張 健，高洪澤，楊 勤，王 勇，李彩云

(武警學(xué)院 基礎(chǔ)部,河北 廊坊 065000)

消防專業(yè)有機化學(xué)課程教學(xué)中的環(huán)境保護(hù)教育

張 健，高洪澤，楊 勤，王 勇，李彩云

(武警學(xué)院 基礎(chǔ)部,河北 廊坊 065000)

從環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，闡述了在《有機化學(xué)》課程教學(xué)中如何將新能源、綠色化學(xué)、原子經(jīng)濟反應(yīng)等內(nèi)容與經(jīng)典的教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，在課堂教學(xué)中引入環(huán)境保護(hù)意識，探討了消防與環(huán)境的聯(lián)系，從不同角度分析討論了與有機化學(xué)教學(xué)有關(guān)的新技術(shù)、新工藝。

環(huán)境保護(hù)；綠色化學(xué)；新能源；有機化學(xué)

20世紀(jì)，人類在享受產(chǎn)業(yè)和科技革命所帶來的輝煌的同時，也體驗到自然生態(tài)環(huán)境破壞所帶來的巨大創(chuàng)傷。面對生態(tài)環(huán)境危機，人類已經(jīng)開始進(jìn)行生存策略的調(diào)整和改變，這是一次席卷全球的涉及人類生活各個層面的根本轉(zhuǎn)變，為了跟上這種轉(zhuǎn)變，人們需要掌握必要的科學(xué)知識，正確理解人與自然的關(guān)系，形成正確科學(xué)的環(huán)保理念，逐步建立起環(huán)保型生產(chǎn)方式和生活方式。作為從事消防專業(yè)《有機化學(xué)》課程教學(xué)多年的教師更是必須認(rèn)清形勢，緊跟時代的步伐，向?qū)W生播撒環(huán)境保護(hù)的火種，引導(dǎo)學(xué)生樹立環(huán)境保護(hù)意識。本文就在《有機化學(xué)》課程教學(xué)中如何滲入環(huán)境保護(hù)知識作了初步探討。

1 補充講解能源知識，將能源危機意識引入教學(xué)中

《有機化學(xué)》的開篇就是“烷烴”，在烷烴命名的講解中增加了汽油“辛烷值”的講解，汽油質(zhì)量用“辛烷值”表示，“辛烷值”是衡量汽油在氣缸內(nèi)抗爆震燃燒能力的一種數(shù)字指標(biāo)，其值高表示抗爆性好[1]。異辛烷(IUPAC命名為：2，2，4-三甲基戊烷)的抗爆性較好，辛烷值給定為100，正庚烷的抗爆性差，給定為0。提高“辛烷值”的方法有：(1)將直鏈烷烴的汽油進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造——異構(gòu)化(結(jié)構(gòu)重整也稱鉑重整)；(2)向低“辛烷值”汽油中添加抗震劑(四乙基鉛)。顯然第二種方法對環(huán)境有嚴(yán)重的污染現(xiàn)象。這樣，既講解了烷烴的命名又介紹了無鉛汽油的使用對環(huán)境的保護(hù)作用，并結(jié)合目前的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)講解了92#、95#汽油的區(qū)別，取得了事半功倍的效果。

在講解烷烴的來源時(煤炭、石油、天然氣)，同時用表1、表2、表3介紹我國和國外能源結(jié)構(gòu)的不同之處，使學(xué)生能在學(xué)習(xí)烷烴相關(guān)知識的同時認(rèn)識到我國及世界所面臨的能源危機，明白節(jié)約能源和資源是每一個人的責(zé)任與義務(wù)。

由表2、表3的數(shù)據(jù)可以看出中國和美國是全世界耗能大國，相比而言美國的能源結(jié)構(gòu)消費相對均衡，雖然從2004年到2013年我國煤炭的消耗整體有下降的趨勢，但還是以煤炭為主要能耗，在核能及再生能源的利用上不及美國，這也不可避免地會帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染。

表1 1950～1990年世界能源消費量和構(gòu)成

表2 2004～2013年中國的能源消費和構(gòu)成

注：數(shù)據(jù)來源于中華人民共和國國家統(tǒng)計局官網(wǎng)。

表3 2013年世界部分國家一次能源結(jié)構(gòu)消費量(噸油當(dāng)量)

注：數(shù)據(jù)來源于廈門節(jié)能公共服務(wù)網(wǎng)。

通過對三張表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，使學(xué)生清晰、直觀地了解我國能源結(jié)構(gòu)與國外的不同之處，很自然地就引出了對新能源、國外能源前沿發(fā)展動態(tài)的介紹[2-3]。美國能源部(DOE)提出21世紀(jì)新能源系統(tǒng)，其基本思想是以煤氣化為龍頭，利用所得的合成氣，一方面用以制備H2供燃料電池汽車使用，另一方面通過高溫固體氧化物燃料電池和燃?xì)廨啓C組成的聯(lián)合循環(huán)轉(zhuǎn)換成電能，能源利用率可達(dá)50%～60%，而且碳排放少，經(jīng)濟性比現(xiàn)代煤粉爐高10%。殼牌公司提出合成氣園的概念，它也以煤的氣化或是石油和渣油氣化為核心，所得的合成氣用于整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，用一步法生產(chǎn)甲醇和化肥，并作為城市煤氣供給用戶等等。這樣課堂氣氛馬上活躍起來，使原來枯燥的知識介紹變成了增強環(huán)保意識的有益教育，同時能使學(xué)生有能源危機意識。

2 適時探討消防與環(huán)境的聯(lián)系，將綠色消防思想引入教學(xué)中

人類社會發(fā)展到今天，創(chuàng)造了前所未有的文明，同時又帶來了一系列環(huán)境問題。特別是上個世紀(jì)80年代中期在南極上空發(fā)現(xiàn)了臭氧空洞，它與地球變暖即所謂的“溫室效應(yīng)”以及“酸雨”問題構(gòu)成了全球大氣環(huán)境問題，明顯地危及全人類的生存和繁衍，引起了國際社會的高度關(guān)注。近年來，我國部分地區(qū)的“霧霾”天氣頻發(fā)，不得不讓人們再次警覺，環(huán)境問題是一個與人人相關(guān)的重要問題。

火災(zāi)的發(fā)生不僅會造成人們生命財產(chǎn)損失，也會引發(fā)各種環(huán)境污染，火災(zāi)對環(huán)境的破壞作用主要是各類物質(zhì)尤其是有機化合物的燃燒對環(huán)境產(chǎn)生的影響及火災(zāi)產(chǎn)物的破壞作用，包括火災(zāi)生成的氣體、熱量、煙塵及灰燼等。發(fā)生火災(zāi)后就需要及時進(jìn)行滅火撲救，在使用的各類滅火劑中也有可能會對環(huán)境造成二次污染，所以，環(huán)保要求滅火工作中使用清潔高效的滅火劑。因此，消防工作者在致力于消防事業(yè)時，必須樹立強烈的環(huán)保意識，將“保護(hù)環(huán)境”與“消防工作”有機結(jié)合起來。

在《有機化學(xué)》課程教學(xué)中注意引入綠色消防意識，使教學(xué)更貼近實際。在“鹵代烴”一章，涉及到氟利昂、哈龍滅火劑等常見的鹵代烴化合物，在教學(xué)中除了講解兩者的命名、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)等必要的內(nèi)容外，重點講解的是此類化合物對臭氧層的破壞。

科學(xué)家對破壞臭氧層的關(guān)注始于1970年，研究表明，CFCs(氯氟烴)在大氣中分裂并釋放出破壞臭氧層的氯原子，哈龍物質(zhì)釋放出來的溴原子也對臭氧層造成同樣的破壞。1976年，聯(lián)合國環(huán)境署(UNEP)理事會第一次討論了臭氧層破壞問題。1977年召開了臭氧層專家會議。1981年開始就淘汰破壞臭氧層物質(zhì)的國際協(xié)議進(jìn)行政府間的內(nèi)部討論，并于1985年制定《環(huán)境臭氧層維也納公約》，1987年簽署了《蒙特利爾破壞臭氧層物質(zhì)管制議定書》(簡稱《議定書》)。

CFCs對臭氧層造成嚴(yán)重破壞涉及以下6個反應(yīng)方程式：

O2+hν→O·+O·

(1)

O·+O2→O3

(2)

O3+hν→O2+O·

(3)

O3+O·→O2+O2

(4)

Cl·+O3→ClO·+O2

(5)

ClO·+O·→Cl+O2

(6)

1995年諾貝爾化學(xué)獎獲得者荷蘭的大氣化學(xué)家Paul Crutzen以及美國的F.Sherwood Rowland和墨西哥的Mario Molina對平流層臭氧有卓越的研究成果，他們的研究表明，以上反應(yīng)產(chǎn)生的Cl原子在高空中是分解O3的一種強有力的催化劑[4]。由此看出尋找、研究、使用哈龍?zhí)娲锸敲恳粋€消防工作者的責(zé)任與義務(wù)。

這樣在教學(xué)中適時引入了相關(guān)環(huán)境公約，自然而然地探討了消防與環(huán)境的關(guān)系，使學(xué)生對所學(xué)的這部分內(nèi)容有一個更為全面的了解，同時引導(dǎo)學(xué)生在今后的消防工作中加強環(huán)保意識，建立綠色消防理念。

3 拓展講解原子經(jīng)濟反應(yīng)，將綠色化學(xué)知識引入到教學(xué)中

“綠色化學(xué)”又稱為環(huán)境友好化學(xué)(Environmentally Friendly Chemistry)，清潔化學(xué)(Clean Chemistry)，即用化學(xué)的技術(shù)和方法去消除那些在反應(yīng)過程和化工生產(chǎn)中使用和產(chǎn)生的有害物質(zhì)，生產(chǎn)環(huán)境副作用盡可能小以至沒有并且在技術(shù)和經(jīng)濟上可行的化學(xué)品。它的最大特點在于它是在生產(chǎn)的源頭就采用實現(xiàn)污染預(yù)防的科學(xué)手段，使過程和終端實現(xiàn)污染物的零排放而達(dá)到零污染，是從生態(tài)大系統(tǒng)的整體優(yōu)化出發(fā)，對物質(zhì)轉(zhuǎn)化的全過程不斷采取戰(zhàn)略性、綜合性、預(yù)防性措施，以提高能源的利用率，減少或消除廢料的生成和排放，降低生產(chǎn)活動對資源的過度使用以及對人類和環(huán)境造成的風(fēng)險，實現(xiàn)社會的可持續(xù)發(fā)展。

綠色化學(xué)的核心內(nèi)容之一是采用“原子經(jīng)濟”反應(yīng)，而反應(yīng)的“原子經(jīng)濟性”概念最早是由美國斯坦福大學(xué)的B.M.Trost教授提出的，針對一般僅用經(jīng)濟性來衡量工藝是否可行的傳統(tǒng)做法，他明確指出應(yīng)用一種新的標(biāo)準(zhǔn)來評估化學(xué)工藝過程，即選擇性和原子經(jīng)濟性兩個概念，后者是考慮在化學(xué)反應(yīng)中究竟有多少原料的原子進(jìn)入到了產(chǎn)品之中。這一標(biāo)準(zhǔn)既要求盡可能地節(jié)約那些一般是不可再生的原料資源，又要求最大限度地減少廢物排放[5-6]。

針對有機反應(yīng)速率慢、副反應(yīng)多、會給環(huán)境帶來更多污染和破壞等特點，在教學(xué)過程中拓展講解“原子經(jīng)濟”反應(yīng)、引入綠色化學(xué)的概念就十分必要。綠色化學(xué)的核心是實現(xiàn)原子經(jīng)濟反應(yīng)，但在目前的條件下還不可能將所有化學(xué)反應(yīng)的原子經(jīng)濟性都提高到100%。因此，不斷尋找新的反應(yīng)途徑來提高化學(xué)反應(yīng)的選擇性，仍然是十分重要的手段。這就要求開展從包括合成原料、新催化劑到新合成加工途徑、新反應(yīng)器設(shè)計等化學(xué)工程的研究，以及各學(xué)科交叉結(jié)合，由知識創(chuàng)新到技術(shù)創(chuàng)新來不斷實現(xiàn)化學(xué)合成過程中的綠色化。

在《有機化學(xué)》課程教學(xué)中根據(jù)這個指導(dǎo)思想，在適當(dāng)?shù)恼鹿?jié)拓展講解相關(guān)內(nèi)容。如：第六章“芳香烴”，芳烴的一個重要反應(yīng)是Friedel-Crafts烷基化反應(yīng)，工業(yè)上利用該反應(yīng)來合成異丙苯。

傳統(tǒng)的異丙苯的生產(chǎn)均采用AlCl3為催化劑，如圖1(a)為生產(chǎn)異丙苯的工藝流程示意圖，過程較為復(fù)雜，包括反應(yīng)系統(tǒng)、催化分離系統(tǒng)、產(chǎn)物水洗、中和系統(tǒng)和蒸餾系統(tǒng)等，而且反應(yīng)產(chǎn)率為70%。

由于催化劑AlCl3本身具有較大的腐蝕性，而且還加入了腐蝕性更嚴(yán)重的鹽酸作助催化劑和利用大量的氫氧化鈉中和廢酸，因而生產(chǎn)過程產(chǎn)生大量的廢水、廢酸、廢渣、廢氣，環(huán)境污染十分嚴(yán)重。2005年11月的吉林石化雙苯廠的火災(zāi)爆炸事故就是這條生產(chǎn)線的苯投料裝置發(fā)生堵塞造成的，當(dāng)時參加滅火戰(zhàn)斗的人員的戰(zhàn)斗靴中都浸入了大量的廢酸，造成了不同程度損傷。改用新的催化劑分子篩就能極大程度地解決這個問題，分子篩催化劑具有選擇性高、收率高、催化劑壽命長的特點，在課堂上以圖1的方式給學(xué)生講解了“異丙苯生產(chǎn)過程的比較”。

與AlCl3工藝的比較可知，新工藝過程大大簡化，如圖1(b)所示。分子篩為固體酸催化劑，固定在反應(yīng)器中，不存在與產(chǎn)物分離問題，因而AlCl3催化劑工藝中龐大的催化劑分離、水洗和中和部分在新工藝中可以全部省去，高活性和選擇性分子篩催化劑加上過程的簡化，使得新工藝投資大大降低而過程效率大大提高。新工藝產(chǎn)品收率和純度約為99.5%，基本接近原子經(jīng)濟反應(yīng)。

圖1 異丙苯生產(chǎn)過程比較

通過這樣直觀的分析講解，使學(xué)生在掌握傳統(tǒng)制備方法的同時又了解了目前教材中還沒有體現(xiàn)的對環(huán)境友好的新工藝方法，在課后的作業(yè)中不少學(xué)生就運用了這種新工藝采用的催化劑，學(xué)生在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)有機化學(xué)知識的同時了解了最新的技術(shù)知識，拓寬了他們的知識面。

在第九章“酚和醚”中，苯酚的制備通常的方法有苯磺酸法、苯氯化法、異丙苯法等。其中異丙苯法應(yīng)用最廣泛，目前世界苯酚總產(chǎn)量的95%都是通過異丙苯法合成的，反應(yīng)如下：

上述異丙苯法以及其他兩種方法簡介制備苯酚的過程都存在生產(chǎn)流程長、工藝過程復(fù)雜、生產(chǎn)成本高的問題。所以人們對苯直接氧化制備苯酚有濃厚的興趣。

人們研究了一步法合成苯酚，苯可以直接氧化制得苯酚[7-8]。

研究表明ZSM-5催化劑在N2O氧化苯制備苯酚反應(yīng)中，有著非常好的催化活性，F(xiàn)eZSM-5這種催化體系對反應(yīng)有很高的選擇性，既經(jīng)濟又安全。

在消防專業(yè)基礎(chǔ)課《有機化學(xué)》的教學(xué)中適當(dāng)引入與環(huán)境保護(hù)有關(guān)的內(nèi)容，引入最新的技術(shù)與理念，無論對于教師還是學(xué)生都是非常有意義的。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

一是教師的教學(xué)理念得到了升華和提高。綠色化學(xué)是新世紀(jì)化學(xué)學(xué)科的重要發(fā)展方向，是對傳統(tǒng)化學(xué)思維方式的更新和發(fā)展，教師更新了觀念，關(guān)注了綠色化學(xué)研究的進(jìn)展，充實和完善了自己的知識結(jié)構(gòu)，就會潛移默化影響學(xué)生，使學(xué)生增強環(huán)境保護(hù)意識和責(zé)任感，使他們在接受化學(xué)知識的同時逐漸形成綠色化學(xué)意識，加強對綠色化學(xué)的認(rèn)識和理解，培養(yǎng)了他們發(fā)展新的、環(huán)境友好化學(xué)的能力。

二是學(xué)生的學(xué)習(xí)視野得到了開闊。消防專業(yè)的學(xué)生畢業(yè)后絕大部分從事的都是本行，在工作中立足本職，把綠色化學(xué)的理論和實踐應(yīng)用于消防工作，這就是我們提出的消防友好過程的概念。消防友好過程就是綠色化學(xué)在消防工作中的具體應(yīng)用與體現(xiàn)，是新時期對消防工作的更高要求。

三是經(jīng)典課程內(nèi)容得到了充實和完善。作為消防專業(yè)基礎(chǔ)課的《有機化學(xué)》必須承擔(dān)向?qū)W生介紹、傳播綠色化學(xué)知識的責(zé)任與義務(wù)，使有機化學(xué)成為學(xué)生認(rèn)識綠色化學(xué)的基本途徑。

總之，在有機化學(xué)理論教學(xué)中很有必要把環(huán)境保護(hù)和綠色化學(xué)的理念貫穿到整個化學(xué)教育之中，并與消防友好過程密切結(jié)合，使學(xué)生能更新知識、更新觀念，樹立起綠色意識，緊跟時代前進(jìn)的步伐，與時俱進(jìn)。

[1] 錢旭紅.有機化學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

[2] 郭金瑞,許華明.世界一次能源消費分析[J].資源與產(chǎn)業(yè)，2010，12(1):28-32.

[3] 劉磊，金晶，趙慶慶，張盈文，劉娓.中國及世界一次能源消費結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀分析[J].能源研究與信息，2014，30(1):7-11.

[4] 葉鐵林，錢慶元.20世紀(jì)世界杰出化學(xué)家[M].北京:中國石化出版社，2001.

[5] [美]馬特萊克.綠色化學(xué)導(dǎo)論[M].郭長彬等,譯.北京:科學(xué)出版社，2012.

[6] 趙德明.綠色化工與清潔生產(chǎn)導(dǎo)論[M].杭州:浙江大學(xué)出版社，2013.

[7] 季東，任通，張小明，索繼栓，丁勇.FeZSM-5/N2O催化氧化苯制苯酚[J].化學(xué)進(jìn)展，2003，15(1):51-59.

[8] 郭衛(wèi)玲.苯氧化制苯酚催化劑Fe/ZSM-5研究進(jìn)展[J].石化技術(shù)，2009，16(2):41-45.

(責(zé)任編輯 李獻(xiàn)惠)

On the Environmental Protection Education in Organic Chemistry Curriculum for Fire Major

ZHANG Jian, GAO Hongze, YANG Qin, WANG Yong, LI Caiyun

(DepartmentofBasicCoursesTeaching，TheArmedPoliceAcademy，Langfang，HebeiProvince065000，China)

From an environmental point of view, this paper introduces how to combine new energy resource, green chemistry and atom economy reactions with the classic teaching content, discusses the relation between the fire work and the environment, and analyzes the relative new technologies and methods from different point of view.

environmental protection; green chemistry; new energy resource; organic chemistry

2014-12-26

武警學(xué)院教學(xué)改革項目“消防專業(yè)化學(xué)課程體系改革研究”成果之一

張健(1962— )，女，河南長葛人，教授； 高洪澤(1973— )，男，內(nèi)蒙古赤峰人，副教授； 楊勤(1973— )，女，河北泊頭人，副教授； 王勇(1969— )，男，山東惠民人，教授； 李彩云(1973— )，女，山西平遙人，副教授。

●教育訓(xùn)練研究

O624

A

1008-2077(2015)07-0041-05