蔡敬華
[摘 要]文章介紹了現(xiàn)行高中化學(xué)教材中涉及的有毒有害實驗廢棄物的來源及其危害,對減少高中化學(xué)實驗廢棄物的產(chǎn)生提出了一些策略,以期為實現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻。
[關(guān)鍵詞]高中化學(xué);實驗廢棄物;簡易處理
[中圖分類號]? ? G633.8? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058(2024)08-0064-05
化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué),實驗在實現(xiàn)學(xué)科育人價值方面具有特殊功能。60%的現(xiàn)行初、高中化學(xué)教材知識由實驗引入。同時,實驗是研究化學(xué)物質(zhì)及其變化的重要手段,在日常教學(xué)中組織多種實驗探究活動,對于全面提升學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)有著極為重要的作用[1]。然而,在實驗中產(chǎn)生的廢氣、廢液、廢渣大多含有毒有害物質(zhì),如果直接排放會造成環(huán)境污染,危害人體健康。故全國各地中小學(xué)化學(xué)實驗產(chǎn)生的廢棄物造成的聚沙成塔效應(yīng)不容忽視。因此,采取適當?shù)拇胧p少“三廢”帶來危害是非常必要的。
本文主要探討高中化學(xué)實驗廢棄物的處理問題,從實驗廢棄物的來源、危害、處理方法及減少廢棄物產(chǎn)生的方法等方面進行論述,并針對廢氣、廢液和廢渣總結(jié)多種處理方法,提出實現(xiàn)化學(xué)實驗綠色化的策略,旨在降低“三廢”的產(chǎn)生,實現(xiàn)更加環(huán)保的實驗方式和廢棄物處理方式。
一、實驗廢棄物的來源
按照《國家危險廢物名錄(2021年版)》《教學(xué)實驗用危險固體、液體的使用與保管》(GB/T 28920—2012) 和《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)的規(guī)定,我們查找了2017年人教版高中化學(xué)必修和選擇性必修教材中的實驗產(chǎn)生的有毒有害廢棄物,了解了這些廢棄物對環(huán)境和人體健康的危害,從而增強了防治污染、認真收集和處理廢棄物的決心。
《國家危險廢物名錄(2021年版)》中明確將在生產(chǎn)、研究、環(huán)境檢測等活動中,以及化學(xué)和生物實驗中產(chǎn)生的含氰、氟、重金屬的無機廢液,廢酸和廢堿等物品列為危險廢物,并定性為具有毒性、腐蝕性、易燃性和反應(yīng)性。同時,也包括廢液處理產(chǎn)生的殘渣,含有機溶劑、甲醛的有機廢液和沾染上述物質(zhì)的實驗用品、包裝物、過濾吸附介質(zhì)等[2]。被列為危險廢物意味著它們需要特殊處理,以保護環(huán)境和人類的健康。
我校于2020年9月開始使用新教材,新、舊教材的實驗內(nèi)容變化不大,但新教材明確規(guī)定了學(xué)生必做實驗,這為實驗教學(xué)提供了一個基本標準,即學(xué)校必須安排學(xué)生獨立完成必做實驗,并在教學(xué)中嚴格遵守。另外,把課程內(nèi)容與實驗結(jié)合起來,對實驗操作時間不長、過程簡明易懂、能夠展現(xiàn)明顯現(xiàn)象的實驗,也盡量讓學(xué)生獨立完成。
為落實立德樹人根本任務(wù),我校一貫重視實驗教學(xué),并根據(jù)課程標準開足、開齊學(xué)生實驗和教師演示實驗,認真開展“校本課程”“研究性學(xué)習(xí)”活動。這就造成了一定量實驗廢棄物的產(chǎn)生。但由于環(huán)保意識不強,理所當然地認為實驗后的廢棄物稀釋后危害不大,實驗產(chǎn)生的廢棄物除少量回收利用、少量自然揮發(fā)外,大部分都進入了下水道。
我校2013—2022年部分化學(xué)藥品的消耗統(tǒng)計如表1所示。
二、實驗廢棄物的危害
(一)廢氣的危害
中學(xué)實驗產(chǎn)生的廢氣,如SO2、NO2、H2S、NH3、C12等,會對人體健康造成危害。這些氣體有刺激性,人體吸入后會引起呼吸道疾病并刺激眼角膜,嚴重時甚至?xí)?dǎo)致失明,吸入過多則可能導(dǎo)致窒息死亡??諝庵写嬖诔康腟O2、NO2等酸性氣體時會形成酸雨。酸雨會腐蝕建筑物,阻礙植物的生長和發(fā)育,破壞生態(tài)系統(tǒng)中的營養(yǎng)元素循環(huán);酸雨還會導(dǎo)致湖泊酸化,進而造成魚類大量死亡。溫室氣體(包括但不限于CO2和CH4)的大量排放會導(dǎo)致全球氣候變暖,給生態(tài)平衡帶來破壞。
試劑揮發(fā)會產(chǎn)生多種有害廢氣,如HCl、Br2、苯及其同系物的蒸氣,鹵代烴蒸氣,醛類蒸氣和醇類蒸氣等。這些氣體具有刺激性和毒性。2017年10月27日,世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機構(gòu)公布的致癌物清單中,苯和甲醛被列為1類致癌物, 四氯化碳被列為2類致癌物,甲苯、溴乙烷被列為3類致癌物。2019年7月23日,甲醛被列入有毒有害水污染物名錄(第一批)。
(二)廢液的危害
酸性廢液和堿性廢液倒入下水道會造成下水道系統(tǒng)腐蝕,導(dǎo)致管道破裂,污水外泄。這不僅影響到市政工程系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn),還會對土壤和地下水造成污染,導(dǎo)致土壤變成酸性或堿性,損害土壤結(jié)構(gòu),影響植物生長,進而威脅整個生態(tài)系統(tǒng)。
人們?nèi)绻淮涡源罅繑z入含有重金屬離子的物質(zhì),會導(dǎo)致急性中毒,而長期少量多次地攝入,則可能導(dǎo)致人體畸形、致癌和基因突變。重金屬一旦進入水體,很難被微生物降解,甚至?xí)谖⑸锏淖饔孟律啥拘愿鼜姷慕饘儆袡C物。其中各種鉻酸鹽和Pb2+屬于對環(huán)境極為危險的1類污染物,較高的銅濃度與癌癥的形成有直接關(guān)系,食用可溶性鋇鹽會導(dǎo)致食道劇烈灼痛、惡心嘔吐、腹痛不適等癥狀。
有機廢液中主要的污染成分是有機溶劑,包括鹵代烴、苯及其同系物、醇類以及醛類等。這些物質(zhì)大多有毒,對人體健康有嚴重危害。例如,人飲用含有千分之幾毫克甲醇的水就會導(dǎo)致眼睛失明;多氯代烴毒性極高且持久性強,可以經(jīng)由食物鏈逐漸在生物體內(nèi)富集,而且會通過母乳喂養(yǎng)傳遞給下一代;苯酚是一種強毒性物質(zhì),即使只有微量的排放也足以導(dǎo)致湖泊中的魚類死亡。
(三)廢渣的危害
廢渣,即固體垃圾,是指在實驗過程中多余的固體原料、反應(yīng)生成的固體產(chǎn)物、過期的固體化學(xué)藥品和破損的實驗器皿等固體廢棄物。這些成分復(fù)雜且濃度較高的固體廢棄物如果被隨意扔在垃圾堆中,經(jīng)過日曬雨淋,其中的有害成分就會滲入土壤,導(dǎo)致地下水和土壤受到污染。部分固體廢棄物還會被雨水沖進水體,造成水污染,農(nóng)作物吸收了這類水體后也會被污染,從而危害人體健康。
三、實驗廢棄物的處理方法
(一)廢氣的處理方法
中學(xué)教學(xué)中,通常把實驗過程中產(chǎn)生的有害氣體的處理與該氣體的制取和性質(zhì)實驗相結(jié)合,這方面的研究相對較多。教師和學(xué)生通常只重視對有毒尾氣的處理,而對無毒氣體如甲烷、二氧化碳等不太關(guān)注。然而,實際上這些無毒氣體會導(dǎo)致溫室效應(yīng)。廢氣的處理方法主要有四種,分別是液體吸收法、燃燒法、物理吸附法和集中回收法。
1.液體吸收法
利用氣體的特性,采用液體吸收尾氣,再進行綠色處理以避免污染環(huán)境。通常用堿液吸收酸性氣體,如在SO2性質(zhì)實驗中,多余的SO2可以用NaOH溶液處理;對于堿性氣體,則可以用酸液吸收;對于某些容易溶于水的氣體,如HCl、NH3等,則可以通過倒置漏斗直接用水來吸收。
2.燃燒法
一些無法通過溶液或水吸收的可燃性氣體(如H2、CH4、C2H4、C2H2等),可以在實驗裝置末端添加尖嘴導(dǎo)管并點燃產(chǎn)生的尾氣以去除污染。如果實驗中產(chǎn)生的氣體的量不足或間歇性產(chǎn)生,無法持續(xù)燃燒,可以將尾氣導(dǎo)管的尖嘴放至酒精燈上方,使尾氣充分燃燒。使用該方法時需注意檢測尾氣的純度,以確保安全。
3.物理吸附法
藥品室內(nèi)有機試劑揮發(fā)所產(chǎn)生的廢氣,雖然濃度低,但長期滯留會威脅人體健康,排放又會對環(huán)境造成污染。為了解決這個問題,通常采用活性炭吸附法,利用活性炭的吸附特性,將低濃度的廢氣吸附到活性炭中,再對活性炭進行焚燒,最終達到去除污染的目的。通常把活性炭放進一種既防漏又透氣的袋子里,再將袋子放入藥品柜中?;钚蕴孔鳛槲絼?,可以對烴類、鹵代烴類、酮類、酯類、醇類、酚類等有機廢氣進行凈化,其去除效率可達到95%[3]。
4.集中回收法
酒精燈燃燒用的工業(yè)酒精、乙醇試劑、用乙醇配制的酚酞試劑等揮發(fā)出的乙醇由于濃度較高,不適合用活性炭吸附法消除污染。這些試劑若長期不用應(yīng)集中回收入細口瓶中,并存放在陰涼處,以減少因大量快速揮發(fā)帶來的污染。以此類推,有揮發(fā)性的試劑(如氨水、鹽酸、硝酸等),若較長時間不用都應(yīng)集中回收入細口瓶中,密封保存,使用時用專用的滴瓶盛裝,專管專用,這樣基本不會造成污染。
(二)廢液的處理方法
化學(xué)實驗室排放的“三廢”中對環(huán)境影響最大的是廢液,因為廢液的排放量最大。按成分劃分,廢液可分為無機廢液、有機廢液和有機無機混合廢液三類。無機廢液中的主要污染物包括廢酸、廢堿、含有重金屬離子的鹽類等,通常采用酸堿中和、混凝沉淀、還原反應(yīng)等方法進行處理。有機廢液中的有毒、有害物質(zhì)包括苯、鹵代烴、苯酚、醛類、醇類、酯類等,通常采用溶劑萃取、吸附、焚燒、氧化分解等方法進行處理,以減輕后續(xù)無害化處理的費用。
1.酸性廢液、堿性廢液的處理方法
實驗后濃度較高的含酸或含堿的廢液應(yīng)分別收集,盡量再利用。如廢酸可用于清洗附著堿性沉淀的試管和儀器,廢堿可用于中和沒有回收利用價值的廢酸等,以達到以廢治廢的目的。無利用價值的低濃度酸、堿廢液,應(yīng)及時進行中和(中和后的pH范圍在6.5~8.5),生成無毒性的鹽類溶液后再排放。對于濃度極低的酸、堿廢液(如酸堿中和滴定后的溶液),用水稀釋到允許的范圍內(nèi)可直接排放。
2.重金屬離子廢液的處理方法
中學(xué)主要涉及的重金屬離子有Cu2+、Ag+、Pb2+、Ba2+、Mn2+、Zn2+、各種鉻離子,它們對人體和環(huán)境的危害極大。含重金屬離子的廢液不論濃度高低,必須全部回收。
(1)含Cu2+、Pb2+、Mn2+、Zn2+廢液的處理
有很多重金屬離子可以生成硫化物沉淀,且大部分金屬硫化物的溶解度比氫氧化物低得多,因此利用硫化物沉淀可以更徹底地去除重金屬離子。通常使用的沉淀劑有硫化鈉、硫化鉀和硫化銨等。處理重金屬離子廢液最有效的方法是在堿性環(huán)境下(pH為8~10)加入硫化鈉,使其析出硫化物沉淀,再加入適量的鐵鹽作為絮凝劑,利用氫氧化鐵的共沉淀作用,吸附重金屬離子的同時去除多余的S2-;靜置一晝夜再分離,先檢查濾液中有無重金屬離子,再檢查濾液中有無S2-(因S2-在酸性環(huán)境中會生成劇毒的硫化氫)。含有S2-時,用H2O2將其氧化中和后再排放。廢渣干燥后集中交給有資質(zhì)的工廠進行無害化處理。
(2)含Ba2+廢液的處理
在含Ba2+廢液中加入Na2SO4溶液,轉(zhuǎn)化為BaSO4沉淀,再靜置過濾,將濾液直接排放,將濾渣進行回收處理,因為BaSO4是無害的鋇鹽。
(3)含Cr6+、Cr3+廢液的處理
Cr6+是一種具有極強毒性的污染物,其在溶液中的濃度必須嚴格控制在5×10-5%以下。Cr6+可以在酸性或堿性條件下以鉻酸根離子的穩(wěn)定狀態(tài)存在。因此,可以按照以下方法將Cr6+還原成Cr3+后進行中和,生成難溶的Cr(OH)3沉淀來去除[4]。①4H2CrO4+6NaHSO3+3H2SO4=2Cr2(SO4)3+3Na2SO4+10H2O,②Cr2(SO4)3+6NaOH=2Cr(OH)3↓+3Na2SO4。①式為還原反應(yīng),若pH值低于3會迅速結(jié)束;②式的中和反應(yīng)需要調(diào)節(jié)溶液的pH值為7.5~8.5,以防止Cr(OH)3在pH值大于10時轉(zhuǎn)變?yōu)椋跜r(OH)4]-再溶解。反應(yīng)后,需要靜置、過濾并干燥廢渣,然后將其交給有資質(zhì)的工廠進行無害化處理;對于濾液須進行全鉻檢測(先用高錳酸鉀將Cr3+氧化成Cr6+,再用二苯基碳酰二肼吸光光度法進行分析),確保濾液中沒有鉻后才能進行排放。
因無專門的檢測設(shè)備,要做到含鉻廢液的達標排放在中學(xué)有一定的困難。高中化學(xué)學(xué)生實驗中用到重鉻酸鉀的是“探究濃度對化學(xué)平衡的影響”實驗,反應(yīng)原理是:Cr2O[2-7]+H2O2CrO[2-4] +2H+。該實驗?zāi)艹浞肿C明增加或減少生成物濃度對化學(xué)平衡產(chǎn)生的影響,是非常經(jīng)典的實驗。如果試劑沒有被污染,可以重復(fù)使用。因此,在課堂上教師要向?qū)W生說明鉻的危害和處置難度,要求學(xué)生在實驗中對含鉻廢液進行專門回收,調(diào)節(jié)溶液的pH值后重復(fù)進行使用,以減輕廢液處置的工作量。
(4)含Ag+廢液的處理
中學(xué)化學(xué)實驗中含Ag+廢液主要來自Cl-的鑒別實驗和銀鏡反應(yīng)實驗,以AgCl、Ag(NH3)[+2]等形式存在。銀是貴重金屬,一般要進行回收。通常先在收集來的含銀廢液中加入濃鹽酸(邊加邊攪拌),得到AgCl沉淀實現(xiàn)Ag+富集,再傾去母液,將AgCl沉淀烘干后集中存放。
回收銀用還原法,原理是用活潑金屬置換不活潑金屬。將經(jīng)過處理的少量AgCl粉末用氨水溶解后,放入70~80℃的電熱水浴鍋中恒溫,加入鋅粉或鋅粒進行攪拌約30分鐘,反應(yīng)充分后用鹽酸洗滌所得固體,干燥后即可回收得到銀[5]。銀與硝酸反應(yīng)得到硝酸銀溶液,可實現(xiàn)重復(fù)利用。
3.有機廢液的處理方法
中學(xué)化學(xué)實驗中產(chǎn)生的有機廢液的成分通常比較簡單,可以通過焚燒、吸附、氧化分解等方法處理。
(1)不能重新利用的有機廢液,若可燃就采用焚燒法進行處理,將有毒有害的廢液轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水,達到去除污染的目的。若廢液濃度較低、不易燃燒,可采用溶劑萃取法、吸附法等進行濃縮和初步分離后,再進行焚燒。例如,可以使用活性炭吸附苯酚的稀溶液進行濃縮,再用三氯化鐵檢驗是否吸附完全,完全吸附后進行過濾,然后將活性炭放在敞口的鐵器中進行焚燒,濾液直接排放。
(2)有機溶劑四氯化碳通常需要回收處理?;厥蘸械饣蜾鍐钨|(zhì)的四氯化碳溶液的一種簡單方法是:在回收液中逐滴加入10% NaOH溶液,攪拌使產(chǎn)生的碘化物或溴化物在水層中溶解,靜置分層后再進行分液操作,得到的四氯化碳可重復(fù)使用。
(3)處理含有酸、堿或無機鹽的有機廢液時,若有機層和水層可以被分離,先進行分離操作,通過焚燒法處理有機層,而后進行水層廢液的二次處理。若無機廢液中含有少量乙醇或乙酸這些能被細菌作用而易于分解的物質(zhì)時,可直接作為無機廢液進行處理。
4.其他廢液的處理方法
其他廢液如清洗試管、燒杯、容量瓶等實驗儀器的廢液,經(jīng)過大量的水稀釋后,廢液的濃度非常低,造成的污染幾乎可忽略不計,故可直接排放。
(三)廢渣的處理方法
廢渣的處理應(yīng)先考慮回收再利用,后考慮廢棄。
1.對于實驗后剩余的金屬(如鋁、鋅、鐵、銅等)、防止液體加熱暴沸用的沸石、試劑用完后剩下的空包裝瓶等,應(yīng)洗凈后重新加以利用,以節(jié)約資源。
2. 實驗后多余的固體原料、反應(yīng)生成的固體產(chǎn)物、消耗或破損的實驗用品應(yīng)分類收集,優(yōu)先考慮回收再利用,若無回收利用價值,在確定對環(huán)境無污染后可倒入生活垃圾中,由環(huán)衛(wèi)部門處理。
3.沉淀絮凝所產(chǎn)生的重金屬沉淀殘渣、過期的固體化學(xué)藥品大都有毒有害,不能隨意放置、丟棄或填埋,必須按照國家的有關(guān)規(guī)定進行妥善保管和處置。重金屬沉淀殘渣應(yīng)置于防滲漏、防銳器穿透的專用容器內(nèi) ,貼好標簽,注明收集時間,放置在專門的危險品柜中妥善保管。教學(xué)上已不需要的危險化學(xué)藥品也應(yīng)及時清理,與重金屬沉淀殘渣一起另設(shè)專柜存放。城市的中學(xué)一般位于人口密集區(qū),不便對危險廢棄物進行填埋處理,只能通過主管部門聯(lián)系有資質(zhì)的危化品處置企業(yè)對實驗廢棄物進行無害化處理。按照及時處理、就近處理、無害化處理的原則,實驗室管理人員要定期對實驗室產(chǎn)生的廢棄物進行登記造冊,做好處置預(yù)算,聯(lián)系?;诽幹闷髽I(yè)簽訂處置合同(包括危化品的數(shù)量、性質(zhì)、處置費用、運輸形式等),直至交付?;凡潘阃瓿晌;返奶幚砉ぷ?。實驗廢棄物的無害化處理是化學(xué)實驗污染治理的最后一步,學(xué)校應(yīng)和?;诽幹闷髽I(yè)長期合作,制訂實驗廢棄物定向處理機制,以規(guī)范處置實驗室危險廢棄物,將環(huán)境保護工作落到實處。
四、減少“三廢”的產(chǎn)生,實現(xiàn)中學(xué)化學(xué)實驗綠色化
治理環(huán)境污染的關(guān)鍵是要從源頭上控制廢棄物的產(chǎn)生和排放,預(yù)防廢棄物的生成比在其生成后再處理效果更好。研發(fā)新的實驗方法和實驗儀器來替代那些會產(chǎn)生環(huán)境污染的實驗方法和實驗儀器,以此來實現(xiàn)化學(xué)實驗的綠色化。
1.改進實驗裝置。優(yōu)先考慮設(shè)計封閉性、簡約性和一體化的實驗裝置,以減少實驗對環(huán)境的污染。例如,傳統(tǒng)的實驗使用石棉網(wǎng)或鐵片進行鐵和硫的反應(yīng)(如圖1),這種裝置存在的問題是藥品消耗大、二氧化硫污染嚴重,會對師生的身體健康造成危害。因此,需要改用更加安全環(huán)保的裝置來進行實驗教學(xué)。使用改進后的裝置(如圖2),實驗藥品用量降低了十分之一,且增加了尾氣處理裝置,這既提高了實驗趣味性,又培養(yǎng)了學(xué)生節(jié)約藥品和對尾氣進行環(huán)保處理的理念。
2.推廣微型實驗。對于不用加熱的開放實驗,用點滴板或井穴板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的試管、燒杯等大體積容器,使實驗微型化,以達到最大程度減少藥品用量的目的。特別是學(xué)生分組探究實驗,采用點滴板或井穴板進行,是減少污染的最佳途徑。在實施分組實驗教學(xué)時,首要任務(wù)是向?qū)W生傳輸綠色化學(xué)理念,使他們理解微型化實驗對環(huán)保的重要性和意義。學(xué)生須遵循規(guī)定的藥品濃度和用量,以及規(guī)范的實驗操作步驟,方能得出準確的實驗結(jié)果。這既是對個人和他人的安全負責(zé),也是必要的環(huán)境保護措施。實施微型化實驗不僅能節(jié)省藥品、降低能耗,同時還能縮短實驗時間。此外,在化學(xué)實驗中有些實驗對藥品濃度有明確規(guī)定,而有些則不需要。即使沒有指定藥品濃度,我們也應(yīng)該加以探索并改進,以達到保證實驗效果的同時減少環(huán)境污染的目的。
3.充分利用多媒體。通過網(wǎng)絡(luò)下載實驗視頻輔助教學(xué),可在一定程度上減少有毒有害廢棄物的生成?;瘜W(xué)實驗的綠色化是有一定限度的,有時候一些經(jīng)典實驗無法做到綠色化,我們可以采用下載視頻、電腦模擬等現(xiàn)代化教學(xué)手段來輔助教學(xué)。如乙醇與重鉻酸鉀反應(yīng)的經(jīng)典實驗,教學(xué)時可以讓學(xué)生通過觀看視頻來學(xué)習(xí),既環(huán)保又直觀。在有機化學(xué)實驗中,苯與溴發(fā)生的取代反應(yīng)、苯的硝化反應(yīng)等的反應(yīng)物和生成物皆為一級污染物,且實驗操作時間長。為了避免環(huán)境污染,可以通過視頻演示來代替實驗演示。觀看實驗視頻是一種化學(xué)實驗零投入和廢棄物零排放的特殊方式。實驗視頻使許多不能做、不易做的實驗得以完成;使操作時間長的實驗得以縮短時間,提高了學(xué)生的注意力和課堂效率;更使那些易燃易爆、操作不易控制或使用有毒有害試劑的實驗得以演示和講解。
化學(xué)實驗綠色化是一個不斷完善和持續(xù)改進的過程。不斷創(chuàng)新、積極接受新的實驗方法和手段是高中化學(xué)實驗教師必須具備的素質(zhì)。教師應(yīng)該關(guān)注化學(xué)實驗領(lǐng)域不斷發(fā)展的最新動態(tài),不拘泥于教材,積極推廣符合綠色化要求的實驗,與學(xué)生一同致力于踐行化學(xué)實驗的綠色化理念?;瘜W(xué)正在向著更健康、更環(huán)保的方向發(fā)展,而高中化學(xué)實驗的綠色化也已成為化學(xué)發(fā)展的必然趨勢和需要。
[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]
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(責(zé)任編輯 羅 艷)