本科分析化学实验绿色化改革研究

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摘要:本论文以环境友好为出发点,综合考虑教学理念、教学内容、和教学模式等多个方面对环境的影响,探索农牧应用型本科分析化学实验绿色化改革,以有效利用化学资源,减少实验室废液带来的环境破坏和污染。

关键词:环境友好;农牧应用型本科;分析化学实验;绿色化改革

应用型本科大学是中国高等教育系统中的重要组成部分,其重在"应用"二字,要求专业的开设紧密结合地方发展的特色,注重锻炼学生的实践能力,培养应用型人才。应用型本科教学体系建设的核心环节是实践教学,分析化学实验是化学及相关专业的一门重要基础必修实验课程[1]。我校作为一所农牧应用型本科院校,开设化学分析实验课程的专业有动物科学、动物药学、动物检疫检验、动物医学、制药工程、水产养殖、食品科学、食品安全、生物工程、酿酒工程等10个专业,每学年学习化学分析实验课程的学生达到1000人以上。因为分析化学实验室承担了大量的实验教学内容,实验项目多,学生类型及人数多,实验中使用的化学药品、试剂的种类和总量多,所以每个实验项目在操作过程中存在严重的浪费现象[2],而实验结束后产生的废弃物对生态环境造成的污染更是不容忽视。绿色化学又称环境友好化学,其理念是从源头上预防污染,生产过程中消除污染,生产终端能对废物进行有效处理和利用。世界上很多国家已把“化学的绿色化”作为新世纪化学进展的主要方向之一[3]。化学实验绿色化的核心是“5R”原则[4],即Reduction:原料的减量和实验废弃物的减排;Reuse:实验资源的循环重复使用;Recycling:实验资源的回收利用;Regeneration:实验废物的有效利用;Rejection:有毒有害品的拒绝使用。农牧应用型本科院校分析化学实验的绿色化建设,应以环境友好为出发点,综合考虑教学理念、教学内容、实验方案和实验操作等多个方面对环境的影响,以有效利用化学资源,减少实验室的废液带来的环境破坏和污染。本文以我校分析化学实验教学为研究对象,结合我校相关专业的实际学情,对农牧应用型本科院校的分析化学实验绿色化教学进行了如下几个方面的探究。

1树立绿色教学理念

分析化学实验的教学目标不仅是训练学生的操作技能使其具有独立完成分析实验的能力,更要使学生树立节约、环保的意识[5]。分析化学实验要求对所用的玻璃仪器进行反复的清洗和润洗,学生往往会任水管自流,润洗所用试剂的量亦很少注意,分析化学实验指导老师应强调控制每次操作时所用的量,够用即可。在滴定分析实验项目中,按照实验要求规范操作,尤其是临近滴定终点时,尽量不要滴过太多,造成实验结果不可取,浪费实验次数,而且每次达到滴定终点时,滴定管中的溶液不必倒掉,进行平行实验时补加至相应刻度即可。分析化学实验中会产生的一些有毒有害污染环境的废弃物,如“重铬酸钾法标定硫代硫酸钠溶液”实验中重铬酸钾具有很强的毒性,“双氧水中过氧化氢含量的测定”实验中会用到高锰酸钾标准溶液,大量重铬酸钾和含锰废液的产生,如果随意导入下水道,会造成环境的严重污染,会对学校及周围的饮水和食品安全构成威胁,从而教育学生节约试剂,废液要做到集中有效处理。因此,在实验教学过程中,向学生传授绿色化学思想,增强其环保意识是推进分析化学实验绿色化改革的关键方面。

2建立“微型化、减量化”实验体系

分析化学实验中的滴定分析是常量分析,实验室用的滴定分析玻璃仪器的规格为50mL容量瓶、250mL锥形瓶和25mL移液管,为保证分析结果的准确可靠,滴定体积一般在20~25mL。这就造成每个滴定分析实验需要配制和使用大量的溶液。微型分析化学实验是在保证预期需要的实验准确度的前提下,采用微型玻璃仪器,使试剂的用量尽可能的减少[6]。为了推广微型化实验,本校分析化学实验室对滴定分析所用的玻璃仪器进行了小量化探索,而保证实验操作方法基本不变。例如,将50mL滴定管换为25mL250mL、锥形瓶换为100mL、25mL移液管换为10mL后,学生在操作时更加的规范和细心,在保证滴定结果的准确度和精密度的同时,大幅降低了实验成本,减少了实验废弃物对环境的污染。在推广微型分析化学实验的基础上,还要重点进行减量化实验改革,即在保证实验教学效果的前提下,不更换分析仪器的条件,通过减小溶液浓度及用量的方法进行分析实验[7]。例如,分析化学实验项目“直接碘量法测定维生素C含量”,实验教材采用的滴定剂为0.05000mol·L-1的碘标准溶液,我们把其浓度降为0.02500mol·L-1,依然可以保证分析结果的准确度和精密度;分析化学实验项目"理盐水中氯含量的测定",所用试剂硝酸银的价格比较昂贵,实验教材中硝酸银标准溶液的浓度是0.1000mol·L-1,我们将其浓度降低到0.05000mol·L-1,经学生实验操作依然可以得到较好的实验效果。所以在不影响实验效果的前提下,尽量降低滴定剂的浓度,一刻减少实验试剂的用量,从源头上尽可能的减少对环境的污染。

3合理设计课程实验项目的连续性

将前一实验配制、标定的溶液作为下一实验的滴定剂。如在实验项目“NaOH溶液的配制和标定”后设置“食醋总酸度的测定”,用已经标定好的溶度准确已知的氢氧化钠标准溶液来滴定一定体积的食醋样品,从而得到食醋的总酸度;在“HCl溶液的配制和标定”后设置“混合碱组成和含量的测定(双指示剂法)”,用已经标定的HCl标准溶液来滴定一定体积的混合碱样品,根据实验结果来确定混合碱的组成及各自的含量。将单一的实验项目相关联,不仅渗透着绿色教学的理念,也能很好地检验学生的实验操作能力和实验效果,更能培养其可持续发展的意识。

4做好废液的回收及循环利用

分析化学实验中会用到或产生的一些有毒有害污染环境的试剂。例如分析化学实验项目“双氧水中过氧化氢含量的测定”,会用到高锰酸钾标准溶液,产生的废液中含有大量的锰。参考GB20425-2006第二类污染物最高允许排放浓度,含锰废液中总锰的最高排放值为2.0mg·L-1[8],因此可在废液中加入NaOH使锰生成MnO2沉淀,经过滤分离,沉淀物保留,使锰含量符合污水排放标准。再例如,分析化学实验项目“生理盐水中氯含量的测定”,产生废液的主要成分就是氯化银和硝酸银,我们可以用价格便宜的NaCl溶液把废液中的Ag+转化为AgCl沉淀;经过滤分离后,再加入氨水使AgCl转化为可溶的[Ag(NH3)4]+;接着在[Ag(NH3)4]+溶液中加入过量NaOH使[Ag(NH3)4]+转化为Ag2O沉淀;最后加入HNO3得到AgNO3溶液;得到的AgNO3溶液经标定后即可用做学生实验的标准溶液供使用。通过实验设计对实验废液进行有效处理和循环利用,在提高化学试剂的使用率及减少环境污染的同时,还可以提高学生的综合素质和创新能力。

5进行虚拟仿真实验教学

传统的分析化学实验教学中,经过综合考虑,实验项目都是经过层层筛选得到的。教学内容上,部分毒性大、危险系数高、重复性差、废物处理困难的实验项目已经剔除,因此分析化学实验安排缺乏一定的广度;教学模式上,指导老师先讲解实验目的、原理、仪器试剂和实验步骤后,学生才开始实验操作,这种“保姆式”的教学使学生依赖性很强,不利于培养其学习的主动性和创新性。进行多媒体虚拟仿真实验教学,将试剂消耗量大、实验成本高、具有污染性与危险性的实验做成仿真系统来供学生操作演练。通过计算机来模拟实验,利用文字、图像、声音、动画的效果让学生达到身临其境的感受和亲身操作的效果,从而真正实现分析化学实验的“零排放”、“零污染”、“零伤害”。

6结语

为验证效果,以我校2019级动物检疫检验专业学生为研究对象实施了上述分析化学实验绿色化的改革探索。在课程考核结束后,对学生进行调查结果表明:①树立绿色教学理念,将其贯穿分析化学实验教学始终,有助于提高学生的节约、环保意识;②建立"微型化、减量化"实验体系提高了学生的实验操作技能,在保证实验效果的前提下,大幅降低了实验成本,减少了实验废弃物对环境的污染;③合理设计课程实验项目的连续性,检验了学生实验操作能力和实验效果,更培养了其可持续发展的意识;④做好废液的回收及循环利用,不仅有效利用了资源,更培养了学生的实验设计能力和创新能力;⑤进行虚拟仿真实验教学培养了学生学习的积极性和主动性,使其综合素质得到很大提高。

参考文献

[1]NATASAG.Twodifferentapproachestoananalyticalchemistrylaboratorypractical:widerandshallowerornarroweranddeeper[J].Analyticalandbioanalyticalchemistry,2019(23):5923-5928.

[2]杨新玲,刘志景.农牧应用型本科院校化学实验室安全管理研究[J].河南教育,2019,(8):35-37.

[3]刘二东.大学基础化学实验绿色化探索[J].山东化工,2019,48(23):209-210.

[4]韦良,杨显德,杨晶.高校分析化学实验课程教学中STSE教育理念的应用[J].化工管理,2020,(3):37-38.

[5]吴鸿伟.高校绿色分析化学实验课程的创建研究[J].山东化工,2019,48(7):189,209.

[6]钟国清.化学实验教学的绿色化改革与实践[J].实验技术与管理,2013,30(10):186-189.

[7]李芳蓉,孙彦坪,刘凤霞,等.动物医学,动物检疫及药学类专业分析化学实验教学创新人才培养[J].畜牧兽医杂志,2020,39(3):40-46.

[8]国家环境保护总局.皂素工业水污染物排放标准:GB20425-2006[S].北京:中国环境科学出版社,2007.

作者：刘志景 杨新玲 王建玲 李爱勤 单位：河南牧业经济学院