大学化学, 2022, 37(1): 2103045-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202103045

化学实验

基础化学实验室安全运行管理探索与实践

杨国鑫,, 杜姣姣, 张向荣, 白艳红, 郑阿群

Practice and Exploration of Fundamental Chemistry Laboratory Safety Operation and Management

Yang Guoxin,, Du Jiaojiao, Zhang Xiangrong, Bai Yanhong, Zheng Aqun

通讯作者: 杨国鑫, Email: yangguoxin@xjtu.edu.cn

收稿日期: 2021-03-18   接受日期: 2021-05-3  

基金资助: 20GJ01Z-西安交通大学教改项目

Received: 2021-03-18   Accepted: 2021-05-3  

Abstract

The fundamental chemistry laboratory mainly offers basic or large-scale general education courses, which are mainly aimed at non-chemistry majors or undergraduate students. In practice, the teaching process of fundamental chemistry laboratory often involves dangerous chemical reagents or high temperature, high pressure and other dangerous operations. Under the new situation that the enrollment of students is expanding, and the teaching tasks of basic courses also grow with each passing day. The safe operation and management of fundamental chemistry laboratory are crucial. Taking the fundamental chemistry laboratory of Xi'an Jiaotong University as an example, the current situation, the problems and the solutions of the fundamental chemistry laboratory in our school are introduced. All these means could provide reference for the safe operation and management of the similar chemical laboratories.

Keywords: Fundamental chemistry laboratory ; Safety ; Management ; Countermeasures

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杨国鑫, 杜姣姣, 张向荣, 白艳红, 郑阿群. 基础化学实验室安全运行管理探索与实践. 大学化学[J], 2022, 37(1): 2103045-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202103045

Yang Guoxin. Practice and Exploration of Fundamental Chemistry Laboratory Safety Operation and Management. University Chemistry[J], 2022, 37(1): 2103045-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202103045

高等院校化学实验室是开展化学实验教学、培养学生实践能力和创新能力的重要场所。化学实验室往往涉及腐蚀性、挥发性、有毒有害等化学试剂,同时涉及高温、高压等危险操作[1, 2]。如何保障化学实验室的安全运行与秩序化管理,保障实验教学环节的顺利开展,充分发挥化学实验课程在人才培养中的作用,是化学实验室教学管理人员的永恒课题。基础化学实验室主要承担基础类、大面积通识化学实验课程的教学工作,开课对象以非化学专业、低年级学生为主,因此基础化学实验室的安全运行管理至关重要。

1 基础化学实验室管理现状

西安交通大学化学实验教学中心基础化学实验室主要面向我校工科大类、理科大类、医学大类等非化学专业学生,开设大学化学实验、基础化学实验、开放性实验等基础类、大面积化学实验课程,年均选修课程人数超3000人。作为非化学专业及低年级学生进入大学后的第一门实践类课程,旨在培养学生化学实验基本操作技能及分析问题和解决问题的能力。但由于大多数学生化学专业知识相对薄弱,导致其对化学实验室存在的安全隐患浑然不知,此外,部分学生认为化学课程与所学专业关联不紧密,对专业学习帮助不大,从主观意识上不重视化学课程(尤其是化学实验课程),造成基础化学实验室安全运行管理难度较大。另一方面,由于近些年频繁出现的高校化学实验室安全事故,也让化学在公众印象里成为众矢之的。因此,亟需制定行之有效的基础化学实验室安全管理运行对策,细化实验室安全管理标准,在规范保障日常教学及科研顺利开展的同时持续提升高校实验室安全运行管理能力。

2 基础化学实验室安全运行管理存在的问题

2.1 安全意识淡薄,实践技能较差,缺乏应急能力

进入基础化学实验室进行实验的学生往往是刚刚从中学进入大学的学生,所掌握的化学知识还停留在高中阶段,缺少化学实验安全意识,对可能产生的潜在危险缺乏预判与关注。同时,现阶段高中普遍更侧重化学理论教学,缺少相关化学实验课程导致学生普遍实践技能较差。而化学实验课程作为一门操作性极强的实践课程,更加注重学生的动手操作能力。另外,由于学生实践教学环节的减少或缺失,学生实践过程中如若遇到事故往往惊慌失措,极易因事故处理不当造成事故恶化甚至引发二次事故。

2.2 实验室使用频率高、人员流动性大

近些年,随着国家、学校对通识类课程不断重视以及大类招生与大平台培养模式的扩大,基础类化学实验课程选课人数逐年增加。我校自2018年开始实行大类招生,学校培养计划也随之调整,目前基础化学实验室每学期面向全校近三分之二学生开设基础类化学实验课程,年均人时数超过12万,实验室使用频率极高;每间实验室每次承担30人次学生同时开展实验,这就造成基础化学实验室使用频率高、生均面积小、人员流动性大、实验室管理人员超负荷运行等问题,给实验室安全运行管理带来了极大的挑战。

2.3 资源配置不合理、废弃物处理隐患大

基础化学实验室开设实验涵盖基本操作实验、常用仪器使用、化学分析实验、无机制备实验、性质鉴定实验以及设计性实验、研究拓展性实验等内容,涉及的化学物质种类较多,因此难免会产生较多的废液、废气、废固等废弃物[3]。近年来,随着“绿色化学”和“环境保护”理念的不断深化,高校逐步对已开设的化学实验教学项目进行绿色化改革,从源头降低化学实验教学全过程产生的危险废弃物。例如,实验项目设计之初,在保证实验现象及效果的前提下积极推广微量化学实验,尽可能降低化学试剂(尤其是腐蚀性、挥发性、有毒有害等管制类化学试剂)的用量;随后进一步完善实验方案或实验装置(例如:将敞口式实验体系改进为配有尾气吸收且密闭的实验装置[4])。即使如此,在基础化学实验室实际运行过程中,由于学生人时数较大,仍然会产生大量的废弃物,大量的废弃物是引发实验室安全问题的潜在隐患,也给基础化学实验室的安全运行带来了巨大的挑战。

3 基础化学实验室安全运行管理对策

针对新形势下大类招生规模不断增加以及基础化学实验室本身存在的安全管理特征,提出基础化学实验室安全运行管理对策,主要包括:多措并举提高师生安全意识形态,教学相长,保证安全管理教育落到实处;通过完善实验室安全管理制度及实验平台硬件建设,创新“绿色”+“全周期”管理模式,实现实验室安全管理高效运行。

3.1 教学相长,保证安全教育落到实处

实验室安全运行与管理中最为关键的要素是人为因素,学生和教师是化学实验室运行的主体,在运行过程中,借助网络课程资源弥补课堂安全教育时间的不足,强化学生安全意识。通过搭建微信公众平台发布相关安全管理制度条例,建立培训合格准入制度;在教师层面细化安全管理标准,根据不同实验项目内容设计安全风险评估告知书,让学生在开始实验前对实验过程存在的安全隐患做到心中有数,也做到应急处理措施有备无患。

3.1.1 借助网络课程资源,完善安全知识培训体系

基础化学实验室面向对象为非化学专业或者低年级本科生,学生普遍欠缺化学专业知识尤其是化学安全常识,更缺乏事故的应急处理知识。在实验教学过程中,强化安全教育是避免实验室安全事故的重要手段。在以往的教学实践中,教师在实验课程前以绪论课形式对学生进行安全培训与零散的安全知识讲解,学生难以建立较为全面的实验室安全知识理论体系。这主要是因为学生课时限制,难以开设系统的实验室安全教育相关专门课程。而慕课等网络课程具有资源不受时间、空间限制,形式灵活、内容生动等特点[5],学生可以随时随地进行学习,有效解决学生学时限制等问题。因此,在我校基础化学实验室教学运行中以中国大学MOOC平台中国科技大学国家级一流课程“化学实验安全知识”作为优质教学资源,对学生进行SPOC教学,学生在进入实验室前完成“化学实验安全知识”的课程学习,为基础化学实验室构建立体化安全教育课程模式。

3.1.2 搭建微信公众平台,建立培训合格准入制度

搭建“西交化学实验”微信公众平台(图 1),在平台发布实验室安全准入管理制度、实验室违规行为惩罚办法、实验室安全知识题库等学习资源。学生通过平台学习实验室安全知识,通过题库随机组卷答题,测试合格后方可进入实验室进行实验项目操作[6]。另外,借助大连理工大学开发的Moolsnet安全教育小游戏(图 2),提高学生对于实验室安全知识学习的兴趣,让学生在指尖学习安全知识,掌上玩转实验室安全[7]。Moolsnet小程序主要包含个人安全防护、火灾预防与自救、危化品储存与转移、危化品的使用安全、危化品医疗应急处理、安全用电基础知识、高低温操作安全、玻璃器材使用安全、气瓶使用安全等九大模块的化学实验室安全知识。

图1

图1   “西交化学实验”微信公众平台


图2

图2   Moolsnet安全教育小游戏


3.1.3 细化安全管理标准,评估实验项目安全风险

目前化学实验相关教材中,缺乏对具体实验项目及实验过程中潜在危险性的说明及危险性评估,更未提及实验项目应有的防护措施及危险应急处理方案,这就造成学生对实验项目危险性缺乏认识或者认识不到位。因此,在基础化学实验室的运行中,组织教师对实验室内开设的实验项目进行统一梳理,对实验项目进行分级分类管理,建立与实验项目对应的安全风险评估告知书[8]。安全风险评估告知书(表 12)主要包含实验项目危险性分析、实验室设施布局与急救物品、实验防护措施、实验项目危险应急处理、实验废弃物分类处理、化学试剂安全使用说明(MSDS)等内容。其中实验项目危险性分析主要分析实验者、实验操作、实验工具、实验环境之间的相互关系,细化实验内容、操作流程与面临的风险及应对措施,并将三者逐一对应,即将实验潜在风险、应对措施内嵌至实验操作步骤当中。在实验开始前,教师下发并与学生签订实验项目安全风险告知书;学生通过告知书明确实验项目的危险分级[9],熟悉相关化学实验室的设施及急救物品的布局,了解实验试剂及实验操作的潜在危险及事故的应急处理办法。实验项目安全风险评估告知书规范了学生的基本操作,提高了安全事故的应急处理能力,也缓解了学生对化学实验的恐惧心理。另外,通过签订安全告知书这一教学行为,也消除了学生对化学实验安全问题的侥幸心理。

表1   “化学反应速率常数与活化能的测定”实验安全风险评估告知书

实验项目硫酸亚铁铵的制备
实验危害分析
实验步骤(节选)潜在危险安全章程与应对措施
向盛有洗净铁屑的锥形瓶中加入15 mL 3 mol·L−1 H2SO4溶液,用带有导气管的橡胶塞塞住锥形瓶,将生成的气体导入Na2CO3溶液中,水浴加热30 min (70–80 ℃)。(1) 3 mol·L−1 H2SO4取用时防止腐蚀;
(2) 防止尾气吸收装置倒吸;
(3) 水浴加热时,防止水浴锅干烧及烫伤。
(1) H2SO4取用时应做好个人防护,小心量取试剂;
(2) 安装尾气吸收装置时,应注意吸收液液面高度;
(3) 使用水浴锅前,应查看水浴锅内水位。
项目要素内容
设施布局安全设施4组洗眼装置、消防器材(包含灭火毯、灭火器、消防沙)、应急器材
急救物品通风设施实验室后设置有4组通风橱
急救物品棉签、75%酒精、碘酒、烫伤膏、创可贴、纱布等
实验防护措施基本防护品:白大褂、手套、护目镜,保持实验室通风
废弃物分类处理实验产生碘废液集中回收
实验者签名班级实验时间

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表2   化学试剂安全使用说明(MSDS)

项目内容
化学品试剂名称过硫酸铵
CAS No.7727-54-0
危险性健康危害对皮肤粘膜有刺激性和腐蚀性。吸入后引起鼻炎、喉炎、气短和咳嗽等。眼、皮肤接触可引起强烈刺激、疼痛甚至灼伤。口服引起腹痛、恶心和呕吐。长期皮肤接触可引起变应性皮炎
燃爆危险本品助燃,具腐蚀性、刺激性,可致人体灼伤
急救措施皮肤接触立即脱去污染的衣着,用大量流动清水冲洗至少15分钟。就医
眼睛接触立即提起眼睑,用大量流动清水或生理盐水彻底冲洗至少15分钟。就医
吸入迅速脱离现场至空气新鲜处。保持呼吸道通畅。如呼吸困难,给输氧。如呼吸停止,立即进行人工呼吸。就医
食入用水漱口,给饮牛奶或蛋清。就医
消防措施危险特性无机氧化剂。受高热或撞击时即爆炸。与还原剂、有机物、易燃物如硫、磷或金属粉末等混合可形成爆炸性混合物
灭火方法采用雾状水、泡沫、砂土灭火

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3.2 完善制度,改进硬件,创新管理,高效运行
3.2.1 完善基础化学实验室硬件平台与实验室运行管理制度

完备的实验室硬件是保证实验室安全运行的必要条件和先决条件。我校基础化学实验室在“中央高校改善基本办学条件”项目的支持下,不断完善实验室的硬件设施。每个实验室内都配备急救箱、消防器材(包含灭火器、灭火毯、消防沙桶),实验室内设置危废回收区域(废液桶、固体废弃物回收箱),每个实验台设置1个洗眼器(图 3),对实验室通风系统进行升级改造,增设带有活性炭吸附处理的全天候通风系统[10],为实验学生提供护目镜、实验服,满足标准化化学实验室的基本要求。另外,在基础化学实验室硬件平台建设中,利用物联网技术,实验室内部署高清摄像头、高灵敏度温湿度传感器等装置,提供实验室内实时监控和室内温湿度监测数据等监测内容,辅助实验室的安全管理。针对实验室内软硬件设施,建立实验室管理人员定期检查、维护与日常保养制度,形成实验室日常工作管理档案。

图3

图3   基础化学实验室内部分安全硬件设施


3.2.2 废弃物回收实验项目,助力实验室安全高效运行

不同类型实验废弃物处理方法不尽相同。在基础化学实验室运行中,建立固体废弃物和液体废弃物分类回收制度,将固体废弃物和液体废弃物进行分类回收是目前化学实验室普遍做法[11]。但实验室内废弃物的长期累积仍然会对环境造成危害。基础化学实验室开设的实验项目相对较为固定,产生的废弃物种类和浓度基本确定。针对基础化学实验室分类回收的不同废弃物,设计开发废弃物回收实验,是解决废弃物存放回收带来的安全问题的有效手段,也是提高实验教学质量,培养学生综合实践能力的有效途径。例如在原有的“化学反应速率常数与活化能的测定”实验中,“碘钟反应”测定过硫酸铵与碘化钾的反应速率常数与活化能这一实验项目结束后会产生大量的含碘废液,造成碘资源的浪费与环境污染,通过在实验教学环节中设计“含碘废液制备碘化钾”这一实验项目,有效地回收实验废液中的碘制备碘化钾,并将其循环应用于“化学反应速率常数与活化能测定”实验[12]

3.2.3 化学品采购管理系统实现试剂全生命周期管理

化学实验教学环节中会涉及大量易燃、易爆、强腐蚀性、有毒有害化学试剂,化学实验室的安全事故中绝大多数也与化学试剂不规范使用相关,因此建立化学试剂从“购买–储存–领用–废液回收”的全流程管理,对于化学实验室的安全管理与运行至关重要。

我校自2018年建立试剂采购管理系统(图 4),实行化学试剂统一采购、入库、领用管理制度。实验室管理与资产管理处对试剂供应商资质进行审核,避免无资质供应商供货,保证化学试剂来源安全。教师用户通过“学校统一身份认证”登录试剂采购管理系统,进入化学试剂商城选购所需化学试剂,供货商接收订单并配送;采购订单完成后,所购化学试剂自动入库;教师用户取用试剂后,在化学品采购管理系统中完成日常领用记录并定期对名下试剂进行盘点;教师用户对化学试剂使用后产生的废弃物进行记录与回收申报,学校统一回收并委托处理。利用化学品采购管理系统对化学品尤其是危险化学品实现全流程存档,使得化学品的申购、审批、使用、存储可查询、可追溯,实现试剂全生命周期管理。

图4

图4   试剂采购管理系统界面


4 结语

本文通过借助网络安全资源、搭建微信公众平台、细化安全管理标准细则等手段多措并举保证师生安全教育落到实处,有效地提高了学生的安全主观意识和安全知识储备;通过完善实验室硬件平台建设、实施化学试剂全周期管理、创新废弃物回收实验项目等管理制度手段,保障了基础化学实验室高校安全运行。自相关制度及对策运行以来,实验室安全隐患大幅度降低。后期,为了适应新形势下人才培养的要求,体现“厚基础、宽口径”培养理念,在大类招生背景下,基础化学实验课程任务将越来越重,因此基础化学实验安全运行及管理任务仍然任重而道远。

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