新工科背景下硼化工產品開發與應用課程實驗教學研究

杜春霖,張 芳

(遼東學院 化工與機械學院,遼寧 丹東 118003)

硼化工產品作為重要的基礎化工原料，是制造精細硼化工和含硼新材料的母體原料，廣泛應用于玻璃、陶瓷、冶金、化工、醫藥、國防、航天及農業等領域[1]。在國外，硼化工在經過100多年的發展，硼化物產量已達300多萬噸。美國是最大的生產國和消費國，土耳其僅次于美國，另外是俄羅斯、阿根廷、西歐和日本等。這些硼化物生產國的主要特點是擁有世界第一流的開采或加工技術，生產技術水平達標高、生產能力大、不同用途及多種標準級別的高質量的硼產品、生產過程對周圍環境達到最小污染、含硼原料的高質量及其富集濃縮到高品位再加工使用，使硼產品結構合理、品種多、應用領域寬，可生產多種無機和有機硼化物[2]。經過50余年的發展，我國已經建立起硼礦開采、硼精細化工、含硼新型材料及硼礦綜合利用等較完整的硼化工體系。遼寧硼工業是發展比較迅速的行業，在科學技術、產品產量、品種、質量等方面都取得了一定的成就，已有晶體硼、硼-10同位素、三氟化硼乙醚絡合物、氟硼酸鈉、硼纖維、氮化硼、硼酸鋅、硼酸鈣、四苯硼鈉等硼無機、有機化合物的開發研究和投入生產應用，為我國硼化工的發展開辟了新的局面[3]。經過半個世紀的開采加工，東北硼礦資源日益貧乏，采富棄貧導致高品位的硼礦越來越少，硼資源已走向“兩貧”，伴生礦的合理開發利用成為未來硼資源利用的主流，技術手段成為該種礦物利用的關鍵。硼化工方面的新產品、新技術不足，仍然是我國硼化工發展的最大瓶頸，關鍵產品研發所需原料仍需依靠進口。硼化合物的生產量相對較小，有的甚至處于實驗室階段，對經濟發展和國防建設受到嚴重制約。硼化工產品開發與應用課程是一門服務于地方建設的化工專業課程，具有對硼產品行業的針對性和地域性特點，宗旨是為硼產品開發利用培養專門人才。根據國內硼行業發展現狀，對課程進行了系統研究，通過課堂教學和實驗教學達到專門人才培養目的。在實驗教學中，在原有硼產品檢測等內容實驗教學基礎上，開展了如下內容的專門教學。

1 開展礦產資源利用實驗教學

硼資源是一種重要的戰略資源，廣泛應用于各行各業，硼礦資源又是不可再生資源。我國硼礦資源絕大多數集中在東北和西南地區的遼、吉、青、藏 4省區[4]。因各種環境條件，幾十年來開發利用主要以遼、吉省區為主，因過渡采富棄貧，高品位硼礦資源已近枯竭，低品位硼礦資源綜合利用已上升至一定高度。在專業課實驗教學中，將低品位硼礦資源綜合利用應用到實驗教學中，礦石利用由過去的單一硼元素提取，轉化為硼伴生多種礦物元素分別提取，如在利用硼鎂礦石制備硼酸的實驗中，在制取硼酸的同時，回收礦石中所含的鎂、硅等高含量元素的鹽類、氧化物等，實現一條生產線多個產品的實驗研究，節約能源消耗，為礦產資源綜合利用打下基礎。

2 高純度硼產品制備技術實驗教學

經過60多年的發展，我國已具備了硼酸和硼砂的傳統品種較強的生產能力，生產技術水平達到一定高度，但硼酸和硼砂兩種高純度基礎硼原料的制備水平與美國、俄羅斯、土耳其等國家相比還存在一定的差距，其中除與硼礦資源因素有關外，主要是生產設備和提純技術還存在一定的欠缺，在高端產品制備上，還是以從上述國家進口為主。在實驗課教學中，增加硼基礎產品的提純技術，祛除影響產品純度的鐵、鋁、錳、鋅金屬離子。如在硼酸的提純技術中，采用陽離子樹脂對硼酸溶液中的鐵、鋁、錳、鋅金屬離子吸附，實現硼酸提純目的。

3 無機硼產品制備實驗教學

國民經濟發展需要，硼及其化合物的品種應用越來越多，對晶體硼、硼-10同位素、碳化硼、氟硼酸鈉、硼纖維、氮化硼、硼酸鋅、硼酸鈣等硼單質及其無機化合物進行開發研究并投入生產應用。隨著國家制造業、材料行業的發展，將需求更多的硼無機化合物。在實驗課教學中，硼化無機合物的合成占有一定的比例，如硼酸錳、硼酸鋅等的合成，這些無機硼化合物合成實驗內容雖不能達到開發和創新目的，旨在起到拋磚引玉的作用，讓學生對無機硼化合物的合成有一定的認識，在未來的工作中能更快的進入研究角色，為無機硼產品開發有清楚的思路。

4 有機硼產品開發技術實驗教學

利用硼酸和硼砂制取含硼有機化合物，所得產品在橡膠、防腐、涂料、冶金、機械等方面具有重要用途，是一個嶄新的開發領域。目前，我國已有三氟化硼乙醚絡合物、四苯硼鈉、硼酸酯、硼鹵、硼磷、硼鎂等一系列硼有機化合物得到開發和利用。如硼鎂復合阻燃劑，可有效提高阻燃劑的效果；硼磷協同紡織品阻燃劑，可減少紡織品燃燒危險性及燃燒時有毒氣體的釋放，同時經過整理的織物在水洗牢度、耐久性、柔軟性等方面有較大提高；硼酸酯等有機硼化產品，通過改變不同的長鏈醇進行硼酸酯化合物等有機硼化產品，在紡織織物、潤滑油、金屬切屑冷卻液等方面取得良好應用效果。在實驗教學中，為提高學生對有機硼產品合成有初步認識，增加低端硼酸酯合成實驗，對所得產品制備過程的投料、溫度、時間等影響因素，產物檢測手段等進行教學培訓，讓學生掌握基本的合成技術和檢測技能，具備未來工作中產品研發能力。

5 硼產品加工廢棄物污染治理實驗教學

硼產品加工廢棄物包括基礎硼原料硼酸、硼砂生產的礦渣、“硼泥”、廢水和硼化合物合成的副產物及廢水，在這些廢棄物中，礦渣、硼泥對環境的污染是長期的，也是治理的難題。礦渣影響植被的生長，使礦區成為光禿的巖石山；“硼泥”因硼酸或硼砂生產需要，顆粒細小，其中含有大量的無機鹽類，并具有一定的酸堿性，對存放地區的土壤、水、大氣都造成不同程度的污染，對這些污染的治理也是一項長久的課題。在實驗教學中，增加硼產品加工廢棄物污染治理實驗教學，尋求解決污染治理的方法。如對“硼泥”綜合利用實驗教學，通過對其中的元素分析，回收其中有回收價值的高含量成分，針對性的調節硼泥中硼鎂等元素含量，達到適合農作物生長所需營養成分標準，制備成硼鎂多種用途肥料，應用于農業生產，使其成為改善硼生產廢棄物“礦泥”污染環境的有效途徑。

6 結束語

結合課堂教學理論知識傳授和實驗教學訓練，學生通過學習硼產品開發與利用這門課程，對硼產品自礦物中基礎原料制備到相關化合物制備、廢棄物污染治理等得到系統學習。在學生申請的大學生創新創業訓練項目、畢業論文實驗和學生工廠實習等，凡是與硼產品相關的研究內容，學生能較快的設計出實驗路線，抓住實驗方向，較好的完成相關實驗任務。通過對學生實踐結果的評定，達到了硼產品開發與利用實驗課對學生培養目的。