分析化学实验的绿色化及废液处理

邓文芳，方正法，陈超，谭亮

1湖南师范大学化学化工学院，长沙 410081

2湖南师范大学化学化工国家级实验教学示范中心，长沙 410081

分析化学实验是高等学校化学、化工等专业的基础实验课程之一，分析化学实验在于培养学生的基本实验操作技能，及培养学生良好的实验习惯和严谨求是的科学态度。分析实验的特点是实验过程中使用试剂种类多、用量大，导致实验过程中产生的废液较多。本文以湖南师范大学化学化工学院分析化学实验室为研究对象，结合本校的实际教学情况，对分析化学实验绿色化建设进行了探究。湖南师范大学化学化工国家示范实验中心于1999年顺利通过了湖南省基础课教学实验室评估，2013年被评为国家示范实验教学中心。2020年分析化学实验获省级一流线下课程。化学化工学院分析化学实验共开设13个实验，分别包括了酸碱滴定、络合滴定、氧化还原滴定、重量滴定四大类。其中可能对环境造成污染的有酸碱、重金属等主要的污染类型，分析实验中产生的废液多数为无机性废液，废液中主要含有重金属，如直接排放会对水质及自然环境造成严重污染。随着环境污染的不断加剧，国家和学校对环境污染的处理和治理越来越重视，学生随意将实验过程中产生的废液和实验完成后剩余的试剂直接倒入下水道中的情况越来越少。化学化工学院分析化学实验在教学过程中贯彻绿色化学原则，我们尝试了从实验项目及废液的处理两个方面进行了教学改革[1]。

1 分析化学实验绿色化改革

1.1 实验项目优化

在制定实验教学计划时，通过对现有实验内容的改革及实验顺序优化，尽量选择化学废液排放量少、毒性小、污染少的实验，减少对环境的污染及危害，实现分析化学实验的绿色化。

如我们分析实验中原“铵盐中含氮量的测定”，此实验是以甲醛法测定氮含量的方法，甲醛对人体有害，易挥发。我们选择用“食品添加剂柠檬酸含量的测量”实验代替，同样让学生掌握了多元酸的测定原理及方法，达到了同样的教学目的。

1.2 采用微型实验

微型实验，既可节约资源，减少污染，又可缩短实验时间，仍能得到符合常规分析的准确度和精密度要求[2,3]。如在“碘量法测定维生素C药片中维生素C含量”实验中，由于单质碘升华，有毒性和腐蚀性，为了减少I2的使用，我们将硫代硫酸钠的用量由原来的0.1 mol·L-1缩为0.01 mol·L-1，这样I2的用量由原来的0.05 mol·L-1缩为0.005 mol·L-1。在Na2S2O3标准溶液的配制及标定时，为了减少有毒物质重铬酸钾的使用，我们由实验教师提前一周统一配制好0.1 mol·L-1的Na2S2O3标准溶液，并于实验周对其进行标定。学生只需要对0.1 mol·L-1的Na2S2O3标准溶液进行稀释10倍。

在I2标准溶液的配制时，本着微型实验及最大化利用原则，我们让两个学生一组，称取KI和I2后转入试剂瓶，加水稀释至600 mL，各取300 mL。学生移取已稀释的Na2S2O3标准溶液，放入锥形瓶中，加入淀粉溶液指示剂，加水摇匀。用I2标准溶液滴定至稳定的蓝色，平行标定3次。实验结果如下：图1为教师制定的评分标准，图2为学生测量的数据结果及成绩，经过我们分析实验教研室的摸索，及学生成绩的反馈，自改为微型实验后，I2的用量由原来的0.05 mol·L-1缩为0.005 mol·L-1，仍能得到符合常规分析的准确度和精密度要求。

图1 Vc含量的测定评分标准

图2 Vc含量的测定学生成绩单

在“氯化物中氯含量的测定”实验中，由于AgNO3价格比较贵，并且硝酸银也会对环境造成污染，我们将原来的0.1 mol·L-1AgNO3缩为0.05 mol·L-1，既节约了成本，又减轻了废液处理和排放的压力。

1.3 开设一些新的无毒、绿色环保的实验代替不环保的传统实验

我实验中心分析教研室自主设计了一个“无汞法测定铁矿石中测定铁含量”的实验。一般测铁矿石中铁的含量，测定铁的经典方法需要用HgCl2，但HgCl2有毒，为避免汞盐对环境的污染，我们用I2-冰乙酸溶液代替氯化汞溶液。褐铁矿的主要成分是Fe2O3·xH2O。浓盐酸溶解后生成Fe3+和Fe2+离子，用还原剂将所有Fe3+预先还原成Fe2+，一般常用SnCl2还原Fe3+，用HgCl2氧化除去多余的SnCl2，然后在酸性介质中用K2Cr2O7溶液滴定生成的Fe2+离子，该方法操作简便，结果准确，是测定铁的经典方法。但HgCl2有毒，为避免汞盐对环境的污染，我们实验用I2-冰乙酸溶液替代氯化汞溶液，并用AgCl掩蔽生成的I-，而此时用的AgCl又是我们在“氯化物中氯含量的测定”实验中回收得到的AgCl，既避免了HgCl2的污染，又对AgCl进行了资源再利用。我们先用SnCl2将Fe3+离子还原至黄色消失，然后用I2氧化过量的SnCl2至出现稳定的浅黄色，再加入AgCl掩蔽生成的I-，以二苯胺磺酸钠为指示剂，用K2Cr2O7标准溶液再去滴定亚铁离子。

1.4 虚拟仿真实验

化学化工示范实验中心2019年获评省级虚拟仿真实验教学中心，通过开发虚拟仿真实验，对传统的验证性实验进行改进，利用3D化学实验仿真实验室，将虚拟实验教学应用到实际教学中。我中心通过虚拟仿真实验开设了分析实验“钢铁中镍含量的测定”，采用丁二酮肟有机试剂沉淀重量法测定钢铁中镍的含量。通过虚拟仿真实验的操作，学生了解丁二酮肟镍重量法测定的原理与方法，同时也了解了玻璃坩埚过滤等的基本操作，后面，我们也会继续摸索将更多的对环境污染严重的分析化学实验通过虚拟仿真实验来开设。

2 分析化学实验废液的处理方法和措施

在分析废液的回收和处理中，我们坚持循环利用，资源再利用的原则进行摸索。

2.1 培养学生爱护环境的意识

每次实验，大部分学生的试剂可能会有剩余，我们会回收给后面不同专业的学生使用，比如“氯化物中氯含量的测定”实验中，学生配的没用完的0.05 mol·L-1的AgNO3，我们会统一回收，然后再给其他专业的学生直接使用。在“过氧化氢含量的测定”实验中，学生取的0.02 mol·L-1的高锰酸钾溶液会有剩余，我们会集中回收，然后进行过滤后再给其他专业学生使用。这样既节省试剂，又减少污染物的排放。每次实验结束后，严格要求学生按成分的不同分类回收废液，让学生养成不随意排废液的意识。

2.2 “变废为宝”资源再利用

对某些实验产生的废液进行处理后，再加以利用。比如，我们在“氯化物中氯含量的测定”实验中，沉淀中会有AgCl和Ag2CrO4，我们对沉淀进行处理，首先加稀盐酸将Ag2CrO4转化为AgCl，反复清洗抽滤，回收AgCl。而回收的AgCl，与NaCl按1 : 4的质量比混合，研磨均匀后，用于分析实验自开设的“测定矿石中铁的含量(无汞定铁法)”实验中，用于氧化还原测定铁的预处理剂。

2.3 强化实验室管理，实验准备科学化

在准备实验过程中，化学试剂的配制要科学化、定量化，比如有个别实验可先配制高浓度的储备液，在学生实验操作时可稀释成标准使用液，避免实验过程中溶液过剩而造成的浪费。

实践证明，以上这些措施有力地促进了我实验中心的分析化学实验室绿色化建设，减少了药品、试剂用量，节约了实验教学成本，减少了对环境的污染，增强了学生的绿色环保意识，有利于学生创新能力的培养，有利于学生实验技能及综合素质的提高，为师生创造了一个良好的实验环境，对环境保护具有重要的现实意义。