大類(lèi)招生背景下綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)再探析

杜姣姣，楊國(guó)鑫，鄭阿群，朱 敏，楊 帆，白艷紅

(西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，陜西 西安 710049)

大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是非化學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生認(rèn)識(shí)化學(xué)、掌握化學(xué)規(guī)律，進(jìn)而培養(yǎng)科學(xué)研究精神及創(chuàng)新思維的一種有力手段[1]。隨著人們的環(huán)保意識(shí)、綠色發(fā)展理念不斷增強(qiáng)，作為高校實(shí)驗(yàn)員，非常有必要以節(jié)約環(huán)保、控制污染的角度對(duì)大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)重新定位，遵循“從源頭上減少污染，過(guò)程中降低廢棄物的產(chǎn)生，化學(xué)垃圾分類(lèi)回收處理”原則，積極提倡綠色化學(xué)的教學(xué)模式，在課堂教學(xué)中充分融入綠色化學(xué)理念，探索綠色實(shí)驗(yàn)技術(shù)，減輕環(huán)境污染壓力，為生態(tài)文明建設(shè)貢獻(xiàn)自身的力量[2]。

1 大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)深化綠色教學(xué)的必要性

西安交通大學(xué)于2018年開(kāi)啟了大類(lèi)招生模式，按相同或相近的學(xué)科將本科專(zhuān)業(yè)合并為8大類(lèi)專(zhuān)業(yè)，培養(yǎng)模式也向厚基礎(chǔ)、寬口徑、多學(xué)科交叉的人才培養(yǎng)模式轉(zhuǎn)變[3]。大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)作為交大的大面積基礎(chǔ)課程之一，主要是面向我校工科大類(lèi)(能源與動(dòng)力工程、機(jī)械工程、電氣工程、電信工程等)非化學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生開(kāi)設(shè)的一門(mén)基礎(chǔ)實(shí)踐課程，通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，一方面可在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)高效地掌握化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)踐技能，另一方面以適應(yīng)各個(gè)學(xué)科的相互滲透和交叉融合，培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)，提高科學(xué)探究及創(chuàng)新能力[4]。然而近年來(lái)，隨著學(xué)校的招生規(guī)模的擴(kuò)大以及多元化實(shí)踐教學(xué)的發(fā)展，每年選修大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生人數(shù)近2000人次，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)多，盡管單次實(shí)驗(yàn)的化學(xué)藥品耗量小，但是日積月累，試劑的消耗量和實(shí)驗(yàn)室廢棄物量數(shù)據(jù)不可小覷，高校化學(xué)實(shí)驗(yàn)室可以說(shuō)是一個(gè)小型污染源，對(duì)環(huán)境造成的影響必須要引起足夠的重視[5-6]，因此在大面積化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，潛移默化地滲透綠色化學(xué)思想、采用綠色化學(xué)理論方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)從源頭上控制污染、對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的垃圾分類(lèi)處理、豐富廢棄物回收與處理方式等舉措，在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中顯得尤為重要。

2 大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化教學(xué)途徑

化學(xué)教學(xué)中會(huì)涉及到大量化學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的廢棄物的排放會(huì)給環(huán)境帶來(lái)巨大的壓力，作為教育工作者以綠色化學(xué)的視角，從源頭上減少或消除環(huán)境污染，對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行重新審視和綜合分析，充分考慮試劑用量、裝置的改進(jìn)、廢棄物的處理，在確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的前提下，盡可能優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，使實(shí)驗(yàn)過(guò)程中三廢排放量降到最低，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的綠色化。

2.1 綠色理念融入教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)環(huán)保意識(shí)

化學(xué)實(shí)驗(yàn)室是訓(xùn)練學(xué)生基本操作技能、提高綜合能力的主要場(chǎng)所之一，將綠色化學(xué)觀念宣貫在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的節(jié)約、環(huán)保思維[7]。首先實(shí)驗(yàn)課前，大多數(shù)學(xué)生沒(méi)有接受過(guò)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，操作技能相對(duì)薄弱，指導(dǎo)教師必須要求學(xué)生進(jìn)行線上和線下預(yù)習(xí)以減少因不熟悉操作流程而出現(xiàn)重復(fù)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，還應(yīng)要求學(xué)生了解常用試劑的性質(zhì)并引導(dǎo)學(xué)生積極思考實(shí)驗(yàn)潛在的污染問(wèn)題。在實(shí)驗(yàn)操作中，教師要告知學(xué)生規(guī)范實(shí)驗(yàn)，嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)用量操作，不能過(guò)量取用試劑，如滴定管的潤(rùn)洗時(shí)，有些學(xué)生加入過(guò)量的標(biāo)準(zhǔn)溶液，造成了試劑的浪費(fèi)，又如尾氣吸收液的用量一般為20～30 mL，一些學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)隨意加大試劑用量，違反了綠色化學(xué)規(guī)則。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師還應(yīng)給學(xué)生介紹“三廢”直接排放對(duì)環(huán)境的危害以及常見(jiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室垃圾分類(lèi)處理方法。對(duì)初入實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生，往往綠色化學(xué)意識(shí)不足，因此教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，靈活滲透綠色化學(xué)理念，幫助學(xué)生養(yǎng)成綠色實(shí)驗(yàn)、節(jié)約資源的習(xí)慣[8]。

2.2 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的綠色化

化學(xué)實(shí)驗(yàn)會(huì)涉及到一些制備實(shí)驗(yàn)，而在制備實(shí)驗(yàn)中不可避免會(huì)釋放出一定量的有害物質(zhì)。通常情況下將反應(yīng)體系置于通風(fēng)櫥中進(jìn)行，但并沒(méi)有對(duì)有害氣體進(jìn)行凈化處理，還是會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改造并配有廢氣吸收裝置，除去有害氣體，減輕對(duì)師生健康帶來(lái)的危害，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的綠色化。

圖1 改進(jìn)前實(shí)驗(yàn)裝置

如硫酸亞鐵銨制備實(shí)驗(yàn)中[9]，采用本校機(jī)加工產(chǎn)生的廢鐵屑為反應(yīng)物，與硫酸反應(yīng)的過(guò)程中，同時(shí)伴隨有刺激性有害氣體的放出，反應(yīng)雖置于通風(fēng)櫥中進(jìn)行，但是這些刺鼻的有害氣體沒(méi)有經(jīng)過(guò)吸收處理，還是會(huì)充滿整個(gè)實(shí)驗(yàn)室，給師生的健康和環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重影響，極其不符合綠色實(shí)驗(yàn)的原則。對(duì)此我們對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行綠色化改造，將原來(lái)的敞口式實(shí)驗(yàn)體系改進(jìn)為配有尾氣吸收且密閉的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，實(shí)驗(yàn)過(guò)程產(chǎn)生的有害氣體被凈化鐵屑后的碳酸鈉溶液吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)害物質(zhì)，不必重新配制堿性溶液吸收廢氣，循環(huán)利用試劑避免了試劑的浪費(fèi)，極大改善了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件，還可提高學(xué)生的綠色環(huán)保意識(shí)。

圖2 改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)裝置

2.3 推行微型實(shí)驗(yàn)，控制環(huán)境污染

在學(xué)生操作技能得以訓(xùn)練的前提下，對(duì)部分實(shí)驗(yàn)作微型化處理，其目標(biāo)是在化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用盡量少的化學(xué)試劑，達(dá)到和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)等同的實(shí)驗(yàn)效果，并且給環(huán)境帶來(lái)盡可能少的污染。在大力提倡資源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)的大環(huán)境下，大面積化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，適當(dāng)引進(jìn)微型化實(shí)驗(yàn)，既可降低廢液的產(chǎn)出量以及廢液處理費(fèi)用，又可節(jié)省實(shí)驗(yàn)花費(fèi)，還大大降低了廢棄物對(duì)環(huán)境的污染，微型化實(shí)驗(yàn)的實(shí)行既可達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，還對(duì)環(huán)境的損害降到最低，同時(shí)還構(gòu)建了學(xué)生的節(jié)約、環(huán)保、創(chuàng)新思維，滿足綠色實(shí)驗(yàn)的要求。但是，并非所有實(shí)驗(yàn)都可采用微量化，如涉及有顏色變化的實(shí)驗(yàn)不適合微型化，若經(jīng)微量處理后無(wú)法精確捕捉顏色的細(xì)微變化，還有對(duì)于訓(xùn)練學(xué)生基本操作技能的實(shí)驗(yàn)也不適合微型化處理。因此在實(shí)際教學(xué)開(kāi)展過(guò)程中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒁螅m當(dāng)將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和微型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，取得更好的教學(xué)效果[10]。

如在進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)和活化能測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，藥品耗量大，實(shí)驗(yàn)結(jié)束產(chǎn)生大量含碘廢液，造成碘資源嚴(yán)重浪費(fèi)的同時(shí)給環(huán)境造成不小的污染。在具體教學(xué)過(guò)程中，我們通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，將原有實(shí)驗(yàn)試劑用量降低為常規(guī)的1/10，相應(yīng)的各反應(yīng)物的總用量也就減少了，大大降低了廢液的總體積，同時(shí)節(jié)約了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。大面積實(shí)驗(yàn)班級(jí)共60個(gè)，每班按32人計(jì)算，兩人一組，共計(jì)實(shí)驗(yàn)組數(shù)960組，不考慮潤(rùn)洗等情況，微型實(shí)驗(yàn)與常規(guī)實(shí)驗(yàn)藥品耗量及成本結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)前后試劑耗量、實(shí)驗(yàn)成本的對(duì)比

由表1可看出，在保證實(shí)驗(yàn)效果相同的前提下，則微型實(shí)驗(yàn)廢液體積59.90 L，而常規(guī)實(shí)驗(yàn)廢液量高達(dá)599.04 L，由此可見(jiàn)微型實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，實(shí)驗(yàn)成本由原來(lái)的2686.07元降低為268.61元，同時(shí)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的廢液的體積大幅度減少了，可顯著改善實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，充分實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的綠色化。

2.4 化學(xué)垃圾的分類(lèi)處理，深化綠色環(huán)保意識(shí)

大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室廢棄物種類(lèi)較多，作為實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生將化學(xué)垃圾分開(kāi)存放、分類(lèi)處理[11-13]。(1)固體廢棄物處理。實(shí)驗(yàn)中的固體廢棄物要?dú)w類(lèi)存放到指定容器中。實(shí)驗(yàn)中用過(guò)的金屬如鐵釘、銅絲等集中回收，后期經(jīng)處理后可繼續(xù)使用。另外，實(shí)驗(yàn)室的破損玻璃制品，不能隨意丟進(jìn)垃圾桶，應(yīng)置于專(zhuān)門(mén)集裝箱中，廢棄的鐵屑不能隨意丟進(jìn)水槽內(nèi)，要統(tǒng)一回收，用過(guò)的濾紙、火柴梗等不能丟進(jìn)水槽內(nèi)。(2)有害氣體處理。有腐蝕性氣體產(chǎn)生及有害氣體放出的實(shí)驗(yàn)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程確保在通風(fēng)櫥中進(jìn)行，并配有廢氣吸收裝置對(duì)有害氣體進(jìn)行無(wú)害化處理，轉(zhuǎn)化為無(wú)害物后排放。(3)廢液的處理。化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的廢液量較大，對(duì)產(chǎn)生的廢液進(jìn)行分門(mén)別類(lèi)收集存放。實(shí)驗(yàn)室配有酸、堿廢液桶，對(duì)于不含重金屬的酸堿廢液，則通過(guò)酸堿中和的方式，確保廢液的pH≈7再排放；而含有重金屬的廢液加入堿液，調(diào)節(jié)pH使重金屬離子形成沉淀，清夜可以直接排放，而殘留物統(tǒng)一進(jìn)行處理。如含鉛廢液通常加入氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)溶液pH≈10，生成氫氧化鉛沉淀，再加入絮凝劑Al2(SO4)3，調(diào)節(jié)pH到7～8之間，等待反應(yīng)完全，過(guò)濾收集沉淀，沉淀集中處理。上清液沒(méi)有Pb2+離子檢出時(shí)方可排放。總之，實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的廢液不經(jīng)處理不能隨意排放，否則損害環(huán)境。

2.5 開(kāi)展廢物回收處理實(shí)驗(yàn)，踐行綠色觀念

在大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，創(chuàng)造性的開(kāi)展了化學(xué)實(shí)驗(yàn)廢液的回收處理環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)后可回收廢液進(jìn)行分類(lèi)存放，利用實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放時(shí)間，教師監(jiān)督學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)廢棄物回收處理的實(shí)驗(yàn)，由學(xué)生自行設(shè)計(jì)方案，獨(dú)立操作，這樣既可鍛煉學(xué)生的自主探究能力，又可節(jié)約資源、減輕環(huán)境壓力[14]。如化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)和活化能測(cè)定實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，廢液中的過(guò)硫酸銨和碘化鉀的反應(yīng)并沒(méi)有停止，還有伴隨有碘單質(zhì)生成。如果含碘廢液不及時(shí)處理，不僅造成了碘的浪費(fèi)，也會(huì)因碘的揮發(fā)對(duì)環(huán)境造成極大的影響。我們開(kāi)設(shè)了“利用含碘廢液制備碘化鉀”的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案對(duì)含碘廢液進(jìn)行了一系列無(wú)害化處理，最終變成了KI溶液，有效降低了碘對(duì)環(huán)境的污染，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。廢液回收處理實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)，讓學(xué)生投身于廢液處理中來(lái)，及時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)廢液進(jìn)行妥善處理，提高學(xué)生廢物回收利用的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ彩菣z驗(yàn)學(xué)生綠色化成果的重要措施，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)課程的綠色化打下基礎(chǔ)。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著學(xué)校實(shí)踐力度的不斷加大，化學(xué)試劑的使用量及實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的廢棄物量大幅度增加，全面推行綠色化教學(xué)模式是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的必然需求。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中切實(shí)灌輸綠色化學(xué)思想，從不同角度去實(shí)現(xiàn)綠色實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)學(xué)生探索實(shí)驗(yàn)廢棄物的回收處理方法，鍛煉學(xué)生廢液回收再利用的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，不僅可培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，也可激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生的環(huán)保責(zé)任感。