化學實驗教學中廢棄物處理

尹文萱， 謝廣元， 李　穎， 李宇璇， 徐世偉， 涂敬媛， 丁　毅

(1. 中國礦業大學 化工學院， 江蘇 徐州　221116； 2. 中國礦業大學 環測學院，江蘇 徐州　221116；3. 中國礦業大學 實驗教務部， 江蘇 徐州　221116；4. Department of Chemical Engineering， University of Saskatachewan，Saskatoon 57615a1 Canada)

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化學實驗教學中廢棄物處理

尹文萱1， 謝廣元1， 李穎3， 李宇璇1， 徐世偉1， 涂敬媛4， 丁毅2

(1. 中國礦業大學 化工學院， 江蘇 徐州221116； 2. 中國礦業大學 環測學院，江蘇 徐州221116；3. 中國礦業大學 實驗教務部， 江蘇 徐州221116；4.DepartmentofChemicalEngineering，UniversityofSaskatachewan，Saskatoon57615a1Canada)

針對化學實驗產生的各種廢棄物的處理展開系統研究,以國家標準監測處理效果確定簡潔高效的處理方法。將廢棄物的處理環節融于實驗教學中,作為實驗教學內容由學生當堂或利用開放實驗進行有效處理，增強學生的環保意識,切實培養學生的實驗能力和綠色化學意識。記述了廢棄物的處理路線，闡述了含鈣鎂離子廢液、含甲笨廢液、含鉻廢液等的處理方法。

化學實驗； 廢棄物處理； 綠色化學

實驗室產生的廢液通常成分復雜,毒性較大,如果未經處理就和普通的生活污水混到一起排入到下水管網,極有可能會損害生活廢水處理廠的處理能力[1]。2005年7月,教育部、國家環境保護總局聯合下發了《關于加強高等學校實驗室排污管理的通知》,美國等國家也出臺了相關的文件,以加強實驗室廢棄物的管理[2]。高校化學實驗室通常采取分類收集、集中送往相關處理廠處理的方式[3-4]。這種方式的分類收集、貯存麻煩,而且還要花費廢液處理費,學生的環境保護意識也得不到有效培養,無法切實體會綠色實驗意義。

王琴等[5]通過實驗研究對于化學實驗廢棄物的處理取得了一些成果,并在《化學實驗室廢液處理方法的研究》中介紹了實驗室廢液的來源、種類及危害,對不同性質的實驗室廢液的處理方法進行了綜合概述。楊柳[6]總結了化學實驗室有機廢液的管理辦法,具體說明了有機廢液的焚燒處理措施,列舉了幾種常見實驗室有機溶劑的回收方法。 盧炯元等[7]在鐵氧體法處理含鉻廢水的研究中提出用鐵氧體法處理含鉻等重金屬離子廢液。裴東波等[8]在還原沉淀法處理含鉻廢水時提出還原沉淀法處理含鉻廢水。謝東麗等[9]在鋇鹽法處理六價鉻廢水的研究中提出鋇鹽法處理鉻廢水用鋇鹽法處理含鉻廢水。劉欣等[10]對含銅廢水的處理技術進行了研究。宋學省等[11-12]對高校分析測試實驗室的廢棄物的處理進行了研究。但以上研究成果沒有融入學生實驗課程中、讓學生完成。

針對化學實驗室廢棄物污染問題,很多高校通過改革實驗項目，選用無毒或毒性小的實驗藥品或者將實驗微型化減少環境污染,但污染依舊無法避免。本文針對化學實驗產生的各種廢棄物的處理方法進行系統研究,以國家標準監測處理效果,優化處理方法和工藝,確定簡便、高效，并能融入實驗教學的處理方法,并將此環節作為實驗教學內容由學生及時在相應實驗項目中或在開放實驗中完成，讓學生親身參與并切實體會廢棄物的危害,踐行綠色化學的同時讓學生實踐能力、創新能力都得到提高。

1　廢棄物處理路線

化學實驗廢棄物采用圖1路線進行處理及回收。

圖1　廢棄物處理路線框圖

2　廢液中鈣鎂離子的處理

向50mL去離子水中加入適量的MgCl2·6H2O

和CaCl2,配制成鈣離子濃度和鎂離子濃度均近似為0.100、0.050、0.038、0.025mol/L的混合廢液。各濃度平行設置10組,用EDTA(乙二胺四乙酸)滴定處理前廢液的總硬和鈣硬；10組溶液中梯度加入NaOH溶液進行沉淀處理,待沉淀老化后抽濾,再用EDTA滴定處理后廢液的總硬和鈣硬,濾渣干燥后收集。

在每個濃度下,根據物料守恒計算出理論上將鈣、鎂離子完全沉淀時所需的6mol/L的NaOH溶液的用量分別為7.5、3.5、2.1、1.50mL。實驗時每一濃度設置的平行實驗中鈣、鎂離子的濃度相近,但不完全相等,因此實驗結果反映出了廢液濃度近似時的變化規律,具有一般性。

對于不同濃度的廢液,完全除去其中的鈣離子和鎂離子所需的NaOH溶液的量是不同的。隨著廢液中鈣、鎂離子濃度的增加,NaOH的消耗量也逐步增加。表1列出了各濃度下廢液處理前后的總硬和鈣硬。沉淀法處理效果明顯,且近似呈線性關系。

3　含甲苯廢液的處理

根據污水綜合排放標準GB8978—1996,化學實驗室的廢水中甲苯的最大允許排放濃度為0.5mg/L。實驗使用紫外光譜儀、水作溶劑時,得到甲苯的紫外光譜見圖2。甲苯的最大吸收波長λmax為261nm,吸光系數εmax為225L/(mol·cm-1)。

圖3為處理前的樣品的紫外光譜，在218nm和273nm處各有一個吸收峰，處理前樣品的吸光度為0.590 0，甲苯濃度為242mg/L。向廢液中梯度加入活性炭，用量范圍0.1～1.0g,梯度為0.1g。廢液中甲苯濃度與活性炭用量關系見表2和圖4。

表1　廢液處理前后的總硬和鈣硬比較

表2　含甲苯廢液中甲苯濃度與活性炭用量

圖2　甲苯的紫外光譜圖

圖3　含甲苯廢液的紫外光譜圖

由圖4可知，隨活性炭加入量的增加處理效果越好,且活性炭用量高于0.098g/mL時,廢液中甲苯濃度達到國家污水排放標準。

圖4　含甲苯廢液處理效果與活性炭用量

4　含鉻廢液處理

對化學實驗室產生的含鉻廢液采用還原-沉淀法處理,用FeSO4、NaHSO3為還原劑,以Ca(OH)2、NaOH為沉淀劑,處理前后的總鉻濃度用原子吸收分光光度法檢測。結果表明,以NaHSO3為還原劑、Ca(OH)2為沉淀劑對含鉻廢液進行處理,處理結果符合污水綜合排放標準GB8978—1996的要求,總鉻濃度低于1.5mg/L,處理方案簡潔高效,適于學生在實驗后期完成處理。

4.1處理流程

處理流程框圖見圖5。

圖5　處理流程框圖

4.2pH對處理效果的影響

鉻最終以Cr(OH)3沉淀形式從廢液中分離。由于Cr(OH)3具有兩性,pH會對處理效果產生影響。以NaHSO3為還原劑,還原后用NaOH調節pH分別為8、9、10時實驗結果見表3(不同序號樣品的鉻濃度不同)。由表3可知，pH值為9時處理效果最佳。

表3　不同pH對處理效果的影響

表3(續)

4.3還原劑比較

分別對0.001mol/L和0.01mol/L兩種濃度的含鉻廢液進行實驗,還原劑分別使用NaHSO3和FeSO4,沉淀劑使用NaOH。在使用還原劑對6價鉻(Cr(Ⅵ))進行還原時,還原劑用量過多則浪費試劑,用量過低則處理不徹底,無法達到要求。本實驗還原劑采用理論用量的1.4倍進行反應,pH=3,還原后在pH=9條件下沉淀處理,實驗結果見表4。由表4可知,NaHSO3和FeSO4處理含鉻廢液均有明顯效果,使用NaHSO3處理的效果優于FeSO4。以NaHSO3為還原劑時,0.001mol/L和0.01mol/L廢液處理后總鉻均低于國標GB8978—1996規定的1.5mg/L。隨著廢液中鉻濃度的降低,去除率降低,但處理效果更好。以FeSO4為還原劑時,0.001mol/L廢液處理后達標,0.01mol/L廢液處理后總鉻高于國家標準,去除率分別為99.17%和99.29%。以FeSO4作為還原劑時可將廢液先稀釋再進行處理。FeSO4可同時達到還原、沉淀的目的,操作簡便,但引入鐵帶來新的污染。

表4　不同還原劑的處理效果

4.4沉淀劑比較

對兩濃度廢液分別進行實驗。還原劑用NaHSO3,沉淀劑采用NaOH和Ca(OH)2。調節pH為9時作為反應終點。廢液抽濾后檢測總鉻含量。實驗結果見表5,由表5可知,NaOH和Ca(OH)2作沉淀劑時處理效果明顯,Ca(OH)2的處理效果優于NaOH。以NaOH為沉淀劑時,0.001mol/L和0.01mol/L廢液處理后總鉻均低于國家污水綜合排放標準GB8978—1996規定的1.5mg/L,去除率分別為99.68%和99.88%。Ca(OH)2作沉淀劑時,0.001mol/L和0.01mol/L廢液處理后總鉻均達標,低于用NaOH作沉淀劑時的總鉻,去除率分別為99.90%和99.92%。

表5　不同沉淀劑的處理效果

5　結語

采用沉淀法去除鈣鎂離子,活性炭吸附法去除甲苯,還原沉淀法處理含鉻(VI)廢液；分別通過EDTA滴定法、紫外光譜以及原子吸收光譜對處理效果進行測定：水硬小于450mg/L,符合國家飲用水標準GB5749—2006；甲苯濃度低于0.5mg/L,符合污水綜合排放標準GB8978—1996。應用于實驗教學環節或設置為開放性實驗取得良好的教學效果。

References)

[1] 彭實. 學校化學實驗室的廢液問題[J].教學儀器與實驗,2004(11):38-39.

[2] 彭實,邢曉星,吳良莉. 美國一些高校實驗室廢棄物管理概況[J]. 實驗室研究與探索,2009,28(5):151-152.

[3] 沈曉君,華德尊,李春燕. 高校實驗室廢水處理及污染防治措施研究[J]. 環境科學與管理,2007,32(10):107-109.

[4] 麥藝熾,張以科 何廣堅,等. 高校實驗室廢液管理的探討[J]. 實驗室研究與探索,2011,30(11):414-416.

[5] 王琴,李春新,韓慶榮.化學實驗室廢液處理方法的研究[J].甘肅石油和化工,2011(3):7-12.

[6] 楊柳. 化學實驗室有機廢液的管理與處理[J].實驗室科學,2012,15(5):191-193,197.

[7] 盧炯元,王三反. 鐵氧體法處理含鉻廢水的研究[J]. 蘭州交通大學學報,2009,28(3):155-158.

[8] 裴東波,盧志強,伉沛崧,等.還原沉淀法處理汗鉻廢水[J]. 城市環境與城市生態,2006,19(20):25-26.

[9] 謝東麗,葉紅齊.鋇鹽法處理六價鉻廢水的研究[J].應用化工,2012,41(4):656-663.

[10] 劉欣,魏金芳,畢渙朝.實驗室含鉻廢液處理方法的對比研究[J].唐山師范學院學報,2009,31(5):18-21.

[11] 宋學省.高校分析測試實驗室中廢液處理方法方法的研究[J].實驗室科學,2005(3):44-46.

[12] 王幸艷.原子吸收法和分光光度法檢測水中六價鉻的比較[J].城市公用事業,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

江蘇高校優勢學科建設工程資助項目；2013年國家級大學生科技創新項目(201310290037)

尹文萱(1964—)，女，江蘇徐州，碩士，教授，長期從事化學實驗教學及研究工作.

E-mail：ywx6499@cumt.edu.cn

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1002-4956(2016)5- 0040- 04