談化學(xué)類實(shí)驗(yàn)室功能分區(qū)設(shè)計(jì)安全壽命范文

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摘要：近幾年高校化學(xué)類科研實(shí)驗(yàn)室發(fā)生事故的原因很多是由原有實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)功能不能滿足不斷新增的使用功能而產(chǎn)生的安全問(wèn)題，即原有的實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)已經(jīng)接近其安全壽命，產(chǎn)生了隱患。在實(shí)驗(yàn)室新建以及改造過(guò)程中以安全性作為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，加入細(xì)致的功能分區(qū)設(shè)計(jì)，并配合合理的管理，能夠增加實(shí)驗(yàn)室的安全壽命，為實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)及安全管理提供了參考。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)室管理；化學(xué)實(shí)驗(yàn)；安全壽命；功能分區(qū)

設(shè)備壽命周期一般是指應(yīng)用設(shè)備從投入使用開(kāi)始，到在技術(shù)上或經(jīng)濟(jì)上不宜繼續(xù)使用而退出使用過(guò)程為止所經(jīng)歷的時(shí)間，通過(guò)合理的管理及維護(hù)可以延長(zhǎng)設(shè)備壽命[1]。房屋建筑有使用壽命，化學(xué)實(shí)驗(yàn)室其本質(zhì)上雖然屬于建筑，但又有特殊屬性，因?yàn)樗枰獫M足進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)的功能。在滿足功能的條件下具有安全的特性是對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的基本要求，以安全為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)價(jià)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的壽命，本文稱之為實(shí)驗(yàn)室安全壽命。當(dāng)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)功能達(dá)不到要求，安全隱患達(dá)到無(wú)法根治、且管理難度較大的程度，則實(shí)驗(yàn)室接近其安全壽命，這時(shí)候就需要進(jìn)行較大的整改或重新設(shè)計(jì)裝修。

1高校化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全技術(shù)范疇的重要性探討

以實(shí)驗(yàn)室安全為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可以將實(shí)驗(yàn)室管理分為管理層面和技術(shù)層面，管理層面就是通過(guò)制定規(guī)范、深入檢查以及加強(qiáng)操作及安全意識(shí)培訓(xùn)等與人相關(guān)的事宜；而技術(shù)層面則是依托先進(jìn)技術(shù)以及管理經(jīng)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，如新型機(jī)器的發(fā)展，新型傳感器[2]，新材料、新設(shè)備的應(yīng)用，都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)室安全起到良好的作用。從管理層面來(lái)講，人的因素是最為重要的，以往高校發(fā)生的安全事故多數(shù)是人為引起的。深入檢查、加強(qiáng)安全意識(shí)能夠大大降低事故的發(fā)生。然而另一方面，人的因素也是最難控制的，尤其是在安全環(huán)境本身存在問(wèn)題的情況下。在目前高校的管理模式下，常規(guī)的實(shí)驗(yàn)室檢查不能從根本上解決實(shí)驗(yàn)室的主要隱患。實(shí)驗(yàn)室科研人員與學(xué)校安全管理人員的工作目標(biāo)并不一樣，這是一個(gè)矛盾。實(shí)驗(yàn)室科研人員對(duì)實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)容相對(duì)了解，但是安全方面的意識(shí)不一定完善；而安全管理人員雖然關(guān)注著實(shí)驗(yàn)室的安全，但是對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及主要隱患并不清楚，導(dǎo)致安全檢查在一定程度上存在著形式化。而這個(gè)矛盾也降低了管理人員風(fēng)險(xiǎn)感知的能力[3]。所以實(shí)驗(yàn)室建立初期有針對(duì)性地進(jìn)行功能設(shè)計(jì)以及安全評(píng)估是非常必要的。如果沒(méi)有針對(duì)性的技術(shù)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)室用不到幾年就會(huì)開(kāi)始出現(xiàn)隱患，而這些隱患如果因?qū)嶒?yàn)室原有設(shè)計(jì)功能的限制可能會(huì)成為新的遺留問(wèn)題，這些長(zhǎng)期存在的遺留問(wèn)題勢(shì)必會(huì)增加事故率[4]。化學(xué)實(shí)驗(yàn)室在試劑的種類和數(shù)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也經(jīng)常使用高溫、高壓的各類儀器設(shè)備以及各類壓縮氣體鋼瓶等，如果管理不善或使用不當(dāng)，就會(huì)引起火災(zāi)、爆炸、灼傷等事故[5]。人們一般會(huì)認(rèn)為這些物品所包含的危險(xiǎn)因素是客觀存在、無(wú)法回避的，而多數(shù)問(wèn)題都?xì)w結(jié)為人的因素。從技術(shù)層面來(lái)說(shuō)，通過(guò)深化改造或應(yīng)用新的技術(shù)手段可以降低某些事故發(fā)生的可能性。但如果實(shí)驗(yàn)室接近或達(dá)到安全壽命，那么它的管理難度及成本就會(huì)非常大。目前的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)大多只是簡(jiǎn)單根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及借鑒其他實(shí)驗(yàn)室的方案，而在不同使用功能的基礎(chǔ)上沒(méi)有參照的標(biāo)準(zhǔn)。近年來(lái)由于科研人員及課題量不斷增加，很多實(shí)驗(yàn)室都存在使用功能不斷增加的情形。而使用功能的增加若沒(méi)有相應(yīng)增加安全方面的考慮，就會(huì)產(chǎn)生新的安全隱患，使實(shí)驗(yàn)室的安全壽命提前到達(dá)。同時(shí)，為滿足增加的實(shí)驗(yàn)要求，新建實(shí)驗(yàn)室的數(shù)量也持續(xù)增長(zhǎng)，無(wú)論實(shí)驗(yàn)室科研人員或?qū)W校安全管理方均希望能夠盡早進(jìn)入新的環(huán)境，從而徹底擺脫目前實(shí)驗(yàn)室存在的各種遺留隱患問(wèn)題。然而，如果沒(méi)有合理的設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)性的功能劃分，再加上安全管理不善，在很短的時(shí)間內(nèi)就可能產(chǎn)生許多新的隱患問(wèn)題，且難以根治[6]。科學(xué)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)能夠大幅降低事故率[7]，所以針對(duì)化學(xué)類科研實(shí)驗(yàn)室的方向，綜合性地進(jìn)行功能分區(qū)以及安全方面設(shè)計(jì)迫在眉睫。本文以電池類化學(xué)實(shí)驗(yàn)室為例，參照實(shí)驗(yàn)室化學(xué)安全等標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合當(dāng)前科研實(shí)驗(yàn)室存在的多種使用功能，列舉了部分對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)設(shè)計(jì)，為新建化學(xué)類科研實(shí)驗(yàn)室提供參考。

2以安全評(píng)價(jià)為主的功能化分區(qū)設(shè)計(jì)示范

2.1實(shí)驗(yàn)室總體分布設(shè)計(jì)

化學(xué)實(shí)驗(yàn)分區(qū)不明確是目前科研實(shí)驗(yàn)室存在的重要問(wèn)題。很多實(shí)驗(yàn)室是在沒(méi)有重新設(shè)計(jì)及改造的情況下，不斷引進(jìn)新的實(shí)驗(yàn)以及儀器。這些新的實(shí)驗(yàn)將會(huì)增加實(shí)驗(yàn)室的負(fù)載，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些安全隱患，而產(chǎn)生的這些隱患很可能由于人員變動(dòng)或調(diào)查不足而未被發(fā)現(xiàn)，這樣就會(huì)增加危險(xiǎn)性。本文從實(shí)驗(yàn)室新建的角度來(lái)進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)不同實(shí)驗(yàn)功能的區(qū)分。電池類化學(xué)實(shí)驗(yàn)室布局設(shè)計(jì)如圖1所示。根據(jù)需求，將實(shí)驗(yàn)室分為化學(xué)合成室、氣相合成及處理室、燒結(jié)實(shí)驗(yàn)室、電池涂布室、切割間、電池及電化學(xué)測(cè)試室、分析測(cè)試室等不同區(qū)域，同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況增加新到儀器拆箱區(qū)以及廢舊儀器存放區(qū)。每個(gè)區(qū)域的功能比較單一，可以針對(duì)每個(gè)功能進(jìn)行安全方面的考慮及設(shè)施配套，這樣每個(gè)區(qū)域安全問(wèn)題單一、隱患問(wèn)題可預(yù)見(jiàn)，這樣就會(huì)大大增加安全管理的效率，降低事故率。當(dāng)然，每個(gè)實(shí)驗(yàn)室的大小及要求不盡相同，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分區(qū)，但目的是將不同區(qū)的實(shí)驗(yàn)類別單一化，防止不同人、不同實(shí)驗(yàn)之間產(chǎn)生矛盾而造成隱患。

2.2化學(xué)合成實(shí)驗(yàn)室的布局設(shè)計(jì)

在所有實(shí)驗(yàn)分區(qū)中、化學(xué)合成室與氣相合成及處理室的危險(xiǎn)系數(shù)相對(duì)比較高。針對(duì)化學(xué)合成室進(jìn)行布局設(shè)計(jì)以及引入相關(guān)的設(shè)施極為重要。近年來(lái)，高校實(shí)驗(yàn)室事故時(shí)有發(fā)生，其中比較嚴(yán)重的事故多為中毒、火災(zāi)以及爆炸事故[8]。而這些事故的發(fā)生均與易燃易爆以及有毒物質(zhì)的泄漏有很大關(guān)系，這些物質(zhì)的存儲(chǔ)以及實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)是問(wèn)題的關(guān)鍵，這恰好也是目前許多高校實(shí)驗(yàn)室所欠缺的。通風(fēng)設(shè)施不足，存儲(chǔ)不當(dāng)便產(chǎn)生了隱患。化學(xué)合成實(shí)驗(yàn)室對(duì)通風(fēng)的要求尤為嚴(yán)格，因?yàn)榇蠖鄶?shù)試劑都具有有害性，而許多有機(jī)試劑具有揮發(fā)性及可燃性，良好的通風(fēng)可以避免有害氣體的擴(kuò)散。化學(xué)合成實(shí)驗(yàn)室通常包括化學(xué)試劑的存儲(chǔ)、試劑的稱量、混合、溶液配制、攪拌、超聲、抽濾、烘干等操作。在以往的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，有通風(fēng)設(shè)施的操作空間總是難以滿足要求，如試劑混合、回流反應(yīng)、抽濾、水熱反應(yīng)、烘箱等都會(huì)存在有害物質(zhì)的揮發(fā)問(wèn)題，這些實(shí)驗(yàn)過(guò)程都需要在通風(fēng)櫥中進(jìn)行。所以根據(jù)這個(gè)需求，將化學(xué)合成實(shí)驗(yàn)室分為普通操作臺(tái)、普通烘干處、通風(fēng)櫥及試劑柜等幾個(gè)部分，化學(xué)合成實(shí)驗(yàn)室的布局設(shè)計(jì)如圖2所示，其中試劑柜也自帶通風(fēng)管道，這樣就可以縮短實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的移動(dòng)距離，避免了實(shí)驗(yàn)儀器以及器皿的隨意搬動(dòng)，減少了安全隱患。

2.3化學(xué)合成實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

化學(xué)合成實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)的設(shè)計(jì)同樣需要考慮通風(fēng)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)如圖3所示，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的上方設(shè)置萬(wàn)向臂吸風(fēng)罩，而稱量、攪拌、超聲等小型儀器均按照需求放置在一定距離內(nèi)并固定；實(shí)驗(yàn)臺(tái)的一端設(shè)有水池備用；吸風(fēng)罩的設(shè)置避免了稱量、攪拌、超聲過(guò)程中有害物質(zhì)的擴(kuò)散，消除了該過(guò)程中的隱患；同時(shí)模塊化的設(shè)計(jì)使得實(shí)驗(yàn)過(guò)程較為便捷，能夠優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法及步驟，避免了許多移動(dòng)過(guò)程，減少實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有害物及污染物的產(chǎn)生，消除了移動(dòng)試劑過(guò)程中的隱患，進(jìn)一步提高了安全性，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)綠色化[9]。

2.4化學(xué)合成實(shí)驗(yàn)室試劑存儲(chǔ)柜的設(shè)計(jì)

試劑存儲(chǔ)為化學(xué)合成實(shí)驗(yàn)室的重中之重，試劑存放不合理也是許多事故發(fā)生的根本原因[10]。化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的試劑存儲(chǔ)空間的需求比較大且持續(xù)增加。試劑需要分類存放并具有良好通風(fēng)[11]。試劑存儲(chǔ)柜設(shè)計(jì)如圖4所示，本文設(shè)計(jì)了一種兼容的試劑柜，其首先具有通風(fēng)的功能，整個(gè)柜體空氣貫通，其次具有足夠大的空間來(lái)滿足不同規(guī)格的試劑存放，同時(shí)在其一邊設(shè)置有管制品存儲(chǔ)區(qū)并進(jìn)行雙人雙鎖管理，在右下方區(qū)域?qū)ｉT存放同類試劑的廢液。通風(fēng)柜采用防火防爆的金屬材料制作，內(nèi)涂防腐涂料，通風(fēng)管道要求能耐酸堿氣體腐蝕。在實(shí)驗(yàn)室分別放置一個(gè)有機(jī)試劑柜及一個(gè)無(wú)機(jī)試劑柜，采用這樣的設(shè)計(jì)，相互可能發(fā)生反應(yīng)的試劑之間沒(méi)有交叉，且通風(fēng)良好，可以大幅度減少由于試劑存儲(chǔ)不當(dāng)而產(chǎn)生的隱患，同時(shí)配合良好的管理方案可以基本解決存儲(chǔ)安全問(wèn)題。

2.5氣相合成及處理實(shí)驗(yàn)室布局設(shè)計(jì)

氣相合成及處理實(shí)驗(yàn)室主要使用儀器為管式爐，危險(xiǎn)源為氣體及高溫。針對(duì)這種情況，氣相合成及處理實(shí)驗(yàn)室（見(jiàn)圖5）進(jìn)行單一分區(qū)，將管式爐按照使用氧化或還原性氣體的類型排列在兩邊，兩側(cè)各有氣體的供氣及排氣管道。氧化氣體及還原性氣體的排氣管道分開(kāi)，這樣能夠避免管式爐尾氣產(chǎn)生的隱患問(wèn)題。將氣體鋼瓶分開(kāi)放置在防爆柜里，與管式爐保持一定的距離，若空間限制可將鋼瓶放置于室外。通過(guò)單一的功能設(shè)定并配合規(guī)律性地檢漏，可以顯著提高氣相實(shí)驗(yàn)室的安全性，同時(shí)可以滿足不斷提高的容量需求，增加了實(shí)驗(yàn)室的安全壽命。良好的設(shè)計(jì)需要合理的應(yīng)用，就像一臺(tái)先進(jìn)的儀器如果操作使用不當(dāng)也會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，先進(jìn)的儀器需要長(zhǎng)期維護(hù)和管理。另外，實(shí)驗(yàn)室的管理需要制定相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室規(guī)章制度及使用章程，通過(guò)設(shè)置培訓(xùn)課程[12]詳細(xì)講解實(shí)驗(yàn)室使用過(guò)程中的注意事項(xiàng)以及可能發(fā)生的安全事故的類別，提高風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)能力，避免事故的發(fā)生。

3結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)室安全體系的建設(shè)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，是實(shí)驗(yàn)室安全的有力保障。隨著國(guó)家對(duì)科技發(fā)展的重視及高校建設(shè)發(fā)展的需求，高校實(shí)驗(yàn)室迎來(lái)了新的一輪建設(shè)高潮。在實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)過(guò)程中，需要將安全性能作為一個(gè)重要的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采用合理的實(shí)驗(yàn)功能分區(qū)設(shè)計(jì)、汲取先進(jìn)的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)可以大幅度降低未知風(fēng)險(xiǎn)，并增加實(shí)驗(yàn)室的容納能力及安全壽命。在優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上配合先進(jìn)的管理方法，能夠有力保障實(shí)驗(yàn)室的安全及可持續(xù)運(yùn)行。

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作者：李智輝 齊冠男 劉陽(yáng) 李俊 單位：西安交通大學(xué)