[J].甘肃石油和化工,2011(3):7-12.

[6] 杨柳. 化学实验室有机废液的管理与处理[J].实验室科学,2012,15(5):191-193,197.

[7] 卢炯元,王三反. 铁氧体法处理含铬废水的研究[J]. 兰州交通大学学报,2009,28(3):155-158.

[8] 裴东波,卢志强,伉沛崧,等.还原沉淀法处理汗铬废水[J]. 城市环境与城市生态,2006,19(20):25-26.

[9] 谢东丽,叶红齐.钡盐法处理六价铬废水的研究[J].应用化工,2012,41(4):656-663.

[10] 刘欣,魏金芳,毕涣朝.实验室含铬废液处理方法的对比研究[J].唐山师范学院学报,2009,31(5):18-21.

[11] 宋学省.高校分析测试实验室中废液处理方法方法的研究[J].实验室科学,2005(3):44-46.

[12] 王幸艳.原子吸收法和分光光度法检测水中六价铬的比较[J].城市公用事业,2005,19(4):24-27

Processingofwastesinchemicalteachingexperiment

YinWenxuan1,XieGuangyuan1,LiYing3,LiYuxuan1,XuShiwei1,TuJingyuan4,DingYi2

1.CollegeofChemicalEngineering,ChinaUniversityofMiningTechnologyandEngineering,Xuzhou221116,China;2.SchoolofEnvironmentScienceandSpatialInformatics,ChinaUniversityofMiningTechnologyandEngineering,Xuzhou221116,China; 3.EducationalDepartment,ChinaUniversityofMiningTechnologyandEngineering,Xuzhou221116,China; 4.DepartmentofChemicalEngineering,UniversityofSaskatachewan,Saskatoon576151,Canada)

Systematicstudywascarriedoutontheprocessingofwastesinchemicalexperiments.Asimpleandefficientprocessingmethodwasdeterminedbasedonthenationalguidelinesforhazardouswastes.Disposalsegmentaddedasanindispensablepartoftheexperimentteachingcouldenhancepracticalskillsofstudentsandcultivatetheirconsciousnessofenvironmentalprotectionandgreenchemistry.

chemicalexperiments；wastesprocessing；greenchemistry

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.013

2015- 12- 11修改日期：2016- 01- 14

江苏高校优势学科建设工程资助项目；2013年国家级大学生科技创新项目(201310290037)

尹文萱(1964—)，女，江苏徐州，硕士，教授，长期从事化学实验教学及研究工作.

E-mail：ywx6499@cumt.edu.cn

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1002-4956(2016)5- 0040- 04