新工科背景下硼化工產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與應(yīng)用課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

杜春霖,張 芳

(遼東學(xué)院 化工與機(jī)械學(xué)院,遼寧 丹東 118003)

硼化工產(chǎn)品作為重要的基礎(chǔ)化工原料，是制造精細(xì)硼化工和含硼新材料的母體原料，廣泛應(yīng)用于玻璃、陶瓷、冶金、化工、醫(yī)藥、國(guó)防、航天及農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域[1]。在國(guó)外，硼化工在經(jīng)過(guò)100多年的發(fā)展，硼化物產(chǎn)量已達(dá)300多萬(wàn)噸。美國(guó)是最大的生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，土耳其僅次于美國(guó)，另外是俄羅斯、阿根廷、西歐和日本等。這些硼化物生產(chǎn)國(guó)的主要特點(diǎn)是擁有世界第一流的開(kāi)采或加工技術(shù)，生產(chǎn)技術(shù)水平達(dá)標(biāo)高、生產(chǎn)能力大、不同用途及多種標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別的高質(zhì)量的硼產(chǎn)品、生產(chǎn)過(guò)程對(duì)周?chē)h(huán)境達(dá)到最小污染、含硼原料的高質(zhì)量及其富集濃縮到高品位再加工使用，使硼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)合理、品種多、應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?，可生產(chǎn)多種無(wú)機(jī)和有機(jī)硼化物[2]。經(jīng)過(guò)50余年的發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)建立起硼礦開(kāi)采、硼精細(xì)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(yè)是發(fā)展比較迅速的行業(yè)，在科學(xué)技術(shù)、產(chǎn)品產(chǎn)量、品種、質(zhì)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(luò)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(wú)機(jī)、有機(jī)化合物的開(kāi)發(fā)研究和投入生產(chǎn)應(yīng)用，為我國(guó)硼化工的發(fā)展開(kāi)辟了新的局面[3]。經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的開(kāi)采加工，東北硼礦資源日益貧乏，采富棄貧導(dǎo)致高品位的硼礦越來(lái)越少，硼資源已走向“兩貧”，伴生礦的合理開(kāi)發(fā)利用成為未來(lái)硼資源利用的主流，技術(shù)手段成為該種礦物利用的關(guān)鍵。硼化工方面的新產(chǎn)品、新技術(shù)不足，仍然是我國(guó)硼化工發(fā)展的最大瓶頸，關(guān)鍵產(chǎn)品研發(fā)所需原料仍需依靠進(jìn)口。硼化合物的生產(chǎn)量相對(duì)較小，有的甚至處于實(shí)驗(yàn)室階段，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)受到嚴(yán)重制約。硼化工產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與應(yīng)用課程是一門(mén)服務(wù)于地方建設(shè)的化工專(zhuān)業(yè)課程，具有對(duì)硼產(chǎn)品行業(yè)的針對(duì)性和地域性特點(diǎn)，宗旨是為硼產(chǎn)品開(kāi)發(fā)利用培養(yǎng)專(zhuān)門(mén)人才。根據(jù)國(guó)內(nèi)硼行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)課程進(jìn)行了系統(tǒng)研究，通過(guò)課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)達(dá)到專(zhuān)門(mén)人才培養(yǎng)目的。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，在原有硼產(chǎn)品檢測(cè)等內(nèi)容實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上，開(kāi)展了如下內(nèi)容的專(zhuān)門(mén)教學(xué)。

1 開(kāi)展礦產(chǎn)資源利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)

硼資源是一種重要的戰(zhàn)略資源，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，硼礦資源又是不可再生資源。我國(guó)硼礦資源絕大多數(shù)集中在東北和西南地區(qū)的遼、吉、青、藏 4省區(qū)[4]。因各種環(huán)境條件，幾十年來(lái)開(kāi)發(fā)利用主要以遼、吉省區(qū)為主，因過(guò)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(zhuān)業(yè)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，將低品位硼礦資源綜合利用應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，礦石利用由過(guò)去的單一硼元素提取，轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)中，在制取硼酸的同時(shí)，回收礦石中所含的鎂、硅等高含量元素的鹽類(lèi)、氧化物等，實(shí)現(xiàn)一條生產(chǎn)線(xiàn)多個(gè)產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)研究，節(jié)約能源消耗，為礦產(chǎn)資源綜合利用打下基礎(chǔ)。

2 高純度硼產(chǎn)品制備技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展，我國(guó)已具備了硼酸和硼砂的傳統(tǒng)品種較強(qiáng)的生產(chǎn)能力，生產(chǎn)技術(shù)水平達(dá)到一定高度，但硼酸和硼砂兩種高純度基礎(chǔ)硼原料的制備水平與美國(guó)、俄羅斯、土耳其等國(guó)家相比還存在一定的差距，其中除與硼礦資源因素有關(guān)外，主要是生產(chǎn)設(shè)備和提純技術(shù)還存在一定的欠缺，在高端產(chǎn)品制備上，還是以從上述國(guó)家進(jìn)口為主。在實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中，增加硼基礎(chǔ)產(chǎn)品的提純技術(shù)，祛除影響產(chǎn)品純度的鐵、鋁、錳、鋅金屬離子。如在硼酸的提純技術(shù)中，采用陽(yáng)離子樹(shù)脂對(duì)硼酸溶液中的鐵、鋁、錳、鋅金屬離子吸附，實(shí)現(xiàn)硼酸提純目的。

3 無(wú)機(jī)硼產(chǎn)品制備實(shí)驗(yàn)教學(xué)

國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，硼及其化合物的品種應(yīng)用越來(lái)越多，對(duì)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(zhì)及其無(wú)機(jī)化合物進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究并投入生產(chǎn)應(yīng)用。隨著國(guó)家制造業(yè)、材料行業(yè)的發(fā)展，將需求更多的硼無(wú)機(jī)化合物。在實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中，硼化無(wú)機(jī)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(wú)機(jī)硼化合物合成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容雖不能達(dá)到開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新目的，旨在起到拋磚引玉的作用，讓學(xué)生對(duì)無(wú)機(jī)硼化合物的合成有一定的認(rèn)識(shí)，在未來(lái)的工作中能更快的進(jìn)入研究角色，為無(wú)機(jī)硼產(chǎn)品開(kāi)發(fā)有清楚的思路。

4 有機(jī)硼產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

利用硼酸和硼砂制取含硼有機(jī)化合物，所得產(chǎn)品在橡膠、防腐、涂料、冶金、機(jī)械等方面具有重要用途，是一個(gè)嶄新的開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。目前，我國(guó)已有三氟化硼乙醚絡(luò)合物、四苯硼鈉、硼酸酯、硼鹵、硼磷、硼鎂等一系列硼有機(jī)化合物得到開(kāi)發(fā)和利用。如硼鎂復(fù)合阻燃劑，可有效提高阻燃劑的效果；硼磷協(xié)同紡織品阻燃劑，可減少紡織品燃燒危險(xiǎn)性及燃燒時(shí)有毒氣體的釋放，同時(shí)經(jīng)過(guò)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(jī)硼化產(chǎn)品，通過(guò)改變不同的長(zhǎng)鏈醇進(jìn)行硼酸酯化合物等有機(jī)硼化產(chǎn)品，在紡織織物、潤(rùn)滑油、金屬切屑冷卻液等方面取得良好應(yīng)用效果。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，為提高學(xué)生對(duì)有機(jī)硼產(chǎn)品合成有初步認(rèn)識(shí)，增加低端硼酸酯合成實(shí)驗(yàn)，對(duì)所得產(chǎn)品制備過(guò)程的投料、溫度、時(shí)間等影響因素，產(chǎn)物檢測(cè)手段等進(jìn)行教學(xué)培訓(xùn)，讓學(xué)生掌握基本的合成技術(shù)和檢測(cè)技能，具備未來(lái)工作中產(chǎn)品研發(fā)能力。

5 硼產(chǎn)品加工廢棄物污染治理實(shí)驗(yàn)教學(xué)

硼產(chǎn)品加工廢棄物包括基礎(chǔ)硼原料硼酸、硼砂生產(chǎn)的礦渣、“硼泥”、廢水和硼化合物合成的副產(chǎn)物及廢水，在這些廢棄物中，礦渣、硼泥對(duì)環(huán)境的污染是長(zhǎng)期的，也是治理的難題。礦渣影響植被的生長(zhǎng)，使礦區(qū)成為光禿的巖石山；“硼泥”因硼酸或硼砂生產(chǎn)需要，顆粒細(xì)小，其中含有大量的無(wú)機(jī)鹽類(lèi)，并具有一定的酸堿性，對(duì)存放地區(qū)的土壤、水、大氣都造成不同程度的污染，對(duì)這些污染的治理也是一項(xiàng)長(zhǎng)久的課題。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，增加硼產(chǎn)品加工廢棄物污染治理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，尋求解決污染治理的方法。如對(duì)“硼泥”綜合利用實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過(guò)對(duì)其中的元素分析，回收其中有回收價(jià)值的高含量成分，針對(duì)性的調(diào)節(jié)硼泥中硼鎂等元素含量，達(dá)到適合農(nóng)作物生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)成分標(biāo)準(zhǔn)，制備成硼鎂多種用途肥料，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，使其成為改善硼生產(chǎn)廢棄物“礦泥”污染環(huán)境的有效途徑。

6 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合課堂教學(xué)理論知識(shí)傳授和實(shí)驗(yàn)教學(xué)訓(xùn)練，學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)硼產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與利用這門(mén)課程，對(duì)硼產(chǎn)品自礦物中基礎(chǔ)原料制備到相關(guān)化合物制備、廢棄物污染治理等得到系統(tǒng)學(xué)習(xí)。在學(xué)生申請(qǐng)的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目、畢業(yè)論文實(shí)驗(yàn)和學(xué)生工廠(chǎng)實(shí)習(xí)等，凡是與硼產(chǎn)品相關(guān)的研究?jī)?nèi)容，學(xué)生能較快的設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)路線(xiàn)，抓住實(shí)驗(yàn)方向，較好的完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。通過(guò)對(duì)學(xué)生實(shí)踐結(jié)果的評(píng)定，達(dá)到了硼產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與利用實(shí)驗(yàn)課對(duì)學(xué)生培養(yǎng)目的。