基于5R原则的高校有机化学实验“绿色”化改革

南米娜，强 垚

（1.甘肃农业大学基础实验教学中心，兰州 730070；2.长春理工大学化学与环境工程学院，长春 130012)

随着高校实践教学活动的增加，实验室排放的“三废”对环境的污染问题越来越引起社会的关注[1]。2018年教育部、国家环境保护总局针对加强高等学校实验室排污管理，严格要求各地高校规范实验室排污，减少实验室废物排放，降低环境危害，保障公共安全。绿色化学的概念源自于上世纪90年代的美国环保局，其核心内容为“5R”原则，包括减量（Reduce）、重复使用（Reuse）、回收（Recycling）、再生（Regeneration）和拒用（Rejection）[2]，旨在采用科学的方法，在减少或消除环境污染的同时维持经济与环境的可持续发展。

化学的基石是实践，化学实验作为理论课程的重要延伸和补充，是环境、农学、林学、动物医学、生命科学等综合性大学相关专业的基础必修课，对培养学生的实验操作技能具有重要作用[3]。无机、有机和分析化学实验是这些专业主要的化学实验课程，这三门实验课程都会产生大量的废气、废液及固体废弃物。其中，无机化学实验主要以性质实验和验证性实验为主，实验项目所需试剂用量远小于其他化学实验，从而降低了该课程“三废”的产生量。分析化学实验主要废弃物为废液，但实验过程中通过酸碱中和，氧化还原滴定等操作，废液的危害程度大大降低。然而，有机化学实验由于其特殊的实验性质和要求，实验项目涉及大量挥发性、易燃、易爆及易制毒试剂的使用，实验过程中产生的废气、废液及固体废弃物的量与危害程度明显高于无机和分析化学实验[4]。如何既能保证教学质量和实验效果，又能降低环境污染是有机化学实验课程面临的主要问题。因此，作者根据绿色化学的“5R”原则和有机化学实验的课程实际，对每个实验项目进行改革，将绿色化学理念落实到实践教学的全过程。

1 有机化学实验的现状

综合性大学专业涵盖面广，除化学专业外，有机化学同样是农业、医学、生物等专业的必修课程。有机化学实验可以有效培养学生的动手能力，训练学生的基本操作，建立初步的实验理念。综合性大学有机化学实验具有学生基数大、专业多、覆盖面广等特点，实验中所用的试剂和产生的废弃物数量较大，存在一定的环境污染风险。甘肃农业大学是一所以农科类专业为主的综合性大学，每年农学、植物保护、动物医学、食品科学、公共卫生、生态、草业、园艺等18个专业1800多名学生需要上有机化学实验课，实验中所用的仪器、试剂和产生的“三废”的量远远超过预期。其中仅“菠菜色素的提取与分离”实验，每学期石油醚消耗量近70 L，无水乙醇80 L，丙酮10L，正丁醇10L；“乙酰苯胺的制备”实验最终可收集到学生制备的粗乙酰苯胺约5 kg。甘肃农业大学农科专业《基础化学实验》有机化学实验部分共开设实验项目7个，教学时长为14周，如果按照10年计，累计使用的试剂和产生的“三废”量是非常惊人的。此外，个别学生为了提高产率，擅自增加反应物用量；部分学生因实验操作失误，多次重复实验，以上情况无形中进一步加大了实验试剂的消耗，增大了有机化学实验废弃物的产生量。因此，在保证实验教学效果的同时，对实验项目进行改革势在必行。

2 有机化学实验“绿色”改革措施

2.1 基于回收、重复使用、再生原则的“绿色”改革

基于“5R”理论的回收（Recycling）、再生（Regeneration）与重复使用（Reuse）原则，作者在设计实验项目时，尽可能使各实验项目所用的原料和产物相互交叉，以便重复利用，即上一个实验项目的产物可作为下一个实验项目的原料。改革的实验项目包括“水蒸气蒸馏、蒸馏”“乙酰苯胺的制备”“重结晶”系列实验，如图1所示。无色的苯胺易被氧化变黄，长时间氧化甚至会变为深棕色。“乙酰苯胺的制备”实验所用反应物为苯胺和冰醋酸，其中所用的苯胺需提前进行提纯。因此，作者将水蒸气蒸馏的原料设计为粗苯胺，让学生先通过水蒸气蒸馏、蒸馏实验提纯苯胺，然后将提纯后的苯胺用于“乙酰苯胺的制备”实验，“乙酰苯胺的制备”实验的产物粗乙酰苯胺又可作“重结晶”实验的原料。原来的“重结晶”实验需要提纯的化合物为含有杂质的苯甲酸，改革后我们将学生制备的粗乙酰苯胺作为重结晶实验的原料，学生重结晶后的乙酰苯胺经回收、人为加入杂质后可再次用于下一次的重结晶实验。由此，以上系列实验达到了产物回收、重复利用和再生的效果，同时减少了反应原材料的经费投入和实验室废弃物的产生量，降低了“三废”处理的成本和环境污染的风险。

图1 回收、重复使用、再生模式实验项目

2.2 利用减量原则的“绿色”改革

按照减量（Reduce）原则，作者将“乙酸乙酯的制备”“菠菜色素的提取与分离”“阿司匹林的制备”三个实验的试剂量减量。通过实验发现，减量后的实验产率较高，仍能达到良好的实验效果（见表1）。减量后乙酸乙酯与阿司匹林的理论产量分别为9.24 g与2.61g，学生的实际产量约为理论产量的50%，即4.62 g与1.31 g，实验效果仍很明显。“菠菜色素的提取与分离”实验在对提取溶剂减量后，所得浓缩菠菜汁由10mL减少为5mL，每组学生在色素分离阶段需要浓缩菠菜汁仅1mL左右，提取量仍可以充分满足实验需要。由于每个实验项目约900组学生参加，三个实验项目可节约无水乙醇72 L、冰乙酸5.4 L、浓硫酸2.7 L、石油醚27 L、水杨酸3.6 kg、乙酸酐2.7 L、浓盐酸4.5 L、饱和碳酸氢钠17 L。

表1 实验项目减量前后对比

因此，实验改革后每年试剂的用量大大减少，实验经费显著降低，危险化学品如浓硫酸、浓盐酸、易制毒化学品如乙酸酐的使用量也大大降低，有效保证了实验室安全；同时实验室废弃物量减小，“三废”处理压力降低。此外，通过减量实验可以培养学生的环保意识，将“绿色”化学理念根植于学生心灵之中。

2.3 基于拒用原则的“绿色”改革

作者在有机化学实验中，拒用（Rejection）原则主要体现在拒用部分危险化学品，改革的实验项目为“茶叶中咖啡因的提取”。原实验方案先用水溶解茶叶中的咖啡因，再用氯仿萃取，最后蒸去溶剂、升华可获得咖啡因晶体。该实验所用的氯仿为危险化学品，需在公安局备案，使用量较大，每年约需35L，同时在升华过程中，氯仿蒸发后通过通风系统直接排入大气，会造成大气污染，人体吸入氯仿可引起腹胀、恶心、呕吐、乏力等中毒症状，损伤中枢神经、肝脏甚至心脏[5]。改革后实验采用无水乙醇提取茶叶中的咖啡因，省去了氯仿萃取步骤，直接用乙醇提取液进行升华实验，同样可以获得咖啡因晶体，而乙醇的毒性远远小于氯仿。就实验效果而言，水法由于需要萃取操作，使得部分咖啡因在萃取中损失，导致升华实验学生成功率不足50%；而采用乙醇提取法，由于减少了氯仿萃取步骤造成的产物损失，乙醇提取液中咖啡因的含量较高，通过升华实验几乎每组学生都观察到了咖啡因的白色针状晶体。因此，改革后的实验方案不仅保证了实验的成功率，而且有效避免了危险化学品的大量使用，提高了实验的安全性，减少了有毒废气的排放，对环境友好。

2.4 实验热源的“绿色”改革

大多数有机化学实验都涉及加热操作，改革前我们使用的热源为酒精灯，每年仅灯用酒精用量就达400L左右，显然不利于实验的“绿色”化改革，同时在使用挥发性溶剂时，用明火加热存在重大安全隐患，因此，使用绿色化能源迫在眉睫。电能作为一种洁净、安全的能源，可有效替代酒精灯成为新的热源。因此，作者将有机化学实验室的酒精灯替换为电热套。但是，部分实验需要水浴加热或加热进行升华实验，而电热套的球形凹面无法直接加热烧杯，也不便进行升华操作。为了减少实验设备投入，做到物尽其用，我们在石棉网中间剪出空隙后覆盖在电热套凹面上方，做成可加热烧杯和进行升华实验的装置（见图2），从而彻底弃用酒精灯，完成了实验热源的“绿色”改革。

图2 电热套加热装置

3 通过“绿色”改革提高学生环保意识

本科阶段是学生人生观与价值观形成的关键时期，这一阶段所获得的信息和知识将对他们未来的工作、学习、生活产生重要影响[6]。将绿色化学理念贯穿于整个有机化学实验教学过程，对学生绿色化学理念和环境保护意识的形成具有重要的作用。对于理、医、农等专业的学生而言，在专业学习中同样涉及大量的环境污染问题。大一在有机化学实验中建立起的环保理念，将对其后续的学习和生活起到潜移默化的作用，改变了学生垃圾分类、危险药品保存和使用的习惯，提高了废弃物处理的能力。如，动物医学专业的学生在后续专业实验中会自觉进行针头等垃圾的分类，减少有毒有害药品的排放；动物实验在不影响实验效果的情况下，用体型较小的动物代替体型较大的动物，减少了动物尸体的处理量，养成了良好的实验习惯。学生环保理念的提高大大减轻了学校的环保压力，提高了环保效率。培养的“绿色”人才进入社会后，可以推动整个社会环保意识的提高，使经济和环境得到可持续发展，人与自然和谐共处。

4 结语

经过几年的有机化学实验改革实践，作者发现用“5R”原则指导实验“绿色”化改革成效显著。通过实验产物的回收和重复使用，固体产物得以循环利用，固废量大大降低；通过化学试剂的减量，实验试剂使用量大幅减少，实验成本降低，废液量也随之下降；通过危险化学品的拒用，从源头上杜绝了有毒废气的排放。基于以上“绿色”改革方案，最终达到了减少“三废”排放量，降低试剂投入量，严格执行教育部高校实验室有关节能环保规定，培养学生社会责任感和环保意识的目的。