本科分析化學實驗綠色化改革研究

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摘要:本論文以環境友好為出發點,綜合考慮教學理念、教學內容、和教學模式等多個方面對環境的影響,探索農牧應用型本科分析化學實驗綠色化改革,以有效利用化學資源,減少實驗室廢液帶來的環境破壞和污染。

關鍵詞:環境友好;農牧應用型本科;分析化學實驗;綠色化改革

應用型本科大學是中國高等教育系統中的重要組成部分,其重在"應用"二字,要求專業的開設緊密結合地方發展的特色,注重鍛煉學生的實踐能力,培養應用型人才。應用型本科教學體系建設的核心環節是實踐教學,分析化學實驗是化學及相關專業的一門重要基礎必修實驗課程[1]。我校作為一所農牧應用型本科院校,開設化學分析實驗課程的專業有動物科學、動物藥學、動物檢疫檢驗、動物醫學、制藥工程、水產養殖、食品科學、食品安全、生物工程、釀酒工程等10個專業,每學年學習化學分析實驗課程的學生達到1000人以上。因為分析化學實驗室承擔了大量的實驗教學內容,實驗項目多,學生類型及人數多,實驗中使用的化學藥品、試劑的種類和總量多,所以每個實驗項目在操作過程中存在嚴重的浪費現象[2],而實驗結束后產生的廢棄物對生態環境造成的污染更是不容忽視。綠色化學又稱環境友好化學,其理念是從源頭上預防污染,生產過程中消除污染,生產終端能對廢物進行有效處理和利用。世界上很多國家已把“化學的綠色化”作為新世紀化學進展的主要方向之一[3]。化學實驗綠色化的核心是“5R”原則[4],即Reduction:原料的減量和實驗廢棄物的減排;Reuse:實驗資源的循環重復使用;Recycling:實驗資源的回收利用;Regeneration:實驗廢物的有效利用;Rejection:有毒有害品的拒絕使用。農牧應用型本科院校分析化學實驗的綠色化建設,應以環境友好為出發點,綜合考慮教學理念、教學內容、實驗方案和實驗操作等多個方面對環境的影響,以有效利用化學資源,減少實驗室的廢液帶來的環境破壞和污染。本文以我校分析化學實驗教學為研究對象,結合我校相關專業的實際學情,對農牧應用型本科院校的分析化學實驗綠色化教學進行了如下幾個方面的探究。

1樹立綠色教學理念

分析化學實驗的教學目標不僅是訓練學生的操作技能使其具有獨立完成分析實驗的能力,更要使學生樹立節約、環保的意識[5]。分析化學實驗要求對所用的玻璃儀器進行反復的清洗和潤洗,學生往往會任水管自流,潤洗所用試劑的量亦很少注意,分析化學實驗指導老師應強調控制每次操作時所用的量,夠用即可。在滴定分析實驗項目中,按照實驗要求規范操作,尤其是臨近滴定終點時,盡量不要滴過太多,造成實驗結果不可取,浪費實驗次數,而且每次達到滴定終點時,滴定管中的溶液不必倒掉,進行平行實驗時補加至相應刻度即可。分析化學實驗中會產生的一些有毒有害污染環境的廢棄物,如“重鉻酸鉀法標定硫代硫酸鈉溶液”實驗中重鉻酸鉀具有很強的毒性,“雙氧水中過氧化氫含量的測定”實驗中會用到高錳酸鉀標準溶液,大量重鉻酸鉀和含錳廢液的產生,如果隨意導入下水道,會造成環境的嚴重污染,會對學校及周圍的飲水和食品安全構成威脅,從而教育學生節約試劑,廢液要做到集中有效處理。因此,在實驗教學過程中,向學生傳授綠色化學思想,增強其環保意識是推進分析化學實驗綠色化改革的關鍵方面。

2建立“微型化、減量化”實驗體系

分析化學實驗中的滴定分析是常量分析,實驗室用的滴定分析玻璃儀器的規格為50mL容量瓶、250mL錐形瓶和25mL移液管,為保證分析結果的準確可靠,滴定體積一般在20~25mL。這就造成每個滴定分析實驗需要配制和使用大量的溶液。微型分析化學實驗是在保證預期需要的實驗準確度的前提下,采用微型玻璃儀器,使試劑的用量盡可能的減少[6]。為了推廣微型化實驗,本校分析化學實驗室對滴定分析所用的玻璃儀器進行了小量化探索,而保證實驗操作方法基本不變。例如,將50mL滴定管換為25mL250mL、錐形瓶換為100mL、25mL移液管換為10mL后,學生在操作時更加的規范和細心,在保證滴定結果的準確度和精密度的同時,大幅降低了實驗成本,減少了實驗廢棄物對環境的污染。在推廣微型分析化學實驗的基礎上,還要重點進行減量化實驗改革,即在保證實驗教學效果的前提下,不更換分析儀器的條件,通過減小溶液濃度及用量的方法進行分析實驗[7]。例如,分析化學實驗項目“直接碘量法測定維生素C含量”,實驗教材采用的滴定劑為0.05000mol·L-1的碘標準溶液,我們把其濃度降為0.02500mol·L-1,依然可以保證分析結果的準確度和精密度;分析化學實驗項目"理鹽水中氯含量的測定",所用試劑硝酸銀的價格比較昂貴,實驗教材中硝酸銀標準溶液的濃度是0.1000mol·L-1,我們將其濃度降低到0.05000mol·L-1,經學生實驗操作依然可以得到較好的實驗效果。所以在不影響實驗效果的前提下,盡量降低滴定劑的濃度,一刻減少實驗試劑的用量,從源頭上盡可能的減少對環境的污染。

3合理設計課程實驗項目的連續性

將前一實驗配制、標定的溶液作為下一實驗的滴定劑。如在實驗項目“NaOH溶液的配制和標定”后設置“食醋總酸度的測定”,用已經標定好的溶度準確已知的氫氧化鈉標準溶液來滴定一定體積的食醋樣品,從而得到食醋的總酸度;在“HCl溶液的配制和標定”后設置“混合堿組成和含量的測定(雙指示劑法)”,用已經標定的HCl標準溶液來滴定一定體積的混合堿樣品,根據實驗結果來確定混合堿的組成及各自的含量。將單一的實驗項目相關聯,不僅滲透著綠色教學的理念,也能很好地檢驗學生的實驗操作能力和實驗效果,更能培養其可持續發展的意識。

4做好廢液的回收及循環利用

分析化學實驗中會用到或產生的一些有毒有害污染環境的試劑。例如分析化學實驗項目“雙氧水中過氧化氫含量的測定”,會用到高錳酸鉀標準溶液,產生的廢液中含有大量的錳。參考GB20425-2006第二類污染物最高允許排放濃度,含錳廢液中總錳的最高排放值為2.0mg·L-1[8],因此可在廢液中加入NaOH使錳生成MnO2沉淀,經過濾分離,沉淀物保留,使錳含量符合污水排放標準。再例如,分析化學實驗項目“生理鹽水中氯含量的測定”,產生廢液的主要成分就是氯化銀和硝酸銀,我們可以用價格便宜的NaCl溶液把廢液中的Ag+轉化為AgCl沉淀;經過濾分離后,再加入氨水使AgCl轉化為可溶的[Ag(NH3)4]+;接著在[Ag(NH3)4]+溶液中加入過量NaOH使[Ag(NH3)4]+轉化為Ag2O沉淀;最后加入HNO3得到AgNO3溶液;得到的AgNO3溶液經標定后即可用做學生實驗的標準溶液供使用。通過實驗設計對實驗廢液進行有效處理和循環利用,在提高化學試劑的使用率及減少環境污染的同時,還可以提高學生的綜合素質和創新能力。

5進行虛擬仿真實驗教學

傳統的分析化學實驗教學中,經過綜合考慮,實驗項目都是經過層層篩選得到的。教學內容上,部分毒性大、危險系數高、重復性差、廢物處理困難的實驗項目已經剔除,因此分析化學實驗安排缺乏一定的廣度;教學模式上,指導老師先講解實驗目的、原理、儀器試劑和實驗步驟后,學生才開始實驗操作,這種“保姆式”的教學使學生依賴性很強,不利于培養其學習的主動性和創新性。進行多媒體虛擬仿真實驗教學,將試劑消耗量大、實驗成本高、具有污染性與危險性的實驗做成仿真系統來供學生操作演練。通過計算機來模擬實驗,利用文字、圖像、聲音、動畫的效果讓學生達到身臨其境的感受和親身操作的效果,從而真正實現分析化學實驗的“零排放”、“零污染”、“零傷害”。

6結語

為驗證效果,以我校2019級動物檢疫檢驗專業學生為研究對象實施了上述分析化學實驗綠色化的改革探索。在課程考核結束后,對學生進行調查結果表明:①樹立綠色教學理念,將其貫穿分析化學實驗教學始終,有助于提高學生的節約、環保意識;②建立"微型化、減量化"實驗體系提高了學生的實驗操作技能,在保證實驗效果的前提下,大幅降低了實驗成本,減少了實驗廢棄物對環境的污染;③合理設計課程實驗項目的連續性,檢驗了學生實驗操作能力和實驗效果,更培養了其可持續發展的意識;④做好廢液的回收及循環利用,不僅有效利用了資源,更培養了學生的實驗設計能力和創新能力;⑤進行虛擬仿真實驗教學培養了學生學習的積極性和主動性,使其綜合素質得到很大提高。

參考文獻

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[8]國家環境保護總局.皂素工業水污染物排放標準:GB20425-2006[S].北京:中國環境科學出版社,2007.

作者：劉志景 楊新玲 王建玲 李愛勤 單位：河南牧業經濟學院