綠色化學(xué)技術(shù)實驗教學(xué)內(nèi)容改革與實踐*

賀有周，傅　敏，王崇均，王小平，杜若愚

(重慶工商大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，重慶　400067)

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綠色化學(xué)技術(shù)實驗教學(xué)內(nèi)容改革與實踐*

賀有周，傅敏，王崇均，王小平，杜若愚

(重慶工商大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，重慶400067)

綠色化學(xué)技術(shù)實驗是在綠色化學(xué)的思想指導(dǎo)下，用預(yù)防化學(xué)污染的新思想和新技術(shù)對常規(guī)實驗進行改革而形成的化學(xué)實驗新方法。針對綠色化學(xué)技術(shù)實驗教學(xué)中存在的問題，提出綠色化學(xué)技術(shù)實驗教學(xué)改革思路。實驗教學(xué)應(yīng)通過建立具有綠色化學(xué)理念的實驗教學(xué)隊伍，加強實驗教學(xué)硬件條件，更新或增加綠色化學(xué)技術(shù)實驗項目，達到培養(yǎng)具有綠色環(huán)保意識和實踐創(chuàng)新能力的高素質(zhì)復(fù)合應(yīng)用型人才的目標(biāo)。實踐證明，改革取得了較好的效果。

綠色化學(xué)技術(shù)，實驗教學(xué)，教學(xué)改革，綠色環(huán)保

實驗教學(xué)是高等教育體系的重要組成部分，是對學(xué)生進行科學(xué)實驗訓(xùn)練、深化理解課本內(nèi)容、提高學(xué)生動手和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)。實驗教學(xué)是培養(yǎng)具有工程實踐能力和創(chuàng)新能力的實驗技能的基礎(chǔ)，在應(yīng)用型高素質(zhì)專門人才培養(yǎng)過程中顯得尤為重要。然而，當(dāng)今實驗教學(xué)過程中周邊環(huán)境往往被忽視，實驗過程中的物質(zhì)、資源沒被充分利用，實驗過程產(chǎn)生的“三廢”物質(zhì)大部分直接外排。這種缺乏環(huán)境意識的實驗教學(xué)模式對培養(yǎng)具有綠色環(huán)保意識和實踐創(chuàng)新能力的高素質(zhì)復(fù)合應(yīng)用型人才是極其不利的[1]。

綠色化學(xué)技術(shù)實驗是在綠色化學(xué)的思想指導(dǎo)下，用預(yù)防化學(xué)污染的新思想和新技術(shù)對常規(guī)實驗進行改革而形成的化學(xué)實驗新方法。環(huán)境保護和資源利用協(xié)調(diào)發(fā)展離不開綠色化學(xué)技術(shù)。在生態(tài)文明建設(shè)中，環(huán)境保護與資源利用協(xié)調(diào)發(fā)展已成必然。要實現(xiàn)在資源利用過程中盡量減少污染物的產(chǎn)生，在污染物處理過程中盡量獲得可利用的資源和能源，就必須發(fā)展綠色化學(xué)技術(shù)。綠色化學(xué)技術(shù)是包含原料綠色化、溶劑綠色化、催化劑綠色化、劑量綠色化、反應(yīng)綠色化、產(chǎn)物綠色化等在內(nèi)的一系列化學(xué)技術(shù)，是解決環(huán)境污染和資源循環(huán)利用的關(guān)鍵技術(shù)[2]。盡管環(huán)境保護與資源利用協(xié)調(diào)發(fā)展是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及的專業(yè)門類多、技術(shù)范圍廣，但其關(guān)鍵在于創(chuàng)新和發(fā)展環(huán)境保護和資源利用中的各項技術(shù)，尤其是綠色化學(xué)技術(shù)。因此，開展綠色化學(xué)技術(shù)實驗教學(xué)的研究與實踐對于有效促進現(xiàn)代實驗教學(xué)改革和培養(yǎng)具有綠色環(huán)保意識和實踐創(chuàng)新能力的高素質(zhì)復(fù)合應(yīng)用型人才極其重要。

1　綠色化學(xué)技術(shù)實驗存在的問題

結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)狀，我們發(fā)現(xiàn)綠色化學(xué)技術(shù)實驗教學(xué)存在一些問題，這些問題有全國其他高校面臨的共性問題，也有各校自身的一些特點，這些問題主要體現(xiàn)在以下幾方面[3-5]：

(1)實驗教學(xué)人員的綠色化學(xué)思想觀念薄弱

目前，我國部分實驗教學(xué)人員的環(huán)境保護意識還十分薄弱，在實驗過程中用到大量化學(xué)試劑，包括許多有毒試劑和致癌物，甚至認(rèn)為實驗室產(chǎn)生的污染對環(huán)境來說算不了什么。從而出現(xiàn)了許多實驗室把化學(xué)廢物直接倒入下水道、垃圾道，氣體廢物直接排入大氣等的現(xiàn)象。沒有清楚的意識到在化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生有害氣體會直接影響實驗教學(xué)人員和學(xué)生的身體健康，而排出的廢液和廢渣，若不經(jīng)處理而直接排放到下水道或垃圾箱中，將會污染環(huán)境，直接或間接地危害人類健康。

而推行綠色化學(xué)技術(shù)實驗，對授課老師自身素質(zhì)和教學(xué)實驗水平提出了更高的要求。實驗教學(xué)人員必須增強環(huán)境保護意識，樹立綠色化學(xué)的思想觀念，掌握源頭控制與三廢處理的技術(shù)。

(2)實驗教學(xué)硬件條件仍需加強

開展綠色化學(xué)技術(shù)實驗項目必要的儀器設(shè)備(如微量化反應(yīng)實驗裝置、超聲技術(shù)實驗裝置，微波反應(yīng)器等)數(shù)量、臺套數(shù)不多，導(dǎo)致部分實驗無法正常開展；仿真實驗軟件的數(shù)量不夠或者質(zhì)量低下，導(dǎo)致計算機多媒體輔助教學(xué)模擬化學(xué)實驗的效果不夠理想。

(3)綠色化學(xué)技術(shù)實驗項目不足

由傳統(tǒng)的化學(xué)技術(shù)實驗室向綠色化學(xué)技術(shù)實驗室轉(zhuǎn)型過程中，由于實驗教材更新速度較慢和實驗教學(xué)人員重視程度不夠，導(dǎo)致綠色化學(xué)技術(shù)實驗項目不足，極大的影響了綠色化學(xué)技術(shù)實驗的開展。并且還存在著傳統(tǒng)化學(xué)實驗室不可避免的消耗許多藥品和大量的水資源，特別是對一些使用昂貴試劑的實驗；易發(fā)生爆炸的實驗；必須采用有毒，有害試劑，并在整個實驗中排放較多有毒氣體、有毒廢水，給師生身體健康帶來極大危害且對環(huán)境造成污染的實驗；這些極不符合可持續(xù)發(fā)展的綠色環(huán)保理念。

(4)實驗后的“三廢”進行無害化處理不到位

化學(xué)試劑庫房及實驗室通風(fēng)系統(tǒng)不良好，沒有配置尾氣凈化設(shè)備，廢氣向周圍環(huán)境中隨意排放；廢水收集及廢渣廢物處理沒有專門的設(shè)施，再加上請專門的公司進行處理其費用昂貴，存在偷排的情況。

(5)學(xué)生重視程度不夠

由于大多數(shù)高校沒有開設(shè)綠色化學(xué)理論課程，導(dǎo)致學(xué)生對綠色化學(xué)思想不是很了解，對綠色化學(xué)知識的沒有充分掌握，在實驗過程中不能很好應(yīng)用綠色化學(xué)的理念去思考和解決問題。

2　綠色化學(xué)技術(shù)實驗的探索與實踐

(1)建立具有綠色化學(xué)理念的實驗教學(xué)隊伍，濃厚綠色化學(xué)技術(shù)實驗教學(xué)改革氛圍

對實驗教學(xué)人員進行綠色化學(xué)相關(guān)理論知識培訓(xùn)，要求熟悉綠色化學(xué)的基本原理和技術(shù)，增強環(huán)境保護意識，樹立綠色化學(xué)的思想觀念，熟練掌握化學(xué)實驗產(chǎn)生“三廢”的處理方法，將綠色化學(xué)理念融入到實驗教學(xué)和實驗室日常管理工作中，以高度的責(zé)任心，科學(xué)、規(guī)范地指導(dǎo)好實驗和做好實驗室管理工作，共同營造和濃厚綠色化學(xué)技術(shù)實驗教學(xué)改革氛圍。同時，將實驗教學(xué)人員的激勵機制與考核方式與“綠色”相掛鉤，從而力求實現(xiàn)實驗室化學(xué)反應(yīng)全過程的清潔控制。

(2)配套相關(guān)儀器設(shè)備及教學(xué)軟件，滿足綠色化學(xué)技術(shù)實驗教學(xué)需要

為滿足綠色化學(xué)技術(shù)實驗項目開設(shè)的需要，優(yōu)先保證儀器設(shè)備經(jīng)費，用以購置綠色化學(xué)技術(shù)實驗項目必要的儀器設(shè)備，如微量化反應(yīng)實驗裝置、超聲技術(shù)實驗裝置，微波反應(yīng)器等，確保綠色化學(xué)技術(shù)實驗項目能夠順利開設(shè)。購置相關(guān)仿真實驗軟件，建立了虛擬仿真實驗室，讓學(xué)生在計算機屏幕上所做實驗達到身臨其境的感受，最大程度地減污節(jié)能，達到了化學(xué)實驗綠色化。

(3)依據(jù)綠色化學(xué)技術(shù)實驗項目的設(shè)計思想，更新或增加綠色化學(xué)技術(shù)實驗項目

根據(jù)綠色化學(xué)的原則，綠色化學(xué)技術(shù)實驗項目的設(shè)計思想主要體現(xiàn)在：(1)原料綠色化：選擇無毒或毒性較小的試劑及利用可再生資源如生物質(zhì)作試劑；(2)溶劑綠色化：盡量選擇水作溶劑，避免有毒有害和揮發(fā)性有機溶劑的使用，特別是鹵代烴類溶劑的使用；(3)劑量綠色化：化學(xué)反應(yīng)所需試劑、溶劑、催化劑的用量在保證實驗效果的前提下，要達到實驗劑量最小化；(4)催化劑綠色化：采用無毒無害無腐蝕性的物質(zhì)作催化劑；(5)化學(xué)反應(yīng)綠色化：選擇不產(chǎn)生“三廢”的原子經(jīng)濟反應(yīng)；(6)產(chǎn)物綠色化：反應(yīng)的生成物(產(chǎn)物和副產(chǎn)物)無毒無害，是環(huán)境友好產(chǎn)品(圖1)。

圖1　綠色化學(xué)技術(shù)實驗項目的設(shè)計思想

依據(jù)綠色化學(xué)技術(shù)實驗項目的設(shè)計思想，從綠色環(huán)保角度改造傳統(tǒng)的實驗教學(xué)內(nèi)容，充分考慮試劑和產(chǎn)物的毒性以及整個實驗過程所產(chǎn)生的“三廢”對環(huán)境的污染情況，剔除毒性大的實驗項目，與此同時，通過尋找替代性試劑、溶劑、催化劑，推廣微量、半微量或減量化實驗，采用微波、超聲波降解、高級氧化、酶反應(yīng)、催化等新技術(shù)，實施虛擬仿真實驗，更新或新設(shè)置了一系列典型綠色化化學(xué)技術(shù)實驗項目，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的綠色環(huán)保意識，而且讓學(xué)生了解并掌握了化學(xué)實驗技術(shù)發(fā)展趨勢和前沿技術(shù)在環(huán)境保護與資源利用中的應(yīng)用。

更新或新設(shè)置了一系列典型綠色化化學(xué)技術(shù)實驗項目，比如：減少“正溴丁烷的合成”、“乙酸乙酯的合成”、“肉桂酸的合成”等實驗中反應(yīng)原料的用量，在保證實驗效果的前提下，達到實驗劑量最小化；更新或新設(shè)置“茶葉中咖啡因的提取”、“大黃中蒽醌類成分的提取、分離與鑒定”、“薯蕷皂苷元的提取、分離和鑒定”等原料綠色化的實驗項目；更新或新設(shè)置“鄰苯二甲酸酯的微生物降解”、“光催化降解水體中有機污染物亞甲基藍”、“無雙氧水無輻照泡鳳爪工藝與質(zhì)量控制實驗”等反應(yīng)綠色化的實驗項目；更新或新設(shè)置“乙酰水楊酸(阿斯匹林)的合成”、“環(huán)己烯的綠色催化合成”、“淀粉糖漿的酶法制備及其葡萄糖值的測定”等催化劑綠色化的實驗項目；更新或新設(shè)置“餐飲廢油再生利用實驗”、“應(yīng)用分子蒸餾技術(shù)處理廢油”、“實驗室廢氣活性炭纖維凈化及分析”等產(chǎn)物綠色化的實驗項目。

將傳統(tǒng)的化學(xué)技術(shù)實驗項目改造為綠色化學(xué)技術(shù)實驗項目，以“阿司匹林合成實驗”為例，其經(jīng)典合成方法是使用乙酸酐在硫酸催化下對水楊酸酰化，其副反應(yīng)使產(chǎn)品色澤深且不利于提純，廢酸液更會對環(huán)境帶來嚴(yán)重污染。離子液體因綠色化學(xué)的興起而成名，其作為催化劑不僅表現(xiàn)出環(huán)保方面的優(yōu)勢，而且可以增強催化效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量。如將氨基酸離子液體代替硫酸應(yīng)用于催化合成阿司匹林，取得了較好的效果；采用無水碳酸鈉作催化劑，以微波合成法合成乙酰水楊酸的反應(yīng)速率比用濃硫酸作催化劑的加熱合成法的反應(yīng)速率快數(shù)十倍，產(chǎn)率和純度均較高，環(huán)境污染小，避免濃硫酸造成的設(shè)備腐蝕和操作的不安全因素，適合21世紀(jì)綠色合成，經(jīng)濟環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的要求。我們將離子液體和微波合成法用于阿司匹林的合成，并與經(jīng)典制備方法比較，讓學(xué)生形象具體地認(rèn)識綠色化學(xué)理念。

(4)以綠色化學(xué)理論為指導(dǎo)，全力打造綠色化學(xué)實驗室環(huán)境

改造化學(xué)試劑庫房及實驗室通風(fēng)系統(tǒng)，配置尾氣活性炭凈化設(shè)備，進一步完善廢水收集及廢渣廢物處理設(shè)施，盡量減少實驗室污染物的排放和堆積，科學(xué)處理廢棄物和污染物，增強廣大師生環(huán)境保護意識，努力打造一批環(huán)境友好型實驗室。

(5)培養(yǎng)學(xué)生綠色環(huán)保意識，樹立綠色化學(xué)的思想觀念

在實驗教學(xué)中，教師適時灌輸綠色化學(xué)思想，讓學(xué)生充分理解和接納綠色化學(xué)知識；教導(dǎo)學(xué)生依據(jù)“5R”原則來考慮和解決化學(xué)實驗中出現(xiàn)的污染問題，做到實驗藥品的減量化、循環(huán)或回收再利用，選擇污染少、裝置簡單、產(chǎn)物易分離、安全性高的實驗方法，在無法避免使用或產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)時，必須采取有效的保護和消害處理措施；引導(dǎo)學(xué)生觀察和認(rèn)識生活、生產(chǎn)中的綠色化學(xué)現(xiàn)象，鞏固和加深綠色化學(xué)知識，樹立綠色化學(xué)的思想觀念。

3　實踐效果與展望

通過近3年的改革與實踐，目前已經(jīng)形成了較為固定的綠色化學(xué)技術(shù)實驗教學(xué)內(nèi)容，進一步完善了綠色化學(xué)技術(shù)實驗教學(xué)條件，提高了實驗教師的綠色化學(xué)技術(shù)實驗的教學(xué)水平，培養(yǎng)了學(xué)生綠色環(huán)保意識、樹立了綠色化學(xué)的思想觀念。在今后的工作中，我們將在實踐中不斷完善教學(xué)內(nèi)容，增強學(xué)生應(yīng)用綠色化學(xué)的基本原理和技術(shù)解決實際問題的能力，從而實現(xiàn)培養(yǎng)具有綠色環(huán)保意識和實踐創(chuàng)新能力的高素質(zhì)復(fù)合應(yīng)用型人才的目標(biāo)。

[1]楊延梅. 提倡綠色化學(xué)實驗，推動實驗教學(xué)改革[J]. 高校實驗室工作研究，2011(2):3-4.

[2]楊天林,楊文遠,倪剛. 改革實驗教學(xué)，走綠色化學(xué)之路—以無機化學(xué)實驗教學(xué)為例[J].實驗技術(shù)與管理，2012(4):17-20.

[3]殷馨,王海文. 探索綠色化學(xué)之路改革化學(xué)實驗教學(xué)[J]. 化工高等教育，2014(1):64-66.

[4]周成勇. 樹立綠色化學(xué)觀念改革化學(xué)實驗教學(xué)[J]. 長治學(xué)院學(xué)報，2008(5):76-79.

[5]劉根起,韓玲,張誠,等. 非化學(xué)化工專業(yè)開展綠色化學(xué)教育的改革實踐[J]. 化工高等教育，2004(3):24-26.

Reform and Practice on Green Chemistry Technology Experiment Teaching*

HE You-zhou, FU Min, WANG Chong-jun, WANG Xiao-ping, DU Ruo-yu

(College of Environment and Resources, Chongqing Technology and Business University, Chongqing 400067, China)

Green Chemistry Technology Experiment was to prevent pollution at the very beginning. With respect to the issue occurring in Green Chemistry Technology Experiment, a reforming speculation was proposed. Experimental teaching through the establishment of experimental teaching team with the concept of green chemistry, strengthening experimental teaching hardware conditions, updated or added to green chemistry technology pilot project, was to cultivate green environmental protection awareness and innovative ability of high-quality compound applied talents target. Practice proved that reform had achieved good results.

Green Chemistry Technology; experimental teaching; teaching reform; green environmental protection

重慶工商大學(xué)教育教學(xué)改革重點項目(130106)；重慶工商大學(xué)教育教學(xué)改革一般項目(2016年)。

賀有周(1984-)，講師，主要從事化學(xué)、材料科學(xué)與工程及環(huán)境科學(xué)方面教學(xué)與科研工作。

G642.0

B

1001-9677(2016)014-0205-03