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“低碳经济时代”背景下的高校化学实验室建设

  [中图分类号]G640 [文献标识码]A [文章编号]1009-5349(2016)02-0181-02
  在目前环境污染以及气候变暖不断加剧的背景下,以低排放、低能耗以及低污染为特征的低碳经济逐渐成为发展潮流。低碳化学指的是通过一系列方法与措施从根源上降低甚至消除对生态环境、人类健康以及社区安全等有害的催化剂、原料、溶剂、试剂及其产物的应用与再生,确保在无毒害的前提下,生产环境友好性化学品。在此过程中,高校的化学实验室作为实验教学、科学研究、技术开发以及人才培养的重要基地,应当根据可持续的发展理念,构建绿色低碳实验室。
  一、低碳经济与高校化学实验室建设
  低碳经济最早出现在2003年英国政府颁布的《能源白皮书――构建低碳经济》报告,该报告明确提出低碳经济主要是通过使用更少资源消耗以及更低环境污染,来获得更多产出。低碳经济这一发展模式的特点就是低排放、低能耗以及低污染,是应对全球气候变化、保障能源安全以及实现经济社会稳定发展的重要举措。“低碳经济时代”到来已经成为大势所趋。高校化学实验室在科研以及教学活动当中往往会产生许多污染,同时需要消耗电、水、气、纸张以及药品等。这就导致高校化学实验室面临着“低碳经济”方面的问题。除此之外,化学实验室还承担着培养学生强烈责任感的任务,是言传身教的重要场所,有着无可取代的重要职能。因此,在“低碳经济时代”背景下,高校化学实验室应当与时俱进,建设符合“低碳经济”相关要求的实验室,只有这样才能够确保在化学实验室开展的教学活动以及科研活动的各个实践环节当中贯彻“低碳经济”的发展理念,并且借助此活动来对学生发挥潜移默化的熏陶作用,教师也可以通过言传身教发挥示范作用,培养学生良好的习惯以及绿色经济意识。
  二、“低碳经济时代”背景下的高校化学实验室建设与管理
  (一)化学实验室建设的低碳化
  对于实验室建设,需要非常注意的一点是关于实验室中药品的保存和使用,一般情况下一定注重数量化、科学化和准确化,才能切实保证药品存放安全。首先要遵守的是分类存放的原则,因为化学药剂的特殊性,本着分类存放的原则,能够提高实验室安全性。化学药品中有很大一部分是易升华、易挥发、易水解、易潮解、易风化、易氧化或者是易同二氧化碳发生反应的,对于这样的药品,管理者要通过一系列的措施予以避免危险事件的发生,比如使用蜡封、水封、油封、低温、避光、防震、通风以及防碰等办法。例如:电石以及红磷等需要存放于干燥器皿中防止潮解;AgN03以及HNO3等需要存储在棕色瓶中防止出现分解,液溴等需要加水密封封存从而防止挥发;各种碱性溶液(例如NaOH、NaCO3)或者是粉末等需要使用橡胶塞而避免使用玻璃塞盖住从而避免出现黏结问题;浓酸性(例如HCl、H2SO4)的溶液、氯水以及溴水等需要玻璃塞而避免使用橡皮塞盖住从而防止腐蚀;活泼金属钾钠需要存放在煤油当中,白磷应当存放于水中从而避免着火。
  化学试剂的配用需要定量化以及科学化。对于一个实验来说,准备过程尤为重要,对于试剂的配制更是重中之重,规范的操作以及准确的计量,不仅使实验事半功倍,也更安全和科学。比如说,一般情况下,在做无机实验的时候,往往会用到很多种的试剂,因此造成的污染物排放的量也会更大,那么,在实验中,就应该先多调制一些要用到的溶液的浓溶液,之后随时需要随时稀释,目的是尽最大可能节省原料,也尽可能避免了对环境的污染
  在实验中还涉及到对于药品的取用问题,首先应该明确的是,药品取用量一定要严格遵循实验要求,如果实验说明中没有具体的规定,那么,以少量获取为原则。其次,有时存在药品已经分装,但是实验过后还有剩余的情况,可能一些实验人员出于节省的想法,将药品又放回原来的装瓶中,而实际上,这样的做法,可能会造成更大的浪费。需要明确的是药品分装出去之后,未能用完也避免放回原瓶。通过控制溶液用量以及浓度,一方面有利于控制实验成本,另一方面有利于提高实验安全性,降低环境污染。
  (二)实验室污染物处理的低碳化
  化学实验产生废酸碱液存放处理之后,例如废酸应当使用石灰乳或者是碳酸钠进行中和,从而将其中和到规定的pH值之后再排放,可以说是有效控制污染的重要手段。通常的盐溶液、废液可以直接排放,而含有有害离子的盐溶液需要通过化学法进行转化处理之后再进行排放。重金属离子废液应当使用碱或者是硫化钠沉积,然后过滤分离并将残渣埋到地下。有毒废液例如含氰废液需要仔细处理,使用还原法处理之后再回收。例如含铬的化合物能够在酸性条件下使用亚硫酸铁还原,之后添加碱液生成沉淀,完成静置分离之后,调整溶液的pH值后排放,剩下的废渣再埋入到地下。化学实验的残渣以及残液可以重复利用的应当尽可能回收利用,尤其是分组实验过程中的实验用药量比较大,剩余的残渣残液数量较多,需要做好回收利用工作。这一方面是控制成本的要求,另一方面也是低碳思想的重要体现。例如学生实验配制量浓度得到的NaCI溶液过多,就需要进行回收处理,或者下次实验继续使用,或者回收风干之后制成粗盐保存,在粗盐提纯实验当中应用。
  (三)化学实验教学的低碳化
  要减少化学实验中的污染,目前最可行的办法就是尽量降低化学品的用量,在同等实验要求下,选择那些对环境污产生较小危害的化学药品。还有一点是,作为化学实验教育工作者,可以通过奇思妙想,通过一些设计,改良实验的方式,或者提升实验仪器的性能,这也是当前化学实验教育中从源头降低环境污染的一个较为有效的方法。   第一,微型化学实验的低碳化微型化学实验需要使用微型化学装置完成化学实验,能够用少量的化学试剂得到所需的反应结果以及化学信息。微型实验技术的应用,一方面能够显著降低实验的成本费用,另一方面能够显著增加化学实验覆盖的范围,提高化学实验教学的质量。这种方法的优点是能够控制试剂的用量,通常情况下只有常规实验用量的1/10,因此能够减少实验排废量,控制环境污染并且缩短实验时间,过程也比较安全可靠。因此,微型化学实验这一低碳化学技术在国内外得到高度重视和广泛应用。
  第二,设计综合性的实验。这是在化学实验教学中有效减少实验原料用量和提升实验教学时间效率的一个积极做法。教师可以通过阶段性的教学后,综合设计实验,比如说,有机合成粗产物,分离提纯以及精制之后,可以对所得纯产物完成物理常数的测定。那么,在实验课上,教师可以通过测定物理常数来检查学生实验合成产品的质量以及纯度。
  第三,对于实验设计精益求精,寻找使用无毒性的替代性装置以及药品。在化学实验过程中,使用生成物质应当对健康以及环境无毒或者毒性较低。比如说,煤油相对于四氯化碳在实验中的出现的剧毒光气来说更具安全性。同时,主动设计制作,或者选择以具有环保意义的实验仪器和设备替代陈旧的设备,也是有利于消除和减轻环境污染的一个不错的措施。比如在进行氯化铵实验时,传统方法需要将氯化铵装入试管之后使用酒精灯加热,从而分解氯化铵,这样就会导致NH3以及HCI的逸出,导致环境污染。现在一些实验室使用的办法是将氯化铵晶体密封到玻璃管当中,这样当酒精灯对一端进行加热的时候,NH3和HCI就变成白色烟雾,上端凝聚成为白色固体,这种封闭系统的设置,不仅能够保证实验符合预期要求,也能最大限度避免室内污染,是一种低碳无毒的方法。
  (四)实验室管理的低碳化
  良好的化学实验室的环境对提高学生的实验能力,同时使他们在内心中自然而然地生发出对于低碳环保实验的追求信念有着首当其冲的作用。实验台柜干净并且仪器整齐摆放,有利于帮助学生进入实验室后产生环保意识。化学在改善生活质量等领域的贡献不容忽视,不过同样也要正视在化学实验中会产生危害环境的物质这一事实。因此,在进行低碳化实验室的管理建设中,对于学生的实验精神、实验习惯、试验态度的培养教育也是不可不做的,要教育他们通过实际行动控制消除污染。从管理层面而言,低碳化学实验室的构建需要从水、电、纸、气、药品、备品等物质以及能量消耗方面加强管理,管理制度需要更加科学合理,最大限度减少电、水、气、纸、备品以及药品用量。
  首先是要加强对实验用水的节约使用与管理,具体而言可以从下列环节着手努力:化学实验的冷却水应当循环使用,其中有机合成实验往往需要使用冷却水,当前很多实验室将冷却水排放进下水管从而白白浪费,这就需要实验室使用价格适中并且方便使用的冷却水循环利用装置,从而实现节水用水的目的,间接实现低碳减排;此外还应当应用节水龙头,防止实验用水的跑、冒、漏、滴。
  其次是强化实验用电的节约使用与管理。可以选用节能干燥箱例如微波干燥箱以及真空干燥箱等,淘汰高耗能的马弗炉以及烘箱等,并合理进行仪器断电。不用饮水机时要断电,及时拔下各种电器的插头,电脑以及打印机的使用也要合理,电脑不用时应当待机,同时可以调低屏幕的亮度,打印机不使用时可以断电。实验室的照明应当使用感应型的半导体节能灯。同样的亮度下,耗电量只有白炽灯的10%,而使用寿命却为白炽灯100倍以上。高效节电灯比常规日光灯的节电效果更好,因此应当尽可能选用。
  再次,合理使用纸张。应当重复使用各种实验教科书,并且办公纸张应当双面打印以及复印,尽可能使用电子邮件来替代纸质信函,必要的情况下可以选用再生纸。
  最后,应用先进的通风设备。应用先进的无管通风设备,一方面能够节约能源,另一方面能够消除噪音污染,同时结合使用废气回收装置能够消除废气带来的大气污染问题,从而做到低碳、减排、节能的效果。除此之外,实验室需要推广使用科学的方法来设计实验方案,从而最大限度减少实验次数。比如某些实验可以使用人工神经网络来设计实验方案,要比传统方法以及正交法简单准确,显著减少工作量并节省水电和试剂资源。
  综上所述,“低碳经济时代”背景下,高校的化学实验室建设管理需要满足低碳经济的相关要求,以身作则来实践低碳经济的目标与内容,这是高校化学教育工作者的职责,同时也是培养有着社会责任感、环保意识以及低碳节约理念的高素质学生的重要途径。

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