——記北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院生態(tài)系教授 李素芹

超導(dǎo)是指某些物質(zhì)在一定低溫條件下電阻降為零的特性，在超導(dǎo)狀態(tài)下，電阻率突然消失，即“零電阻效應(yīng)”，沒(méi)有了電阻，電流流經(jīng)超導(dǎo)體時(shí)就無(wú)熱損耗，電流可毫無(wú)阻力地在導(dǎo)線中形成強(qiáng)大的電流，從而產(chǎn)生“超強(qiáng)磁場(chǎng)”。“零電阻”、“大電流”及“超強(qiáng)磁”是超導(dǎo)狀態(tài)下的顯著特性，利用這些特性可以完成常規(guī)電磁技術(shù)所不能企及的工作。一般來(lái)講，超導(dǎo)技術(shù)屬高能物理大科學(xué)范疇，主要應(yīng)用于航空航天及軍事領(lǐng)域，如電子對(duì)撞機(jī)、散列中子源、量子計(jì)算機(jī)及電磁彈射等，近年來(lái)，大科學(xué)技術(shù)的民用化已嶄露頭角，如磁懸浮列車、核磁共振、手機(jī)基站、同步輻射檢測(cè)裝置、超導(dǎo)電機(jī)/電纜等。

圖1 在北京舉行的投融資對(duì)接會(huì)上做成果展示

超導(dǎo)HGMS技術(shù)既可用于高濃度高粘度流體，也可用于分離微米、納米級(jí)顆粒，不僅能夠脫除強(qiáng)磁性物質(zhì)，還能夠脫除弱磁性、反磁性物質(zhì)。李素芹教授團(tuán)隊(duì)潛心超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)研究10余年，開(kāi)拓性地將超導(dǎo)高梯度磁分離（S-HGMS）技術(shù)應(yīng)用于資源環(huán)境領(lǐng)域，如利用超導(dǎo)高強(qiáng)磁場(chǎng)下產(chǎn)生的超強(qiáng)“磁絮凝”作用，研發(fā)工業(yè)水處理與回用技術(shù)，利用其“完全磁性”所產(chǎn)生的高強(qiáng)磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)固廢中有價(jià)物的分離與提取等。獲得國(guó)內(nèi)外發(fā)明專利10余項(xiàng)（美國(guó)發(fā)明專利1項(xiàng)、澳大利亞7項(xiàng)、巴西1項(xiàng)），多項(xiàng)技術(shù)達(dá)“國(guó)際領(lǐng)先水平”，并獲得2024年日內(nèi)瓦國(guó)際發(fā)明展創(chuàng)新發(fā)明獎(jiǎng)，發(fā)表論文獲得“INTERNATIONAL BEST RESEARCHER AWARD”2項(xiàng)，在國(guó)內(nèi)外引起強(qiáng)烈反響。在水處理方面，超導(dǎo)HGMS技術(shù)可用于轉(zhuǎn)爐除塵水降濁、酸性廢水和電鍍等廢水重金屬的脫除，綠色供水，循環(huán)冷卻水成垢離子及微納米有機(jī)/無(wú)機(jī)顆粒凝聚脫除、阻垢緩蝕及生物粘泥抑制等；在有價(jià)物分離提純方面，超導(dǎo)HGMS技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)低品位難選鐵礦中弱磁性鐵元素的富集、提取，來(lái)生產(chǎn)高品位鐵精粉，用于鐵尾礦中SiO2的分離與提純，可實(shí)現(xiàn)固廢鐵氧化物的富集、提取和制備高附加值α-Fe2O3等。

超導(dǎo)耦合技術(shù)，助力工業(yè)用水的低碳綠色處理

（1）李素芹教授團(tuán)隊(duì)從事超導(dǎo)耦合技術(shù)研究始于水處理，開(kāi)發(fā)超導(dǎo)高強(qiáng)磁處理轉(zhuǎn)爐除塵水，可在不改變?cè)�水處理流程、無(wú)藥劑及磁種添加的條件下，在幾十秒內(nèi)將所含污染物顆粒進(jìn)行捕集，SS 可降從8000mg/L至5mg/L以下，脫除率達(dá)99%以上。通過(guò)磁絮凝作用機(jī)制，弱磁性氧化鐵、非磁性氧化鈣、SiO2等微納米污染物顆粒都可同時(shí)包裹脫除。該技術(shù)不僅占地小、能耗及運(yùn)行成本低，而且更重要的是，改變工藝還能夠回收其中的有價(jià)鐵元素，制備氧化鐵紅等高附加值產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)保效益并舉。

（2）循環(huán)冷卻水的阻垢緩蝕。在國(guó)家“十三五”重大水專項(xiàng)支持下展開(kāi)超導(dǎo)耦合綠色供水及循環(huán)水系統(tǒng)阻垢緩蝕技術(shù)研究，經(jīng)物化-超導(dǎo)HGMS耦合處理，循環(huán)冷卻水中的成垢離子及微納米顆粒形成大顆粒并從水中沉降下來(lái)循環(huán)冷卻水的硬度和濁度降低。超導(dǎo)HGMS改變了水的理化性質(zhì)，水的締合度變大，提高了鈣鎂離子的過(guò)飽和度，減少水垢的析出，同時(shí)超導(dǎo)HGMS技術(shù)可以在晶體析出時(shí)促其發(fā)生晶格畸變難成硬垢在設(shè)備表面附著；微納米菌膠團(tuán)及SS的高效脫除使得菌藻難以滋生，生物粘泥得到抑制，從而避免了軟垢及垢下腐蝕的發(fā)生。通過(guò)除垢、晶格畸變、締合及生物粘泥抑制作用，達(dá)到了很好的阻垢緩蝕效果。僅濃縮倍數(shù)從2.5提升到3.5，即可節(jié)能3%以上，節(jié)水10-25%。該技術(shù)獲得中國(guó)及美國(guó)發(fā)明專利3項(xiàng)，并于2024年在日內(nèi)瓦發(fā)明展上獲得創(chuàng)新發(fā)明獎(jiǎng)。

圖2 2024年在日內(nèi)瓦國(guó)際發(fā)明展獲得發(fā)明創(chuàng)新獎(jiǎng)

超導(dǎo)HGMS技術(shù)處理重金屬?gòu)U水。重金屬?gòu)U水中的污染物沒(méi)有磁性，處理時(shí)需預(yù)先加入磁種（經(jīng)過(guò)表面有機(jī)改性的鐵磁性離子），再加入相應(yīng)的絮凝劑，使本身無(wú)磁性的有害物質(zhì)通過(guò)氫鍵、范德華力與經(jīng)表面官能團(tuán)修飾的磁種絮接，并經(jīng)絮凝-超導(dǎo)HGMS處理后時(shí)，污染物被吸附排除水體，濁度、色度及重金屬離子含量大大降低，從而實(shí)現(xiàn)快速凈化污水目的。動(dòng)態(tài)條件下，超導(dǎo)HGMS耦合技術(shù)處理電鍍廢水，銅離子去除率可達(dá)98.52%；處理鉻、砷及鉛等有色冶煉酸性重金屬?gòu)U水，砷離子去除率可達(dá)99.56%；處理低濃度絡(luò)合態(tài)鎳離子廢水，鎳離子去除率為99.6%，達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

超導(dǎo)耦合分離提純技術(shù)  固廢有價(jià)物提取及利用

（1）鐵尾礦低碳綠色高值利用。所有的固廢都是放錯(cuò)了位置、有待找到合適技術(shù)利用的寶貴的二次資源，如鐵尾礦儲(chǔ)量大（≥200億噸），占地面積大，有潰壩的危險(xiǎn)，存在污染的轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，對(duì)人類的生存及健康構(gòu)成威脅，同時(shí)它富含F(xiàn)e、Si等有價(jià)元素，又具有資源利用的優(yōu)勢(shì)，潛在利用價(jià)值在千億元以上。

為此，李素芹教授提出全生命周期管控（LCM）新思路，提倡大宗利用要在整體布局下進(jìn)行，先提取有價(jià)物，再分層次梯級(jí)利用。她帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)顛覆性地將超導(dǎo)耦合技術(shù)應(yīng)用于含硅鐵尾礦Fe/Si同時(shí)提取，經(jīng)過(guò)10余年的研究與探索，成功開(kāi)發(fā)出成套超導(dǎo)耦合關(guān)鍵技術(shù)，全生命周期集約化管控，可實(shí)現(xiàn)高值化利用，無(wú)廢排放。

Si元素高值利用：經(jīng)超導(dǎo)HGMS-耦合技術(shù)處理，可將SiO2提純至≥99%，甚至達(dá)3N、4N以上水平，SiO2產(chǎn)率40-60%，資源化利用的同時(shí)直接尾礦減量40-60%。SiO2產(chǎn)品直接可做板材、耐材、微晶玻璃、陶瓷及阻燃材料等用途；精提純達(dá)4N以上，還可用于高端應(yīng)用，或延伸產(chǎn)業(yè)鏈制備更高附加值產(chǎn)品。

Fe元素高值利用：副產(chǎn)富鐵粉，不僅可回用于生產(chǎn)，還可延伸產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品，已成功制備納米α-Fe2O3，用作磁性材料、氣敏材料、催化劑、半導(dǎo)體/電池材料、生物醫(yī)學(xué)、廢氣/廢水環(huán)境污染治理等用途，實(shí)現(xiàn)高值利用。

尾渣綜合利用：尾渣作為礦渣微粉，可用于回填、做水泥、制磚、鋪路或土壤修復(fù)等用途。

通過(guò)全生命周期集約化控制，可實(shí)現(xiàn)鐵尾礦分層次多級(jí)高附加值利用，整體效益數(shù)以億計(jì)。與常規(guī)電磁相比，節(jié)能90%，全程無(wú)二次污染，低碳綠色，為鐵尾礦規(guī)�；�、低碳綠色高值化利用提供了新思路、新途徑。

冶金含鐵塵泥高值利用。開(kāi)發(fā)超導(dǎo)HGMS-低溫改性二步法處理轉(zhuǎn)爐除塵灰（LT細(xì)灰）制備α-Fe2O3新技術(shù)（國(guó)家自然科學(xué)基金支持），首先采用將LT細(xì)灰中含鐵物質(zhì)富集提純至折合氧化鐵含量≥95%，然后再應(yīng)用低溫改性專利技術(shù)實(shí)現(xiàn)富鐵相向α-Fe2O3的轉(zhuǎn)變，制備高品質(zhì)α-Fe2O3，產(chǎn)品既可做鐵紅顏料、防銹漆，也可作為磁性材料的前驅(qū)體等，售價(jià)幾千元/t；延伸產(chǎn)業(yè)鏈，成功制備了納米級(jí)α-Fe2O3，（20-50納米α-Fe2O3售價(jià)可達(dá)30萬(wàn)元/t），產(chǎn)品可作磁性材料、氣敏材料、催化劑、半導(dǎo)體/電池材料、生物醫(yī)學(xué)、廢氣/廢水環(huán)境污染治理等用途，獲得更大經(jīng)濟(jì)效益。該技術(shù)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程成本低、能耗小且無(wú)二次污染產(chǎn)生，低碳綠色。為冶金塵/泥高值利用提供了一個(gè)新的思路與途徑，可望冶金固廢“低廉、高值、無(wú)害、綠色”化高值利用愿望得以實(shí)現(xiàn)。

圖3 帶團(tuán)赴日本參加每年一次的中日韓超導(dǎo)技術(shù)交流會(huì)

超導(dǎo)耦合成套關(guān)鍵技術(shù)契合國(guó)家低碳綠色發(fā)展政策導(dǎo)向，面向國(guó)家重大需求，立足向“新”向“綠”方向發(fā)展，不僅可以解決資源環(huán)境問(wèn)題，還會(huì)帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)效益。面向未來(lái)，李素芹教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)將深入研究，加快產(chǎn)學(xué)研協(xié)同發(fā)展步伐，加速產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，為促進(jìn)國(guó)家低碳綠色可持續(xù)發(fā)展，人與自然的和諧共生貢獻(xiàn)力量。（付麗）