专家信息:
马鸿文 中国地质大学(北京)二级教授,博士生导师。研究领域:矿物资源绿色加工与环境效应,矿物材料科学及制备技术,硅酸盐体系化学平衡与材料设计等。获“北京市先进工作者”、“做出突出贡献的中青年专家”;“北京市高等学校教学名师”等荣誉称号。
承担原国家教委《跨世纪优秀人才计划》基金、原地矿部《百名跨世纪人才培养计划》基金、青年科学基金等10余项。其中“十一五”科技支撑计划课题“非水溶性钾资源高效利用技术”,取得制取碳酸钾、硫酸钾、硝酸钾、磷酸二氢钾4项技术成果,经教育部鉴定,被评为国际先进水平和国际领先水平。
发表论文200余篇。取得发明专利20余项。出版教材、专著8部。其中《结晶岩热力学概论》,获评“地矿部第三届高等学校优秀教材一等奖”、教育部推荐“研究生教学用书”、“北京市高等教育精品教材”;《工业矿物与岩石》,获评“北京市高等教育精品教材”、“ ‘十一五’国家级规划教材”;《陶瓷热力学与材料设计》,获评“北京市高等教育精品教材立项项目”;《中国富钾岩石:资源与清洁利用技术》,入选第三届“三个一百”原创出版工程。
教育及工作经历:
1975.10-1978.07,成都地质学院矿产地质及勘探专业,大学生。
1978.08-1978.11,陕西地矿局第一地质大队,技术员。
1978.12-1986.07,中国地质大学研究生院,岩石学专业,硕士生、博士生。
1986.09-1988.10,中国科学院地质研究所,博士后。
1988.11-1991.04,中国地质大学(北京)岩浆岩研究室,副教授,副主任。
1991.05-1993.08,中国地质大学(北京)地质矿产系,教授,系副主任。
1993.09-1995.06,中国地质大学(北京)材料科学系,教授,博士生导师,系主任。
1994.08-1995.01,澳大利亚悉尼Macquarie大学地学院,国际合作研究。
1995.07-1997.07,中国地质大学(北京),副校长。
1997.08-今,中国地质大学(北京)材料科学与工程学院,教授,博士生导师。
2001.01-今,矿物材料国家专业实验室,主任。
学术兼职及社会任职:
1. 矿物材料国家专业实验室主任。
2. 《地学前缘》第三届编委会副主编。
3. 《现代地质》编委会编委。
4. 《中国非金属矿工业导刊》第二届编委会委员。
5. 中国物理学会第六届相图专业委员会委员。
6. 第三届全国矿物岩石材料专业委员会委员。
7. 第四届全国环境矿物学专业委员会委员。
8. 第三届全国非金属矿产地质专业委员会理事会委员。
9. 第五届非金属矿产地质专业委员会委员。
主讲课程:
材料科学与工程、材料化学专业本科生:《材料科学前缘与工程设计》。
材料学、材料物理与化学、岩石矿物材料专业硕士生:《陶瓷热力学与材料设计》。
全校博士生:《地球科学进展》(专题)。
矿物学岩石学矿床学、岩石矿物材料学专业博士生:《地球物质学》。
培养研究生情况:
其先后培养54位硕士、26位博士、2位博士后,目前在读硕士14位,在读博士9位。为建筑材料行业、矿物材料行业、钾盐、钾肥行业、铝行业等培养了众多基础扎实、品学兼优的行业精英。
教学成果 :
1.《结晶岩热力学概论》,地矿部第三届普通高等学校优秀教材一等奖(1996)。
2.《无机非金属材料(矿物材料)新专业教学建设》,湖北省优秀教学成果三等奖(排名三)(1997)。
3.《工业矿物与岩石》(主编),北京市高等教育精品教材立项项目(2003)。
4.《工业矿物与岩石》(主编),北京市高等教育精品教材(2004)。
5.《结晶岩热力学概论》(第二版),北京市高等教育精品教材(2004)。
6.《工业矿物与岩石课程建设与实践》,北京市优秀教学成果一等奖(排名二)(2004)。
7.《工业矿物与岩石课程建设与实践》,国家级教学成果二等奖(排名二)(2005)。
8.《工业矿物与岩石》(第三版),“十一五”国家级规划教材(2011)。
9.《中国富钾岩石——资源与清洁利用技术》,新闻出版总署第三届“三个一百”原创出版工程(2011) 。
研究方向:
矿物材料科学与技术、矿物资源绿色加工与环境效应、硅酸盐体系化学平衡与材料设计、结晶岩热力学与相平衡、技术陶瓷材料设计、制备与表征、无机孔道材料结构设计、制备与工业应用工业、固体废物资源化与矿物聚合、材料非金属矿产资源评价及高效利用、技术与环境效应、铝硅酸盐体系、化学平衡与材料设计、区域构造-岩浆活动与成矿作用。
承担科研项目情况:
1. 国家教委博士学科点基金资助项目:西藏玉龙斑岩铜矿带花岗岩类与成矿,1983-1986。
2. 国家305项目子课题:新疆西准噶尔蛇绿岩套岩石学研究,1987-1990。
3. 全国博士后基金资助项目:新疆西准噶尔蛇绿岩与构造演化,1988-1990。
4. 国家青年科学基金资助项目:天然硅酸盐岩浆结晶作用与相平衡模拟,1988-1990。
5. 国家计委八五国家攻关项目之专题:甘肃九个泉地区铜、多金属矿产成矿地质条件与找矿预测研究,1991-1994。
6. 国家科委八五国家攻关项目:塔里木盆地北部和天山造山带的形成、演化与油气关系,1992-1994。
7. 原地矿部重点科研项目:燕山地区中新生代陆内造山作用研究,1992-1995。
8. 矿物材料国家专业实验室开放基金资助课题:CuInS2-CuInSe2系矿物合成及光电效应研究,1994-1996。
9. 横向课题:北京平谷地区富钾火山岩提钾及合成沸石分子筛工艺可行性研究,1994-1996。
10. 国家教委“跨世纪优秀人才计划”基金资助项目:中国东部大陆岩石圈演化动力学模型,1995-1997。
11. 横向课题:天津蓟县富钾火山岩提钾及合成沸石分子筛工艺可行性实验研究,1997-1998。
12. 地矿部“百名跨世纪科技人才培养计划”基金资助课题:黄铜矿型CIGSS光电材料性能设计与应用研究,1997-1999。
13. 北京市科委“农业科技发展计划”项目:富钾火山岩综合开发试验研究,1998-2000。
14. 津地任[1997]10号课题:天津蓟县地区富钾火山岩提钾及综合利用扩大实验研究,1999-2001。
15. 京-张(北京-张家口)两市对口技术支援合作项目:河北省赤城县金矿尾矿提钾及综合利用工艺可行性扩大试验研究,2000-2001。
16. 山西省科委晋科发[2000]80号课题:山西省临县紫金山霞石正长岩提钾及综合利用技术扩大试验研究,2000-2002。
17. 博士学科点专项科研基金课题:沸石分子筛的合成机理及吸附性能研究,2000-2002。
18. 江苏省丰县地区富钾页岩提钾及综合利用工艺研究,2000-2003。
19. 福建沙县横向课题:福建沙县钾长石粉提钾及综合利用扩大试验研究,2000-2003。
20. 河北省鑫宝冶金集团有限公司委托项目:河北省涉县富钾页岩提钾及综合利用扩大试验研究,2000-2003。
21. 内蒙古自治区科技厅攻关计划项目:内蒙白云鄂博富钾板岩提钾及制备矿物聚合材料中试研究,2002-2004。
22. 河南嵩县前河矿业有限公司委托项目:河南嵩县钾长石矿提取碳酸钾高效洁净生产新技术可行性实验研究,2003-2004
科研成果:
1.《西藏玉龙斑岩铜矿带花岗岩类与成矿》,1991获地矿部科技成果三等奖。
2. 从1993年开始,启动了非水溶性钾矿综合利用研究计划。历时8年,经过北京平谷地区富钾火山岩、天津蓟县地区钾质粗面岩、河北省赤城县正长岩型金矿尾矿、山西省临县紫金山霞石正长岩等一系列非水溶性钾矿提取碳酸钾综合利用技术开创性的实验研究工作,马鸿文教授最终完成了非水溶性钾矿综合利用技术的研究,获得了两项技术专利,并进入了产业化阶段,达到了国际先进水平。
3. 1999年,马鸿文教授利用白云鄂博富钾板岩的焙烧熟料,成功地合成了13X分子筛,同时利用合成沸石的母液制备了具有高附加值的化工产品——白炭黑和碳酸钾。这一成果为白云鄂博富钾板岩综合开发技术的后续研究奠定了良好基础。
4. 2003年3月23日在北京国家科技部专家公寓,内蒙古自治区科技厅组织召开了白云鄂博富钾板岩综合利用中试项目鉴定会,由马鸿文教授主持的“白云鄂博富钾板岩生产矿物聚合材料及提取碳酸钾综合技术试验研究”项目受到了评审专家的高度评价。以刘业翔、翟裕生院士为首的专家组在鉴定书上写下了这样的评价:“该中试项目为我国及世界非水溶性钾矿石的开发及综合利用,开创了新工艺、新技术,具有创新性和新颖性,初步解决了一个世界性难题,工艺路线国内外均无先例。该中试变废为宝,工艺路线基本上无三废排放,达到了资源综合利用和环境保护的双重目的,实现可持续发展战略。”
5. 提出了利用白云鄂博富钾板岩提取电子级碳酸钾及制备矿物聚合物材料的完整工艺流程。该工艺把提取碳酸钾和制备矿物聚合物材料巧妙地结合起来,达到了资源利用率100%、三废接近零排放、符合清洁生产的环保要求,而且预测经济效益显著。这项技术可制备矿物聚合物材料、优级碳酸钠和电子级碳酸钾。其中,碳酸钠是一种重要的化工原料;碳酸钾则可广泛应用于化工、电子、显像玻璃壳、陶瓷、印染、油墨、聚酯、炸药等领域;矿物聚合物材料是近年来新发展起来的为国际所广泛关注一种新型非金属材料。而此前国内对矿物聚合物材料的研究尚属空白。这项研究成果,使我国实现矿物聚合物材料的规模化工业生产成为可能。
6. 2011年4月28日,教育部在北京组织了由中国地质大学(北京)完成的“污水磷回收再利用制取磷酸二氢钾清洁生产技术”科技成果鉴定会。鉴定组专家认为,该项成果在开发利用非水溶性钾矿资源、从污水中回收磷再利用制取磷酸二氢钾产品,以及解决相关的关键技术基础问题方面,达到国际领先水平。该项技术的工艺路线系统完整,属国内外首创,为我国的钾盐工业提供了全新的技术路线和方法。
发明专利:
1. 马鸿文,白志民,王万金等,利用钾长石制取沸石分子筛的工艺。中国发明专利:ZL 96 1 20734.5,2000-03-17(已放弃)
2. 马鸿文,白志民,王万金等,一种利用富钾岩石生产碳酸钾的方法。中国发明专利:ZL 96 1 20733.7,2001-02-03(已放弃)
3. 杨静,马鸿文,制备CuInSe2半导体薄膜的溶胶-凝胶-Se化工艺。中国发明专利:ZL 98 1 00036.3,2002-07-17(已放弃)
4. 马鸿文,陶红,杨静,王英滨,13X沸石用于处理含重金属废水并回收金属的技术[P]。中国发明专利:ZL 99102984.4,2003-04-16(已放弃)
5. 马鸿文,杨静,王刚,冯武威,丁秋霞,利用钾长石生产矿物聚合材料的方法。中国发明专利,ZL 03 1 00562.4,2006-11-08(已转让)
6. 马鸿文,王英滨,苗世顶,张晓云,戚洪彬,利用富钾岩石制取电子级碳酸钾的方法。中国发明专利,ZL 03 1 00563.2,2006-11-08(已转让)
7. 马鸿文,杨静,王英滨,王蕾,丁宏娅,王芳,高飞,利用高铝粉煤灰制取氧化铝和白炭黑清洁生产工艺。中国专利:ZL 2007 1 0087028.3,2011-06-01(已授权)
8. 马鸿文,郑红,彭辉,郑雁,戚洪彬,王英滨,利用富钾岩石生产农用矿物基硝酸钾的方法。中国发明专利,ZL 2007 1 0178440.6,2012-05-30(已转让)
9. 苏双青,蔡比亚,马鸿文等. 一种利用钾霞石粉体制取农用硫酸钾的工艺. 中国专利:ZL 2011 1 0064828.X,2012-12-31(已转让)
10.苏双青,马鸿文,杨静等. 利用钾长石粉体水热合成六方钾霞石的方法. 中国专利:ZL 2010 1 0543249.9,2013-01-15(已转让)
11.苏双青,马鸿文,杨静等. 高铝粉煤灰两步碱溶法提取氧化铝和白炭黑的方法. 中国专利:ZL 2010 1 0543248.4,2012-11-21(已授权)
12.马鸿文,金国清,刘梅堂等. 利用富钾母液与磷石膏制取硫酸钾的工艺. 中国专利,申请号: 2010 1 0258774.6,2013-11-27(已授权)
13.马鸿文,刘梅堂,刘艳红. 利用钠硝石与富钾母液制取农用硝酸钾的方法. 中国专利:ZL 2010 1 0258771.2,2013-11-13(已授权)
14.郑红,马鸿文,张蓓蓓,郑雁,梁鹏,张红梅. 水化硅酸钙晶种法回收污水中磷的工艺. 中国专利:ZL 2010 1 0233011.6,2012-11-21(已转让)
15.马鸿文,孙华,郑红等,利用污水中磷回收产物制备磷酸二氢钾的方法。中国专利:ZL 2010 1 0513653.1,2013-10-30(已转让)
16.马鸿文,杨静,苏双青等. 钾长石粉体制备钾型分子筛基缓释肥料载体的工艺. 中国专利:ZL 2010 1 0103626.7,2013-04-10(已授权)
17.马鸿文,刘梅堂,刘晓婷. 利用富钾岩石制取农用硫酸钾的方法. 中国专利:ZL 2009 1 0091234.0,2013-01-02(已转让)
18.苏双青,马鸿文,蔡比亚,一种利用钾长石提钾铝硅尾渣合成4A型分子筛的方法。中国专利,申请号:2012 1 0036829.8,2012-02-17
19.杨静,马鸿文,曾诚等. 一种钾长石粉体水热碱法合成方沸石的工艺。中国发明专利,申请号:201410514376.4,2014-09-29,已公开
专著教材:
1、马鸿文,1990,西藏玉龙斑岩铜矿带花岗岩类与成矿。158页,北京:中国地质大学出版社。
2、马鸿文,1993,结晶岩热力学概论。188页,北京:地质出版社。
3、马鸿文,刘焰,1996,西南天山蛇绿岩套和相关火成岩。刘本培等, 西南天山构造格局与演化(第五章)。25页,武汉:中国地质大学出版社。
4、马鸿文,1999,结晶岩热力学软件。340页,北京:地质出版社。
5、马鸿文,2001,结晶岩热力学概论,第二版。297页,北京:高等教育出版社。
6、马鸿文(主编),2002,工业矿物与岩石。479页,北京:地质出版社。
7、马鸿文(主编),2005,工业矿物与岩石,第二版。518页,北京:化学工业出版社。
8、马鸿文(主编),2011,工业矿物与岩石,第三版。412页,北京:化学工业出版社。
代表性论文:
1 马鸿文,1983,藏东马拉松多铜矿区斑岩岩石学及其与成矿关系的研究。地球科学,No.1,147-158页。
2 马鸿文,1984,藏东马拉松多含铜斑岩中造岩矿物的标型特征及其在岩矿成因研究中的意义。地质论评,No.5,456-466页。
3 马鸿文,1984,藏东马拉松多斑岩铜矿热液蚀变的物理化学条件及其与成矿作用的关系。地球科学,No.1,115-128页。
4 马鸿文,1985,天然硅酸盐熔体中水的溶解度与结构种计算。矿物岩石,No.3,60-69页。
5 马鸿文,1985,介绍改进的单斜辉石地质温度计公式。地质科技情报,No.2,82-84页。
6 马鸿文,1987,天然湿岩浆熔体结构的计算。地质科技情报,No.1,139-143页。
7 马鸿文,1987,藏东玉龙斑岩铜矿带岩浆作用的物理化学条件。现代地质,No.2,238-252页。
8 马鸿文,1988,钾长石X射线与红外有序度对比及与Al占位和平衡温度的关系。矿物学报,No.2,143-150页。
9 马鸿文,1988,西藏玉龙斑岩铜矿带岩体地质特征分析及其意义。西藏地质,No.1,59-73页。
11 马鸿文,1989,论藏东玉龙斑岩铜矿带成岩成矿物质来源。现代地质,No.2,429-439页。
12 马鸿文,1989,论藏东玉龙斑岩铜矿带岩浆活动的构造环境。岩石学报,No.1,1-11页。
13 Ma Hongwen,1989,Estimation of sulfur solubility and prediction of sulfide liquid immiscibility in silicate melts. Science in China , Series B, 32(10: 1262-1270.
14 马鸿文,1989,硅酸盐熔体中硫的溶解度计算与硫化物不混溶作用预测。中国科学,B辑,No.4,425-432页。
15 马鸿文,1989,论藏东玉龙斑岩铜矿带岩浆侵入时代。地球化学,No.3,210-216页。
16 马鸿文,1989,岩浆成因榍石微斑晶的稳定性及其意义。矿物岩石,No.4,49-53页。
17 马鸿文,1990,西藏玉龙铜矿带斑岩岩类学与含矿性标志。西藏地质,No.1,64-78页。
18 马鸿文,1990,论藏东玉龙斑岩铜矿带花岗岩类的成因类型。成都地质学院学报,No.3,68-75页。
19 马鸿文,1991,硅酸盐岩浆的Fe3+-Fe2+平衡与氧逸度。地质科技情报,(3),17-23页。
20 马鸿文,1992,估算上地幔温压条件与氧化状态的最新热力学方法。地质科技情报,No.2,28-37页
21 马鸿文,1992,花岗岩成因类型的判别分析。岩石学报,No.4,341-350页。
22 马鸿文,1992,蛇绿岩研究的现状及今后主攻方向。当代地学研究新进展文集,中国地质大学出版社,355-361页。
23 Ma Hongwen, 1992, Solubility of sulfur in granitic magmas: an important controlling factor over porphyry copper mineralizations. In Tu Guangzhi et al. (ed) Petrogenesis and Mineralization of Granitoids, 1008-1017. Proceedings of 1987 Guangzhou International Symposium, Science Press, Beijing.
24 马鸿文,1993,硅酸盐熔体中的硫化物不混溶作用模拟。中国科学,B辑,No.9,986-992页。
25 Ma Hongwen, 1994, Modeling of sulfide immiscibility in silicate magmas, Science in China, Series B, No.9, P.1138-1146.
26 马鸿文,1994,岩浆结晶与成矿作用模拟。地学前缘,No.3
27 王万金,白志民,马鸿文,1996,利用不溶性钾矿提钾的研究现状及展望。地质科技情报,No.3,59-63页。
28 孙小玲,马鸿文,1996,CuInSe2太阳电池薄膜的制备技术及研究进展。地质科技情报,No.3, 99-104页。
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31 Yu Xingang, Ma Hongwen, Luo Wuwen et al., 1997, TEM and TEM-EDX analysis of cross-section of TiO2 thin film and glass substrate. Journal of Univ of Sci and Tech Beijing, 4:55-56
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33 马鸿文,胡颖,袁家铮,方同辉,岩浆不混溶作用模拟:热力学模型与数值方法。地球科学,1998,23(1), 41-48页。
34 陶红,马鸿文,廖立兵,钾长石制取钾肥的研究进展及前景。矿产综合利用,1998,(1), 28-32页。
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所获荣誉:
1. 1991年,获国家教委和国务院学位委员会授予的“做出突出贡献的中国博士学位获得者”荣誉称号。
2. 1992年,被评选为“北京市高等学校优秀青年骨干教师”。
3. 1994年,被评选为国家教委《跨世纪优秀人才计划》基金获得者。
4. 1995年,被授予“北京市先进工作者”称号。
5. 1996年,享受国务院颁发的“政府特殊津贴”。
6. 1996年,被评选为地矿部《百名科技人才培养计划》基金获得者。
7. 1999年,被人事部评选为国家“有突出贡献的中青年专家”。
8. 2005年,被评为中国地质大学(北京)“教学名师”。
9. 2006年,被评为“第二届北京市高等学校教学名师”。
10. 2007年,被评为“第三届北京市高等学校教学名师”。
所获奖励:
1.《西藏玉龙斑岩铜矿带花岗岩类与成矿》,地矿部科技成果三等奖(1991)。
2.《结晶岩热力学概论》,地矿部第三届普通高等学校优秀教材一等奖(1996)。
3.《无机非金属材料(矿物材料)新专业教学建设》,湖北省优秀教学成果三等奖(排名三)(1997)。
4.《工业矿物与岩石》(主编),北京市高等教育精品教材立项项目(2003)。
5.《工业矿物与岩石》(主编),北京市高等教育精品教材(2004)。
6.《结晶岩热力学概论》(第二版),北京市高等教育精品教材(2004)。
7.《工业矿物与岩石课程建设与实践》,北京市优秀教学成果一等奖(排名二)(2004)。
8.《工业矿物与岩石课程建设与实践》,国家级教学成果二等奖(排名二)(2005)。
9.《工业矿物与岩石》(第三版),“十一五”国家级规划教材(2011)。
10.《中国富钾岩石——资源与清洁利用技术》,新闻出版总署第三届“三个一百”原创出版工程(2011)。
首席科学家马鸿文,中国地质大学(北京)二级教授。
主要成员:
杨静,刘梅堂,苏双青,郑红,李金洪,戚洪彬等;在研博士、硕士生40余人。
研究领域:
矿物资源绿色加工与环境效应,硅酸盐化学平衡与材料设计,矿物材料科学与技术等。
承担科研项目及成果:
“十一五”期间,承担国家科技支撑计划课题“非水溶性钾矿资源高效利用技术” (2006BAD10B04)(负责人:马鸿文),取得制取碳酸钾、硫酸钾、矿物基硝酸钾、磷酸二氢钾关键技术成果4项,经教育部鉴定,被评为国际先进或国际领先水平。“十二五”期间,承担中国地质调查项目“非水溶性钾资源制取钾盐及前景分析” (12120113087700)(负责人:杨静),突破“水热碱法”制取钾盐及沸石钾肥、有机钾肥等关键技术;查明中国非水溶性钾资源的主要类型和产地分布;提出在“秦岭大别正长岩带”(河南嵩县)和“燕辽阴山正长岩带”(内蒙商都)建设“国家级非水溶性钾资源化工产业基地”建议。
发表论文500余篇。取得发明专利20余项,已成功转让或实施6项。出版教材、专著6部,其中《中国富钾岩石:资源与清洁利用技术》(马鸿文等著),入选中国新闻出版总署第三届“三个一百”原创出版工程(2011);《中国高铝飞灰:资源与清洁利用技术》(杨静等著),获“国家科学技术学术著作出版基金”资助(2015),即将由化工出版社出版。
学术交流:
1 中国矿物岩石地球化学学会第13届学术年会 中国会议 2011-04-07
2 《硅酸盐学报》创刊50周年暨中国硅酸盐学会2007年学术年会 中国会议 2007-08
3 中国矿物岩石地球化学学会第11届学术年会 中国会议 2007-04
4 2006北京国际材料周 国际会议 2006-09
5 中国颗粒学会2006年年会暨海峡两岸颗粒技术研讨会 中国会议 2006-08
6 2004年全国岩石学与地球动力学研讨会 中国会议 2004
7 2004年全国岩石学与地球动力学研讨会 中国会议 2004
8 第二届全国环境矿物学学术研讨会 中国会议 2004
9 第十二届全国相图学术会议 中国会议 2004
10 中国矿物岩石地球化学学会第九届学术年会 中国会议 2003-09
11 中国科协第二届优秀博士生学术年会材料科学技术分会 中国会议 2003
12 第四届全国青年地质工作者学术讨论会 中国会议 1999-10
13 第九届全国相图学术会议 中国会议 1997-10
中国地质大学制取磷酸二氢钾清洁生产技术获鉴定
4月28日,中国地质大学马鸿文教授主持完成的“污水磷回收再利用制取磷酸二氢钾清洁生产技术”通过了教育部科技发展中心组织的科技成果鉴定。专家组认为,本项成果形成的污水磷回收再利用制取磷酸二氢钾清洁生产技术,在开发利用非水溶性钾矿资源、从污水中回收磷及再利用制取磷酸二氢钾产品,以及解决相关的关键技术基础问题方面,达到国际领先水平。
鉴定委员会由中国科学院院士、中国科学院地质与地球物理研究所叶大年研究员,中国工程院院士、同济大学卢耀如教授,以及中国地质科学院矿产资源研究所吴必豪研究员、北京大学鲁安怀教授、北京科技大学倪文教授、华南农业大学樊小林教授、华陆工程科技有限公司程惠亭教授级高工、中国科学院生态环境研究中心胡春研究员,中国地质调查局刘凤山研究员共九名专家组成。会议由教育部科技发展中心成果专利处杨健安处长主持,中国地质大学万力副校长到会并致词,科技处相关人员参加了会议。
“污水磷回收再利用制取磷酸二氢钾清洁生产技术”研究成果是中国地质大学马鸿文教授课题组承担的“十一五”国家科技支撑计划课题“非水溶性钾矿资源高效利用技术”(2006BAD10B04)的部分成果。该项成果形成的污水磷回收再利用制取磷酸二氢钾清洁生产技术,实现了污水中磷的提取再利用。该项工艺的技术路线系统完整,具有创新性,为我国的钾盐工业提供了全新的技术路线和方法。经查新,该工艺路线国内外均无先例,其技术成果具有完全自主知识产权。
鉴定委员会认真听取了课题组的研究报告、技术报告和查新报告,审查了相关技术资料,经过质疑和讨论,形成以下结论:该项研究充分利用霓辉正长岩为原料,获得富钾溶液和副产物雪硅钙石,以雪硅钙石为晶种回收污水中的磷,并利用富钾溶液制取农用磷酸二氢钾产品,实现了污水中磷的提取再利用;采用该项技术所试制的磷酸二氢钾制品,达到了农用磷酸二氢钾产品化工行业标准规定的一等品标准,处理后污水中的残留磷达到国家污水排放一级标准;该工艺过程节能高效、一次性资源消耗量少,试验制品是完全符合环保要求的“绿色”钾磷肥产品,提出的优化工艺条件、工艺参数和工艺路线,对于后续工业试验和生产具有重要指导作用。专家委员会一致同意通过鉴定。
鉴定委员会建议在后续中试和产业化中,对整个工艺流程和技术参数做进一步优化;建议相关部门与企业加大支持力度,加快产业化进程。
来源:中国教育网 2011-05-03
中国钾盐工业创新绿色发展之路
文•李 丽
商都县鑫垚钾业公司董事长薛永库(右)带领马鸿文(中)团队成员考察商都钾长石资源刘昶江摄
图1 中国钾肥的历年产量、进口量和对外依存度
中国富钾岩石分布图
2015世界钾盐钾肥大会于去年7月9日至11日在青海格尔木市召开。数百位国内外专家、学者和商界精英围绕盐湖资源综合开发、关键技术研发和钾盐化工未来发展等主题展开研讨交流。如何提高中国钾肥自给率,成为与会者讨论的热点之一。
钾盐作为重要肥料来源,是保证粮食安全生产供给的决定性资源。化肥对农作物产量的贡献率高达三分之一,其重要程度可见一斑。然而长期以来,中国作为水溶性钾盐资源极缺的国家,以仅占全球探明经济可采储量3.7%的钾盐资源,养活了占全世界近五分之一的人口,进口成为无奈的选择。
“近5年来,我国的钾肥自给率不足一半,而54.4%—63.5%都来源于进口。”中国地质大学(北京)马鸿文教授,带领研究团队一直从事非水溶性钾资源绿色加工技术的长期研究。在他们眼中,这件事关乎中国社会与经济发展的钾资源保障,更关系到国家粮食生产安全与矿业生态文明建设。他们的研究课题,正是中国钾盐工业当前急需解决的两个重大问题,即提高钾资源保证程度和实现绿色可持续发展。
大国农业 缺钾之困
钾作为植物生长三大要素之一,虽然不是植物体内的有机物成分,但却能促进光合作用,明显提高植物对氮的吸收利用,并很快转化为蛋白质,还能促使作物有效利用水分。自然界的钾资源分为水溶性钾盐和非水溶性钾矿两大类。前者主要用作钾肥生产原料。
中国钾盐工业经过50多年发展,青海柴达木盆地的察尔汗盐湖和新疆罗布泊盐湖已发展为主要的钾盐生产地。目前,中国已成为继加拿大、俄罗斯和白俄罗斯之后的第四大钾盐钾肥生产国。实现规模生产的钾肥品种主要有氯化钾、硫酸钾、硝酸钾、硫酸钾镁肥、磷酸二氢钾,以及其他专用含钾复合肥等。
2014年,全国共有钾肥生产企业200多家,资源型钾肥产能682万吨,产量553万吨(折纯K2O)。2015年,中国钾肥产能预计增长至约770万吨。
然而,仅依靠有限的盐湖钾盐资源,仍远不能满足国民经济发展和建设现代化农业的需要。钾肥供给受制于国际市场,已成为制约中国农业可持续发展的重要问题。
据统计,2010年中国钾肥表观消费量为707.72万吨(折纯K2O),国产钾肥产量334.13 吨,进口量300.19万吨,钾肥对外依存度为54.4%。2014年,中国进口钾肥达803万吨,对外依存度为56.7%(图1)。2015年,估计国内钾肥产量可达620万吨,进口量则约为890万吨。可见与实际消费需求相比,中国水溶性钾盐资源在短期供应能力和长期保障程度上都存在问题。
中国石化协会预测,2020年中国钾盐的总需求量为1300万吨,其中钾肥1180万吨,当年缺口达524.9万吨(K2O)。其中除氯化钾以外,其他钾盐消费量约360万吨。
《国务院关于加强地质工作的决定》(2006)明确指出,要加强非能源重要矿产勘查。在所列11种紧缺非能源矿产中,钾盐是唯一的非金属矿产。足见钾盐资源对于中国社会与经济发展的重要性与紧迫性。
以中国水溶性钾盐资源的储量来说,仅依靠盐湖钾盐资源提高产量之路注定行不通。在国土资源部2013年公布的7项“非金属矿产资源综合利用技术攻关重点”中,“非水溶性钾矿开发利用技术”位列第一,“钾长石综合利用技术”排名第六。国家对于非水溶性钾资源的开发利用已提上日程。而此时,马鸿文团队已在这一领域耕耘积淀了20年。
钾正长岩 破局关键
从1993年开始,马鸿文就带领团队将主要精力放在对“中国非水溶性钾资源评价与高效利用关键技术”研究上。
马鸿文介绍,虽然我国水溶性钾盐资源十分匮乏,但非水溶性钾矿资源却非常丰富,预测矿石量在1000亿吨以上,相当于K2O资源量超过120亿吨。要满足国民经济可持续发展和建设现代化农业的需要,提高钾资源保证程度,保证粮食生产安全,走技术创新之路,突破非水溶性钾资源绿色加工技术,是当前最值得探索、也是最现实的选择。
传统上,以获取某种可用元素或矿物为目的矿业开发过程,往往将其他所谓脉石矿物作为尾矿而废弃。研究伊始,马鸿文团队就对研究非水溶性钾资源利用技术预设了两大目标,即资源利用率最大化和加工过程能耗最小化。此前这一领域并非无人涉足,但以往研究大多仅局限于提取矿石中的钾,其他组分则完全废弃,造成加工成本高、资源浪费等问题。因此,马鸿文团队坚持践行矿物资源的绿色加工,长期致力于非水溶性钾资源高效利用技术的研究与工程化应用。
“事实上,国际上聚焦利用钾长石制取钾盐技术研究的历史已超过百年。”迄今仍在持续研究的主要有钾长石—霞石—石灰石烧结法、钾长石—石膏—石灰石烧结法、钾长石—硫酸—萤石低温酸解法、钾长石—石灰静态水热法等。但高温烧结法存在一次资源消耗量大、能耗高、CO2排放量大、硅钙尾渣排放量大等问题;低温酸解法不仅能耗更高,还存在氟化物严重腐蚀设备、污染环境、难以生产优质硫酸钾、副产无机硅产品市场受限等问题;静态水热法则存在钾长石分解不完全、产品钾养分含量低且呈强碱性、反应周期长效率低、难于实现规模化工业生产等问题。
20多年来,马鸿文团队对利用非水溶性钾资源制取钾盐关键技术进行了系统研究。“十一五”期间,团队承担国家科技支撑计划课题“非水溶性钾矿资源高效利用技术”,取得制取碳酸钾、硫酸钾、矿物基硝酸钾、磷酸二氢钾4项清洁生产技术成果,初步建立了非水溶性钾资源高效清洁利用的技术体系。2010年,马鸿文等出版《中国富钾岩石:资源与清洁利用技术》专著。这是他们对全国16处代表性钾矿资源高效利用关键技术研究成果的系统总结。翌年,该书入选中国新闻出版总署“第三届‘三个一百’原创出版工程”。
“十二五”期间,通过对东秦岭—大别工作区的重点地质调查和对前期成果的总结,他们进一步确定了中国非水溶性钾资源的主要类型为富钾正长岩,产地集中分布于中国东部的“秦岭大别正长岩带”和“燕辽阴山正长岩带”。两岩带矿石的K2O品位达12.0%—15.4%,估计钾资源量超过70亿吨,相当于全国水溶性钾盐储量的10倍以上。另外两处重要钾资源为:山西临县紫金山假榴正长岩,K2O品位11.9%—14.0%;云南个旧白云山霞石正长岩,K2O品位10.3%—12.5%。据已有地勘资料,两地钾资源储量超过3亿吨。
与此同时,团队通过系统的实验探索,创新性建立了正长岩型钾资源“水热碱法”制取钾盐技术体系。其核心在于按照钾矿石的不同属性,对主要含钾矿物分解反应的精准调控和对硅铝副产品的科学设计。其主要内容分为:
苛性钠碱液水热加工技术,适合处理富含钾铝的霞石正长岩。主要产品碳酸钾、磷酸钾、氢氧化钾,副产品氧化铝、沉淀硅酸钙、钠型或铵型分子筛、硅灰石粒状粉等。
苛性钾碱液水热加工技术,适合于处理富钾正长岩。主要产品硫酸钾、硝酸钾、沸石钾肥或钾型分子筛,副产品沉淀硅酸钙或硅灰石针状粉、高岭石纳米粉或煅烧高岭土。
石灰乳碱液水热加工技术,适合于处理低钠钾长石粉体。主要产品矿物基硝酸钾、腐植酸钾,副产品硅酸钙保温板、雪硅钙石粉体(矿物填料、吸附材料、废水处理)等。
上述水热碱法技术,均可实现钾矿资源利用率大于85%、K2O溶出率大于90%、有害“三废”零排放的“绿色化工”要求,是创制生态型钾肥新品种、发展绿色可持续中国钾盐工业新体系的核心技术。
生态钾肥 修复污染
在“十二五”收官之年,该团队承担的“非水溶性钾资源制取钾盐及前景分析”地质调查项目也圆满结题。相比于此前的技术研究,该项目更像是为规模化工业利用所做的资源评价与技术准备。
项目负责人杨静介绍,在“十一五”科技支撑计划课题积累的成果基础上,该项目进一步深入研究了“秦岭大别正长岩带”的钾矿资源特征;突破了“水热碱法”制取钾盐钾肥新工艺;对其应用前景进行了系统评价,为工业化利用此类钾矿资源提供了重要依据。
更重要的是,按照“十三五”期间国家对于农业化肥的新需求,团队及时调整研究思路,研制了可有效修复农田重金属污染的生态型矿物肥,对未来推广应用具有重大意义。《全国土壤污染状况调查公报》(2014)显示,我国耕地土壤污染的点位超标率为19.4%,主要污染物为镉、砷、汞、铅、铬等。其中镉污染的点位超标率最高,达7.0%。在利用东秦岭—大别富钾正长岩制备生态型矿物钾肥方面,团队通过系统深入的研究,成功制备出具有养分缓释、固化重金属离子、吸附有机污染物和保水等功能特性的矿物钾肥。
2014年11月,由106家单位发起参与的全国生态肥料产业联盟成立。联盟强调,发展生态化肥已迫在眉睫,刻不容缓。“未来十年必将是以生态肥料为代表。在科技进步、产品升级的同时,实现粮食增产和环境优化得到同步实现,以更加‘绿色、低碳、环保’的方式实现人与自然的和谐发展。”
2015年,农业部印发《到2020年化肥使用量零增长行动方案》。计划到2020年,初步建立科学施肥管理和技术体系。2015年到2019年,逐步将化肥使用量年增长率控制在1%以内;力争到2020年,主要农作物的化肥使用量实现零增长。
一面是要在化肥使用量零增长条件下保证土壤肥力,一面是发展绿色化肥产业、控制土壤污染刻不容缓。马鸿文团队的研究对这两个难题做出了回答。他们研发了直接水热碱法处理富钾正长岩制备沸石分子筛同时溶出钾的技术,解决了制取钾盐过程中85%以上的硅铝组份难以高效利用的难题。
“根据国家的重大战略需求,我们除了做水溶性钾盐研究以外,也在不断调整技术方案,生态型矿物钾肥就是一个案例。非水溶性钾资源从国家需要来说,可以解决两个重要问题,一是能极大改善我国的缺钾状况,二是解决农田土壤的重金属污染问题。沸石钾肥是一种非常环保的材料,不仅自身含有钾、镁、硅等营养元素,而且具有钝化重金属离子、调节土壤酸碱度和保水保墒的功能效应。此外,它的价格低廉,不会超过现有肥料品种的价格,不会增加农业生产成本和农民负担。”杨静说。
积淀20年,马鸿文团队创立的绿色加工技术体系已日臻成熟,只待规模化工程实施。“这里,还有这里……”马鸿文用手指着中国地质图上的秦岭大别和燕辽阴山一带。在这里,他们希望能够建设两个“非水溶性钾资源制取钾盐示范工程”。以使这套钾资源绿色加工技术,在中国钾盐工业可持续发展历程中尽早发挥作用。
绿色产业 效益可观
对于我国农业发展来说,马鸿文团队研发的绿色加工技术若能得以大规模工业转化,将对建设现代化农业及保证粮食安全产生深远影响。
目前,我国除氯化钾以外的其他钾盐产品,均以氯化钾为原料进行生产。马鸿文团队建立的利用非水溶性钾资源直接加工钾盐钾肥的技术体系,若付诸大规模工业化生产,预测届时可提供中国钾盐钾肥消费量40%的市场份额。
据测算,若规模化利用非水溶性钾资源形成新的产能,按K2O品位为12%、K2O回收率为85%估算,则全国每年开发利用约3600万吨钾矿石,即可满足2020年中国生产碳酸钾、硫酸钾、硝酸钾、磷酸钾和氢氧化钾的全部K2O消费需求,届时可减少作为化工原料的氯化钾消费量570万吨,相当于可以弥补当年钾肥缺口的68.6%,使钾肥对外依存度由目前的50%以上降低至18.8%。显然在国家层面上,这是一笔大账。
这些技术在工业上规模化应用有着多重意义。“首先,我国盐湖钾盐储量仅6亿吨,而非水溶性钾资源量超过120亿吨,至少相当于盐湖资源的20倍。非水溶性钾资源绿色加工技术实现工业化生产,将极大拓展我国可利用钾资源。其次,利用富钾矿石加工钾盐技术,与盐湖钾盐资源加工技术是完全不同的两个系统。这就相当于在现有钾盐化工之外开辟出一个新兴产业领域,创新了钾肥生产技术体系。第三,很多花岗岩型金属尾矿中,钾长石含量为30%—45%。上述技术为此类尾矿的工业利用提供了技术基础。最后,以上技术能够将钾矿石中85%以上的成分加工成产品,包括硅化合物、氧化铝、硅灰石、高岭土及多种新型建材等,从而引领矿产资源集约化、清洁化利用,显著减少其他非金属矿产开采,并最终形成钾盐工业新的产业集群。”马鸿文逐一细数这一技术的潜在价值。
自从十八大提出要推进生态文明建设后,全国各行业都开始向绿色要效益。马鸿文介绍,对于矿业领域,保护生态的最好办法就是坚持矿物资源的“永续利用、清洁利用、低碳利用、集约利用”。实现尾矿的资源化利用,就可大幅度减少一次资源开采,从而更有效地保护自然植被与生态环境。显然,实施建设生态文明的国家战略,大力发展矿物资源绿色加工产业,乃是必然选择!
针对业界对“水热碱法”技术的经济可行性疑问,马鸿文团队也做了详细的对比研究。
例如,以河南嵩县富钾正长岩为原料,采用水热碱法制取碳酸钾,与以察尔汗盐湖卤水为原料采用离子交换法和离子膜—流化床法制取碳酸钾过程对比:(1)水热碱法每万元产值的一次资源消耗为11.0吨,而后两种方法分别为249.7吨和290.3吨;(2)三种方法每万元产值的综合能耗折合标煤依次为1.03吨、1.40吨和1.48吨(后两法未计入太阳能)。
采用水热碱法制取硫酸钾,与以察尔汗盐湖卤水为原料采用曼海姆法生产硫酸钾,以及与罗布泊盐湖卤水直接生产硫酸钾过程对比:(1)水热碱法每万元产值的一次资源消耗为9.1吨,而后两种方法分别为121.3吨和72.1吨;(2)三种方法每万元产值的综合能耗折合标煤依次为2.37吨、5.46吨和2.88吨(后两法未计入太阳能);(3)水热碱法技术的钾回收率达94.7%,而后两种方法的钾回收率分别仅为76.2%和50.2%。
由此可见,规模化利用非水溶性钾资源,不仅在当前具有其现实的技术经济可行性,而且从长远看,亦极有可能对中国经济、特别是农业的可持续发展和保障粮食安全产生深远影响,同时也有助于提高中国在世界钾盐化工领域的核心竞争力。
企业需要创新技术推动持续发展,国家也需要创新技术开拓新的钾盐化工产业,推进矿业生态文明建设。“非水溶性钾资源水热碱法制取钾盐”技术体系,正是这样一种技术,其中孕育着百亿吨级的紧缺钾资源,孕育着一个全新的钾盐化工产业集群,更孕育着巨大的经济发展潜力与一种绿色、集约化的工业生产模式。
示范工程 起航商都
日前,国务院总理李克强主持召开国务院常务会议,听取了2015年全国两会建议提案办理工作汇报,确定支持科技成果转移转化的政策措施,促进科技与经济深度融合。会上,他鼓励高校等向企业转移科技成果。对于广大高校科技工作者来说,李克强总理的一席话是激励也是方向。对于马鸿文团队来说,近十年来一直致力于推进这套绿色加工技术的工程化实施。为此,中国地质大学(北京)先后与陕西大秦钾业有限公司、山西紫光钾业有限公司等企业合作。利用陕西洛南县长岭霓辉正长岩生产农用硫酸钾工业项目,即将完成生产线建设进入试生产阶段。
新年伊始,令团队欣慰的是,“商都县钾长石制取钾盐钾肥示范项目”被正式列入《内蒙古自治区乌兰察布市国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》(2016.1)。通过中国地质大学(北京)与商都县的产学研合作,“非水溶性钾资源制取钾盐示范工程”的序幕已然拉开。
商都县位于乌兰察布市东北部,面积4353平方公里,耕地面积超过120万亩,是我国北方地区的农业大县。境内资源丰富,能源充足,交通便捷。现已探明矿产资源20余种,其中钾长石、硅石、石灰石、萤石、硅藻土、高岭土等非金属矿产储量较大,金、银、铅、锌等金属矿产也具有良好开发前景。其中尤以钾长石资源量巨大,预测钾矿石量在10亿吨以上,氧化钾品位12%—15%,是中国北方地区少有的超大型优质非水溶性钾资源,可以满足长期大规模工业化开发利用的要求。
2013年—2014年,商都县鑫垚钾业有限公司开展了对五喇叭钾长石勘查区13.5平方公里的详查评价。公司前期投入资金1500余万元,对此处钾资源进行了系统的地质勘查,通过对728件基本矿样和253件钻孔矿样的分析,圈定了钾长石矿体分布范围,确定了矿石组成,钾长石含量高达90%以上。2015年受鑫垚钾业公司委托,马鸿文团队研究了商都钾长石矿的物相组成和资源属性,做了探索性实验研究。依据该区矿石特点和团队已有技术成果,他们为企业提供了利用商都钾长石资源制取碳酸钾、硝酸钾、腐殖酸钾三种技术方案,规划年产碳酸钾12万吨,硝酸钾34万吨,腐植酸钾60万吨,同时副产钠型/铵型沸石、沉淀硅酸钙、硅灰石针状粉、高岭石纳米粉等化工产品和硅酸钙保温板等建材产品。这些项目建成后,预计年产值可达74.8亿元,新增利税约44.3亿元/年。
项目所采用的生产工艺,基本可实现“三废”零排放,达到了高效节能的“绿色化工”要求,符合“十三五”期间推进“创新发展,绿色发展”的理念,其工艺技术总体上达到了国际领先水平。“该规划的实施,对于缓解我国水溶性钾盐资源短缺问题意义重大,对全国钾矿资源的规模化工业利用也具有重要的示范作用。”马鸿文说。
如今,以上项目规划建议已引起商都县政府和乌兰察布市政府的重视。商都县依托当地的优质钾长石资源,意欲与中国地质大学(北京)联合建设“钾长石制取碳酸钾、磷酸二氢钾(水溶肥,叶面肥)示范工程”项目,计划一期工程年产碳酸钾2万吨(处理钾矿石12万吨),副产钠型分子筛8万吨、沉淀硅酸钙4.5万吨。二期工程年产碳酸钾(或磷酸二氢钾)10万吨,副产钠型或铵型分子筛(生态型肥料载体)48万吨、沉淀硅酸钙23万吨。预估建厂投资约16亿元,年产值15.6亿元,利税约5.6亿元。
以上示范工程的实施和后续工业化生产,可为大规模利用非水溶性钾资源生产碳酸钾、硝酸钾、磷酸二氢钾、腐植酸钾和沸石钾肥等关键技术奠定良好的工程化基础。马鸿文团队热切希望,最终能够建成“国家级非水溶性钾资源化工产业基地”和“生态型钾肥制造种植农业示范基地(商都县)”。
可以预期,该示范工程若得以实施,则意味着中国钾资源保障程度将完全改观。同时,也可为花岗岩型尾矿利用提供技术基础,引领矿产资源集约化利用,显著减少硅石、硅灰石、高岭土、铝土矿、石灰石等原生矿产的开采,有效保护生态环境。基于非水溶性钾资源高效利用技术的推广,有望形成绿色可持续的中国钾盐工业新的产业体系,为保障粮食安全提供坚实的工业基础,进而提高在国际资源化工领域的核心竞争力。
马鸿文团队期盼多年的绿色生态产业正在徐徐拉开大幕,他们多年的努力正在从理想变为现实。未来,他们还将继续远行,直至见证中国钾盐工业实现创新绿色崛起的那一天。
《江城子•编程兴》
马鸿文
2014年8月9日晚,完成Mineral_Process.F90编程,增补闪石族晶体化学计算功能。次日晨登香炉峰,记之。
老夫又发少年狂,复编程,重拾荒。披甲远征,晓月射天狼。矿物化工新开物,鞭鸣马,踏晨霜。
二十寒暑事农桑,解钾困,为蔬粮。农家本色,醉梦回山乡。绿色农工还碧水,地丰产,果飘香。
“矿物资源绿色加工”研究团队:
首席科学家马鸿文,中国地质大学(北京)二级教授;主要成员:杨静、刘梅堂、苏双青、郑红、李金洪、戚洪彬等;在研博士、硕士生40余人。研究领域:矿物资源绿色加工与环境效应,硅酸盐化学平衡与材料设计,矿物材料科学与技术等。“十一五”期间,承担国家科技支撑计划课题“非水溶性钾矿资源高效利用技术”,取得制取碳酸钾、硫酸钾、矿物基硝酸钾、磷酸二氢钾关键技术成果4项,经教育部鉴定,被评为国际先进或国际领先水平。“十二五”期间,承担中国地质调查项目“非水溶性钾资源制取钾盐及前景分析”(负责人:杨静),突破“水热碱法”制取钾盐及沸石钾肥、有机钾肥等关键技术;查明中国非水溶性钾资源的主要类型和产地分布;提出在“秦岭大别正长岩带”(河南嵩县)和“燕辽阴山正长岩带”(内蒙古商都)建设“国家级非水溶性钾资源化工产业基地”建议。发表论文500余篇。取得发明专利20余项,已成功转让或实施6项。出版教材、专著6部,其中《中国富钾岩石:资源与清洁利用技术》(马鸿文等著),入选中国新闻出版总署第三届“三个一百”原创出版工程(2011);《中国高铝飞灰:资源与清洁利用技术》(杨静等著),获“国家科学技术学术著作出版基金”资助(2015),即将由化工出版社出版。
马鸿文团队已研究矿产地(实心圆)
1. 辽宁凤城市,赛马霞石正长岩;
2. 河北赤城县,后沟角闪正长岩;
3. 内蒙古商都县,五喇叭正长岩;
4. 内蒙古包头市,白云鄂博富钾板岩;
5. 内蒙古包头市,包头东霓辉正长岩;
6. 北京市平谷区,黄松峪正长斑岩;
7. 天津蓟县,黄崖关大红峪钾质粗面岩;
8. 天津蓟县,团山子南山富钾白云质泥岩;
9. 山西临县,紫金山假榴正长岩;
10. 山东文登市,西院下正长岩;
11. 河北涉县,串岭沟组富钾页岩;
12. 江苏丰县,华山富钾砂页岩;
13. 河南嵩县,磨沟霓辉正长岩;
14. 河南嵩县,乌烧沟霓辉正长岩;
15. 河南嵩县,坪地霓辉正长岩;
16. 河南卢氏县,黄家湾白云母正长岩;
17. 陕西洛南县,长岭霓辉正长岩;
18. 河南方城县,油坊庄石英正长岩;
19. 安徽金寨县,响洪甸角闪正长岩;
20. 安徽岳西县,温泉石英二长片麻岩;
21. 安徽南陵县,桂山石英正长岩;
22. 福建沙县,田口钾质花岗岩;
23. 贵州铜仁市,万山富钾页岩;
24. 云南个旧市,白云山霞石正长岩。
文献报道其余矿产地(空心圆)
1. 黑龙江密山市,插旗山假榴正长岩;
2. 新疆富蕴县,可可托海花岗伟晶岩;
3. 辽宁凌源市,河坎子霞石正长岩;
4. 河北平泉县,光头山碱性花岗岩;
5. 内蒙古四王子旗,黄河少正长岩;
6. 河北宣化县,串岭沟组富钾页岩;
7. 河北逐鹿县,矾山超镁铁质岩—正长岩;
8. 河北阳原县,响水沟霞石正长岩;
9. 山西昔阳县,串岭沟组富钾页岩;
10. 山西黎城县,串岭沟组富钾页岩;
11. 安徽宿州市,角闪正长斑岩;
12. 河南方城县,塔山霓辉正长岩。
科技日报原文链接:http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2016-02/24/content_332203.htm?div=-1
2011年4月28日,教育部在北京组织了由中国地质大学(北京)完成的“污水磷回收再利用制取磷酸二氢钾清洁生产技术”科技成果鉴定会。鉴定组专家认为,该项成果在开发利用非水溶性钾矿资源、从污水中回收磷再利用制取磷酸二氢钾产品,以及解决相关的关键技术基础问题方面,达到国际领先水平。该项技术的工艺路线系统完整,属国内外首创,为我国的钾盐工业提供了全新的技术路线和方法。
该项研究的负责人是中国地质大学矿物材料国家专业实验室主任马鸿文教授。“污水磷回收再利用制取磷酸二氢钾清洁生产技术”是“十一五”期间马鸿文课题组承担的国家科技支撑计划课题“非水溶性钾矿资源高效利用技术(2006BAD10B04)”的一部分。
缘起:缺钾贫磷
肥料行业有句俗语:“氮长叶子钾长杆,没有磷肥不增产。”说的是农业三大肥料氮磷钾的作用。它们是决定农业丰产的重要营养元素,在农作物的生长中,缺少任何一种肥料都会造成产量的锐减。
但是,我国是一个缺钾贫磷的国家。中国磷矿资源虽然丰富,但高品位磷矿却很少,国家有关部门已将磷矿列为2010年后不能满足国民经济发展需求的20种矿产之一。因此,寻找新的磷资源,探索经济可行的磷回收技术,对于促进我国农业和国民经济的可持续发展具有重要的经济和社会效益价值。
我国钾资源更是严重缺乏。我国人口占世界22%,而水溶性钾资源只占1%,自建国以来一直长期进口钾盐。直到2007年,我国70%的钾盐依然靠进口。未来10-20年之内,中国大量进口钾肥的状况仍然很难改变。
自然界中的钾矿资源分为水溶性钾矿和非水溶性钾矿两大类。水溶性钾矿中的钾较容易提取,是目前生产钾肥的主要原料。但是我国水溶性钾矿资源十分匮乏,且资源分布极不平衡,在农业发达的我国中东部地区,钾肥供需矛盾更加突出,以致农田氮、磷、钾施用比例严重失调,造成土壤普遍缺钾,据土壤普查资料,全国约70%的耕地缺钾,其中45%的耕地严重缺钾。2007年我国农业施肥氮钾比例为1:0.16,与发达国家1:0.42的基础比例差距甚大,造成土地质量退化。这给我国农业生产带来了严重危害,不少农作物抗病能力减弱,品质下降,甚至出现早衰和退化等现象。为了弥补不足,国家每年需花费数十亿美元进口钾肥。马鸿文认识到,要从根本上解决我国水溶性钾资源短缺的问题,开发利用非水溶性钾矿资源不失为一条值得探索的途径。
开拓:废水不废
新中国成立伊始,中国政府就在全国范围内组织开展了寻找水溶性钾盐资源的科研和地质勘察工作。迄今虽然在青海察尔汗盐湖和新疆罗布泊等地取得了若干重要突破,但我国属于水溶性钾盐资源极度贫乏国家的状况并未改变。随着改革开放的深入,经济的持续高速增长,水溶性钾盐资源短缺严重制约国民经济可持续发展的状况愈益明显。
矿物材料国家专业实验室成立伊始,马鸿文就带领团队成员向非水溶性钾矿资源高效利用技术发起了进攻。在未得到政府资金支持的情况下,很长的时间内他们的研究基本上都是与企业或地方政府合作。2000年前后,从教育部拿到一个博士学科点基金,并利用教育部“跨世纪优秀人才计划基金”项目中的部分资金,开展了艰苦的探索性研究,解决了一个又一个技术难题。18年来,马鸿文的足迹已遍布大江南北,华北平原、内蒙边陲、秦岭山脉和云贵高原等地,都留下了他的身影。目前,他带领的研究团队已完成了全国16个有代表性的矿产地的研究工作。在先后取得制取碳酸钾、硝酸钾、硫酸钾关键技术研究的胜利后,马鸿文又带领团队开展了“污水磷回收再利用制取磷酸二氢钾清洁生产技术”的研究。
磷酸二氢钾用途广泛,因为它既有钾又有磷,虽然价格昂贵,但肥效极高,有效养分达90%以上。随着现代化农业的发展,磷酸二氢钾的需求量呈逐年上升趋势。近年来,国家一直在倡导“循环经济”的发展模式,因而从污水中回收磷再加以循环利用,已成为减少一次性磷资源消耗、改变磷肥工业经济增长方式的新课题。
据马鸿文教授介绍,“污水磷回收再利用制取磷酸二氢钾清洁生产技术”是一个把回收磷和利用钾矿资源结合起来的课题。我国作为人口大国和工业加工大国,每天排放大量的生活和工业废水,其中部分废水中的磷含量很高。如何让“废水不废”,变含磷废水为磷和水两种资源,并实现清洁化利用,是实现中国磷肥工业可持续发展的有效途径。
我国目前对磷的回收还处于起步阶段,还没有实现工程化应用。马鸿文团队的研究无疑是一项填补空白的工作,但“空白”同时也预示着研究工作的艰难。项目开展数年来,主要合作者郑红教授等带领数名研究生先是在实验室做静态试验,之后做动态实验,一直到取实际污水做回收磷实验,每一步都凝聚了几位主要成员的智慧与汗水。
实验以霓辉正长岩矿石为原料,水热合成雪硅钙石,由合成母液制成富钾液体;再以雪硅钙石为晶种回收污水中的磷;利用所得产物羟磷灰石分解制取磷酸;最后采用中和法制取磷酸二氢钾。这些关键技术的攻关成功,为实现含磷“废水”变成磷和水两种资源提供了可能。
生产:环保先行
马鸿文教授告诉我们,项目的成功不仅要制出磷酸二氢钾,而且在这个过程中要实现清洁生产,这是实现经济可持续发展的必然要求。
之前在利用非水溶性钾矿资源制取钾肥时,都存在一个共同的缺点,就是只利用其中的氧化钾,其他就成废物了。但实际上钾矿中氧化钾的含量只有11-14%。用马鸿文团队的技术成果,则可以综合利用氧化钾、氧化铝和氧化硅三种主要成分。这样,既可分摊制钾盐的成本,又避免了资源浪费,提高了综合经济效益。
“污水磷回收再利用制取磷酸二氢钾清洁生产技术”作为一种新的高浓度磷钾肥生产工艺,把污水磷回收和非水溶性钾矿提取钾盐两种工艺巧妙地集成为一个整体。生产过程中钾长石资源利用率可达100%,且使含磷污水完全实现了资源化利用。
生产磷肥的废渣也是可以循环利用的。现有的磷肥企业,用硫酸把磷矿石溶解,留下的废渣就是磷石膏。每生产一吨磷酸,要排放约5吨磷石膏。目前,全国每年排放的磷石膏废渣约3000多万吨。从长远看,磷石膏对环境是有危害的,因为一旦下雨,其中的重金属等有害成分会渗透到地下水,污染水源。因此,实现清洁生产是当务之急。马鸿文团队一直探索在生产磷酸二氢钾的过程中如何把磷石膏用掉。他介绍说,通过回收污水中的磷,一方面可以把排放污水的磷含量控制在1毫克每升以下,使污水重新变成工业用水;另一方面,磷石膏也能全部用来生产硫酸,实现硫酸的循环利用。
目前国内也有企业用磷石膏来生产硫酸,但由于副产水泥而添加黏土等原料,造成能耗过高,二氧化碳排放量增加,而硫酸生产效率降低,成本增加。马鸿文团队的解决办法是:采取直接分解磷石膏的方法制成硫酸,副产物可用作建筑石灰。这样就降低了能耗,并提高了生产硫酸的效率。
通过这些努力,钾盐的生产真正做到了低碳、环保。所得产品为纯质磷酸二氢钾,附加值高。因而实现规模化工业生产后,将具有可观的经济效益、环境效益和社会效益。
产业:做强做大
在开展关键技术研究的同时,马鸿文团队先后与陕西大秦矿业公司、山西紫光钾业有限公司、安徽铜陵化工集团等企业合作,现已完成了利用钾长石粉体年产1000吨新型农用矿物基硝酸钾、利用霞石正长岩年产2000吨电子级碳酸钾工业化试验生产线工艺包的设计,利用陕西洛南县长岭霓辉正长岩年产1.0万吨农用硫酸钾工业化试生产项目也已进入工程化实施阶段。此外,还对利用磷石膏和钾长石制备农用优等品硫酸钾技术、利用铝代雪硅钙石晶种法回收污水中的磷及制备磷酸二氢钾产品等关键技术进行了重点研究。这些成果为我国磷肥行业实现清洁生产奠定了良好的技术基础。
马鸿文对“十二五”期间的发展充满了期待。他说,在接下来的几年内,希望能把项目放大,争取达到年产20万吨硫酸钾和10万吨硝酸钾。同时,希望国家有关部门在“十二五”期间支持实施“非水溶性钾矿制取农用硫酸钾清洁生产技术示范工程”项目,进一步集成优化相关的关键技术,为大规模利用非水溶性钾矿资源生产无氯钾肥奠定良好的工业化基础。
这样的工程全世界没有先例,实现产业化以后,有可能对全世界的碳酸钾、硫酸钾生产带来革命性的变革。目前国内每吨碳酸钾的生产成本高达7000-7500元,而马鸿文团队把它降低了50%以上;现在硫酸钾每吨生产成本接近3000元,而采用他们的技术,生产成本可降低约三分之二。如果能得到国家的支持,把这些技术在工业上做大做强,那么,就有可能解决中国未来钾盐约40%的市场需求,为国民经济可持续发展和保障我国粮食安全提供资源保障。
贡献:源于责任
马鸿文教授是一个谦逊而亲和的人,当记者让他谈谈这么多年来的贡献的时候,马鸿文轻轻一笑说:“贡献谈不上,只能说是责任吧。”
作为一个科研工作者,马鸿文说,“我们做的这些研究工作,首先是解决国家的急需,为中国的社会和经济发展做一些事。另外,中国地质大学是全国唯一校名冠以‘地质’两字的大学,中国经济发展到今天,水溶性钾资源短缺是制约农业可持续发展和维护粮食安全的最大瓶颈。对此,我们应该思考,地质大学对中国社会和经济发展的历史责任是什么?我的理解是,大学要解决中国社会和经济发展中碰到的重大科学和技术问题,我们实际上就是在做这么一件事,这就是做这些事的价值。”
作为一个教育工作者,马鸿文说:“大学是个教书育人的地方,培养更多的优秀人才是我们的职责所在。”通过这些研究工作,从1990年开始,他已培养博士23人,硕士45人,不少学生已成为业内的骨干人才。
更可贵的是,马鸿文不单纯是一个科研工作者,也不单纯是一个教书匠,他很注重把科研与教学结合起来。针对中国高校培养的学生理论功底好、但实践动手能力较差的问题,马鸿文注重培养学生的实践能力。“我们的学生都是跟企业相结合,要求研究结果必须符合工程设计的要求,整个实验流程要考虑工业应用和环境问题,每项技术都必须符合清洁生产要求。所有学生都经过工程化方面的基本训练。”
在此基础上,马鸿文把研究成果系统化、条理化,归纳整理、凝练升华为教材,以期对学生及他人有所帮助。目前有多本教材获奖或被评为精品教材,如《结晶岩热力学概论》获地矿部第三届普通高等学校优秀教材一等奖(1996)。《工业矿物与岩石》、《结晶岩热力学概论》(第二版)被评为北京市高等教育精品教材(2005)。《工业矿物与岩石》课程体系建设与实践获北京市优秀教学成果一等奖和国家优秀教学成果二等奖。《陶瓷热力学与材料设计》成为北京市高等教育精品教材立项项目(2010)。并两次被评为北京市高等学校教学名师(2005,2007)。
后记:仁者乐山
作为地质工作者,马鸿文常常置身于山水之间。而在工作之余,他也对登山情有独钟,几乎每个周末都会去登香山。马鸿文说,之所以这么热衷于登山,一方面是为了工作,另一方面也是锻炼身体。而我们认为,山对他来说别有深意,山寄予了他的理想、承载了他的奋斗历程、蕴藏了他厚德载物的心胸。《论语》曰:“智者乐水,仁者乐山。”智者达于事理而周流无滞,有似于水,故乐水;仁者安于义理而厚重不迁,有似于山,故乐山。这正是马鸿文几十载教研历程的写照。
山水的灵气把马鸿文孕育成了一位工于诗文的学者。野外工作、周末登山,他常作诗文以记之,咏志抒怀,信手拈来,常得佳作。择其两首录于下,以飨读者:
七律•西藏之旅
2010年9月6-16日,率弟子双青、红丽二人重返西藏游览。追忆30年前在西藏东部从事玉龙斑岩铜矿带花岗岩类研究之往事,感慨良多。14日子夜至17日午草成。
雪域当年草上飞,春风化雨意相随。
迢迢天路舞摇滚,袅袅孤烟餐野炊。
天恋圣湖共蓝湛,地惜秋草竞牛肥。
而今重走高原路,三十年后知是谁?
鹊桥仙•天湖
2010年10月3日晨登香炉峰。9月12日赴藏北那曲高寒草原,那木错秀美湖色,仍历历在目。此小令以记之。
深邃蓝天,漫卷云锦,雪山流影圣湖。
藏北草原黄淡抹,点闲帐、旷野撒珠。
回首何时,布宫瘦影,敢为科苑添虹。
玉露凝霜寻旧梦,竞风流、天路坦途。
“矿物资源绿色加工”研究团队
中国地质大学(北京)矿物材料国家专业实验室,于1993年经原国家计委、国家教委、地质矿产部批准,由世界银行贷款而建立,是我国目前唯一从事矿物岩石材料研究的国家级实验室。实验室主任马鸿文表示,实验室冠以“国家”,不是解决某个企业的具体技术问题,而是希望解决中国经济和社会发展过程中带有全局性的、有长远影响的重大科学和技术问题,关键技术的突破应能引领国内相关产业领域的发展方向。
该实验室的矿物资源绿色加工研究团队,目前有教授6人,副教授9人,18年来先后有15位博士、50余位硕士参与了有关“非水溶性钾矿资源高效清洁利用技术”的研究工作。
1993年以来,该团队在首席科学家马鸿文教授带领下,对全国12个省市共计16处代表性产地的非水溶性钾矿资源高效利用关键技术做了系统研究,涉及不同成因类型的钾矿石资源量超过100亿吨;取得国家发明专利14项,省部级鉴定成果10项;发表学术论文100余篇;主要研究成果集中反映在马鸿文等著《中国富钾岩石——资源与清洁利用技术》(2010)一书中。
迄今,该研究团队已完成了利用非水溶性钾矿资源制取碳酸钾、硝酸钾、硫酸钾、磷酸二氢钾等钾盐(肥)产品和水热合成钾型分子筛(新型无机缓释钾肥载体材料)、制备缓释钾肥等关键技术攻关,研发出6个系统工艺流程。特别是通过“十一五”期间承担国家科技支撑计划课题“非水溶性钾矿资源高效利用技术”的重点攻关研究,系统建立了非水溶性钾矿资源高效清洁利用的技术体系,具有完全自主知识产权。其中以霞石正长岩为原料制取碳酸钾、氧化铝清洁生产技术,以霓辉正长岩为原料制取硫酸钾、氢氧化铝清洁生产技术,以钾长石粉体为原料制备新型农用矿物基硝酸钾清洁生产技术,以及利用提钾母液和回收污水磷再利用制取磷酸二氢钾清洁生产关键技术等4项研究成果,分别于2010年3月、5月、7月和2011年4月通过了教育部组织的科技成果鉴定。鉴定委员会专家组评定认为,其研究成果分别达到了国际先进或国际领先水平。
基于上述研究工作基础,同时考虑到农用硫酸钾是市场需求量最大的无氯钾肥品种,马鸿文研究团队建议国家有关部门在“十二五”期间支持实施“非水溶性钾矿制取农用硫酸钾清洁生产技术示范工程”项目,其目的是进一步集成优化相关的关键技术,通过工程化实施进行验证和放大,为大规模利用非水溶性钾矿资源生产无氯钾肥关键技术的工业生产奠定良好的工程化基础。
文章来源:《科学中国人》2011-8-3
马鸿文:创新研究 绿色引领
大自然是如此伟大而神奇,能让岩石风化为土壤,滋养作物生长,生产出供人类繁衍所需的粮食。人们熟知的化肥主要有氮、磷、钾三种:氮是组成植物体蛋白质的重要物质,使用氮肥适量得当,则叶绿枝茂,制造有机物多,提高产量和质量;磷是形成作物果实的主要元素,适量施用磷肥,对根系发育有良好作用,能促使作物躯干健壮;钾虽然不是植物体内的有机化合物成分,但却能够促进光合作用,能明显提高植物对氮的吸收和利用,并很快转化为蛋白质,同时还能促使作物有效利用水分。
然而,谈起化肥,人们往往想到废物排放、废水横流、湖泊河流的富营养化……不可否认的是,从矿产资源开采,到各种化工产品的生产,化肥不过是这个庞大产业中的一小部分。如何实现“矿物资源绿色加工”,是当前中国建设“资源节约型、环境友好型”社会必须解决的重大科学与技术问题。中国地质大学(北京)教授马鸿文语调温和地讲述着这一切。行走在矿物资源绿色加工关键技术研发之路上20年,他逐渐组织凝聚起一支富有创新精神、勇于攻坚克难的研究团队,也逐渐探索出一条非水溶性钾资源制取钾盐、钾肥绿色加工的可持续发展之路。
钾肥生产理应清洁起来
中国有13亿人口,粮食安全是社会与经济可持续发展的先决条件。人需要粮食,而农作物生长则需要肥料。2012年数据显示,我国资源型钾肥的产量折合氧化钾为377万吨,钾肥自给率仅占47.8%。然而,化肥对农作物产量的贡献率却高达三分之一,其重要程度可见一斑。从新中国成立开始,我国八九成的钾肥便需要从国外进口。随着农业生产技术的日益提高,粮食生产对肥料的需求量也日益增加。但直到2007年,我国仍然有71.8%的钾肥需从国外进口。近年来,中国政府加大了对钾肥行业的投入与基地建设力度,现已建成青海柴达木盆地的察尔汗盐湖和新疆塔里木盆地的罗布泊盐湖两大钾肥生产基地。然而,2012年中国的钾肥视消费量为795.4万吨,其中进口钾肥的比例仍高达52.2%。
满足钾肥需求是当务之急,而如何解决水溶性钾盐资源短缺的瓶颈却是一个富有挑战性的难题。在世界范围内,钾肥生产的原料几乎都是氯化钾。而马鸿文带领研究团队长期致力于利用非水溶性钾资源制取钾盐、钾肥高效清洁利用关键技术的研究。这就意味着,他们选择不以氯化钾作为多种钾肥生产原料的技术路线,而这又将具有怎样的意义呢?
据中国石化协会预测,2020年中国钾盐的总需求量为1300万吨,其中钾肥1180万吨,当年缺口将达920万吨,折合K2O 524.9万吨。预测到2020年,中国除氯化钾以外的其他钾盐消费量约为:氢氧化钾60万吨,碳酸钾40万吨,硝酸钾100万吨,硫酸钾300万吨,磷酸二氢钾30万吨;折合K2O消费量约为300万吨。目前,上述钾盐产品几乎均以氯化钾为原料进行生产。马鸿文研究团队建立了利用非水溶性钾资源直接加工钾盐、钾肥的技术体系,若付诸大规模工业化生产,届时则有可能提供中国钾盐、钾肥消费量40%的市场份额。这无疑将对中国钾盐、钾肥工业的可持续发展产生重要影响!
目前,国内碳酸钾、硫酸钾、硝酸钾等生产企业普遍面临环境因素制约和生产经营难题。以碳酸钾为例,其生产过程中用氯化钾作为原料,采用离子交换法,生产过程中产生氯化铵废水,其浓度很稀,只有3.5g/L,无法进行回收利用。而生产1吨碳酸钾需要排放25吨氯化铵废水。硫酸钾、硝酸钾生产也以氯化钾为原料,与硫酸、硝酸反应后转化成硫酸钾和硝酸钾,其副产品是盐酸。盐酸是强酸,如果硫酸钾、硝酸钾产量大,盐酸便面临市场销售难题。除此之外,硝酸钾生产如以氯化钾和硝酸铵为原料,生产过程中也会产生氯化铵废水,同样因浓度低无法回收。而氢氧化钾、碳酸钾若采用离子膜电解法生产,则会大量副产氯气,同样面临市场销售难题。
“这些问题广泛存在于世界钾盐工业生产过程中,而我国人口众多,消费需求量大,这个问题更加突出。这些困难的共性原因都是以氯化钾作为原料去转化产品,在加工过程中产生含氯副产品,或难以回收利用,或市场容量受限。因此,规模化高效利用非水溶性钾资源,对于研制无氯钾肥品种,不仅在当前具有现实的技术经济可行性,而且从长远看,也极有可能对中国经济,特别是现代化农业的可持续发展产生深远影响。”马鸿文说。
1993年以来,马鸿文研究团队在这一领域进行了长期系统的研究工作。在非水溶性钾资源高效、清洁利用技术工程化实施方面,中国地质大学(北京)矿物材料国家专业实验室与陕西大秦钾业有限公司、山西紫光钾业有限公司、铜陵化工集团等企业合作,现已完成了利用钾长石粉体年产1000吨新型农用矿物基硝酸钾、利用霞石正长岩年产2000吨工业级碳酸钾工业化试验生产线工艺包的设计,利用陕西洛南县长岭霓辉正长岩年产1.0万吨农用优质硫酸钾工业化试生产项目也已进入工程化建设阶段。
基于上述已有的系统研究工作基础,同时考虑农用硫酸钾是市场需求量最大的无氯钾肥品种,马鸿文研究团队期望国家有关部门在“十二五”期间支持实施“非水溶性钾矿制取农用硫酸钾清洁生产示范工程”项目,其目的是进一步集成优化相关的关键技术,并通过工程化实施进行验证和放大,为大规模利用非水溶性钾矿资源生产无氯钾肥(农用硫酸钾、硝酸钾、磷酸二氢钾)的关键技术领域奠定良好的工程化基础。
“你看这里,这里,还有这里……”马鸿文用手沿着中国地质图上的秦岭—大别山一带滑过,在这里,他希望能够建成三个“非水溶性钾资源制取钾盐清洁生产技术示范工程”,包括农用硫酸钾、硝酸钾和磷酸钾。如今,已经有两处启动。马鸿文目光中闪烁着希望、坚毅与执著,“我们的目标是,希望在‘中国龙脉’建设国家级非水溶性钾资源化工产业基地”。
不要让磷资源白白流失
磷作为肥料使用进入作物机理后,促进作物长出果实。果实成熟后被人类食用,其中一部分磷转化为人体骨骼生长需要的养分,其余部分被排泄掉进入污水。这便是磷在自然界中的旅程。然而,马鸿文说,这并不应该是磷在自然界旅程的理想归宿。人类排泄掉的磷大部分进入了城市污水中,而这部分磷其实是可以回收后循环利用的。
2011年中国的磷矿储量占世界总量的5.2%。实际情况是,2006年中国超过美国成为世界最大的磷矿石生产国后,磷矿石产量一直呈增长态势。2010年中国磷矿石产量占世界的37.6%。为什么要回收城市污水中的磷呢?其实,尽管中国磷矿资源的总量较高,但全国磷矿的五氧化二磷平均品位在17%左右,品位超过30%的富磷矿仅占磷矿总量约8.5%。磷矿属于不可再生资源,我国近年来约有近40%的磷肥出口,而现有的磷矿资源又不能善加利用。这种状况引起马鸿文团队很大关注。一方面是城市污水造成的地表水体富营养化问题,一方面是磷资源大量流失的问题。于是,“十一五”期间他们开始在污水磷回收及循环利用关键技术方面进行有益的探索性研究。
昆明滇池、安徽巢湖、江苏太湖……这些著名的湖泊近年来饱受因城市污水和农业面源污染造成的富营养化的困扰。“所谓湖水富营养化,通俗地说就是营养过剩了,具体来说便是氮磷钾过剩造成的。氮肥和钾肥的水溶性都非常好,进入水中可马上溶解。而种植中使用氮肥和钾肥后,一旦下雨,肥料便马上溶于水中,并流入地表水中,造成大面积面源污染。”马鸿文详细地解释道,“要解决这个问题,可以将氮肥和钾肥做成缓释肥料,不让养分效力马上发作,而是按照作物生长规律缓慢释放,如此大面积面源性污染问题便可解决。而磷富营养化就需要通过处理生活污水,将其中的磷回收,再经过化学加工,重新制成磷肥,以实现磷资源的循环利用。”如此,不但可望解决或缓解城市污水与湖泊富营养化问题,磷资源也可得到充分合理的利用。
那么,如何才能实现污水中磷资源的回收利用呢?为此,马鸿文团队花了很大的力气来开展这一关键技术研究。现在常规生产磷酸二氢钾,都是采用磷酸与氢氧化钾或碳酸钾中和的方法。但是,氢氧化钾、碳酸钾和磷酸的价格昂贵,因而采用这种方法制成的磷酸二氢钾的成本很高,价格自然不菲,致使这种能够大量增产的优质肥料却较少在农业生产中应用。
针对上述难题,马鸿文团队对利用工业磷石膏和钾长石制备农用硫酸钾技术、利用水合硅酸钙晶种法回收污水磷技术、磷石膏制备硫酸、硫酸分解回收磷产物生产磷酸及制备磷酸二氢钾产品等关键技术进行了富有成效的探索性实验研究。“十一五”期间,他们取得的技术成果——“水化硅酸钙晶种法回收污水中磷的工艺”和“污水磷回收再利用制取磷酸二氢钾清洁生产技术”已获得两项发明专利授权。经过教育部科技发展中心组织鉴定,技术成果被专家评为具有国际领先水平。
该项研究采用了以非水溶性钾资源制取钾盐过程中的副产物水合硅酸钙为晶种,回收城市生活污水中的磷;利用回收产物羟磷灰石分解制取磷酸;再与富钾母液中和来制取磷酸二氢钾的技术路线,确定了污水磷回收再利用制取磷酸二氢钾清洁生产技术的系统工艺流程和工艺条件。利用污水磷回收产物生产农用磷酸二氢钾产品,适应了当前我国发展现代化高效农业的需求,符合国家建设生态文明和经济可持续发展的产业政策,可弥补我国高品位磷矿资源的不足,同时有效避免地表水体富营养化。
以“污水磷回收再利用制取磷酸二氢钾清洁生产技术”为例,它将污水磷回收和非水溶性钾资源制取钾盐两种工艺巧妙地集成为一个整体。不仅生产过程中钾长石资源利用率可达100%,且可使含磷污水实现完全资源化利用。同时,生产磷酸的磷石膏废渣也可以循环利用。而现有磷化工企业生产1.0吨磷酸(折合五氧化二磷),就排放磷石膏废渣4.8~5.5吨。2012年中国排放的磷石膏废渣约7000万吨,其综合利用率不足25%。每逢下雨,磷石膏中的重金属等有害成分就会渗入地下水中,造成水质污染,对水源安全构成极大隐患。马鸿文团队研发的技术,利用污水磷回收产物生产磷酸过程中产生的磷石膏,采取直接分解的方法制成硫酸,副产物可用作建筑石灰,或制成轻质碳酸钙产品。若推广应用这一技术,则磷石膏可全部用来生产硫酸,不仅实现了硫酸的循环利用,同时也可避免现有磷化工行业大量消耗硫酸而对硫铁矿、硫磺资源的开采或进口,显著减少磷肥生产对一次性资源的消耗量。
可以说,采用以上技术,污水中95%以上的磷能够得到回收利用,而且在生产过程中不产生任何废物,实现了完全清洁生产。更为重要的是,采用该项技术比现有工业生产磷酸二氢钾的成本要低20%以上,为未来能够低成本推广磷酸二氢钾肥料奠定了基础。
“这是一笔大账。”马鸿文说,“以瑞典为例,这个只有950万人口的小国,2010年消费的磷盐、磷肥资源70%来自于回收磷。而中国人口众多,如果能够回收60%的生活污水中的磷,那么这将是一个十分可观的数字。”而面对现今我国大量出口磷矿石和磷肥的现状,马鸿文也感慨地说:“我们将磷矿石和产品大量出口,就将二次磷资源的源头掐断了,同时也将能够回收部分的磷无偿给了外国。他们若善加循环利用,积累达到一定程度就不再需要购买了。”
为此,马鸿文团队在从事相关技术研究的同时,也在呼吁磷资源回收的重要意义,期望能够引起国家相关部门的重视。值得庆幸的是,相关的技术成果即将由安徽一家矿物材料企业进行工业生产示范工程项目的建设。可以期待,这些成果必将为我国磷肥行业实现清洁生产奠定良好的技术基础。
培育绿色的未来
在“矿物资源绿色加工”领域悉心探究了20年,马鸿文的认识与思考也在不断深化。如今在全球,开采一座矿山往往都是为了生产一种金属或非金属矿物产品。然而在自然界,各种元素和矿物通常是相互共生的。当人类以获取某种金属或矿物资源为目的开发矿业时,往往将其他矿物当做尾矿而废弃。殊不知,这些尾矿中却可能蕴藏着巨大的财富。然而我国却缺少这方面的研究,马鸿文说,要想让这门学科发展起来,首先就是要培养专业人才。
2012年11月,“矿物资源绿色加工专业需求与建设条件分析”申报了中国地质大学(北京)学科建设研究项目。“我们希望能用两三年的时间把它变成一个本科专业,专门研究这方面的问题,专门培养这方面的人才,这对于国家来说非常重要。”马鸿文说。据他介绍,这门专业将涉及资源评价、矿产品加工、无机盐化工、精细化工、冶金、建材等6个工业领域。随着我国经济社会发展需求的不断增加,将来势必会遇到缺少相关专业技术人员的问题,因此有必要从源头抓起,以学科定位建立相关专业,培养后备专门人才。马鸿文说,中国地质大学(北京)作为国内在这一学科领域排行前列的高等院校,有责任和义务去承担起这个重担。而这件事本身的价值也是显而易见的。
马鸿文举了一个例子来说明。某有色金属集团曾在内蒙古赤峰开发一个钼矿,企业算了一笔账,他们每年开采1800万吨矿石,其中的钼含量不到0.1%,相当于每年将排放1800万吨尾矿。这些尾矿中钾长石含量约占35%,经浮选可得钾长石粉体约600万吨。企业选出钾长石粉体中的氧化钾含量为9%,即可回收氧化钾54万吨。这些氧化钾可加工成农用硫酸钾100万吨,每年产值可达40亿元;而钼矿加工产品每年的产值才20亿元。其实,除了钾,这些尾矿中还有其他可用资源。讲到这里,马鸿文不无深意地说:“所以说,专业技术人员要转变观念,政府管理部门也要转变观念。对于矿产资源的高效清洁利用问题,国家应当统筹兼顾,应该高度重视。”
而马鸿文力主期望新建的“矿物资源绿色加工”专业,便是针对我国资源产业的发展现状及环境相容性瓶颈进行剖析与提出对策,以期探究和解决资源产业(金属矿业、非金属矿业)实现清洁生产的技术原理与工程化实施可行性。与马鸿文从事的其他科学研究相比,一个专业的建立是一件更为长久并与社会和经济可持续发展息息相关的大事。马鸿文团队的目光不仅在现在,更在未来。
无畏山行险,莫言探路孤
内蒙古白音锡勒铷锂花岗岩提取铷铯锂关键技术研究,项目建议书完成有感。2012年6月20日夜,试作五言长歌《铷铯歌》记之。
锂钠钾铷铯,朦胧初记时。
呀呀拜门氏,渺渺幻真虚。
行远学天府,知书索地图。
师池雪域路,庖解花岗石。
点将筹新系,率征入淖泥。
殷殷提钾铝,耿耿报桑梓。
屈指二十载,果成数典期。
正长岩提钾,花岗石制铷。
翘楚石之奥,首瞻工乃殊。
解离硅铝氧,烹尽碱一族。
无畏山行险,莫言探路孤。
青青河畔草,袅袅出兰芝。
下里巴人曲,阳春白雪时。
长途路漫漫,故道草萋萋。
夸父竞逐日,射狼待旦曦。
闻鸡还起舞,千里走单骑。
由于工作原因,马鸿文常常从事野外地质和资源考察。雄伟的山峦,辽阔的河谷,在他眼中不仅是工作场地,更是大自然赐予的美景。诗文是他见证自然与人文、科学交融的工具,当那些化学元素变成朗朗上口的诗句时,这份工作也变得浪漫而多彩起来。
“无谓山行险,莫言探路孤。”这是马鸿文最近20年来研究工作的真实写照。一边是站在学科的前缘探索创新,一边是为国家的绿色发展诊脉践行。在这期间,有过困难,有过阻碍,更有过不被理解与支持的孤寂。然而,人们所见的马鸿文却从不抱怨。他达观的笑容与诗句,让人们看到了一位科学家的坚毅与执著。他用行动排除了一个又一个困难,一颗“为国家民族做事”的心引领他不断创造出佳绩。现在,他在为祖国和人民默默奉献着,也期待着国家能够将更多的目光投注到“矿物资源绿色加工”这项造福百年的事业上来。
在这条路上走了20年,马鸿文并不孤独,他的团队正与他同行,为祖国的绿色未来充当最勇敢的探路者,去发现和探究自然界那无尽的资源宝库。
专家简介:
马鸿文 中国地质大学(北京)二级教授,博士生导师;曾任地质矿产系副主任、材料科学系主任、副校长,兼任矿物材料国家专业实验室主任(2001—2011)。研究领域:矿物材料科学与技术、矿物资源绿色加工与环境效应、硅酸盐体系化学平衡与材料设计、结晶岩热力学与相平衡等。
曾获“做出突出贡献的中国博士学位获得者”(1992),“北京市先进工作者”(1995),“做出突出贡献的中青年专家”(1999),第二、三届“北京市高等学校教学名师”(2005、2007)等荣誉称号。
承担原国家教委“跨世纪优秀人才计划”基金、原地矿部“百名跨世纪人才培养计划”基金、基金委青年科学基金、教育部博士学科点基金等10余项课题任务。“十一五”期间,承担科技支撑计划课题“非水溶性钾矿资源高效利用技术”(2006BAD10B04),取得制取碳酸钾、硫酸钾、矿物基硝酸钾、磷酸二氢钾4项清洁生产技术成果,经教育部组织鉴定,分别被评为国际先进和国际领先水平(各2项)。
发表学术论文190余篇。取得发明专利20余项,成功转让专利8项。出版教材、专著6部。其中《结晶岩热力学概论》,获评“地矿部第三届普通高等学校优秀教材奖一等奖”(1996)、教育部研究生工作办公室推荐“研究生教学用书”(2000)、“北京市高等教育精品教材”(2005);《工业矿物与岩石》,获评“北京市高等教育精品教材”(2005)、“普通高等教育‘十一五’国家级规划教材”(2007);《陶瓷热力学与材料设计》,获评“北京市高等教育精品教材立项项目”(2009);《中国富钾岩石——资源与清洁利用技术》,入选第三届“三个一百”原创出版工程(科学技术类)(2011)。
来源:中国科技奖励 2014年第1期
变废为宝几曾歇
——记中国地质大学(北京)教授、博士生导师马鸿文
我国是农业大国,每年生产粮食约5亿吨。据统计,粮食产量的1/3左右是靠施肥获得的。但是,我国农业长期存在着氮、磷、钾肥施用比例严重失调的问题,钾盐缺口较大,严重依赖进口。应用于工业的钾盐产品在今后相当长一段时间内也是我国市场上的紧缺产品,这是因为我国水溶性钾盐资源极缺造成的。
多年从事岩石学研究的马鸿文教授知道,我国非水溶性钾矿资源不仅分布地域广,而且储量巨大。只是因为国内对非水溶性钾矿的开发利用技术尚未达到工业化应用的程度,导致非水溶性钾矿未能得到高效合理的开发利用。
从1993年开始,马鸿文教授决心突破这一难题,启动了非水溶性钾矿综合利用研究计划。历时8年,经过北京平谷地区富钾火山岩、天津蓟县地区钾质粗面岩、河北省赤城县正长岩型金矿尾矿、山西省临县紫金山霞石正长岩等一系列非水溶性钾矿提取碳酸钾综合利用技术开创性的实验研究工作,马鸿文教授最终完成了非水溶性钾矿综合利用技术的研究,获得了两项技术专利,并进入了产业化阶段,达到了国际先进水平。1999年,马鸿文教授利用白云鄂博富钾板岩的焙烧熟料,成功地合成了13X分子筛,同时利用合成沸石的母液制备了具有高附加值的化工产品——白炭黑和碳酸钾。这一成果为白云鄂博富钾板岩综合开发技术的后续研究奠定了良好基础。
大效益和大应用的执着追求者
2003年3月23日在北京国家科技部专家公寓,内蒙古自治区科技厅组织召开了白云鄂博富钾板岩综合利用中试项目鉴定会,由马鸿文教授主持的“白云鄂博富钾板岩生产矿物聚合材料及提取碳酸钾综合技术试验研究”项目受到了评审专家的高度评价。以刘业翔、翟裕生院士为首的专家组在鉴定书上写下了这样的评价:“该中试项目为我国及世界非水溶性钾矿石的开发及综合利用,开创了新工艺、新技术,具有创新性和新颖性,初步解决了一个世界性难题,工艺路线国内外均无先例。该中试变废为宝,工艺路线基本上无三废排放,达到了资源综合利用和环境保护的双重目的,实现可持续发展战略。”
“应用性研究,要做就要做大的,否则就不做,这是我的理想。”马鸿文教授如是说。
我国是世界第二大钾盐消费国,消耗量占全球消耗量的12%。
最近,以马鸿文教授为主的课题组在“白云鄂博富钾板岩提取电子级碳酸钾实验研究”的基础上,经过一系列实验研究,提出了利用白云鄂博富钾板岩提取电子级碳酸钾及制备矿物聚合物材料的完整工艺流程。该工艺把提取碳酸钾和制备矿物聚合物材料巧妙地结合起来,达到了资源利用率100%、三废接近零排放、符合清洁生产的环保要求,而且预测经济效益显著。这项技术可制备矿物聚合物材料、优级碳酸钠和电子级碳酸钾。其中,碳酸钠是一种重要的化工原料;碳酸钾则可广泛应用于化工、电子、显像玻璃壳、陶瓷、印染、油墨、聚酯、炸药等领域;矿物聚合物材料是近年来新发展起来的为国际所广泛关注一种新型非金属材料。而此前国内对矿物聚合物材料的研究尚属空白。马鸿文教授的研究成果,使我国实现矿物聚合物材料的规模化工业生产成为可能。
马鸿文教授是一为充满追求精神的学者。
马教授的研究,不是在重复国际上别的学者所进行的研究,而是中国的国情在激励着他的创新精神。国外生产矿物聚合物材料所采用的经典工艺需要成本较高的工业硅酸钠水玻璃、高岭土和氢氧化钠,而马鸿文教授完成的工艺则以富钾板岩提钾后的硅酸质废渣来替代它们,从而使矿物聚合物材料的生产成本降低近1/3。
马鸿文教授还是一位充满理想的学者。他的研究,总是力图追求最高的经济效益和环境效益。如他提出的工艺,在生产过程中可达到资源利用率100%、三废接近零排放、水循环高效利用、耗能最低、消耗大量工业废渣的目标。马鸿文教授说:“如果我国最终能够实现用矿物聚合物材料替代1/3的水泥生产,那么全球二氧化碳的排放量将有望降低一个百分点,如果用矿物聚合物材料替代更多的实心粘土砖,将对保护耕地等国土资源产生极大的影响。”
从理论研究走向应用研究
马鸿文教授并非从事纯粹的应用研究,他在应用研究上的成果,在一定程度上得益于他高超的理论研究水平。事实上,马鸿文教授在1995年以前,主要从事岩石学及热力学方面的理论研究,并取得了较高的成就。让我们看看他所作的科学研究的部分记录就可以知道这一点。
1983-1986年,西藏玉龙斑岩铜矿带花岗岩类与成矿,国家教委博士学科点基金资助项目 ;1987-1990年,新疆西准噶尔蛇绿岩套岩石学研究,国家305项目子课题及全国博士后基金资助项目;1988-1990年,新疆西准噶尔蛇绿岩与构造演化,全国博士后基金资助项目;1988-1990年,天然硅酸盐岩浆结晶作用与相平衡模拟,国家青年科学基金资助项目;1991-1994年,甘肃九个泉地区铜、多金属矿产成矿地质条件与找矿预测研究,国家计委“八五”国家攻关项目之专题;1992-1994年,塔里木盆地北部和天山造山带的形成、演化与油气关系,国家科委“八五”国家攻关项目;1992-1995年,燕山地区中新生代陆内造山作用研究,地矿部重点科研项目。在主要从事理论研究的时期,马鸿文教授还获得了一系列奖项,这也是他在理论研究上取的成就:1991年,被国家教委和国务院学位委员会授予“做出突出贡献的中国博士学位获得者”荣誉称号; 1992年,被评选为“北京市高等学校优秀青年骨干教师”; 1994 年,被评选为国家教委《跨世纪优秀人才计划》基金获得者 ; 1995 年, 被授予“北京市先进工作者”称号; 1996 年,享受国务院颁发的“政府特殊津贴”。
马鸿文教授说,他最终主要从事应用研究,这与他求学过程中受到学校里一批学术成就很高的前辈的影响有关。在中国地质大学(北京)读研究生的时候,他知道了池际尚院士因国家建设需要转向金伯利岩的研究;陈光远院士因经济发展需要转向金矿研究……。耳濡目染,马鸿文教授也决心走应用研究之路。1993年,学校成立材料学院,马鸿文教授开始投身矿物材料研究。
重视学术梯队的建设
马鸿文教授很重视学术梯队的建设。他目前就带有10位在读博士生和7位在读硕士生。他的已经毕业的博士生有12位,硕士生有13位。他所培养的白志民、杨静、王英滨、余晓艳、魏存弟等博士,现在都已在学校从事重要的科研工作或成长为学科带头人和青年骨干教师。这支队伍为学校的材料学领域的研究作出了重要的贡献。
足踏青山多才艺
马鸿文教授还是一位多才多艺的老师。
马教授从事的是矿物学、岩石学、材料学的综合、交叉渗透研究,这需要丰富的理论和多样的现代化手段。他精通计算机技术,十分重视研究学科与计算机技术相结合。如今,马鸿文教授已经推出了一系列的学术专业软件。
马鸿文教授还工于诗文,有很深的文学功底。马教授从事的科学决定了他常常置身于山水之间,所以多得自然的熏陶和孕育。他在长期的野外工作中,几乎每到一处,或作文以记之,或赋歌以咏志,或作词以抒怀,屡有精彩之作。在此仅以其中一首示之,并作本文收束:
七 绝 白云提钾
2002年10月8日,赴包头市参加白云鄂博富钾板岩综合利用中试方案研讨会,
回首数年来从事该项研究之艰难历程,深感如斯。
三下鹿城良苦多,
徒劳五载几曾歇!
春花绽罢秋风过,
指日秋实旋凯歌?
文章来源:《北京教育》7-8期合刊 2003-9-25
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