分析化學實驗的綠色化及廢液處理

鄧文芳，方正法，陳超，譚亮

1湖南師范大學化學化工學院，長沙 410081

2湖南師范大學化學化工國家級實驗教學示范中心，長沙 410081

分析化學實驗是高等學?；瘜W、化工等專業的基礎實驗課程之一，分析化學實驗在于培養學生的基本實驗操作技能，及培養學生良好的實驗習慣和嚴謹求是的科學態度。分析實驗的特點是實驗過程中使用試劑種類多、用量大，導致實驗過程中產生的廢液較多。本文以湖南師范大學化學化工學院分析化學實驗室為研究對象，結合本校的實際教學情況，對分析化學實驗綠色化建設進行了探究。湖南師范大學化學化工國家示范實驗中心于1999年順利通過了湖南省基礎課教學實驗室評估，2013年被評為國家示范實驗教學中心。2020年分析化學實驗獲省級一流線下課程?；瘜W化工學院分析化學實驗共開設13個實驗，分別包括了酸堿滴定、絡合滴定、氧化還原滴定、重量滴定四大類。其中可能對環境造成污染的有酸堿、重金屬等主要的污染類型，分析實驗中產生的廢液多數為無機性廢液，廢液中主要含有重金屬，如直接排放會對水質及自然環境造成嚴重污染。隨著環境污染的不斷加劇，國家和學校對環境污染的處理和治理越來越重視，學生隨意將實驗過程中產生的廢液和實驗完成后剩余的試劑直接倒入下水道中的情況越來越少?；瘜W化工學院分析化學實驗在教學過程中貫徹綠色化學原則，我們嘗試了從實驗項目及廢液的處理兩個方面進行了教學改革[1]。

1 分析化學實驗綠色化改革

1.1 實驗項目優化

在制定實驗教學計劃時，通過對現有實驗內容的改革及實驗順序優化，盡量選擇化學廢液排放量少、毒性小、污染少的實驗，減少對環境的污染及危害，實現分析化學實驗的綠色化。

如我們分析實驗中原“銨鹽中含氮量的測定”，此實驗是以甲醛法測定氮含量的方法，甲醛對人體有害，易揮發。我們選擇用“食品添加劑檸檬酸含量的測量”實驗代替，同樣讓學生掌握了多元酸的測定原理及方法，達到了同樣的教學目的。

1.2 采用微型實驗

微型實驗，既可節約資源，減少污染，又可縮短實驗時間，仍能得到符合常規分析的準確度和精密度要求[2,3]。如在“碘量法測定維生素C藥片中維生素C含量”實驗中，由于單質碘升華，有毒性和腐蝕性，為了減少I2的使用，我們將硫代硫酸鈉的用量由原來的0.1 mol·L-1縮為0.01 mol·L-1，這樣I2的用量由原來的0.05 mol·L-1縮為0.005 mol·L-1。在Na2S2O3標準溶液的配制及標定時，為了減少有毒物質重鉻酸鉀的使用，我們由實驗教師提前一周統一配制好0.1 mol·L-1的Na2S2O3標準溶液，并于實驗周對其進行標定。學生只需要對0.1 mol·L-1的Na2S2O3標準溶液進行稀釋10倍。

在I2標準溶液的配制時，本著微型實驗及最大化利用原則，我們讓兩個學生一組，稱取KI和I2后轉入試劑瓶，加水稀釋至600 mL，各取300 mL。學生移取已稀釋的Na2S2O3標準溶液，放入錐形瓶中，加入淀粉溶液指示劑，加水搖勻。用I2標準溶液滴定至穩定的藍色，平行標定3次。實驗結果如下：圖1為教師制定的評分標準，圖2為學生測量的數據結果及成績，經過我們分析實驗教研室的摸索，及學生成績的反饋，自改為微型實驗后，I2的用量由原來的0.05 mol·L-1縮為0.005 mol·L-1，仍能得到符合常規分析的準確度和精密度要求。

圖1 Vc含量的測定評分標準

圖2 Vc含量的測定學生成績單

在“氯化物中氯含量的測定”實驗中，由于AgNO3價格比較貴，并且硝酸銀也會對環境造成污染，我們將原來的0.1 mol·L-1AgNO3縮為0.05 mol·L-1，既節約了成本，又減輕了廢液處理和排放的壓力。

1.3 開設一些新的無毒、綠色環保的實驗代替不環保的傳統實驗

我實驗中心分析教研室自主設計了一個“無汞法測定鐵礦石中測定鐵含量”的實驗。一般測鐵礦石中鐵的含量，測定鐵的經典方法需要用HgCl2，但HgCl2有毒，為避免汞鹽對環境的污染，我們用I2-冰乙酸溶液代替氯化汞溶液。褐鐵礦的主要成分是Fe2O3·xH2O。濃鹽酸溶解后生成Fe3+和Fe2+離子，用還原劑將所有Fe3+預先還原成Fe2+，一般常用SnCl2還原Fe3+，用HgCl2氧化除去多余的SnCl2，然后在酸性介質中用K2Cr2O7溶液滴定生成的Fe2+離子，該方法操作簡便，結果準確，是測定鐵的經典方法。但HgCl2有毒，為避免汞鹽對環境的污染，我們實驗用I2-冰乙酸溶液替代氯化汞溶液，并用AgCl掩蔽生成的I-，而此時用的AgCl又是我們在“氯化物中氯含量的測定”實驗中回收得到的AgCl，既避免了HgCl2的污染，又對AgCl進行了資源再利用。我們先用SnCl2將Fe3+離子還原至黃色消失，然后用I2氧化過量的SnCl2至出現穩定的淺黃色，再加入AgCl掩蔽生成的I-，以二苯胺磺酸鈉為指示劑，用K2Cr2O7標準溶液再去滴定亞鐵離子。

1.4 虛擬仿真實驗

化學化工示范實驗中心2019年獲評省級虛擬仿真實驗教學中心，通過開發虛擬仿真實驗，對傳統的驗證性實驗進行改進，利用3D化學實驗仿真實驗室，將虛擬實驗教學應用到實際教學中。我中心通過虛擬仿真實驗開設了分析實驗“鋼鐵中鎳含量的測定”，采用丁二酮肟有機試劑沉淀重量法測定鋼鐵中鎳的含量。通過虛擬仿真實驗的操作，學生了解丁二酮肟鎳重量法測定的原理與方法，同時也了解了玻璃坩堝過濾等的基本操作，后面，我們也會繼續摸索將更多的對環境污染嚴重的分析化學實驗通過虛擬仿真實驗來開設。

2 分析化學實驗廢液的處理方法和措施

在分析廢液的回收和處理中，我們堅持循環利用，資源再利用的原則進行摸索。

2.1 培養學生愛護環境的意識

每次實驗，大部分學生的試劑可能會有剩余，我們會回收給后面不同專業的學生使用，比如“氯化物中氯含量的測定”實驗中，學生配的沒用完的0.05 mol·L-1的AgNO3，我們會統一回收，然后再給其他專業的學生直接使用。在“過氧化氫含量的測定”實驗中，學生取的0.02 mol·L-1的高錳酸鉀溶液會有剩余，我們會集中回收，然后進行過濾后再給其他專業學生使用。這樣既節省試劑，又減少污染物的排放。每次實驗結束后，嚴格要求學生按成分的不同分類回收廢液，讓學生養成不隨意排廢液的意識。

2.2 “變廢為寶”資源再利用

對某些實驗產生的廢液進行處理后，再加以利用。比如，我們在“氯化物中氯含量的測定”實驗中，沉淀中會有AgCl和Ag2CrO4，我們對沉淀進行處理，首先加稀鹽酸將Ag2CrO4轉化為AgCl，反復清洗抽濾，回收AgCl。而回收的AgCl，與NaCl按1 : 4的質量比混合，研磨均勻后，用于分析實驗自開設的“測定礦石中鐵的含量(無汞定鐵法)”實驗中，用于氧化還原測定鐵的預處理劑。

2.3 強化實驗室管理，實驗準備科學化

在準備實驗過程中，化學試劑的配制要科學化、定量化，比如有個別實驗可先配制高濃度的儲備液，在學生實驗操作時可稀釋成標準使用液，避免實驗過程中溶液過剩而造成的浪費。

實踐證明，以上這些措施有力地促進了我實驗中心的分析化學實驗室綠色化建設，減少了藥品、試劑用量，節約了實驗教學成本，減少了對環境的污染，增強了學生的綠色環保意識，有利于學生創新能力的培養，有利于學生實驗技能及綜合素質的提高，為師生創造了一個良好的實驗環境，對環境保護具有重要的現實意義。