大学化学, 2018, 33(4): 41-45 doi: 10.3866/PKU.DXHX201710001

化学实验

高等院校化学实验室废弃物问题的思考

徐烜峰1, 李维红,1, 边磊1, 关玲1, 李恩敬2, 张奇涵1

Thinking on the Problems of Chemical Waste Disposal in College Laboratories

XU Xuanfeng1, LI Weihong,1, BIAN Lei1, GUAN Ling1, LI Enjing2, ZHANG Qihan1

通讯作者: 李维红,Email: xuan@pku.edu.cn

收稿日期: 2017-10-11   接受日期: 2017-12-26  

Received: 2017-10-11   Accepted: 2017-12-26  

摘要

介绍了国内化学废弃物处置方面的相关法规和管理办法,并以美国休斯顿大学为例,介绍了美国高校实验室废弃物处置机制,包括法规、机构、管理办法、责任等。以2010至2011年间美国化学会Journal of Chemical Education期刊中涉及废弃物处置的四个教学实验,阐述了“3R”(循环、减量、再利用)绿色化学原则。最后以北京大学为例,介绍我国高校化学实验室对废弃物处理的做法。

关键词: 高校实验室 ; 化学废弃物 ; 安全管理

Abstract

Several laws and management strategies related to chemical disposal in China were introduced. Houston University was employed as an example of American university to illustrate chemical disposal system including laws, institutions, management and responsibility in the United States. "3R" (Recycle, Reduce and Reuse) green chemistry rules were demonstrated using four student experiments published in Journal of Chemical Education, ACS in 2010 and 2011. Some management methods of Peking University were presented here to illustrate the disposition of chemical waste in domestic Chinese college laboratories.

Keywords: University laboratory ; Chemical waste ; Safety management

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徐烜峰, 李维红, 边磊, 关玲, 李恩敬, 张奇涵. 高等院校化学实验室废弃物问题的思考. 大学化学[J], 2018, 33(4): 41-45 doi:10.3866/PKU.DXHX201710001

XU Xuanfeng, LI Weihong, BIAN Lei, GUAN Ling, LI Enjing, ZHANG Qihan. Thinking on the Problems of Chemical Waste Disposal in College Laboratories. University Chemistry[J], 2018, 33(4): 41-45 doi:10.3866/PKU.DXHX201710001

化学是一门以实验为基础的科学,教学科研活动都离不开实验室,化学反应过程不可避免地会产生一定规模的废弃物。虽然高等院校化学实验室的危险废弃物总量规模较小,处置不当的后果没有工业生产那么严重,但具有隐蔽性、间断性、长期性等特点,且一次性破坏并不显著,因而不易被察觉,然而危害却不小,规模效应不容忽视;不同学校的实验课程设置不同,处置方法不能一刀切;并且化学实验室废弃物种类繁多、组成复杂多变,处理难度大,尤其相当一部分是剧毒品、致癌物、易燃易爆品,有的还具有放射性,稍有不慎,就会酿成事故!

1 国内关于实验室废弃物处置的政策法规和管理办法

1.1 政府部门颁布的法律法规

化学废弃物的安全处置是危险化学品安全管理的最后一环,也是至关重要的一环。国内处置危险化学废弃物所依据的主要法律法规有:《中华人民共和国环境保护法》《中华人民共和国水污染防治法》《固体废物污染环境防治法》《危险化学品安全管理条例》《关于加强实验室类污染环境监管的通知》等,还有环保部于2016年6月14日颁布的最新《国家危险废物名录》。

另据《刑法》规定,排放、倾倒或者处置有放射性的废物、含传染病病原体的废物、有毒物质或者其他有害物质,严重污染环境的,处三年以下有期徒刑或者拘役,并处罚金。最高人民法院、最高人民检察院《关于办理环境污染刑事案件适用法律若干问题的解释》第一条实施刑法第三百三十八条规定具有下列情形之一的行为,应当认定为严重污染环境:非法排放、倾倒、处置危险废物三吨以上;致使公私财产损失一百万元以上。

鉴于天津港爆炸事件的惨痛教训,国务院于2016年11月29日印发国办发[2016]88号文《危险化学品安全综合治理方案》,可以预见今后对危险化学品的管理将更严格。北京市安全生产委员会办公室也于2017年10月9日专门印发了《高等院校实验室危险化学品安全管理规范(试行)》,其中第9章对危险废物处置做出了具体、规范和更加严格的要求。

1.2 高校自主管理办法

高等院校通常会在国家颁布相关法律法规之后,在学校和学院两个层面制定相应的实验室废弃物处理规定或办法。例如,在第一个关于实验室污染治理的国家法规《关于加强实验室类污染环境监管的通知》(环办[2004]15号,国家环境保护总局2004年发布)之后,北京理工大学、北京大学和北京科技大学先后发布了《北京理工大学废弃化学试剂处理管理规定》(校办字[2005]75号)、《北京大学实验室危险化学废物处理实施细则》(校发[2006]202号)和《北京科技大学实验室危险化学品废物处理实施办法》(校发[2007]69号)。厦门大学和复旦大学也先后发布了《厦门大学实验室危险废物处置管理暂行办法》(厦大资产[2014]19号)和《复旦大学实验室废弃物安全管理办法》(校通字[2017]5号)。

北京大学化学与分子工程学院例来有重视实验室安全的传统,相关规定也经常走在学校之前。早在1997年,化学学院就开始对实验室废液进行回收和消纳,2002年建立了关于危险化学废物处理办法的规定,并于2017年进行修订,同时出台了关于废液回收桶的管理规定及实验室生物废弃物处理的规定。通常学院的各个二级单位也制定有适合自身特点的相关办法。

2 国外高校废弃物的合理处置

2.1 基础实验强化绿色化理念

20世纪90年代初,美国化学会(ACS)提出了绿色化学(Green Chemistry)的理念,从预防污染的基本思想出发,在化学产品生产的始端就采用科学的预防手段,努力实现整个过程和终端均为零排放的目标[1]。该理念和工业生产的本质安全有异曲同工之处。

化学实验绿色化主要遵循3R原则:Recycle, Reduce and Reuse (循环、减量、再利用),该原则已经在国际范围达成广泛共识。2010至2011年在美国ACS关于化学教育的期刊J. Chem. Educ.发表的论文中,有4篇展示了在学生实验中对3R原则的运用[2-5]

论文1 (Recycling of Waste Acetone by Fractional Distillation) [2]是将学生洗涤玻璃仪器后剩余的丙酮废液用在基础实验的分馏操作基本训练中,用折射率和密度作为实验结果的表征参数。学生得到的丙酮可以接着用于洗玻璃仪器,满足教学使用之后,多余的收集供给公共蒸馏室,学院方面有人负责处理,体现了重复循环利用的原则。

论文2 (Chemical Remediation of Nickel(Ⅱ) Waste: A Laboratory Experiment for General Chemistry Students) [3]是将高浓度的二价镍化合物(硫酸镍)废液经过沉淀法得到氢氧化镍,过程中使用的氢氧化钠是上一个教学实验产生的。学生通过试验不同过滤方式和沉淀时间等条件,探讨哪种方式能得到更多产物,用电感耦合等离子体发射光谱仪表征实验结果。这一实验给学生传递危险废物减量化的理念。同样的化学试剂减量化的观念在论文3 (Minimizing Hazardous Waste in the Undergraduate Analytical Laboratory: A Microcell for Electrochemistry) [4]中体现为在基础电化学教学实验中,通过自制简易电极,使样品消耗从几毫升降低至0.2毫升,使实验更加微量化,而且电极清洗起来比商业电极更加方便。

论文4 (Acid-Catalyzed Preparation of Biodiesel from Waste Vegetable Oil: An Experiment for the Undergraduate Organic Chemistry Laboratory) [5]体现了再利用的原则,实验原料是废的植物油,通过在碱性和酸性两个不同条件下与甲醇和1-丙醇的反应,讲授酯交换的概念和费歇尔酯化,探讨植物油和生物柴油的可燃性,用粘度作为表征手段,条件允许还可以使用核磁共振。这种利用实际生活的废弃物来进行的实验也受到学生的欢迎。

2.2 休斯顿大学化学废弃物处置举措

美国高校一般都有校级负责实验室安全管理的机构,哈佛大学、普林斯顿大学等高校称其为环境健康与安全管理体系(Environmental Health and Safety,EHS),在其EHS网站上有常见废弃物处理的问题介绍、典型不正确操作图解以及各类标识和小贴士。该部门的工作细致到极点。休斯顿大学的相关机构为环境健康与风险管理部(Environmental Health and Risk Management Department,EHRM),这个部门和我国高校的设备部环保办相似,但是功能和权力更加丰富。

除了校级安全管理机构的专职人员以外,各科研组组长(Principal Investigator,PI)对本实验室安全工作直接负责,废液处置各环节出现的问题都由校级安全管理机构向PI直接问责[6]。这种独立于学院层面之外的第三方机构在事故责任认定时不受其他因素的干扰,往往极具权威。

休斯敦大学地处德克萨斯州,除了遵守资源保持和恢复法案(Resource Conservation and Recovery Act,RCRA)和环境保护署(EPA)的相关要求外,还要遵守德克萨斯州环境质量委员会(Texas Commission on Environmental Quality,TCEQ)的相关规定[7]

休斯顿大学EHRM工作人员也主张从源头减少废弃物的产生,如在暗室中增加银回收单元,减少含银废水的产生。通过管控,学校采购部门会限制课题组未来可能带来危险废物的购买行为,如对水银温度计的购买就有严格的管控措施。他们还同时推荐在校园内调剂可利用的化学品。

和多数美国高校一样,休斯顿大学的“卫星式存放区”(Satellite Accumulation Areas,SAA)也不能存放超过55加仑(约208升)的危险废物,非常危险(会剧烈反应)的废物不能超过1夸脱(约0.946升),同时在学校里设置有“90天废弃物存放区”。

休斯顿大学EHRM工作人员会对化学实验操作者及废弃物转运处理人员采用线上课程进行培训,并有培训记录。培训内容包括EPA和TCEQ的规章,SAA的要求,如何在线提交废液,如何在回收容器上正确地贴标签,不兼容的化学物质要分开,等等。

EHRM工作人员尤其强调安全意识和责任感是安全处理废弃物的关键,要求实验人员定期处理过期的药品,否则时间一长,标签不明显会给后期处理带来困难。这和加州大学伯克利分校倡导的“安全是科学素养的一部分”理念一致。

另外,当发现回收容器变形,有爆炸可能性时,转运人员有权利拒绝回收。EHRM工作人员会联系供应商直接拉走,或者邀请专业废弃物处理人员来评估废弃物,确保安全,最大限度避免爆炸事故发生。EHRM工作人员和专业的废弃物处理人员首先在回收过程中将含卤和不含卤的化合物分开,对于未知物,先小规模地试一试,看看是否有剧烈的反应。在做好防护的前提下,简单地测试pH和密度,然后还可以检测是否存在氧化剂、氟化物、有机试剂、碘、溴,更高级的检测手段为气相色谱(GC)和手持式拉曼光谱仪。这就好比“盲人摸象”,对于未知废物了解的信息越多,对后面的处置工作就越有利。

3 北京大学实验室废物安全管理现状

3.1 根据废液总量,建立暂存库

目前国内高校实验室危险废弃物处置的监督、落实和经费管理多数由实验室设备与管理部(环保办)负责,也有些高校则划归保卫处,存在人员不足的情况。例如,北京大学的一般性实验室就有上千个,而环保办却只有四名工作人员,因此具体事务基本上由院系工作人员承担,多数安全管理教师为兼职,同时也承担着繁重的教学、科研或服务工作。

总体上说,实验室处理危险废弃物的规模和费用这些年均呈现水涨船高的趋势,多数高校处理费用都在100万元以上(表1),综合性大学更多,应该说给各个高校带来了一定的负担。在北京大学化学学院,处理废弃物费用的30%由学院承担,其余由学校承担,完全不用课题组自己支付一分钱,这在一定程度上减轻了课题组回收废弃物的顾虑。

表1   几所代表性高校实验室危险废弃物总量及费用

高校 年度 总量/吨 费用/万元
某科技大学 2014 32.68 130
某农业大学 2015 70 187
浙江某大学 2015 220
北京某大学 2016 ~231 294

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尽管有资质的危险废物处理公司的收费标准较高,北京大学仍然坚持与之签订处理废液的定期合同。虽说公司会按照合同转运化学废液,但是因为北京大学地处首都,政治性强,在重大会议或者特殊事件期间,上级部门会对于危险化学废弃物的转运进行严格管控。此外,在春节寒假前期,由于各种原因,会导致废弃物出口不畅。这些不能及时转运的化学废弃物会带来极大的安全隐患,大量易燃易爆废液堆积在一起,稍有不慎,一个烟头或者一点火星就有可能造成火灾事故,需要加大力度保证安全。为此,北京大学建立了实验室废液暂存库(图1),内部为定制的废液存放柜,可临时存放百余桶实验室废液,满足实验室的日常要求。通过科学设计,使废液暂存库兼具通风、废气处置、应急等功能,更安全、整洁、环保,也使日常维护管理变得更为方便。

图1

图1   实验室废弃物暂存库


3.2 废物回收要求

为了预防废液桶中的废液之间发生反应等事故,化学学院要求学生在向废液回收桶内倒入废液时应仔细察看《化学废弃物记录单》,确保将要倒入桶内的废液不和已有的废液发生反应,并应及时登记废液的品种和数量。化学从业者要特别注意以下废液成分不能混合:(1)过氧化物与有机物;(2)氰化物、硫化物、次氯酸盐与酸;(3)盐酸、氢氟酸等挥发性酸与不挥发性酸;(4)浓硫酸、磺酸、羟基酸、聚磷酸等酸类与其他酸;(5)铵盐、挥发性胺与碱。

实验室初次上交废液时,如果没有原始的《化学废弃物记录单》,负责提交废液的实验室人员须在《无“化学废弃物记录单”承诺书》上签字,承诺提交的废液若因此发生安全事故将承担全部责任。倘若同一实验室第二次提交废液时仍旧不能提供《化学废弃物记录单》,化学学院试剂库有权停止该实验室的废液回收工作。

3.3 实验教学绿色化措施

在教学实验中,以实验效果为导向,可以采取一些从源头减少危险废弃物、保护环境的举措。在北京大学各门实验课程中,都贯穿着废液回收及利用的理念和要求。在近年的分析化学教学实验中,将“碘量法测定铜”中基准试剂由原来毒性较大的K2Cr2O7改为无毒的KIO3;重量法中将有毒氯化钡润洗液和剩余液统一倒入回收瓶中,转化成无毒硫酸钡沉淀;将络合滴定中铅-铋溶液的重金属回收。

而在本科生的有机化学基础实验中,则一律不使用剧毒品试剂,尽可能用低毒试剂替代。比如在“7, 7-二氯双环[4.1.0]庚烷的制备”这个实验中,将萃取溶剂从氯仿改为石油醚(60–90 ℃);在薄层色谱实验中,将毒性和挥发性较大的展开剂二氯甲烷和乙醚更换为石油醚和乙酸乙酯,既改善了教学效果又减少了实验室污染[8]

有机合成训练中通常设计一些连续的实验,将第一个实验的产品作为第二个实验的原料,比如:“辅酶催化制备安息香”“二苯乙二酮的合成”“5, 5-二苯基乙内酰脲的制备”三个实验,安息香是二苯乙二酮合成的原料,而学生合成出来的二苯乙二酮又作为5, 5-二苯基乙内酰脲的原料。正溴丁烷的制备和2-甲基-2-己醇的合成也是同理。这些既节约了化学试剂,又有利于学生认真对待实验过程。

4 总结与思考

废弃物的安全管理需要管理机构、实验室和学生多方协调,达成广泛共识,涉及到机制和方法两个层次的问题。一方面,上级部门及学校管理服务机构应积极打通废弃物处置渠道,增加经费预算,设立专项资金支持废物回收转运队伍的运作,打消实验室尤其是科研实验室回收废弃物的顾虑。另一方面,实验室本身尤其是教学类实验室,在课程安排上,应从环境保护方面考虑,实验的内容应尽量做到安全环保,在达到实验目的和要求的基础上应尽量避免使用危险化学品,产生尽可能少的危险废物,如能循环利用试剂或废物利用就更好。在教材编写上,可以增加介绍本实验课程废弃物处理方法等内容,体现对环保问题的重视程度。在对本科生和研究生进行实验室安全课教育时,应有一节课(2学时)来专门讲解化学实验室废弃物的处理问题。

保护环境是每个人都应尽的责任,为了给下一代留一片碧水蓝天,化学工作者应以合理合法、有效利用为准则,切实做好危险废弃物处置工作[9]。只有社会各环节、各方面、各层次都有足够的责任意识,采取一些切实可行的防治措施,实验室化学废弃物的处理才能得到有效的解决。反之,如果缺少可操作的、无公害化的排放处理方法,出口渠道又不畅通,瓶颈问题得不到解决,要执行相关规定就成了一句空话[10]

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