高校無機化學實驗室廢水管控與處理綠色化探索與實踐

文_吳萃艷 王精華 肖卓杰 張漫波 胡瑞祥 湖南師范大學化學化工學院

1 高校無機化學實驗室廢水排放與危害

近年來，隨著在校生人數的不斷增多以及科技創新能力的不斷提高，高校實驗室的教學和科研活動愈加頻繁，實驗廢水急劇增加，其中包括很多危險、有毒的化學物質。無機化學實驗室廢水主要含有各種酸堿液以及重金屬離子，若不經過處理直接排放，將會對環境造成嚴重的污染。其中酸堿廢水排入水體會影響水生生物的生產，排入農田會使土壤酸化或鹽堿化，危害農作物；鉛、汞、鎘、鉻、砷等重金屬離子廢水會造成人體致畸、致癌、致突變，甚至造成急性中毒。然而目前許多高校實驗室仍對實驗室廢水僅僅是簡單的處理，甚至不作任何處理就直接排放，對周圍環境和人體健康造成了不利的影響。

2 高校無機化學實驗室廢水處理的研究現狀

為規范和加強高校實驗室排污管理工作，2005 年7月，教育部、國家環境保護總局聯合下發《關于加強高等學校實驗室排污管理的通知》，將高校實驗室納入了環境監管范圍，但仍存在一些問題亟待解決。如：①師生環保自覺性不強。雖然學校已制定了實驗廢液管理辦法，但許多實驗室的師生仍被動接收，甚至陰奉陽違。教師在實驗教學過程中重專業知識的傳授而輕環保意識的培養。②廢水排放管理難度大。實驗室廢水雖然相對量少，但排放的主體和排放時間不確定，導致廢水的收集和處理難以實現。實驗室應根據廢水的主要成分和性質確定儲存容器和儲存條件，儲存容器必須標明主要成分與儲存時間等。③廢水處理設施和處理經費無法保證。部分高校未設立實驗室“三廢”處理專項經費，使得實驗室污染物處理工作難以開展。④廢水處理方法不完善。實驗室廢水成分復雜，危害大，處理方法直接決定了廢水處理的效果與經濟成本，若處理方法不得當影響處理效果，將會導致資源浪費和環境污染。本文以無機化學基礎實驗室為例，采取管控與處理相結合的措施，對實驗室廢水的處理進行探究與實踐。

3 無機化學實驗室廢水管控

化學實驗室廢水的產生涉及人員眾多，排放時間、周期不確定，且廢水成分復雜。對實驗室廢水進行有序管理，可大大簡化后期處理過程。由此可見，化學實驗室廢水的管理對于廢水的有效處理非常重要。為有效控制無機化學實驗室廢水污染，根據本實驗室的實際情況，采取了如下管理措施。

3.1 培養學生的環保意識

學生是實驗室廢水產生的主體，要真正解決實驗室污染問題，首先要提高學生的環境意識，讓學生直接參與廢液管理和回收處理，使他們形成節儉環保的好習慣。無機化學實驗通常在大學一年級開設，大一新生普遍對化學實驗好奇心強，但對許多化學試劑的性能和危害了解不夠。因此，高校需設立實驗室安全教育，專題講解實驗室各類污染物的管理辦法，并在具體的實驗課中設置集中回收處，讓學生直接參與廢液管理和回收處理，使他們形成節儉環保的好習慣。禁止學生隨意傾倒、堆放、丟棄實驗中的廢棄物，并將安全與環保列入實驗考核范圍。

3.2 改進實驗課內容

實驗室廢水管控應從減少污染的源頭做起，教師在實驗設計中，提倡“綠色化學”概念，盡量做到減量化和無害化。減量化即在可以達到預期目的條件下，減少或消除有害物質的使用和生產。如元素化學性質實驗部分涉及到很多對環境有嚴重污染的化合物，經過多次摸索，不斷優化實驗用量，在保證觀察到明顯實驗現象的同時，使含有硫、氮、硅、硼、鹵素、銅、銀、鋅、鉻等元素的廢水排放量大大減少。無害化是指在保證學生能夠學習使用各種制備方法的前提下，將部分污染嚴重的實驗改為實驗操作類似的實驗，如制備實驗部分的《三草酸根合鐵酸鉀的制備》。此外，對有輻射源危險、易燃易爆的實驗，在不影響教學效果的前提下，采用仿真實驗代替。

3.3 產物回收利用

將學生實驗中產生的溶液以及化合物在后期的實驗中加以充分利用，實現實驗內容設置資源化。如在《試劑取用和溶液配制》一課中，所配置的氯化鉀溶液用于學生學習和練習測量摩爾電導率。《硫酸亞鐵銨的制備》實驗中所得的產物硫酸亞鐵銨用于《三草酸合鐵(III)酸鉀的制備》實驗中的合成原料。《五水硫酸銅的制備》實驗中所得的產物用于《電鍍與電解》實驗中電解液的配置，且電解液可重復使用。《純水的制備（離子交換法）》實驗所用的陰陽離子樹脂集中收集用于離子交換法處理實驗室廢水。對產物進行充分利用，不僅減少污染物的排放，還可以減少實驗經費開支。

高校實驗廢水量較工業污水相對較少，但每次實驗都會排放一定量廢水，日積月累仍是對環境的一大威脅。因此，研究快捷有效、成本低廉的實驗室廢水處理方法意義重大。

4 無機化學實驗廢水的處理

實驗室廢水處理方法直接決定著廢水的處理效果，若方法選擇不當，不僅會造成處理效果達不達標，同時也將造成資源浪費。無機化學實驗室排放的廢水主要分為酸、堿廢水以及含重金屬離子的廢水，因此對不同種類的廢液設置了專門的回收裝置。酸、堿廢水主要處理方法為酸堿中和法，即平時分開儲存，定期進行混合中和處理，使其pH 達到排放標準（6.5＜pH＜8.5）。含重金屬離子的廢水常用處理方法有吸附法、沉淀法和離子交換法。

4.1 酸堿中和法處理酸堿廢水

無機化學實驗中會產生常見酸（如HCl、H2SO4、HNO3、H3PO4和CH3COOH 等）和 堿（如NaOH、KOH、Ca(OH)2和NH3·H2O 等）廢水，這些廢水本身不含有對環境有害的元素，相互之間反應也不會對環境造成再次污染。具體流程如圖1 所示。

圖1 無機廢水處理流程

然而，簡單的酸堿中和處理只能達到中和廢酸和廢堿的目的，對于含有重金屬離子的廢水在酸堿中和預處理之后還需進一步去除重金屬離子。含重金屬離子的去除常用處理方法有吸附法、沉淀法和離子交換法等，其中離子交換法因其具有操作簡單、處理容量大、效率高、速度快、離子交換劑可重復使用和運行費用較低等優勢，在重金屬廢水處理方面具有廣泛的應用前景。

4.2 離子交換法處理重金屬離子廢水

離子交換法是利用離子交換劑與溶液中的陰陽離子發生交換進行分離的方法，它的除污容量大且效率高，不僅可以處理含有鎂、鋁、鐵、鋅、鉻、鎘、砷、汞等重金屬離子的廢水，也可以處理含硫化物、氰化物和鹵素離子的廢水等。近年國內外生產的離子交換樹脂品種達數百種，年產量數十萬噸。其中強酸性陽離子交換樹脂和強堿性陰離子交換樹脂是水純化時常用的2種樹脂。強酸性陽離子交換樹脂的活性基因是磺酸基-SO3-M，式中M 可以是Na+、K+、H+。當M 為H+時，叫氫型樹脂；當M 為Na+時，叫鈉型樹脂，它可與水中的其他雜質陽離子進行交換。強堿性陰離子交換樹脂是在苯乙烯和二乙烯苯的共聚物加上-NR3Cl 或-NR3-OH（R 是H，或-CH3等）而制成，前者稱為氯型，后者稱為羥型，其中氯（Cl-）氫氧根（OH-）是可以電離的，它們可與水中的其他雜質陰離子進行交換。使用陰陽離子交換樹脂構建混床式離子交換塔可以同時去除水中的陰陽離子，使廢水達到排放要求。

離子交換法處理無機實驗廢水的裝置如圖2 所示，主要包括污水罐、交換柱和濾水罐三部分。具體操作流程如下：1 向污水罐中加入廢水，濾網可實現初步過濾，將固體雜質與液體分離；2 當污水罐儲滿實驗廢水后，打開出水閥1、出水閥2、入水閥1，啟動水泵將廢水泵入過濾裝置；3 當污水罐內液面低于水位開關A 時，A 觸發，關閉出水閥1，打開沖洗閥，水泵向過濾裝置泵入干凈的水，將上一步滯留的濾液排出，10min 后關閉沖洗閥、入水閥1、出水閥2 及水泵；4 當濾水罐內過濾后的廢水達到可排放標準，打開排水閥3，將濾水排放；5 當濾水罐內濾水達不到排放要求時，打開入水閥1、入水閥2、出水閥2 及水泵，將廢水重新過濾，30min 后，關閉入水閥1、入水閥2、出水閥2 及水泵，再次檢測水質，達標則排放，否則重新過濾，直至確認安全并達標后才能排放。本裝置中交換柱填充的樹脂主要來源于學生實驗廢棄的陰陽離子交換樹脂的回收利用，失去交換能力的樹脂經簡單的酸堿處理再生，可恢復交換能力和循環利用，在實驗室內部實現“以廢治廢”的綠色化廢水處理。

5 結語

化學實驗室廢水處理是一項長期而又艱巨的工作，實驗室產生的廢水單人單次量少，但累計排放量大，有效處理化學實驗中廢水，既可減少有害排放，實現環境友好，又可以培養學生的環保意識。酸堿中和法和離子交換法均為成本低廉、快捷有效、便于在無機化學實驗室推廣的廢水處理方法，兩者結合使用可有效去除水中的酸堿、重金屬離子等有害污染物。本實驗室處理之后的水質可以達到國家下水道(CI18—86)排放標準，大大改善了實驗廢水對環境可能造成的不利影響。本文為其他高校進行實驗室廢水的綠色化管控與處理提供了很好的參考意見。

圖 2 離子交換法處理無機廢水裝置