淺析化學類實驗室功能分區設計與安全壽命

李智輝，齊冠男，劉 陽，李 俊

淺析化學類實驗室功能分區設計與安全壽命

李智輝，齊冠男，劉 陽，李 俊

（西安交通大學 電氣工程學院，陜西 西安 710054）

近幾年高校化學類科研實驗室發生事故的原因很多是由原有實驗室設計功能不能滿足不斷新增的使用功能而產生的安全問題，即原有的實驗室設計已經接近其安全壽命，產生了隱患。在實驗室新建以及改造過程中以安全性作為評估標準，加入細致的功能分區設計，并配合合理的管理，能夠增加實驗室的安全壽命，為實驗室設計及安全管理提供了參考。

實驗室管理；化學實驗；安全壽命；功能分區

設備壽命周期一般是指應用設備從投入使用開始，到在技術上或經濟上不宜繼續使用而退出使用過程為止所經歷的時間，通過合理的管理及維護可以延長設備壽命[1]。房屋建筑有使用壽命，化學實驗室其本質上雖然屬于建筑，但又有特殊屬性，因為它需要滿足進行化學實驗的功能。在滿足功能的條件下具有安全的特性是對化學實驗室的基本要求，以安全為標準來評價化學實驗室的壽命，本文稱之為實驗室安全壽命。當實驗室的實驗功能達不到要求，安全隱患達到無法根治、且管理難度較大的程度，則實驗室接近其安全壽命，這時候就需要進行較大的整改或重新設計裝修。

1 高校化學實驗室安全技術范疇的重要性探討

以實驗室安全為評價標準可以將實驗室管理分為管理層面和技術層面，管理層面就是通過制定規范、深入檢查以及加強操作及安全意識培訓等與人相關的事宜；而技術層面則是依托先進技術以及管理經驗對實驗室進行合理的設計，如新型機器的發展，新型傳感器[2]，新材料、新設備的應用，都會對實驗室安全起到良好的作用。

從管理層面來講，人的因素是最為重要的，以往高校發生的安全事故多數是人為引起的。深入檢查、加強安全意識能夠大大降低事故的發生。然而另一方面，人的因素也是最難控制的，尤其是在安全環境本身存在問題的情況下。在目前高校的管理模式下，常規的實驗室檢查不能從根本上解決實驗室的主要隱患。實驗室科研人員與學校安全管理人員的工作目標并不一樣，這是一個矛盾。實驗室科研人員對實驗室的內容相對了解，但是安全方面的意識不一定完善；而安全管理人員雖然關注著實驗室的安全，但是對實驗內容及主要隱患并不清楚，導致安全檢查在一定程度上存在著形式化。而這個矛盾也降低了管理人員風險感知的能力[3]。所以實驗室建立初期有針對性地進行功能設計以及安全評估是非常必要的。如果沒有針對性的技術設計，實驗室用不到幾年就會開始出現隱患，而這些隱患如果因實驗室原有設計功能的限制可能會成為新的遺留問題，這些長期存在的遺留問題勢必會增加事故率[4]。

化學實驗室在試劑的種類和數量上遠遠大于其他實驗室，在實驗過程中也經常使用高溫、高壓的各類儀器設備以及各類壓縮氣體鋼瓶等，如果管理不善或使用不當，就會引起火災、爆炸、灼傷等事故[5]。人們一般會認為這些物品所包含的危險因素是客觀存在、無法回避的，而多數問題都歸結為人的因素。從技術層面來說，通過深化改造或應用新的技術手段可以降低某些事故發生的可能性。但如果實驗室接近或達到安全壽命，那么它的管理難度及成本就會非常大。

目前的化學實驗室設計大多只是簡單根據經驗以及借鑒其他實驗室的方案，而在不同使用功能的基礎上沒有參照的標準。近年來由于科研人員及課題量不斷增加，很多實驗室都存在使用功能不斷增加的情形。而使用功能的增加若沒有相應增加安全方面的考慮，就會產生新的安全隱患，使實驗室的安全壽命提前到達。同時，為滿足增加的實驗要求，新建實驗室的數量也持續增長，無論實驗室科研人員或學校安全管理方均希望能夠盡早進入新的環境，從而徹底擺脫目前實驗室存在的各種遺留隱患問題。然而，如果沒有合理的設計和預測性的功能劃分，再加上安全管理不善，在很短的時間內就可能產生許多新的隱患問題，且難以根治[6]。

科學的實驗室設計能夠大幅降低事故率[7]，所以針對化學類科研實驗室的方向，綜合性地進行功能分區以及安全方面設計迫在眉睫。本文以電池類化學實驗室為例，參照實驗室化學安全等標準，結合當前科研實驗室存在的多種使用功能，列舉了部分對化學實驗室的技術設計，為新建化學類科研實驗室提供參考。

2 以安全評價為主的功能化分區設計示范

2.1 實驗室總體分布設計

化學實驗分區不明確是目前科研實驗室存在的重要問題。很多實驗室是在沒有重新設計及改造的情況下，不斷引進新的實驗以及儀器。這些新的實驗將會增加實驗室的負載，同時會產生一些安全隱患，而產生的這些隱患很可能由于人員變動或調查不足而未被發現，這樣就會增加危險性。本文從實驗室新建的角度來進行布局設計，強調不同實驗功能的區分。電池類化學實驗室布局設計如圖1所示。根據需求，將實驗室分為化學合成室、氣相合成及處理室、燒結實驗室、電池涂布室、切割間、電池及電化學測試室、分析測試室等不同區域，同時根據實際情況增加新到儀器拆箱區以及廢舊儀器存放區。每個區域的功能比較單一，可以針對每個功能進行安全方面的考慮及設施配套，這樣每個區域安全問題單一、隱患問題可預見，這樣就會大大增加安全管理的效率，降低事故率。當然，每個實驗室的大小及要求不盡相同，可根據實際情況進行分區，但目的是將不同區的實驗類別單一化，防止不同人、不同實驗之間產生矛盾而造成隱患。

圖1 電池類化學實驗室布局設計示意圖

2.2 化學合成實驗室的布局設計

在所有實驗分區中、化學合成室與氣相合成及處理室的危險系數相對比較高。針對化學合成室進行布局設計以及引入相關的設施極為重要。近年來，高校實驗室事故時有發生，其中比較嚴重的事故多為中毒、火災以及爆炸事故[8]。而這些事故的發生均與易燃易爆以及有毒物質的泄漏有很大關系，這些物質的存儲以及實驗室通風是問題的關鍵，這恰好也是目前許多高校實驗室所欠缺的。通風設施不足，存儲不當便產生了隱患。化學合成實驗室對通風的要求尤為嚴格，因為大多數試劑都具有有害性，而許多有機試劑具有揮發性及可燃性，良好的通風可以避免有害氣體的擴散。

化學合成實驗室通常包括化學試劑的存儲、試劑的稱量、混合、溶液配制、攪拌、超聲、抽濾、烘干等操作。在以往的實驗運行中發現，有通風設施的操作空間總是難以滿足要求，如試劑混合、回流反應、抽濾、水熱反應、烘箱等都會存在有害物質的揮發問題，這些實驗過程都需要在通風櫥中進行。所以根據這個需求，將化學合成實驗室分為普通操作臺、普通烘干處、通風櫥及試劑柜等幾個部分，化學合成實驗室的布局設計如圖2所示，其中試劑柜也自帶通風管道，這樣就可以縮短實驗過程中的移動距離，避免了實驗儀器以及器皿的隨意搬動，減少了安全隱患。

圖2 化學合成實驗室的布局設計示意圖

2.3 化學合成實驗室實驗臺的設計

化學合成實驗操作平臺的設計同樣需要考慮通風。實驗臺設計如圖3所示，在實驗臺的上方設置萬向臂吸風罩，而稱量、攪拌、超聲等小型儀器均按照需求放置在一定距離內并固定；實驗臺的一端設有水池備用；吸風罩的設置避免了稱量、攪拌、超聲過程中有害物質的擴散，消除了該過程中的隱患；同時模塊化的設計使得實驗過程較為便捷，能夠優化設計實驗方法及步驟，避免了許多移動過程，減少實驗過程中有害物及污染物的產生，消除了移動試劑過程中的隱患，進一步提高了安全性，實現實驗綠色化[9]。

圖3 實驗臺設計示意圖

2.4 化學合成實驗室試劑存儲柜的設計

試劑存儲為化學合成實驗室的重中之重，試劑存放不合理也是許多事故發生的根本原因[10]。化學實驗室的試劑存儲空間的需求比較大且持續增加。試劑需要分類存放并具有良好通風[11]。試劑存儲柜設計如圖4所示，本文設計了一種兼容的試劑柜，其首先具有通風的功能，整個柜體空氣貫通，其次具有足夠大的空間來滿足不同規格的試劑存放，同時在其一邊設置有管制品存儲區并進行雙人雙鎖管理，在右下方區域專門存放同類試劑的廢液。通風柜采用防火防爆的金屬材料制作，內涂防腐涂料，通風管道要求能耐酸堿氣體腐蝕。在實驗室分別放置一個有機試劑柜及一個無機試劑柜，采用這樣的設計，相互可能發生反應的試劑之間沒有交叉，且通風良好，可以大幅度減少由于試劑存儲不當而產生的隱患，同時配合良好的管理方案可以基本解決存儲安全問題。

圖4 試劑存儲柜設計示意圖

2.5 氣相合成及處理實驗室布局設計

氣相合成及處理實驗室主要使用儀器為管式爐，危險源為氣體及高溫。針對這種情況，氣相合成及處理實驗室（見圖5）進行單一分區，將管式爐按照使用氧化或還原性氣體的類型排列在兩邊，兩側各有氣體的供氣及排氣管道。氧化氣體及還原性氣體的排氣管道分開，這樣能夠避免管式爐尾氣產生的隱患問題。將氣體鋼瓶分開放置在防爆柜里，與管式爐保持一定的距離，若空間限制可將鋼瓶放置于室外。通過單一的功能設定并配合規律性地檢漏，可以顯著提高氣相實驗室的安全性，同時可以滿足不斷提高的容量需求，增加了實驗室的安全壽命。

圖5 氣相合成及處理實驗室設計示意圖

良好的設計需要合理的應用，就像一臺先進的儀器如果操作使用不當也會出現問題，先進的儀器需要長期維護和管理。另外，實驗室的管理需要制定相關的實驗室規章制度及使用章程，通過設置培訓課程[12]詳細講解實驗室使用過程中的注意事項以及可能發生的安全事故的類別，提高風險預測能力，避免事故的發生。

3 結語

實驗室安全體系的建設是一項系統工程，是實驗室安全的有力保障。隨著國家對科技發展的重視及高校建設發展的需求，高校實驗室迎來了新的一輪建設高潮。在實驗室的建設過程中，需要將安全性能作為一個重要的評價標準，采用合理的實驗功能分區設計、汲取先進的技術經驗可以大幅度降低未知風險，并增加實驗室的容納能力及安全壽命。在優化設計的基礎上配合先進的管理方法，能夠有力保障實驗室的安全及可持續運行。

[1] ENDRENYI J, ANDERS GJ. Aging, maintenance, and reliability- approaches to preserving equipment health and extending equipment life[J]. Power and Energy Magazine, IEEE, 2006, 4(3): 59–67.

[2] KIM H, LEE E, KWON D, et al. Chemical laboratory safety management service using IoT sensors and open APIs[C]. ICIC, 2017, 262–263.

[3] Taylor W D, Snyder L A. The influence of risk perception on safety: A laboratory study[J]. Safety Science, 2017(95): 116– 124.

[4] 秦鋒，黃強，袁久洪.高校實驗室安全事件的原因淺析與管理對策[J].實驗室研究與探索，2017, 36(3): 302–306.

[5] Huston E M, Milligan J A. Development of an undergraduate course in chemical laboratory safety through an academic/ industrial collaboration[J]. Journal of Chemical Education, 2018(95): 577?583.

[6] 張澤.高校化學實驗室建設與管理的探索[J].廣東化工，2017, 44(10): 234, 229.

[7] 王義成，劉玉玉，馬延文.做好高校化學實驗室設計保障實驗室安全[J].實驗室科學，2017, 20(3): 219–221.

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[9] 梁敏，屠小菊，喻鵬，等.高校化學實驗綠色化初探[J].化工時刊，2018, 32(12): 44–45.

[10] 劉艷，陶懿偉，方心葵，等.高校實驗室安全問題引起的思考與管理探討[J].實驗室研究與探索，2017, 36(1): 287–289, 292.

[11] 張秀全.淺談實驗室藥品試劑的存放和管理[J].大眾標準化，2016(8): 98–99.

[12] 孫建之，董巖.地方高校化學實驗室安全管理中存在的問題及對策[J].實驗室研究與探索，2017, 36(5): 286–289.

Brief analysis of functional zoning design and safety life of chemical laboratories

LI Zhihui, QI Guannan, LIU Yang, LI Jun

(School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710054, China)

In recent years, many accidents in university chemical research laboratories are caused by the safety problem of the inadequacy of the original design functions of laboratories to meet the increasing utilization functions. That is to say, the original design of laboratories has approached its safety life, resulting in hidden dangers. In the process of the construction and renovation of laboratories, safety should be taken as evaluation criterion, the meticulous functional partition design should be adopted and reasonable management can increase the safety life of laboratory, which provides some reference for the laboratory design and safety management.

laboratory management;chemical experiment; safety life; functional partition

G482；X923

A

1002-4956(2019)11-0274-03

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.067

2019-04-10

國家千人運行經費（DQ1A001）；國家千人平臺建設基金（DQ1B001）

李智輝（1984—)，男，陜西渭南，碩士，工程師，主要研究方向為新能源材料及實驗室安全。E-mail: lizhihui@xjtu.edu.cn