符合绿色化管理理念的环境化学实验设计
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摘 要：以企事业单位绿色化管理理念为指导，设计了绿色环境化学实验用来从根本上解决化学实验室的环境污染问题。通过以学生为主体的绿色环境化学实验的实施，训练了学生实验操作技能，更培养了其环境保护和节能减排意识，为社会各类企事业单位输送具有绿色管理理念的大学毕业生，这将有助于绿色化管理模式的推广，同时使环境科学专业毕业生在严峻的就业形势下具有一定的就业优势。
关键词：绿色化管理；环境化学实验；设计；环境保护；节能减排
一、绿色化管理引入背景
当今社会，绿色、循环、低碳是目前经济发展亟待推进的发展模式，而绿色化管理模式对于树立企事业单位保护环境、节约并合理利用资源的意识也是非常必要的。所谓绿色化管理，是对组织决策和活动与组织对自然环境的影响之间存在紧密联系的意识。它要求企事业单位在管理中方方面面、时时处处都要考虑环保、体现绿色。
高等学校化学实验室是大学生验证科学理论、训练实验技能、培养学生分析和解决问题能力的重要实训基地，是教师进行产学研的重要场所。随着高校化学实验室建设规模的扩大，化学专业各分支学科的实验内容、数量、种类及开设时长都有了不同程度增加，全面提高了教学质量和学生综合素质。而与此同时，化学实验室所产生“三废”的污染问题也呈现愈演愈烈的态势，这种污染虽然具有隐性、间断性的特点，但污染物的种类远远超过一般工厂，甚至为了得到明显的实验现象和验证经典的实验方法，期间还会涉及一些剧毒化学品的使用，因此化学实验室对环境的污染问题不容忽视。
为根本解决化学实验室的环境污染问题，实验室的绿色化管理势在必行。其中，绿色化学实验内容的设计本着从源头上减少和消除对环境污染，充分利用资源和能源，采用无毒、无害原料，并在无毒无害条件下，减少废物排放等原则，是实验室绿色化管理的一条有效途径。与企业生产产品相类似，大学生可被看作高等学校向社会各个行业输送的“产品”。在绿色化专业实验训练中已经充分树立了环境保护和节约合理利用资源意识的大学毕业生，在被输入到各个行业的企事业单位后，将有助于绿色化管理模式在单位内部的推广和应用，对提高单位绿色管理水平和整体形象的提升也是有利的促进。为此，绿色环境化学实验内容的设计是一个不可忽视的环节。
基于硫酸根自由基（SO4-）的过硫酸盐活化技术是一种新型高级氧化技术，其在环境污染治理中的应用是刚刚发展起来的崭新研究方向。本文拟将该技术用于水中三氯乙烯的氧化降解，以绿色化学理念设计“亚铁离子活化过硫酸钠降解水中三氯乙烯”的实验内容，引入到环境化学实验教学中。
二、实验过程
1.实验试剂
过硫酸钠（化学纯）；硫酸亚铁（0.1mol/L）；三氯乙烯（99.9%）；无水乙醇（分析纯）。
2.实验仪器
岛津GC-Plus气相色谱仪；分析天平（上海分析仪器厂）；气浴恒温振荡器（THZ-82B，金坛市国旺实验仪器厂）；棕色血清瓶（100mL）；烧杯（200mL、250mL）；微量进样针（10μL，1000μL，澳大利亚SGE公司）；气密性进样针（100μL，澳大利亚SGE公司）；移液枪（Dragon）；移液枪头（1000μL）；移液管（5mL，50 mL）；棕色溶剂瓶（10mL）。
3.实验原理
过硫酸盐在水中电离产生过硫酸根离子S2O82-，其相对于标准氢电极的标准氧化还原电位E0=+2.01V，但过硫酸盐比较稳定，在常温下往往反应速率比较慢，对有机污染物的降解效果并不明显。而在光、热、过渡金属离子（如Fe2+）等条件下，S2O82-被活化分解为氧化性更强的硫酸根自由基（SO4-・），其标准氧化还原电位E0=+2.5～+3.1V，接近甚至高出氧化性极强的羟基自由基（・OH，E0=+1.8～+2.7V）。
过渡金属离子Fe2+活化过硫酸盐的过程可表示为反应方程式（1）。
Fe2++S2O82-Fe3++SO4-+SO42- （1）
在这个活化反应过程中，所需活化能为50.2kJ/mol。
通过序批地向过硫酸钠降解三氯乙烯（TCE）的反应体系中加入Fe2+可以使体系中不断产生强氧化性的SO4-，进而TCE得以高效降解。
4.实验步骤
（1）三氯乙烯标准溶液的配制
用移液枪移取1mL三氯乙烯溶于4mL无水乙醇中备用。向6个100mL的棕色血清瓶中分别加入50mL蒸馏水，再以微量进样针量取相应剂量（如表1）三氯乙烯的乙醇溶液分别配制成浓度为0、2、4、8、16、20mg/L的三氯乙烯水溶液，密封瓶口，置于气浴恒温振荡器中振荡备用。
表1 三氯乙烯标准溶液配制表
（2）三氯乙烯检测方法
本实验中三氯乙烯的检测方法采用顶空进样，经Rtx-1型通用毛细管柱分离，氢火焰离子化检测器（FID）检测，以保留时间定性，峰面积定量。具体色谱条件为：
SPL温度：200℃；检测器温度：220℃；分流比：39；柱流量：0.57mL/min；
进样量：100μL顶空气体；
程序升温：60℃（3min）-50℃/min-100℃（3min）-80℃/min- 220℃（2min）。
（3）三氯乙烯标准曲线的绘制
将TCE标准溶液于室温下震荡20分钟后取出，用气密性进样针抽取100μL溶液上方气体（顶空气体），快速注入气相色谱进样口中，并启动检测方法。所得三氯乙烯保留时间约为5.189min（保留时间随进样的操作速度等手法不同而稍有变化），手动积分得到相应峰面积，记录于表2中。以峰面积作为纵轴，标准溶液浓度作为横轴绘制三氯乙烯的峰面积-浓度标准曲线。
表2 三氯乙烯标准曲线数据记录表
注意进样完毕之后，要对样品瓶口进行蜡封处理，以免体系漏气；同时将样品瓶放回恒温震荡器备用。
（4）过硫酸钠用量对三氯乙烯降解效果的影响
①称取质量分别为0.0119g、0.0179g和0.0357g过硫酸钠粉末，于50mL小烧杯内用5mL蒸馏水溶解后分别转移至3个100 mL的棕色血清瓶中，保持瓶内溶液量为50mL，将血清瓶做好1、2、3号标记，另备一个棕色血清瓶只加入等量蒸馏水作为空白对照；
②以微量进样针分别量取3.4μL三氯乙烯的乙醇溶液，注入上述4个血清瓶后加盖密封，摇匀；
③分别以微量进样针量取375μL浓度为0.1mol/L的硫酸亚铁溶液，依次每间隔10分钟注入1、2、3号反应瓶内，立即蜡封瓶盖并摇匀反应瓶，置入气浴恒温震荡器中振荡，在40分钟内每间隔10分钟取反应瓶顶空气体检测TCE含量，将峰面积值及其对应的TCE降解率记录在表3中，以降解率为纵轴，反应时间为横轴绘制曲线。
表3 过硫酸钠用量对20mg/L三氯乙烯降解效果影响
（5）硫酸亚铁用量对三氯乙烯降解效果的影响
①称取4份质量为0.0357g的过硫酸钠粉末，操作同（4）中相应步骤；
②以微量进样针分别量取3.4μL三氯乙烯的乙醇溶液，注入上述4个血清瓶后加盖密封，摇匀；
③分别以微量进样针量取75μL、150μL和375μL浓度为0.1mol/L的硫酸亚铁溶液，依次每间隔10分钟注入1、2、3号反应瓶内，立即蜡封瓶盖并摇匀反应瓶，置入气浴恒温震荡器中振荡，并每间隔5 min、分4次分别向上述3个反应瓶中注入与第一次加入量相同的硫酸亚铁溶液，在40分钟内每间隔10分钟取反应瓶顶空气体检测TCE含量，将峰面积值及其对应的TCE降解率记录在表4中，以降解率为纵轴，反应时间为横轴绘制曲线。
表4 硫酸亚铁用量对20mg/L三氯乙烯降解效果影响
（6）实验“三废”的处理
在完成上述各实验步骤后，引导学生分析本实验所产生废液、废渣、废气的化学成分，教育和启发学生对其进行必要的处理。可考虑给学生3-5天时间查阅相关资料，最终给出本实验“三废”处理的可行方法。
三、绿色化学设计理念体现分析
在上述“亚铁离子活化过硫酸钠降解水中三氯乙烯”的实验内容设计过程中，不同程度体现了绿色化学设计理念，主要表现在：
1.实验内容的选题是一种新型高级氧化技术，充分体现了本学科的研究热点，相对于Fenton氧化技术所需强酸性等特点而言，该技术具有环境友好性特点；
2.实验所涉及化学试剂中，过硫酸钠常温下稳定，分解产物除环境友好性的铁离子外，硫酸根离子是环境水体中的主要阴离子成分。三氯乙烯属于氯代烃类，与乙醇同属于有机溶剂，虽然有一定危害性，但在整个实验中用量很少，作为实验废液的有机成分，以热活化或亚铁离子活化过硫酸钠的方法能在不引入有害废物的情况下达到很好的去除效果；
3.对于三氯乙烯检测方法的选择，实验采用改良的顶空进样、毛细管柱气相色谱法。该方法由实验教学组老师在科研项目中建立并经反复实验证实是一种操作简便、快速、峰形好、干扰少且准确度较高的方法。
值得提出的是，本检测方法的操作步骤中避免了传统方法中以正己烷作为萃取剂、硫酸钠作为干燥剂的做法，同时，快速、简单的操作使得气相色谱使用过程中的能耗也相应减少，这些都是绿色化学原则的很好体现；
4.在影响因素研究步骤中，考虑到总学时限制，每组学生可任选其中一个影响因素进行实验研究，将实验学时控制在8学时之内。每种因素研究的实验步骤中仅涉及4个棕色血清瓶，并且所需的各种溶剂、试剂大多在半微量范围内，这种减量化的设计也是绿色化学理念的充分体现；
5.对于实验过程所产生的“三废”问题，本实验模式也是明显低于传统实验。采用的三氯乙烯和乙醇都是在血清瓶的密闭环境中，加入试剂均采用注射形式，较好的防止了实验废气逸出；作为废液的主要成分则主要考虑三氯乙烯和铁离子，其中铁离子对环境没有威胁；随着三氯乙烯降解影响因素的实验进行，瓶内残余三氯乙烯已达到微量级，为了确保对环境零负担，可采用加入适量过硫酸钠粉末并适当加热的方法，以热活化过硫酸钠更为彻底降解水中残留的三氯乙烯；而废渣则只涉及铁的沉淀物，集中回收后转化为离子还可以考虑循环利用。这些作为环境专业实验教学所特有的附加环节―“三废处理”更是对绿色化学设计理念的集中体现。
四、结语
通过以上绿色化学理念贯穿始终的实验教学内容，学生对环境化学实验产生了浓厚的兴趣，更新了对化学实验的旧有看法。实验过程绿色化，对学生环境保护和节能减排意识的形成是一种潜移默化的促进；新型、前沿的高级氧化技术，先进仪器的使用以及科学性实验方案的实施，拓宽了学生的视野，为学生科研思路的形成打下了良好的基础。最重要的是，经过这类绿色化专业实训的大学毕业生将提早具备绿色化管理理念，对于企事业单位绿色化管理模式的推广是一个有力促进，也因此在目前严峻的就业形势下显现出一定的就业优势。
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作者简介：岳俊杰（1977- ），女，天津市人，博士，副教授