专业实验教学中的绿色化工教育
郑妍妍,王保国,徐建鸿,陈振,徐*,卢滇楠,余立新
(清华大学化工系,北京)
摘要
发展绿色化工是应对环境与资源挑战、实现可持续发展的客观要求和必然趋势,开展绿色工程教育是发展绿色化工产业的关键。清华大学化工系将绿色化工过程涉及的绿色原料、绿色反应、绿色分离、绿色产品和废物资源化利用等理念融入实验教学,结合科研成果,形成了融入绿色化工理念的多层次实验教学体系。全方位、全过程的绿色化工实验教学使学生形成了可持续发展理念,树立了绿色工程思维,增强了保护环境的社会责任感,成为绿色化工潜在的实践者及推广者。
关键词
绿色化工;绿色工程教育;实验教学
绿色化工指在系统本征安全的前提下,采用绿色无害原料,通过最低的资源消耗,利用生产过程集成、强化技术生产绿色无害产品的过程,在这个过程中要力求使所有的废物实现资源化利用[1]。发展绿色化工是应对当今社会面临的环境与资源挑战、实现可持续发展的客观要求和必然趋势。与过度追求经济效益的传统化工不同,绿色化工旨在实现经济效益与可持续发展的统一(见图1),是解决资源短缺和环境恶化问题的重要途径之一。
图1绿色化工过程与传统化工过程的特点[2]
绿色化工是实现碳中和的必由之路,要求原料、反应、分离、产物和废物资源化利用等多个环节绿色化[3]。绿色化工产业的发展需要大批具有绿色工程理念并自觉践行的专业人才。因此,绿色工程教育是实现绿色化工及可持续发展目标的关键。绿色工程教育强调在工程教育中全方位、全过程地融入绿色工程理念,包括向工科学生普及可持续发展知识、厚植工程文化中的可持续发展理念,培养学生系统的绿色工程思维并强化其保护环境的社会责任感[4]。实施绿色工程教育的主要途径是将绿色化工理念在课程教学中渗透、在案例学习中延伸并在工程实践中践行[5-6]。清华大学化工系在专业实验教学中重视对学生的价值引领,通过开展绿色产品与绿色过程专题实验项目,将绿色工程教育理念融入教学全过程,构建了融入绿色化工理念的实验教学体系,在专业实验教学中探索并实践了绿色工程教育。
一、绿色化工实验教学体系建设
化学工程是理论与实验高度融合的学科,专业实验教育是人才培养的重要环节。清华大学化工系在专业实验教学中重视对学生的价值引领,结合自身学科优势,将绿色化工过程涉及的绿色原料、绿色反应、绿色分离、绿色产品和废物绿色利用等理念融入实验课程教学中,构建了融入绿色化工理念的多层次实验教学体系,如图2所示。
图2融入绿色化工理念的实验教学体系
（一）
实验教学中融入绿色原料理念
随着代谢工程与合成生物学的迅速发展,目前的技术已经可以实现在特定微生物中重构代谢途径合成化学品,为人类提供绿色原料。合成生物学并非依赖于对产物天然合成菌株进行优化,而是构建全新的人工生物体系。在利用合成生物学设计、构建化学品人工合成生物体系的同时,人们还可以高效利用传统工艺不能利用的生物质资源,尤其是工业、农业、生活废弃物,从而降低对化石资源的依赖,减少废弃物的排放,最大限度地保护环境。基于此,我们在实验教学中设置了多层次的生物化工实验(如“质粒提取及琼脂糖凝胶成像实验”“微生物发酵法生产紫色杆菌素”“发酵法制备乙醇”等),让学生体会生物质可再生资源作为绿色原料对环境的友好性,并将其与化石资源进行对比。
通过多层次的生物化工实验,学生不仅掌握了利用合成生物学设计、构建化学品人工合成生物体系的全过程,而且认识到生物质绿色原料与传统化石能源相比所具有的环保优势。实验教学激发了学生从事合成生物学研究的志向,为绿色化工的发展注入新的活力。
（二）
实验教学中融入绿色反应及加工理念
微化工过程研究始于20世纪90年代,目前已成为产业前沿和学术热点。欧盟和日本都为发展面向化学品制造的微化工过程设立了大型研究计划,并围绕基于微反应器的硝化、磺化等危险有机合成过程,新型半导体纳米材料合成,光、电、微波等外场下的化学过程等众多前沿科学问题形成了一大批研究成果。利用微反应器在混合、热质传递性能和停留时间控制方面的优势,可使这些反应以接近理想的化学计量比在接近等温的条件下完成,从而提高反应的转化效率。因此,微化工技术是有望实现化工过程绿色、高效和安全的一项变革性技术。为此,我们设置了微化工实验“微通道高效混合及基础物性快速测量”,为学生提供了解本质安全技术和绿色反应理念的机会。通过该实验,学生可以学习国际上先进的微通道生产工艺和技术,接触并了解工业化连续生产及其流程,深刻体会化工发展的方向,即应用科学理论和实验研究,用更小、更安全、更高效的工艺设备取代传统庞大的设备和高耗能的工艺,实现提质增效、节能减排,为化工过程绿色化提供重要支撑。
（三）
实验教学中融入绿色分离理念
水-乙醇共沸体系制备无水乙醇可以采用加盐精馏或萃取精馏的方式。加盐精馏对相对挥发度影响大,但是具有固体盐输送不方便的劣势;萃取精馏则存在对共沸体系相对挥发度影响小、萃取剂用量大的问题。为了让学生了解绿色分离理念,我们结合化工系的科研成果,在实验教学中设置了“加盐萃取精馏实验”,通过将氯化钾溶入乙二醇中,实现萃取精馏分离过程的强化。通过萃取精馏过程耦合实验,学生深刻体会到在工程活动中应该充分利用系统集成耦合,采用最低能耗实现分离,从而缓解能源短缺问题。
二、绿色化工综合实验项目
在化工系实验课程设计中,我们除了在基础实验项目教学中融入绿色化工理念,还结合教师自身科研成果,发挥实验平台优势,开设了绿色产品、废物资源化利用及化工过程仿真综合实验。
（一）
绿色产品实验:生物降解材料制备3D打印线材
过去60年间,人类已经生产了近80亿吨塑料,目前产量仍呈增长趋势,塑料制品已经融入我们生活的方方面面,成为我们生活必需的一部分。与塑料的产量相比,人类真正有效回收的塑料量几乎可以忽略,绝大部分生产出来的塑料仍然以这样或那样的形式在陆地、海洋甚至生物体内积累[7]。因而,如何在保证人类塑料使用需求的同时实现可持续发展,是当今社会面临的重大挑战。生物可降解塑料的生产是应对一次性塑料垃圾挑战、实现循环经济的可行方式之一。
在高分子物理实验课程教学中,我们设置了结晶综合实验和流变实验,让学生研究生物可降解材料。结晶综合实验和流变实验都是研究型实验,选题众多,涵盖化学合成型、天然高分子型和微生物合成型等生物可降解材料的全部种类(见图3),学生可以从中选择自己感兴趣的课题,进行文献调研、实验方案设计、实验实施及汇报总结。结晶综合实验由差示扫描量热(DSC)、偏光显微镜观察晶体结构(POM)及小角激光光散射(SALS)三个实验组成。学生通过对生物可降解材料的DSC分析了解材料的结晶、熔融等信息,然后由POM观察结晶过程确定球晶正空间的特性,最后采用SALS观察散射花样,确定球晶倒易空间的特征。在流变实验中,学生利用旋转流变仪研究生物可降解材料的流动、变形与应力间的关系,确定材料的黏性、弹性等方面的流变性能。通过结晶综合实验和流变实验,学生不仅掌握了高分子物理中结晶、流变等相关知识及实验技能,而且深入了解了生物可降解材料的结构、性能及使用中的问题等。如在“如何显著提高聚乳酸的结晶速率和结晶度”这一选题中,学生通过实验了解到,聚乳酸作为目前应用最广泛的生物可降解材料之一,存在结晶速率和结晶度低的问题,这直接影响聚乳酸制品的使用性能。实验中学生通过对比经加入不同成核剂、退火处理、加入增塑剂、改变结晶温度等各种方式处理后的结晶效果,进一步了解了目前生物可降解材料在使用性能、成本等方面的挑战。
图3生物可降解材料部分研究选题
注:图中PBS指聚丁二酸丁二醇酯;PLA指聚乳酸;PCL指聚己内酯。
3D打印线材生产专题实验包括双螺杆挤出共混、模压成型、注塑成型、力学性能测试、毛细管流变测试、单螺杆挤出线材和线材的3D打印七个环节[8]。3D打印是直接根据数字模型,通过材料堆积来生产三维实体的增材制造技术,不但可克服传统减材制造过程中的材料损耗问题,而且能实现产品制造的智能化、高效性和精准化,是智能绿色化工的发展方向之一。3D打印技术发展迅速,但目前能用于熔融层积3D打印的聚合物材料种类少,且两大常用材料的性能有待改进。因此,我们将成型加工实验课程设计为3D打印用线材的制备及评价专题实验[8],围绕解决3D打印材料性能问题,请学生结合前期掌握的生物可降解材料的相关知识,利用工业级生物可降解材料(PBS、PLA及PBAT)设计配方,制备高性能的3D打印线材并完成打印实验。该实验旨在引导学生
