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应用绿色化学原理构建化学实验室安全体系的思路和方法

2019-07-15 14:53 点击:
近年来高校化学实验室安全事故频发,这些安全事故轻则使个人及实验室财物受到损失,重则导致实验室人员受到肉体及精神的伤害,甚至失去生命,从而严重影响了高校正常的教学、科研秩序,同时给高校的声誉带来极坏的影响。
化学实验室安全事故的起因,人们提到最多的是:①实验室人员的安全意识淡薄;②实验室安全投入的欠缺;③安全管理不完善等,一般归结到实验室人员的责任安全意识不强或管理不善,认为主要是人的因素导致了安全事故的发生。因此高校建立多级安全管理体系,制定完善的实验室管理制度,进行安全培训,事无巨细,层层加码,甚至不惜对出现安全事故的教师和学生进行严厉处罚,要求实验室人员签订安全责任书,认为这样就可以解决安全问题。
以上对安全事故的原因分析及相应措施貌似合理,但是并没有从源头上找到安全事故发生的根本原因,因而也不能杜绝安全事故的再次发生。化学实验室安全事故的原因是多方面的,并非都是人的因素,如果只是过分强调人的安全意识及实验室管理,而不从源头上解决化学实验室本身的安全隐患,南辕北辙,则不仅不能解决安全问题,甚至还会起到打击师生进行科学研究的信心和热情的反作用。
绿色化学的概念是在1991年由美国化学会(ACS)提出并成为美国环保署(EPA)的中心口号,是指利用一系列原理在化学产品的设计、制造和应用过程中减少或消除使用或产生对人类健康和环境有害物质的科学。这里所说的“一系列原理”即绿色化学研究者们总结出的绿色化学12个基本原理,或称绿色化学12个基本原则,这些原则可作为实验化学家开发和评估一条合成路线、一个生产过程、一个化合物是不是绿色的指导方针和标准。绿色化学理念注重源头预防,提倡无毒、低毒原料和绿色反应条件的应用,使资源和原料得到最大限度的利用,从而实现环境的无害化和可持续发展。绿色化学除了提倡化学品的绿色、节能、环保之外,同样注重化学品及其生产过程中的安全问题,提倡通过本质安全设计来减少突发性的安全事故,因而采用绿色化学原理与本质安全设计构建高校化学实验室安全体系,才有可能防患于未然,从源头上解决高校化学实验室的安全问题。
1 高校化学实验室安全问题的根本原因
1.1化学实验室自身是发生安全问题的源头
绿色化学理论体系中有一句非常简单而著名的话:“Whatyoudonothavecannotharmyou”,意即“你不曾拥有的东西不会伤害你”。很显然,如果天津港码头瑞海公司危险品仓库没有集中堆放多种易燃易爆化学品,就不会发生震惊全国的“8·12”特别重大火灾爆炸事故;或者即使发生安全事故,结果也不会如此严重,这不是单靠加强安全管理所能决定的。号称世界最发达、安全管理经验丰富的美国也不能完全杜绝突发性安全事故的发生,也从侧面验证了上述话语的正确性。化学实验室中发生危险的源头如果一直存在,一旦管理出现漏洞,就无法避免发生各种安全事故,而管理的疏漏则会经常发生。仅仅依靠加强化学实验室的管理制度、消防设施和个人防护不能解决问题,因为这些只能在发生安全事故时降低事故危害,并不能从源头上消除事故的发生。
当然绿色化学理论不是要取消高校化学实验室的存在,而是要应用绿色化学的原理对化学实验室中的设施进行本质安全设计,并在遵循绿色化学基本原则的基础上进行科学研究及实验教学工作,同时辅之以适当的安全管理制度,才能从根本上解决高校化学实验室的安全问题。
1.2实验室人员缺乏常识及必要的保障安全的技术
在高校化学实验室进行实验工作的一般均为高学历人群,但高学历并不意味着高的素质和能力。很多本科生甚至研究生缺乏基本的常识,虽然经过培训了解安全的重要性,但是却不知道怎样进行实验才会保障安全。进行化学实验之前不进行必要的前期调研,实验过程中也不与导师进行必要的沟通,而是仅凭着导师的安排及个人的一知半解进行实验,出现轻微事故时无法及时处理导致酿成大错,这是化学实验室经常出现安全事故的重要原因之一。
例如,用脱脂棉代替石棉布进行高温保温导致脱脂棉起火燃烧,进行高压实验时采用玻璃烧瓶导致烧瓶炸裂损伤身体,采用易挥发性有机溶剂进行非密封加热实验导致溶剂蒸气泄漏燃烧,氢气钢瓶轻微泄漏不知如何找到泄漏点并加以处理等。以上例子都不是缺乏所谓安全意识的问题,而是缺乏常识的表现。例如1个体积30dm3、压力12.5MPa的普通氢气钢瓶中装有约4m3(标准压力)氢气,即使全部泄漏到100m2的实验室中,也远远达不到氢气的爆炸极限(体积浓度4.0%~75.6%),说明少量氢气泄漏时,只要保持开窗通风,及时找到泄漏点加以解决即可,只要不是有意在氢气泄漏点动用明火,基本不会发生氢气爆炸事故。道理虽然简单,但由于实验室人员缺乏相关常识,碰到偶然的氢气泄漏,因惊慌失措而处置不当,反而会引发不必要的安全事故。
1.3安全管理者与实验人员的脱节
高校化学实验室中化学品种类繁多,所进行的科研实验类型更是多种多样,因而不同的化学实验室所面临的安全问题各有其特殊性,而安全管理者无法了解各个化学实验室安全问题的关键所在。如果安全管理者与实验室人员不能及时沟通,则只能按照常规要求进行安全督导,不利于找到影响安全的关键点,不能有效消除安全隐患。
研究生进行科研实验时如果没有与导师很好地沟通并制定详细的实验方案,或者在进行未知领域的探索实验时导师不在现场加以指导,则必然会增大不可预知的安全事故的发生几率。例如2016年5月23日华东理工大学1名二年级研究生在企业进行中试放大试验时,导师未现场指导,结果导致发生爆炸事故,造成3人身亡的惨剧。由此可见,安全管理者、导师与一线实验人员脱节也是导致高校化学实验室事故频发的原因之一。
2 绿色化学基本原则与本质安全设计对保障化学实验室安全的指导作用
2.1绿色化学12个基本原则
绿色化学12个基本原则是绿色化学研究者们总结得出的指导绿色化学品合成及绿色化工清洁生产的准则,这些原则中所蕴含的理念在构建化学实验室安全体系中的指导作用如表1中所示。

表1 绿色化学12个基本原则及其对保障化学实验室安全的指导作用
2.2本质安全设计
本质安全设计是指通过设计等手段使生产设备或生产系统本身具有安全性,即使在误操作或发生故障的情况下也不会发生安全事故。本质安全设计是人类在生产、生活实践的发展过程中,对安全事故由被动接受到积极预防,以实现从源头杜绝事故和人类自身安全保护的需要。表2中所示为本质安全设计理念及其对保障化学实验室安全的指导作用。

表2 本质安全设计理念及其对保障化学实验室安全的指导作用
3 应用绿色化学基本原则构建化学实验室安全体系的思路与方法
3.1有效预防优于严防死守
在安全事故发生之前进行有效预防是实现化学实验室安全的首要原则,这已经成为人们的共识,但是如何进行有效预防却需要进行深入探讨。虽然当前的化学实验室安全管理制度也提出预防为主,如进实验室之前进行安全培训,对于具有危险性、易燃易爆的化学试剂及化工原料,要了解其性质及使用注意事项,对于实验仪器设备要熟悉操作规程,实验过程中实验人员不得擅离职守等,但是仅仅做到这些对于预防安全事故的发生还远远不够。
如果不能减少或者消除危险性化学品的使用,即使知道其性质与注意事项,仍有发生危险的可能;如果实验仪器设备本身的潜在危险不能得到消除,即使熟知操作流程,仍有因发生误操作导致安全事故的可能,这些都已经由频繁发生的实验室安全事故得到证明。
要求实验人员在实验过程中全程跟踪,本身就是一件不可能完成的任务,比如在无机材料的高温煅烧过程中,实验人员不可能做到在加热炉旁全程跟踪加热过程;高压微反实验过程中,实验人员也不可能在装置旁边全程跟踪反应评价的全过程,因为一次微反实验可能就要延续数十甚至数百小时,而这样的评价实验可能要进行很多次。如果硬性要求实验人员全程跟踪每一项实验操作,那么科研实验将不可能正常进行,研究生将不可能有足够的时间完成其学位论文。
如何解决以上矛盾,只能通过对化学实验室中的仪器设备进行本质安全设计,才能在一定程度上保证使用技术安全;在遵循绿色化学基本原理的基础上进行科学研究和实验操作,设计无害化学反应方法,采用绿色安全的化学试剂和缓和的反应条件,同时采用高科技手段实时监测可能造成安全事故关键点,才是预防化学实验室安全事故发生的根本途径。
3.2通过本质安全设计保障化学实验室安全
“严格限制化学实验室中具有安全隐患的仪器设备和危险试剂的存放数量,如每个实验室中高压钢瓶数量不能超过几瓶,危险试剂数量不能超过几升”等等,是安全管理者惯常采用的安全管理措施之一。姑且不论这种只有在安全检查时才可能被认真执行的规定对于安全的实际意义,难道不能采取措施消除危险设备在实验室中的存在和危险试剂在化学实验中的使用吗?当然所采取的措施不是将危险设备和试剂搬到其它实验室,而是要对化学实验室的仪器设备进行本质安全设计,使其做到安全化、绿色化,这才是保障安全、减少甚至杜绝安全事故发生的最根本基础。
(1)减小化学反应装置的规模,开发微型反应器。在保持功能前提下尽量减小化学反应装置的规模,特别是反应器的体积,因为反应器的体积一般决定了反应装置中装填的反应物料的数量,而反应物料越多,一旦发生泄漏,就可能造成更大的安全事故。相反如果尽量采用体积较小的反应器,反应装置中运行的反应物料数量有限,即使发生事故也会将危害限制在较小的范围之内。
为了更接近工业装置的实际运行情况,往往需要进行规模较大的中试实验。中试实验应该尽量在具有相关资质的企业单位进行,如果有必要在高校化学实验室中建立中试装置,则要对这些装置的安装地点及运行情况进行重点监控。装置安装地点应该尽量远离其他实验室,中试反应器的规模也应该尽量减小以减少化工原料的用量,进行中试试验时要有导师进行现场指导,不允许学生单独操作。
(2)尽量简化化学反应装置。在保持功能前提下尽量简化反应装置的结构,减少危险物质容器、管线、连接点的数量,因为装置越复杂,越容易产生机械故障且难以有效控制;反应器及管线的连接点越多,越容易发生泄漏导致安全事故。同样,实验室中安装的危险装置数量不应过多,如果将很多高温、高压反应装置集中在一个实验室,除了容易使实验室变得杂乱无章,增加操作难度之外,还会容易出现安全事故的可能性。
在实际条件允许的情况下,实验室中应设法消除或减少危险品容器,如高压气体钢瓶以及有毒有害、易燃易爆的化学品容器的存放。为了保证科研应用和实验室安全,可采用高压钢瓶组对使用高压气体的实验室集中供气,高压钢瓶组可就近存放在单独的实验室并由专人管理。相对而言,高压钢瓶组集中供气相比每个实验室中都存放钢瓶更有利于保证安全。此外,危险化学品和化工原料也应该分门别类在专门药品室存放,相同课题组中要尽量避免研究生重复购置药品并不按要求随意存放。
(3)采用危害程度低、安全系数高的设备。在条件允许的情况下,尽量采用安全系数高的仪器设备,可在一定程度下避免安全事故的发生,或者即使发生安全事故,也会将事故所造成的影响限制在较低的水平。设计化学反应装置时,应充分考虑所选材料的耐高温、高压能力;针对化学反应原料及产物性质选择反应器材质,避免因材质不当发生腐蚀而泄漏。反应器尽量选择易于实现密封、不易泄漏且反应物容量较小的管式反应器,釜式反应器尽量采用较小容积,且额定使用温度、压力远高于反应条件的反应釜。反应装置上应设置足够的监测仪表,具有超温、超压报警,或者断电、断气等保护功能。
3.3科研实验遵循绿色化学基本原则
(1)设计安全的化学反应。进行科学研究或者学生实验时,尽量选择安全无害、操作简单、易于控制的化学反应类型。采用原子经济性反应,并尽量选择催化反应代替热反应,原子经济性反应的副反应少,催化反应可在相对缓和的条件下进行,并可以提高反应产物的选择性,这些都可以减少反应及后处理步骤,从而减少产生危险的可能性。尽量避免采用高温高压反应和强放热反应,对于高温高压反应需要探索适当催化剂降低反应压力,强放热反应需要减少反应原料的加入数量,避免出现反应器飞温等难以控制的现象。
学生实验也要尽量采用教学效果相当的实验项目代替原有的高风险实验,如制氧试验选用在常温下即可进行的H2O2催化分解,代替需要加热的KClO3催化分解法,既实现了原料和反应过程的绿色化,又减少了明火加热操作带来的危险。
(2)选择安全的化学品和试剂。设计化学反应时,反应原料、产品、溶剂和其它试剂均应选用对人和环境危害较小的化学品,尽量限制化学性质活泼但易于带来危险的化学品的使用及用量。化学性质活泼虽然易于发生化学反应,但也会由于过于活泼而带来某种危险。如光气、HCN、氯气的化学性质活泼,但是它们本身均为剧毒物质,一旦泄漏将带来惨重后果。可用无毒无害或毒害较低的物质取代有毒有害的物质,如可用碳酸二甲酯代替光气作为甲基化剂或羰基化剂使用,用甲苯代替强致癌作用的苯作为某些物质的溶剂等。如果实验要求必须使用有害化学试剂,也应该换用毒害较低试剂或在危害较低的条件下使用,比如用次氯酸钠代替氯气用作消毒剂,在常压冷藏条件下储存氯气,相比在高压容器中储存更加安全等。
3)减小化学试剂的用量。在保证实验效果的前提下,应该尽量减少化学试剂的用量,使实验小型化、微型化。当使用有毒有害、易燃易爆的物质时更应该这样,小剂量的化学试剂即使发生危险,也会将危害限制在较小的范围之内。
进行化学反应放大试验一定要慎重,尤其对于采用危险化学品,或者热效应比较大的反应更应该慎之又慎。放大试验不可避免要增大各种化学试剂使用量,大剂量的剧烈化学反应很可能失去控制,从而引发严重的安全事故和不可预测后果。因此放大试验要做到计划详尽周密,循序渐进,不可贸然增大试剂用量。
(4)在缓和的反应条件下进行化学实验。化学实验应尽量避免采用高温、高压、高真空、高腐蚀等极限条件,最好在常温常压下进行实验,这不仅降低能耗,是保证实验室安全的重要因素。反应条件缓和易于实现控制,不容易出现因电路故障、气体泄漏而着火爆炸,也不容易出现因腐蚀严重而导致反应器出现危险。
(5)妥善处置实验产生的废气、废物。实验中有危害性气体产生时要加强废气吸收,废液、固体废物应有专人分门别类集中处理。大量废液、废油堆放在实验室中,容易增加着火及人身伤害的发生概率。废物要注意按照其物理化学性质分别处理,不能随意混合,特别是强氧化性和强还原性的物质绝对不能混合,否则极易产生爆炸等安全事故。
3.4实时监测可能造成安全事故的关键点
条件允许的情况下,实验室中易于发生危险的关键点应用电子设备进行全天候监控,如可燃性气体钢瓶及管线连接点、油气储罐等处设置可燃性气体报警装置,重点仪器设备以及其它容易发生安全事故的设施安装电子监控等。将各种电子监控与反应装置上的控制仪表相联,当出现反应器超温时可实现自动切断电源和原料进料;超压或气体泄漏时,可以自动切断气体供应等。
3.5加强安全管理者与实验人员的沟通,制定完善安全管理制度
(1)转变思想观念。目前安全管理者主要通过制定严格的实验室安全管理制度,对于实验室危险化学品数量及摆放标准、消防设施及实验人员的个人防护进行硬性规定,进行安全培训和定期的安全检查等措施来试图实现化学实验的安全,看似合理但百密一疏。
首先不同的课题组和实验室有不同情况,且随时都在不断变化,研究不同的课题时会带来不同的安全问题,即使规定的再详细,也总有疏漏之处;其次,安全检查时,实验室人员一般会按照要求进行整改,但是过后依然会保持日常状态,这些实际因素都不是现有安全管理制度所能解决。因此需要安全管理者转变观念,从强制管理转变为提供实现安全的引导和帮助。
安全管理者应与一线实验人员进行充分沟通与交流建立安全管理体系,针对不同课题组和不同实验室,找出每个实验室中最有可能产生安全漏洞的地方,引导并适当提供帮助使实验室按照本质安全原则进行整改并重点防范。出现安全事故时,适当的奖励和惩罚措施是有必要的,但不要因为发生一些影响不大的操作失误而草木皆兵。化学实验过程中发生失误乃至错误操作在所难免,这也是化学工程师培养过程中不可避免会经历的磨炼,只要不是有意为之,或者接连犯错,都应该对一线实验室人员给予足够的理解与包容,而不只是简单进行严厉的惩罚,这样不利于人才的培养,而且于事无补。
(2)加强导师对学生的现场指导与常识教育。采取适当措施督促导师在实验室中对研究生加强现场指导,特别是学生进行未知领域的探索实验时,导师必须在现场指导。据统计本科生发生安全事故的数量明显低于研究生,这是由于研究生所涉及的实验项目多为探索未知知识,但是本科生实验一般有老师现场指导也是重要原因之一。
高校学生除了学习必要的专业理论知识之外,也应该加强必要的常识教育。这里所说的“常识”其实也经常贯穿在日常学习的知识之中,这些“常识”经常与实际问题联系比较紧密,高校教师注重学生的理论学习,而对理论联系实际重视不够。因此高校和研究生导师应多注意理论联系实际,多与学生进行实验问题的交流探讨,多到实验室现场指导,而不能只凭自己的经验和想象指导学生实验。
4 结语
高校化学实验室出现安全事故的直接原因:实验人员在缺乏必要的保证安全操作的常识知识以及保障安全的技术条件下,使用具有安全隐患的仪器设备以及危险试剂,在不安全的实验条件下进行科研工作,安全管理者、导师与一线实验人员缺乏有效的沟通交流,实验人员在事关安全的关键时刻得不到导师的现场指导,等等。化学实验室中存在安全隐患的仪器设备以及不安全的实验研究方法是发生安全问题的源头,需要对化学实验设施进行本质安全设计,科研实验应在绿色化学基本原则的指导下进行,设计安全的实验方法,选用无害的化学试剂和缓和的实验条件,才可从源头上解决化学实验室的安全问题。另外安全管理者在与实验人员进行充分沟通交流的基础上,引导帮助建立适当的安全管理体系,同时加强实验人员的安全常识教育,才能实现化学实验室的安全化、绿色化。