化学分析实验室的绿色化学

文章编号:1005-7854(2007)03-0105-04化学分析实验室的绿色化学

符 斌(北京矿冶研究总院,北京100044)摘 要:实施绿色分析化学是时代的必然。本文介绍了绿色化学与绿色分析化学的概念,评述了化学

分析实验室对环境的污染以及阻断污染产生的措施,对化学分析实验室实施绿色化学提出了建议。关键词:绿色化学;绿色分析化学,实验室;环境污染

中图分类号:O65;X132 文献标识码:A

GREENCHEMISTRYINCHEMICALANALYSISLABORATORYFUBin(BeijingGeneralResearchInstituteofMiningandMetallurgy,Beijing100044,China)

ABSTRACT:Itisthenecessityofthetimesforustoputgreenchemistryinpractice1Greenchemistryandgreenanalyticalchemistryareintroduced1Theenvironmentpollutioncausedbychemicalanalysislaboratoryandthewaytobreakoffpollutionarereviewed1Thesuggestionsaremadeonputtinggreenchemistryinpracticeforchemicalanalysislaboratory1KEYWORDS:greenchemistry;greenanalyticalchemistry;laboratory;environmentpollution

收稿日期:2006-11-20作者简介:符斌,测试研究所研究员。

绿色化学是近年来在国际上兴起的一门热点学科,其目标是既从根本上保护环境,又能推进工业生产的发展。绿色化学的宗旨是从流程的起端就最大程度地减少甚至根除污染,而与传统化学和化工的污染后治理的模式截然不同,对可持续发展和人类生活的改善具有重要意义。分析化学本身如何实施绿色化学,这是摆在每一个分析化学工作者面前的任务。1 方兴未艾的绿色化学化学与化学工业是人类文明和社会发展的基石,它们的发展为人类生活的改善提供了源源不断的能源和物质基础,但同时又是造成能源和环境问题的罪魁祸首之一。因此,化学和化学工业又倍受人们的质疑。绿色化学的出现,为人类最终从化学的角度解决环境和能源问题带来了新希望。绿色化学(GreenChemistry)又称环境无害化学(EnvironmentalBenignChemistry),在其基础上发展的技术称环境友好技术(EnvironmentalFriendlyTechnology)或清洁技术(CleanTechnology)。它所研究的中心问题是使化学反应及其产物具有以下特点:(1)采用无毒、无害的原料;(2)在无毒无害的反应条件下进行;(3)具有/原子经济性0,即反应具有高选择性,极少副产品,甚至实现/零排放0;(4)产品应是对环境友好的。此外,它还应该满足/物美价廉0的传统标准。因此绿色化学可以看作是进入成熟期的更高层次的化学,它是实现化学污染防治的基本方法和科学手段,是一门从源头上阻止污染的化学。绿色化学适用各种化学领域,涉及化学的有机合成、催化,生物化学,分析化学等学科11-32。20世纪90年代初,美国化学会针对日益严重的环境污染问题,为/预防污染,保护环境0提出了/绿色化学0一词。1995年3月16日美国前总统克

林顿宣布设立/绿色化学挑战计划0,并设立了/总统绿色化学挑战奖(PresidentialGreenChemistryCha-llengeAwards,简称PGCCA)0,奖励在利用化学原理

第16卷 第3期2007年9月 矿 冶MINING&METALLURGY Vol.16,No.3September 2007从根本上减少化学污染方面的科学成就14-52。随后,日本、欧洲、拉美等国家也相应地制定了环境无害制造技术、减少环境污染技术等相关内容的计划并建立了大量的绿色化学研究机构。如今/绿色化学0已被世界各国所接受。绿色化学的研究已成为国外企业、政府和学术界的重要研究与开发方向,我国在绿色化学方面的研究与开发也逐渐活跃,发表了大量论文,并相继出版了专著16-82。在绿色化学的浪潮中,分析化学的作用是什么?分析化学的任务是什么?分析工作者应当做哪些工作?综合有关学者与专家的观点19-102,主要包括三方面:(1)在线分析化学是绿色化学的手段之一。即利用化学合成过程中的在线分析化学对反应条件的实况进行测定,并能够依分析结果来改变反应的进程。利用在线分析,人们能够在反应过程中不间断地测定污染物的浓度,并在污染物的量达到过高时立即改变反应条件。(2)绿色化学中分析化学的任务是进一步发展分析方法,以使在有害物质形成前能够进行即时的和在线的跟踪及控制,开发在化学过程的进行之中就能够防止或极度降低有害物质产生的方法和技术。(3)分析化学本身实施绿色化学,即实施绿色分析化学。上述3点,第1、第2是分析化学仅仅是作为一种手段为其他化学领域实施绿色化学服务,只有第3点是分析化学本身的职责所在。2 不可忽视的分析检测实验室的环境污染 分析检测实验室每天都要使用、排放大量的有害物质,并对环境造成污染,主要影响表现在以下两方面:(1)实验人员自身受到伤害实验人员在工作中不可避免地要接触各种有毒化学试剂,不过,可能造成的伤害主要来自吸入的化学试剂蒸汽。在实验过程中,一些试剂的蒸气会无形地逸出,与室内空气混合,被我们吸入。如溶解试样时,盐酸、硝酸的酸雾及硫酸的分解产物三氧化硫;进行有机试剂萃取时,挥发进入空气的苯、甲苯、乙醚、乙酸乙酯、四氯化碳等低沸点有机溶剂;用汞电极进行极谱分析时,泄漏汞滴的升华;进行试金分析,灰吹时产生的氧化铅,等等。混有有毒蒸气或气体的空气如果被我们吸入肺部,虽然浓度不大,但日积月累,身体就会受到伤害。为了避免挥发性试剂对实验人员的伤害,各个实验室都配备了良好的通风系统,有毒蒸气一产生即被排出室外,因此,实验室空气中上述有毒蒸气的浓度是微不足道的,不会对我们的身体造成伤害。当然,我们必须遵守操作规程与安全守则,不能掉以轻心。需要指出的是,有的试剂虽然有毒,甚至剧毒,但一般情况下不会对我们造成伤害。例如,砷化合物、氰化物、马钱子硷、重金属盐类(如钡、铜、铊、铬酸盐等)等,这些试剂虽然毒性很大,但是,只要不误服,它们就不可能进入人体内,不至于对身体造成伤害。(2)排放物对环境的污染化学实验室排放的废水中有强酸碱、有机物、重金属离子等有毒物质,废气中有酸雾,三氧化硫等。人们往往认为,化学分析实验室排出的废弃物与化工厂排出的废弃物相比是微不足道的,治理的必要性不大。确实,单个实验室的废弃物排放量比较小,但是由于化学实验室众多,分散,排放的污染物种类多,因此,一个城市或一个地区累积起来数量就相当可观,有可能对环境造成大的危害。例如,在北京市,截至2005年底,已经通过国家实验室认可的检测实验室有270家,仅以这270家实验室为基础估算一下。假设平均每个实验室每天分析300个试样,1个试样平均耗酸约30~40mL,这样这些实验室一天要用掉2430~3240L酸,一年(以250个工作日计)就是608~810m3,这并非一个小的数字。这些酸到哪儿去了?大部分通过下水道进入河流或地下水层。在不易觉察之中,我们污染了我们赖以生存的水系。如果将这些酸集中起来都倒进八一湖或昆明湖,会产生什么结果?那是可想而知的。

3 实施绿色分析化学,阻断污染的产生绿色化学即是用化学的技术和方法去消灭或减少那些对人类健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂在生产过程中的使用,同时也要在生产过程中不产生有毒有害的副产物、废物和产品。绿色化学的理想在于不再使用有毒、有害的物质,不再产生废物,不再处理废物。绿色分析化学的行为也应符合上述原则。分析工作者在减少环境污染方面也曾经做过一些工作。

#106#矿 冶311 采用非化学检测技术代替化学分析方法非化学检测技术仅需对样品进行简单的物理加工,无需引入或排放化学试剂,基本不产生废弃物,如X射线光谱法、火花源发射光谱法、辉光放电光谱等,这类分析技术从根本上解决了污染的产生问题,可谓最理想的绿色分析化学,是分析化学未来发展的方向。312 改革分析方法,摒弃剧毒试剂研究新方法,取代、淘汰使用剧毒试剂的分析方法。氰化钾、马钱子硷都是知名的剧毒物,公安部门对它们的购买、运输和使用有严格的规定与控制,经过分析工作者的努力,使用剧毒试剂的分析方法已经陆续被淘汰。使用有机溶剂进行萃取的方法令人愈来愈感到厌恶,人们尽可能使用无有机溶剂的方法。但是,到目前为止,还不可能完全摆脱有机溶剂萃取的方法。电化学分析技术曾经在分析化学史上有过辉煌的历史,对分析化学做出了重要的贡献,但是令人厌恶的汞败坏了极谱法的名声,它不再受到青睐,以至于有的实验室再也找不到极谱仪的踪影。/无汞测铁法0的研究是革除剧毒试剂分析方法比较成功的一例。传统的重铬酸钾滴定法测定铁,每一次测定要使用10mL饱和氯化汞,其溶解度为616g/100g水(20e),因此每测一个铁,有大约017g的氯化汞被排入环境,要知道,氯化汞的致死量仅为012~014g,虽然测铁时,氯化汞已被还原为氯化亚汞,但是,如此多的汞盐排入水系,确实很危险。20世纪70年代掀起了小小的无汞测铁的研究热潮1112,最终不仅使我国国家标准采用了无汞测铁法112-132,而且有的国际标准也采用了无汞测铁方法。313 处理排放物,减少对环境的污染目前,许多实验室都对废液进行处理后才放入下水道,可达到排放要求。不少实验室在通风柜上安装了吸附装置,可将排出的废酸气大部分予以吸收。这些措施大大减少了对环境的污染。314 采用微型分析方式,减少化学试剂的使用31411 微型化学分析20世纪80年代美国兴起了微型化学实验,它是指/以微小量的试剂,在微型化的仪器装置中进行的化学实验0。这里所说的试剂的/微小量0约为常量化学实验中试剂用量的十分之一甚至更少。/微型化的仪器装置0的容量为1~10cm3。1989年/微型化学实验的研究0列入高校化学教育研究中心的科研规划,此后全国高校在微型化学实验取得很大进展,国内已有400多所院校开展了有关研究或应用工作,并进入推广应用阶段,在减少环境污染、降低实验成本等方面发挥了作用1142。目前,在高等学校的分析化学教学实验中已开始研究与尝试分析化学实验微型化,已知的有微型滴定实验,是将滴定分析微量化,如采用特制微量滴管,利用计滴数来代替计算体积的方法进行滴定分析115-162;在注射器中放入弹簧,注射器尖嘴接毛细吸量管,通过压缩注射器中的弹簧进行滴定1172。这些微型分析化学实验,用作教学可起到与常规实验同样的演示作用,然而,要真正用于实际的分析检测还有相当的差距。不管怎样,这些毕竟是微型分析化学的探索。31412 微型全化学分析系统20世纪90年代初,Manz等提出了/微型全化学分析系统(Miniaturizedtotalchemicalanalysissys-tem,L-TAS)0的概念和设计1182,其核心是将所有化学分析过程中的各种功能及步骤微型化,包括:泵、阀、流动管道、混合反应器、相分离和试样分离、检测器、电子控制及转换点等等。L-TAS期望将化学分析过程微缩于一个只有几平方厘米的微小器件上,目前微制造技术已用于硅、玻璃或高聚物等的二维或三维结构的微芯片制作,其最大特点是响应速度快、样品耗量低,高稳定性及可在线操作。到目前为止,毛细管电泳(CE)、液相色谱(LC)测试技术已有微型化成L-TAS的先例,近几年来L-TAS在实际应用方面发展迅速,已应用于生物技术、生化分析和临床检验及诊断,诸如DAN消解、放大及分析,肽链分析、细胞操作控制、免疫测试、体液和血液检测等。微型全化学分析系统,是微芯片的概念,来自计算机芯片的发展1192。微芯片分析的实质,是在面积不大的基片表面上,有序地点阵排列一系列固定于一定位置的可寻址的识别的分子结合反应,在相同条件下进行。反应结果,用化学荧光法(微型流动注射分析,微型毛细管电泳分析)来检测。一些化学家正在致力于激光检测器的研究,激光感应荧光,最有使用前途的一种技术。31413 生物芯片技术基于微加工技术发展起来的生物芯片1202,可以把成千上万乃至几十万个生命信息集成在一个很小的芯片上,对基因、抗原和活体细胞等进行分析和检测。用这些生物芯片制作的各种生化分析仪和传统仪器相比较具有体积小、重量轻、便于携带、无污染、