本科分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化改革研究

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摘要:本論文以環(huán)境友好為出發(fā)點(diǎn),綜合考慮教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、和教學(xué)模式等多個方面對環(huán)境的影響,探索農(nóng)牧應(yīng)用型本科分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化改革,以有效利用化學(xué)資源,減少實(shí)驗(yàn)室廢液帶來的環(huán)境破壞和污染。

關(guān)鍵詞:環(huán)境友好;農(nóng)牧應(yīng)用型本科;分析化學(xué)實(shí)驗(yàn);綠色化改革

應(yīng)用型本科大學(xué)是中國高等教育系統(tǒng)中的重要組成部分,其重在"應(yīng)用"二字,要求專業(yè)的開設(shè)緊密結(jié)合地方發(fā)展的特色,注重鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力,培養(yǎng)應(yīng)用型人才。應(yīng)用型本科教學(xué)體系建設(shè)的核心環(huán)節(jié)是實(shí)踐教學(xué),分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)及相關(guān)專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)必修實(shí)驗(yàn)課程[1]。我校作為一所農(nóng)牧應(yīng)用型本科院校,開設(shè)化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)課程的專業(yè)有動物科學(xué)、動物藥學(xué)、動物檢疫檢驗(yàn)、動物醫(yī)學(xué)、制藥工程、水產(chǎn)養(yǎng)殖、食品科學(xué)、食品安全、生物工程、釀酒工程等10個專業(yè),每學(xué)年學(xué)習(xí)化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)生達(dá)到1000人以上。因?yàn)榉治龌瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)了大量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多,學(xué)生類型及人數(shù)多,實(shí)驗(yàn)中使用的化學(xué)藥品、試劑的種類和總量多,所以每個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在操作過程中存在嚴(yán)重的浪費(fèi)現(xiàn)象[2],而實(shí)驗(yàn)結(jié)束后產(chǎn)生的廢棄物對生態(tài)環(huán)境造成的污染更是不容忽視。綠色化學(xué)又稱環(huán)境友好化學(xué),其理念是從源頭上預(yù)防污染,生產(chǎn)過程中消除污染,生產(chǎn)終端能對廢物進(jìn)行有效處理和利用。世界上很多國家已把“化學(xué)的綠色化”作為新世紀(jì)化學(xué)進(jìn)展的主要方向之一[3]?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化的核心是“5R”原則[4],即Reduction:原料的減量和實(shí)驗(yàn)廢棄物的減排;Reuse:實(shí)驗(yàn)資源的循環(huán)重復(fù)使用;Recycling:實(shí)驗(yàn)資源的回收利用;Regeneration:實(shí)驗(yàn)廢物的有效利用;Rejection:有毒有害品的拒絕使用。農(nóng)牧應(yīng)用型本科院校分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化建設(shè),應(yīng)以環(huán)境友好為出發(fā)點(diǎn),綜合考慮教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)操作等多個方面對環(huán)境的影響,以有效利用化學(xué)資源,減少實(shí)驗(yàn)室的廢液帶來的環(huán)境破壞和污染。本文以我校分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為研究對象,結(jié)合我校相關(guān)專業(yè)的實(shí)際學(xué)情,對農(nóng)牧應(yīng)用型本科院校的分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化教學(xué)進(jìn)行了如下幾個方面的探究。

1樹立綠色教學(xué)理念

分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)不僅是訓(xùn)練學(xué)生的操作技能使其具有獨(dú)立完成分析實(shí)驗(yàn)的能力,更要使學(xué)生樹立節(jié)約、環(huán)保的意識[5]。分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)要求對所用的玻璃儀器進(jìn)行反復(fù)的清洗和潤洗,學(xué)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(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師應(yīng)強(qiáng)調(diào)控制每次操作時所用的量,夠用即可。在滴定分析實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中,按照實(shí)驗(yàn)要求規(guī)范操作,尤其是臨近滴定終點(diǎn)時,盡量不要滴過太多,造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果不可取,浪費(fèi)實(shí)驗(yàn)次數(shù),而且每次達(dá)到滴定終點(diǎn)時,滴定管中的溶液不必倒掉,進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)時補(bǔ)加至相應(yīng)刻度即可。分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)中會產(chǎn)生的一些有毒有害污染環(huán)境的廢棄物,如“重鉻酸鉀法標(biāo)定硫代硫酸鈉溶液”實(shí)驗(yàn)中重鉻酸鉀具有很強(qiáng)的毒性,“雙氧水中過氧化氫含量的測定”實(shí)驗(yàn)中會用到高錳酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液,大量重鉻酸鉀和含錳廢液的產(chǎn)生,如果隨意導(dǎo)入下水道,會造成環(huán)境的嚴(yán)重污染,會對學(xué)校及周圍的飲水和食品安全構(gòu)成威脅,從而教育學(xué)生節(jié)約試劑,廢液要做到集中有效處理。因此,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,向?qū)W生傳授綠色化學(xué)思想,增強(qiáng)其環(huán)保意識是推進(jìn)分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化改革的關(guān)鍵方面。

2建立“微型化、減量化”實(shí)驗(yàn)體系

分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的滴定分析是常量分析,實(shí)驗(yàn)室用的滴定分析玻璃儀器的規(guī)格為50mL容量瓶、250mL錐形瓶和25mL移液管,為保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確可靠,滴定體積一般在20~25mL。這就造成每個滴定分析實(shí)驗(yàn)需要配制和使用大量的溶液。微型分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)是在保證預(yù)期需要的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn),本校分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)室對滴定分析所用的玻璃儀器進(jìn)行了小量化探索,而保證實(shí)驗(yàn)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(xué)生在操作時更加的規(guī)范和細(xì)心,在保證滴定結(jié)果的準(zhǔn)確度和精密度的同時,大幅降低了實(shí)驗(yàn)成本,減少了實(shí)驗(yàn)廢棄物對環(huán)境的污染。在推廣微型分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,還要重點(diǎn)進(jìn)行減量化實(shí)驗(yàn)改革,即在保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)[7]。例如,分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“直接碘量法測定維生素C含量”,實(shí)驗(yàn)教材采用的滴定劑為0.05000mol·L-1的碘標(biāo)準(zhǔn)溶液,我們把其濃度降為0.02500mol·L-1,依然可以保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確度和精密度;分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)驗(yàn)教材中硝酸銀標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度是0.1000mol·L-1,我們將其濃度降低到0.05000mol·L-1,經(jīng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作依然可以得到較好的實(shí)驗(yàn)效果。所以在不影響實(shí)驗(yàn)效果的前提下,盡量降低滴定劑的濃度,一刻減少實(shí)驗(yàn)試劑的用量,從源頭上盡可能的減少對環(huán)境的污染。

3合理設(shè)計課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的連續(xù)性

將前一實(shí)驗(yàn)配制、標(biāo)定的溶液作為下一實(shí)驗(yàn)的滴定劑。如在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“NaOH溶液的配制和標(biāo)定”后設(shè)置“食醋總酸度的測定”,用已經(jīng)標(biāo)定好的溶度準(zhǔn)確已知的氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)定”后設(shè)置“混合堿組成和含量的測定(雙指示劑法)”,用已經(jīng)標(biāo)定的HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液來滴定一定體積的混合堿樣品,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來確定混合堿的組成及各自的含量。將單一的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相關(guān)聯(lián),不僅滲透著綠色教學(xué)的理念,也能很好地檢驗(yàn)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力和實(shí)驗(yàn)效果,更能培養(yǎng)其可持續(xù)發(fā)展的意識。

4做好廢液的回收及循環(huán)利用

分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)中會用到或產(chǎn)生的一些有毒有害污染環(huán)境的試劑。例如分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“雙氧水中過氧化氫含量的測定”,會用到高錳酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液,產(chǎn)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(jīng)過濾分離,沉淀物保留,使錳含量符合污水排放標(biāo)準(zhǔn)。再例如,分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“生理鹽水中氯含量的測定”,產(chǎn)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(zhuǎn)化為AgCl沉淀;經(jīng)過濾分離后,再加入氨水使AgCl轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為Ag2O沉淀;最后加入HNO3得到AgNO3溶液;得到的AgNO3溶液經(jīng)標(biāo)定后即可用做學(xué)生實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)溶液供使用。通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計對實(shí)驗(yàn)廢液進(jìn)行有效處理和循環(huán)利用,在提高化學(xué)試劑的使用率及減少環(huán)境污染的同時,還可以提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

5進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

傳統(tǒng)的分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,經(jīng)過綜合考慮,實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都是經(jīng)過層層篩選得到的。教學(xué)內(nèi)容上,部分毒性大、危險系數(shù)高、重復(fù)性差、廢物處理困難的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已經(jīng)剔除,因此分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)安排缺乏一定的廣度;教學(xué)模式上,指導(dǎo)老師先講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、儀器試劑和實(shí)驗(yàn)步驟后,學(xué)生才開始實(shí)驗(yàn)操作,這種“保姆式”的教學(xué)使學(xué)生依賴性很強(qiáng),不利于培養(yǎng)其學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)新性。進(jìn)行多媒體虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué),將試劑消耗量大、實(shí)驗(yàn)成本高、具有污染性與危險性的實(shí)驗(yàn)做成仿真系統(tǒng)來供學(xué)生操作演練。通過計算機(jī)來模擬實(shí)驗(yàn),利用文字、圖像、聲音、動畫的效果讓學(xué)生達(dá)到身臨其境的感受和親身操作的效果,從而真正實(shí)現(xiàn)分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)的“零排放”、“零污染”、“零傷害”。

6結(jié)語

為驗(yàn)證效果,以我校2019級動物檢疫檢驗(yàn)專業(yè)學(xué)生為研究對象實(shí)施了上述分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)綠色化的改革探索。在課程考核結(jié)束后,對學(xué)生進(jìn)行調(diào)查結(jié)果表明:①樹立綠色教學(xué)理念,將其貫穿分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)始終,有助于提高學(xué)生的節(jié)約、環(huán)保意識;②建立"微型化、減量化"實(shí)驗(yàn)體系提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能,在保證實(shí)驗(yàn)效果的前提下,大幅降低了實(shí)驗(yàn)成本,減少了實(shí)驗(yàn)廢棄物對環(huán)境的污染;③合理設(shè)計課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的連續(xù)性,檢驗(yàn)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力和實(shí)驗(yàn)效果,更培養(yǎng)了其可持續(xù)發(fā)展的意識;④做好廢液的回收及循環(huán)利用,不僅有效利用了資源,更培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計能力和創(chuàng)新能力;⑤進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性,使其綜合素質(zhì)得到很大提高。

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作者：劉志景 楊新玲 王建玲 李愛勤 單位：河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院