新工科背景下硼化工产品开发与应用课程实验教学研究

杜春霖,张 芳

(辽东学院 化工与机械学院,辽宁 丹东 118003)

硼化工产品作为重要的基础化工原料，是制造精细硼化工和含硼新材料的母体原料，广泛应用于玻璃、陶瓷、冶金、化工、医药、国防、航天及农业等领域[1]。在国外，硼化工在经过100多年的发展，硼化物产量已达300多万吨。美国是最大的生产国和消费国，土耳其仅次于美国，另外是俄罗斯、阿根廷、西欧和日本等。这些硼化物生产国的主要特点是拥有世界第一流的开采或加工技术，生产技术水平达标高、生产能力大、不同用途及多种标准级别的高质量的硼产品、生产过程对周围环境达到最小污染、含硼原料的高质量及其富集浓缩到高品位再加工使用，使硼产品结构合理、品种多、应用领域宽，可生产多种无机和有机硼化物[2]。经过50余年的发展，我国已经建立起硼矿开采、硼精细化工、含硼新型材料及硼矿综合利用等较完整的硼化工体系。辽宁硼工业是发展比较迅速的行业，在科学技术、产品产量、品种、质量等方面都取得了一定的成就，已有晶体硼、硼-10同位素、三氟化硼乙醚络合物、氟硼酸钠、硼纤维、氮化硼、硼酸锌、硼酸钙、四苯硼钠等硼无机、有机化合物的开发研究和投入生产应用，为我国硼化工的发展开辟了新的局面[3]。经过半个世纪的开采加工，东北硼矿资源日益贫乏，采富弃贫导致高品位的硼矿越来越少，硼资源已走向“两贫”，伴生矿的合理开发利用成为未来硼资源利用的主流，技术手段成为该种矿物利用的关键。硼化工方面的新产品、新技术不足，仍然是我国硼化工发展的最大瓶颈，关键产品研发所需原料仍需依靠进口。硼化合物的生产量相对较小，有的甚至处于实验室阶段，对经济发展和国防建设受到严重制约。硼化工产品开发与应用课程是一门服务于地方建设的化工专业课程，具有对硼产品行业的针对性和地域性特点，宗旨是为硼产品开发利用培养专门人才。根据国内硼行业发展现状，对课程进行了系统研究，通过课堂教学和实验教学达到专门人才培养目的。在实验教学中，在原有硼产品检测等内容实验教学基础上，开展了如下内容的专门教学。

1 开展矿产资源利用实验教学

硼资源是一种重要的战略资源，广泛应用于各行各业，硼矿资源又是不可再生资源。我国硼矿资源绝大多数集中在东北和西南地区的辽、吉、青、藏 4省区[4]。因各种环境条件，几十年来开发利用主要以辽、吉省区为主，因过渡采富弃贫，高品位硼矿资源已近枯竭，低品位硼矿资源综合利用已上升至一定高度。在专业课实验教学中，将低品位硼矿资源综合利用应用到实验教学中，矿石利用由过去的单一硼元素提取，转化为硼伴生多种矿物元素分别提取，如在利用硼镁矿石制备硼酸的实验中，在制取硼酸的同时，回收矿石中所含的镁、硅等高含量元素的盐类、氧化物等，实现一条生产线多个产品的实验研究，节约能源消耗，为矿产资源综合利用打下基础。

2 高纯度硼产品制备技术实验教学

经过60多年的发展，我国已具备了硼酸和硼砂的传统品种较强的生产能力，生产技术水平达到一定高度，但硼酸和硼砂两种高纯度基础硼原料的制备水平与美国、俄罗斯、土耳其等国家相比还存在一定的差距，其中除与硼矿资源因素有关外，主要是生产设备和提纯技术还存在一定的欠缺，在高端产品制备上，还是以从上述国家进口为主。在实验课教学中，增加硼基础产品的提纯技术，祛除影响产品纯度的铁、铝、锰、锌金属离子。如在硼酸的提纯技术中，采用阳离子树脂对硼酸溶液中的铁、铝、锰、锌金属离子吸附，实现硼酸提纯目的。

3 无机硼产品制备实验教学

国民经济发展需要，硼及其化合物的品种应用越来越多，对晶体硼、硼-10同位素、碳化硼、氟硼酸钠、硼纤维、氮化硼、硼酸锌、硼酸钙等硼单质及其无机化合物进行开发研究并投入生产应用。随着国家制造业、材料行业的发展，将需求更多的硼无机化合物。在实验课教学中，硼化无机合物的合成占有一定的比例，如硼酸锰、硼酸锌等的合成，这些无机硼化合物合成实验内容虽不能达到开发和创新目的，旨在起到抛砖引玉的作用，让学生对无机硼化合物的合成有一定的认识，在未来的工作中能更快的进入研究角色，为无机硼产品开发有清楚的思路。

4 有机硼产品开发技术实验教学

利用硼酸和硼砂制取含硼有机化合物，所得产品在橡胶、防腐、涂料、冶金、机械等方面具有重要用途，是一个崭新的开发领域。目前，我国已有三氟化硼乙醚络合物、四苯硼钠、硼酸酯、硼卤、硼磷、硼镁等一系列硼有机化合物得到开发和利用。如硼镁复合阻燃剂，可有效提高阻燃剂的效果；硼磷协同纺织品阻燃剂，可减少纺织品燃烧危险性及燃烧时有毒气体的释放，同时经过整理的织物在水洗牢度、耐久性、柔软性等方面有较大提高；硼酸酯等有机硼化产品，通过改变不同的长链醇进行硼酸酯化合物等有机硼化产品，在纺织织物、润滑油、金属切屑冷却液等方面取得良好应用效果。在实验教学中，为提高学生对有机硼产品合成有初步认识，增加低端硼酸酯合成实验，对所得产品制备过程的投料、温度、时间等影响因素，产物检测手段等进行教学培训，让学生掌握基本的合成技术和检测技能，具备未来工作中产品研发能力。

5 硼产品加工废弃物污染治理实验教学

硼产品加工废弃物包括基础硼原料硼酸、硼砂生产的矿渣、“硼泥”、废水和硼化合物合成的副产物及废水，在这些废弃物中，矿渣、硼泥对环境的污染是长期的，也是治理的难题。矿渣影响植被的生长，使矿区成为光秃的岩石山；“硼泥”因硼酸或硼砂生产需要，颗粒细小，其中含有大量的无机盐类，并具有一定的酸碱性，对存放地区的土壤、水、大气都造成不同程度的污染，对这些污染的治理也是一项长久的课题。在实验教学中，增加硼产品加工废弃物污染治理实验教学，寻求解决污染治理的方法。如对“硼泥”综合利用实验教学，通过对其中的元素分析，回收其中有回收价值的高含量成分，针对性的调节硼泥中硼镁等元素含量，达到适合农作物生长所需营养成分标准，制备成硼镁多种用途肥料，应用于农业生产，使其成为改善硼生产废弃物“矿泥”污染环境的有效途径。

6 结束语

结合课堂教学理论知识传授和实验教学训练，学生通过学习硼产品开发与利用这门课程，对硼产品自矿物中基础原料制备到相关化合物制备、废弃物污染治理等得到系统学习。在学生申请的大学生创新创业训练项目、毕业论文实验和学生工厂实习等，凡是与硼产品相关的研究内容，学生能较快的设计出实验路线，抓住实验方向，较好的完成相关实验任务。通过对学生实践结果的评定，达到了硼产品开发与利用实验课对学生培养目的。