大学化学实验教学的能耗与环保问题思考

摘要

大学本科教育阶段化学类、化工类、材料类等专业的基础化学实验课程是培养学生动手能力和创新能力必不可少的环节。分析实验教学中一些不节能、不环保现象产生的原因，并根据具体情况，以实际案例为基础，提出解决这些问题的建议，让学生在获得理论知识、提升动手能力和创新能力的同时，对节能环保、绿色化学和绿色化工的概念有深刻的认知。

关键词

化学实验教学 / 大学本科 / 创新能力 / 节能环保 / 绿色化学 / 绿色化工

化学实验课程是面向大学本科教育阶段化学类、化工类、材料类等专业的学生开设的基础化学实验课程，对今后从事化学化工相关行业的工作是至关重要的锻炼。其教学目的一方面是训练学生掌握化学实验的基本仪器、设备的使用方法和基本实验操作技能，相比纯理论教学，实验教学能更有效地帮助学生加深并巩固对基础理论知识的理解；另一方面可以培养学生的基本科研能力，包括观察能力、思维能力与动手能力等^［1-3］。

高校化学实验室是化学类人才培养的重要场所，是创新型人才培养的重要基地，对学生动手能力、创新能力的培养起着十分关键的作用。但在实验室里经常会见到这些情景：学生在加液体加多了后又把多的药品倒掉；进行其他操作时忘了熄灭酒精灯；洗涤仪器时用力过猛把仪器弄坏了；加热的电热套不关开关，直接拔电源；冷凝水哗哗地流，实验结束时水龙头忘关了或没关好等。这样会产生大量的能源和材料浪费^［4-5］。

学生做合成实验仅为得到合成产物，而对实验过程中产生的废气、废水、废弃物关心很少，结果许多学生将废弃物随意丢弃，废水、废液倒入下水道，严重腐蚀着下水道，造成管道漏水，污染水体和环境。学生缺少环保意识和绿色化学思想，这和化工企业所需要的具有环保意识、绿色化学思想的应用型人才格格不入^［6-10］。笔者多年从事有机化学的实验教学工作，针对有机化学实验中的能耗和绿色环保问题谈一点自己的看法。

1 优化实验教学降低反应能耗

能源问题不仅关系到各国的经济情况，而且深刻影响着全人类的生存与发展。因此，在当今“碳中和”“碳达峰”的大环境背景下，减少能源消耗成为全球的共识与选择。而在有机化学实验教学中，几乎每个实验都会用到加热反应装置，同时在实验过程中会排放大量的循环冷凝水，造成不必要的消耗。因此，在实验教学中逐步渗透节能减排教育尤为重要^［11-12］。

1.1 规范实验操作降低能耗

实验操作不规范往往是造成能源损失、材料消耗的主要原因之一。比如在有机化学实验中涉及蒸馏、回流的操作较多，而学生在使用电加热套时常常出现加热套与反应体系距离过远、停止反应后不关加热装置等问题。再如，在上述操作中会伴随冷凝水的使用，学生在使用冷凝水时往往会存在水流过大、实验后忘关冷凝水的现象。因此，应在实验前规范学生的实验操作，告诫学生正确使用这些实验仪器，引导学生践行节能减排、绿色化学以及可持续性发展的理念。

1.2 采用创新实验降低能耗

微型化学实验是近年来国内外迅速发展起来的一种化学实验的新理念、新方法。将微型化学实验引入实验教学中，具有有效降低反应的能耗、减少试剂用量、缩短反应时间等优点。

以对氨基苯磺酸的制备为例，在试剂用量减少80%的情况下，微型实验的产率与常规实验相比只有少许下降，但是实验中加热时间减少了30 min，在180~190 ℃的高温下缩短30 min加热时间所节约的能源，经过日积月累是一个不小的数值。由此可见，微型有机化学实验可实现节能减排的实验教学思想，同时提高学习效率。

此外，在实施微型有机化学教学实验的同时可穿插进行设计性实验。教师通过设置相关出发点，要求学生根据常规实验方案查找资料，自主进行实验的设计。采用创新实验除达到降低能耗的目的外，还有以下优势。

（1）增强学生对相关知识、技能的熟练运用能力。无论是微型实验还是设计性实验，都需要学生运用所学进行处理，以达到相应效果。

（2）突出学生的主体地位，发挥其主观能动性。实验不再是按部就班，要求学生对实验有自己的理解。

（3）强化学生的实践操作能力。微型有机化学实验中所用试剂量减少，反应时间缩短，实验现象不易观察，更要求学生在实验中熟练操作、细心观察。

2 利用绿色环保实验替代高污染操作

随着社会的不断发展，环境保护问题日益成为人们关注的焦点，如何避免高污染操作是实验领域亟待解决的课题。有机化学实验与其他理工类实验相比，操作更加复杂，反应物与产物的理化性质也较为活泼，需要采取妥当的处理方式，以保证实验室环境的清洁绿色和实验人员的人身健康。

2.1 积极开展实验室安全规范培训

对于有机化学实验，实验前的实验室安全培训是必不可少的环节。由于不同实验的操作具有渐进性和多样性，培训不仅需要全面覆盖刚接触实验的本科一年级新生，还要定期对进行复杂且具有危险性实验操作的实验人员进行更加深入的安全教育。对此，可以采取实验室安全培训分级制度，每半年进行一次统一教学，以循序渐进的方式持续加强学生的实验室安全与环保意识，使实验人员能够真正做到全面掌握实验室通风橱的使用、实验室三废无害化处理等重要的实验室环保操作。

2.2 定期更换实验室环保设备

实验室各类设备的运行情况关系到实验室的环保与安全。对于实验室内常用的通风橱、排水槽等，要定期进行维护，长时间使用后则需要进行更换；实验室内必须安装循环新风系统，保证实验室内的空气流通，及时排走并处理高污染废气，在指定周期内需派维护人员进行全面清洁；对于高污染的废液、废固，可派专人进行回收处理，尽量不要使废弃物在暂储设备内停留过长时间，以免造成泄漏等污染情况，如果设备发生损坏，应及时更换。

2.3 授课时开设新型环保实验

在有机化学实验授课的过程中，可将某些高污染的实验替换为新型的有机环保实验。例如，通过有机反应实现工业废水无害化处理，设计有机实验实现塑料的可持续降解，以及从低危害的生活垃圾中提取高附加值的有机产物等，在充分培养学生可持续发展意识的同时，激发其对化学学习的兴趣，也可让学生自行设计环保实验，在锻炼学生独立思考能力的同时，潜移默化地形成实验室环保观念。

3 结语

在化学实验课的教学过程中，既要根据学校具体情况和专业特色设计相应的实验内容，又要考虑实验内容所涉及的能源与环保问题，尽量避免高能耗高污染的实验，在实验操作中灌输节能和绿色理念。在让学生获得理论知识、培养动手能力的同时，也要让学生对节能环保、绿色化学和绿色化工概念有更加深刻的认知。

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