第一作者：Xinyu Wang
通讯作者：邓天龙教授、刘苇教授、李珑副教授
通讯单位：天津科技大学
DOI: 10.1016/j.cej.2024.159122
含硼化合物（BCC）作为一种丰富且分布广泛的资源，已经广泛应用于国防、能源和生物医学等各个领域。随着社会对硼需求量的增加，其作用已经从单纯的原材料扩展到成为材料工业中必不可少的组成部分。随着优质硼矿石资源的日渐枯竭，从盐湖卤水等水环境中回收丰富的液态硼资源具有重要意义。基于此邓天龙教授、刘苇教授和李珑副教授围绕硼资源的提取方法，以及BCC在燃料推进剂、电池和光电子学、生物医学和催化剂等领域展开了全面、系统地总结，并深入讨论了未解决的挑战和未来前景。相关结果以“Resources of boron-containing compounds: Extraction, utilization and perspective”为题发表在Chemical Engineering Journal上。
一、硼资源的储量和地理分布
硼资源总储量为12亿吨，主要蕴藏在土耳其、俄罗斯、美国、智利和中国，占已知全球储量的98.2 %（图1），可分为固态和液态硼资源。固体硼资源主要包括火山沉积硼、矽卡岩硼等。液态硼资源主要储存在盐湖盐水、地热水、海水和工业废水中。在世界上，许多著名的盐湖中蕴藏着丰富的硼资源，如美国的大盐湖和西尔斯湖、中国的青海和西藏盐湖、智利的阿斯科坦盐湖等。随着优质矿石资源的枯竭，可开采的固体硼资源越来越少。因此，回收这些丰富的液态硼资源具有重要意义。
图1.硼资源的全球储量和地理分布。
二、硼资源的提取
在过去的几十年里，基于吸附、电化学和萃取的多种技术一直在探索从水溶液中回收硼(图2)。许多新的提取方法不断涌现，尤其是具有提取效率高、能耗低、环境友好等优点的提取方法。
图2.硼资源的提取和应用总结。
首先，总结了基于生物质（例如,纤维素和壳聚糖）、合成聚合物、层状双金属氢氧化物（LDH）、树脂等的绿色高效吸附剂（图3和图4）。
图3. 生物质基吸附剂的制备过程及吸附性能。
图4. LDH基及金属基吸附剂的制备机理及吸附性能。
其次，总结了电化学方法（电絮凝，微生物脱盐池等）。与传统的提取方法相比，电化学方法不需要高温或大量的化学药品，并且有助于减少环境污染和浪费。此外，电化学反应通常是可逆的，允许资源的循环利用。然而，这些方法受限于复杂的设备、电极和产品的低纯度(图5)。
图5.电化学法的工作机理及提取硼的性能。
第三，总结了萃取法作为BCC回收利用的方法之一。常用的提取方法有溶剂萃取法和超临界流体萃取法。溶剂萃取是将目标物质从一种相转移到另一种相，从而实现分离和简单操作。超临界流体萃取旨在利用超临界状态下物质的特殊性质，即密度接近于液体而粘度接近于气体，实现物质的高效分离和萃取。然而，大量的有机溶剂和高昂的设备维护成本严重限制了其广泛应用（图6）。
最后，总结了一些用于回收利用BCC的其他方法，例如酸浸法以及同步提取系统（图6）。
图6.萃取法以及其他方法用于提取硼的性能。
三、硼资源的应用
21世纪以来，硼的需求量不断增加。BCC因其独特的化学和物理性质在科学界占据了一席之地，其广泛而深入的应用显示了其在交叉学科领域的重要性。本部分将总结BCC的应用，及其对各个行业的深远影响（图7）。
图7. BCC应用的总结。
首先，总结了BCC在富燃料推进剂中的应用（图8）。硼基富燃料推进剂已应用于固体火箭冲压发动机。硼粉包覆技术可以促进硼粉的点火、燃烧和热性能，增强相关复合固体推进剂的燃烧性能。
图8. BCC在富燃料推进剂中的应用。
其次，总结了BCC在电池和光电子器件的应用（图9）。BCC（例如,硼烯、硼氮化合物和硼磷化合物）在电池和光电子器件方面具有重要的应用。不仅可以提高电池的稳定性、安全性、充电/放电循环效率，还可以提高光电材料的光吸收能力、导电性和光电转换效率。
图9. BCC在电池和光电子器件中的应用。
第三，阐述了BCC在生物医学中的应用（图10）。迄今为止，由于其独特的性质，BCC对感染性疾病、癌症、代谢性疾病、神经系统疾病和其他慢性退行性疾病非常活跃，并在医学领域得到了广泛的应用。
图10. BCC在生物医学中的应用。
最后介绍了一些BCC的其他应用，例如催化剂，传感器等（图11）。
图10. BCC在催化剂等领域中的应用。
BCC因其独特的性质和众多的应用而成为重要的战略资源。迄今为止，许多基于吸附、电化学和萃取过程的技术一直在探索用于提取和回收BCC。本文综述了BCC的全球储量、分布和提取方法，以及BCC在富燃料推进剂、电池和光电子器件、生物医药、农药等主要领域的应用。尽管BCC已经在许多应用中显示出了巨大的潜力，但仍然有许多必要和必要的问题需要很好的解决。因此，我们对BCC的理解、提取和应用提出了一些展望。首先，硼在水溶液中通常与其他元素形成复杂的硼酸盐，从而产生不同的性质和用途。充分、透彻地理解硼是一个至关重要的问题。其次，尽管目前已经出现了各种提取方法，但这些高效、低能耗、环境友好的新型提取方法仍需要不断开发和工业化。第三，未来的研究将集中在BCC新应用的开发上，而新型有机硼化合物的开发一直是研究的热点。最后，BCC的利用将受益于材料科学、化学工程、生物学、能源和环境科学等多学科的交叉融合。
更多信息请参见Chemical Engineering Journal期刊论文“Resources of boron-containing compounds: Extraction, utilization and perspective”。天津科技大学研究生王昕宇和宁恒立为论文共同第一作者，天津科技大学邓天龙教授、刘苇教授、李珑副教授为论文共同通讯作者，天津科技大学为第一完成单位。本工作得到了国家自然科学基金项目(22103056、32071715)、国家自然科学基金重点项目(U21A20299)、中国大学创新研究团队(IRT17R81)的资助。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.159122
引用格式：Xinyu Wang, Hengli Ning, Yafei Guo, Long Li*, Wei Liu*, Tianlong Deng*. Resources of boron-containing compounds: extraction, utilization and perspective. Chemical Engineering Journal (2024): 159122.
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