創(chuàng)新引領(lǐng)的科研突破——專訪中國地質(zhì)大學(xué)礦物材料國家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室主任馬鴻文教授

本刊記者 葉瑞優(yōu) 徐芳芳

創(chuàng)新引領(lǐng)的科研突破
——專訪中國地質(zhì)大學(xué)礦物材料國家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室主任馬鴻文教授

本刊記者 葉瑞優(yōu) 徐芳芳

2011年4月28日，教育部在北京組織了由中國地質(zhì)大學(xué)（北京）完成的“污水磷回收再利用制取磷酸二氫鉀清潔生產(chǎn)技術(shù)”科技成果鑒定會。鑒定組專家認(rèn)為，該項(xiàng)成果在開發(fā)利用非水溶性鉀礦資源、從污水中回收磷再利用制取磷酸二氫鉀產(chǎn)品，以及解決相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)問題方面，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。該項(xiàng)技術(shù)的工藝路線系統(tǒng)完整，屬國內(nèi)外首創(chuàng)，為我國的鉀鹽工業(yè)提供了全新的技術(shù)路線和方法。

該項(xiàng)研究的負(fù)責(zé)人是中國地質(zhì)大學(xué)礦物材料國家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室主任馬鴻文教授。“污水磷回收再利用制取磷酸二氫鉀清潔生產(chǎn)技術(shù)”是“十一五”期間馬鴻文課題組承擔(dān)的國家科技支撐計(jì)劃課題“非水溶性鉀礦資源高效利用技術(shù)（2006BAD10B04）”的一部分。

緣起：缺鉀貧磷

肥料行業(yè)有句俗語：“氮長葉子鉀長桿，沒有磷肥不增產(chǎn)?！闭f的是農(nóng)業(yè)三大肥料氮磷鉀的作用。它們是決定農(nóng)業(yè)豐產(chǎn)的重要營養(yǎng)元素，在農(nóng)作物的生長中，缺少任何一種肥料都會造成產(chǎn)量的銳減。

但是，我國是一個(gè)缺鉀貧磷的國家。中國磷礦資源雖然豐富，但高品位磷礦卻很少，國家有關(guān)部門已將磷礦列為2010年后不能滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的20種礦產(chǎn)之一。因此，尋找新的磷資源，探索經(jīng)濟(jì)可行的磷回收技術(shù)，對于促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會效益價(jià)值。

我國鉀資源更是嚴(yán)重缺乏。我國人口占世界22%，而水溶性鉀資源只占1%，自建國以來一直長期進(jìn)口鉀鹽。直到2007年，我國70%的鉀鹽依然靠進(jìn)口。未來10-20年之內(nèi)，中國大量進(jìn)口鉀肥的狀況仍然很難改變。

自然界中的鉀礦資源分為水溶性鉀礦和非水溶性鉀礦兩大類。水溶性鉀礦中的鉀較容易提取，是目前生產(chǎn)鉀肥的主要原料。但是我國水溶性鉀礦資源十分匱乏，且資源分布極不平衡，在農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的我國中東部地區(qū)，鉀肥供需矛盾更加突出，以致農(nóng)田氮、磷、鉀施用比例嚴(yán)重失調(diào)，造成土壤普遍缺鉀，據(jù)土壤普查資料，全國約70%的耕地缺鉀，其中45%的耕地嚴(yán)重缺鉀。2007年我國農(nóng)業(yè)施肥氮鉀比例為1:0.16，與發(fā)達(dá)國家1:0.42的基礎(chǔ)比例差距甚大，造成土地質(zhì)量退化。這給我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重危害，不少農(nóng)作物抗病能力減弱，品質(zhì)下降，甚至出現(xiàn)早衰和退化等現(xiàn)象。為了彌補(bǔ)不足，國家每年需花費(fèi)數(shù)十億美元進(jìn)口鉀肥。馬鴻文認(rèn)識到，要從根本上解決我國水溶性鉀資源短缺的問題，開發(fā)利用非水溶性鉀礦資源不失為一條值得探索的途徑。

師生交流（2006.5）

實(shí)驗(yàn)討論（2006.5）

開拓：廢水不廢

新中國成立伊始，中國政府就在全國范圍內(nèi)組織開展了尋找水溶性鉀鹽資源的科研和地質(zhì)勘察工作。迄今雖然在青海察爾汗鹽湖和新疆羅布泊等地取得了若干重要突破，但我國屬于水溶性鉀鹽資源極度貧乏國家的狀況并未改變。隨著改革開放的深入，經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速增長，水溶性鉀鹽資源短缺嚴(yán)重制約國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的狀況愈益明顯。

礦物材料國家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室成立伊始，馬鴻文就帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成員向非水溶性鉀礦資源高效利用技術(shù)發(fā)起了進(jìn)攻。在未得到政府資金支持的情況下，很長的時(shí)間內(nèi)他們的研究基本上都是與企業(yè)或地方政府合作。2000年前后，從教育部拿到一個(gè)博士學(xué)科點(diǎn)基金，并利用教育部“跨世紀(jì)優(yōu)秀人才計(jì)劃基金”項(xiàng)目中的部分資金，開展了艱苦的探索性研究，解決了一個(gè)又一個(gè)技術(shù)難題。18年來，馬鴻文的足跡已遍布大江南北，華北平原、內(nèi)蒙邊陲、秦嶺山脈和云貴高原等地，都留下了他的身影。目前，他帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)已完成了全國16個(gè)有代表性的礦產(chǎn)地的研究工作。在先后取得制取碳酸鉀、硝酸鉀、硫酸鉀關(guān)鍵技術(shù)研究的勝利后，馬鴻文又帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開展了“污水磷回收再利用制取磷酸二氫鉀清潔生產(chǎn)技術(shù)”的研究。

磷酸二氫鉀用途廣泛，因?yàn)樗扔锈浻钟辛?，雖然價(jià)格昂貴，但肥效極高，有效養(yǎng)分達(dá)90%以上。隨著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展，磷酸二氫鉀的需求量呈逐年上升趨勢。近年來，國家一直在倡導(dǎo)“循環(huán)經(jīng)濟(jì)”的發(fā)展模式，因而從污水中回收磷再加以循環(huán)利用，已成為減少一次性磷資源消耗、改變磷肥工業(yè)經(jīng)濟(jì)增長方式的新課題。

據(jù)馬鴻文教授介紹，“污水磷回收再利用制取磷酸二氫鉀清潔生產(chǎn)技術(shù)”是一個(gè)把回收磷和利用鉀礦資源結(jié)合起來的課題。我國作為人口大國和工業(yè)加工大國，每天排放大量的生活和工業(yè)廢水，其中部分廢水中的磷含量很高。如何讓“廢水不廢”，變含磷廢水為磷和水兩種資源，并實(shí)現(xiàn)清潔化利用，是實(shí)現(xiàn)中國磷肥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。

我國目前對磷的回收還處于起步階段，還沒有實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。馬鴻文團(tuán)隊(duì)的研究無疑是一項(xiàng)填補(bǔ)空白的工作，但“空白”同時(shí)也預(yù)示著研究工作的艱難。項(xiàng)目開展數(shù)年來，主要合作者鄭紅教授等帶領(lǐng)數(shù)名研究生先是在實(shí)驗(yàn)室做靜態(tài)試驗(yàn)，之后做動態(tài)實(shí)驗(yàn)，一直到取實(shí)際污水做回收磷實(shí)驗(yàn)，每一步都凝聚了幾位主要成員的智慧與汗水。

實(shí)驗(yàn)以霓輝正長巖礦石為原料，水熱合成雪硅鈣石，由合成母液制成富鉀液體；再以雪硅鈣石為晶種回收污水中的磷；利用所得產(chǎn)物羥磷灰石分解制取磷酸；最后采用中和法制取磷酸二氫鉀。這些關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)成功，為實(shí)現(xiàn)含磷“廢水”變成磷和水兩種資源提供了可能。

西藏考察（1980.6）

二上華山（2006.4）

三聚蓮花（2008.6）

生產(chǎn)：環(huán)保先行

馬鴻文教授告訴我們，項(xiàng)目的成功不僅要制出磷酸二氫鉀，而且在這個(gè)過程中要實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，這是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。

之前在利用非水溶性鉀礦資源制取鉀肥時(shí)，都存在一個(gè)共同的缺點(diǎn)，就是只利用其中的氧化鉀，其他就成廢物了。但實(shí)際上鉀礦中氧化鉀的含量只有11-14%。用馬鴻文團(tuán)隊(duì)的技術(shù)成果，則可以綜合利用氧化鉀、氧化鋁和氧化硅三種主要成分。這樣，既可分?jǐn)傊柒淃}的成本，又避免了資源浪費(fèi)，提高了綜合經(jīng)濟(jì)效益。

“污水磷回收再利用制取磷酸二氫鉀清潔生產(chǎn)技術(shù)”作為一種新的高濃度磷鉀肥生產(chǎn)工藝，把污水磷回收和非水溶性鉀礦提取鉀鹽兩種工藝巧妙地集成為一個(gè)整體。生產(chǎn)過程中鉀長石資源利用率可達(dá)100%，且使含磷污水完全實(shí)現(xiàn)了資源化利用。

生產(chǎn)磷肥的廢渣也是可以循環(huán)利用的?，F(xiàn)有的磷肥企業(yè)，用硫酸把磷礦石溶解，留下的廢渣就是磷石膏。每生產(chǎn)一噸磷酸，要排放約5噸磷石膏。目前，全國每年排放的磷石膏廢渣約3000多萬噸。從長遠(yuǎn)看，磷石膏對環(huán)境是有危害的，因?yàn)橐坏┫掠?，其中的重金屬等有害成分會滲透到地下水，污染水源。因此，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)是當(dāng)務(wù)之急。馬鴻文團(tuán)隊(duì)一直探索在生產(chǎn)磷酸二氫鉀的過程中如何把磷石膏用掉。他介紹說，通過回收污水中的磷，一方面可以把排放污水的磷含量控制在1毫克每升以下，使污水重新變成工業(yè)用水；另一方面，磷石膏也能全部用來生產(chǎn)硫酸，實(shí)現(xiàn)硫酸的循環(huán)利用。

目前國內(nèi)也有企業(yè)用磷石膏來生產(chǎn)硫酸，但由于副產(chǎn)水泥而添加黏土等原料，造成能耗過高，二氧化碳排放量增加，而硫酸生產(chǎn)效率降低，成本增加。馬鴻文團(tuán)隊(duì)的解決辦法是：采取直接分解磷石膏的方法制成硫酸，副產(chǎn)物可用作建筑石灰。這樣就降低了能耗，并提高了生產(chǎn)硫酸的效率。

通過這些努力，鉀鹽的生產(chǎn)真正做到了低碳、環(huán)保。所得產(chǎn)品為純質(zhì)磷酸二氫鉀，附加值高。因而實(shí)現(xiàn)規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)后，將具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益。

產(chǎn)業(yè)：做強(qiáng)做大

在開展關(guān)鍵技術(shù)研究的同時(shí)，馬鴻文團(tuán)隊(duì)先后與陜西大秦礦業(yè)公司、山西紫光鉀業(yè)有限公司、安徽銅陵化工集團(tuán)等企業(yè)合作，現(xiàn)已完成了利用鉀長石粉體年產(chǎn)1000噸新型農(nóng)用礦物基硝酸鉀、利用霞石正長巖年產(chǎn)2000噸電子級碳酸鉀工業(yè)化試驗(yàn)生產(chǎn)線工藝包的設(shè)計(jì)，利用陜西洛南縣長嶺霓輝正長巖年產(chǎn)1.0萬噸農(nóng)用硫酸鉀工業(yè)化試生產(chǎn)項(xiàng)目也已進(jìn)入工程化實(shí)施階段。此外，還對利用磷石膏和鉀長石制備農(nóng)用優(yōu)等品硫酸鉀技術(shù)、利用鋁代雪硅鈣石晶種法回收污水中的磷及制備磷酸二氫鉀產(chǎn)品等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)研究。這些成果為我國磷肥行業(yè)實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

馬鴻文對“十二五”期間的發(fā)展充滿了期待。他說，在接下來的幾年內(nèi)，希望能把項(xiàng)目放大，爭取達(dá)到年產(chǎn)20萬噸硫酸鉀和10萬噸硝酸鉀。同時(shí)，希望國家有關(guān)部門在“十二五”期間支持實(shí)施“非水溶性鉀礦制取農(nóng)用硫酸鉀清潔生產(chǎn)技術(shù)示范工程”項(xiàng)目，進(jìn)一步集成優(yōu)化相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，為大規(guī)模利用非水溶性鉀礦資源生產(chǎn)無氯鉀肥奠定良好的工業(yè)化基礎(chǔ)。

這樣的工程全世界沒有先例，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化以后，有可能對全世界的碳酸鉀、硫酸鉀生產(chǎn)帶來革命性的變革。目前國內(nèi)每噸碳酸鉀的生產(chǎn)成本高達(dá)7000-7500元，而馬鴻文團(tuán)隊(duì)把它降低了50%以上；現(xiàn)在硫酸鉀每噸生產(chǎn)成本接近3000元，而采用他們的技術(shù)，生產(chǎn)成本可降低約三分之二。如果能得到國家的支持，把這些技術(shù)在工業(yè)上做大做強(qiáng)，那么，就有可能解決中國未來鉀鹽約40%的市場需求，為國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和保障我國糧食安全提供資源保障。

貢獻(xiàn)：源于責(zé)任

收獲季節(jié)（2003.8）

馬鴻文教授是一個(gè)謙遜而親和的人，當(dāng)記者讓他談?wù)勥@么多年來的貢獻(xiàn)的時(shí)候，馬鴻文輕輕一笑說：“貢獻(xiàn)談不上，只能說是責(zé)任吧。”

作為一個(gè)科研工作者，馬鴻文說，“我們做的這些研究工作，首先是解決國家的急需，為中國的社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展做一些事。另外，中國地質(zhì)大學(xué)是全國唯一校名冠以‘地質(zhì)’兩字的大學(xué)，中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展到今天，水溶性鉀資源短缺是制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和維護(hù)糧食安全的最大瓶頸。對此，我們應(yīng)該思考，地質(zhì)大學(xué)對中國社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的歷史責(zé)任是什么？我的理解是，大學(xué)要解決中國社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中碰到的重大科學(xué)和技術(shù)問題，我們實(shí)際上就是在做這么一件事，這就是做這些事的價(jià)值?！?/p>

作為一個(gè)教育工作者，馬鴻文說：“大學(xué)是個(gè)教書育人的地方，培養(yǎng)更多的優(yōu)秀人才是我們的職責(zé)所在?！蓖ㄟ^這些研究工作，從1990年開始，他已培養(yǎng)博士23人，碩士45人，不少學(xué)生已成為業(yè)內(nèi)的骨干人才。

更可貴的是，馬鴻文不單純是一個(gè)科研工作者，也不單純是一個(gè)教書匠，他很注重把科研與教學(xué)結(jié)合起來。針對中國高校培養(yǎng)的學(xué)生理論功底好、但實(shí)踐動手能力較差的問題，馬鴻文注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力?！拔覀兊膶W(xué)生都是跟企業(yè)相結(jié)合，要求研究結(jié)果必須符合工程設(shè)計(jì)的要求，整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程要考慮工業(yè)應(yīng)用和環(huán)境問題，每項(xiàng)技術(shù)都必須符合清潔生產(chǎn)要求。所有學(xué)生都經(jīng)過工程化方面的基本訓(xùn)練?！?/p>

在此基礎(chǔ)上，馬鴻文把研究成果系統(tǒng)化、條理化，歸納整理、凝練升華為教材，以期對學(xué)生及他人有所幫助。目前有多本教材獲獎(jiǎng)或被評為精品教材，如《結(jié)晶巖熱力學(xué)概論》獲地礦部第三屆普通高等學(xué)校優(yōu)秀教材一等獎(jiǎng)（1996）?！豆I(yè)礦物與巖石》、《結(jié)晶巖熱力學(xué)概論》（第二版）被評為北京市高等教育精品教材（2005）。《工業(yè)礦物與巖石》課程體系建設(shè)與實(shí)踐獲北京市優(yōu)秀教學(xué)成果一等獎(jiǎng)和國家優(yōu)秀教學(xué)成果二等獎(jiǎng)?！短沾蔁崃W(xué)與材料設(shè)計(jì)》成為北京市高等教育精品教材立項(xiàng)項(xiàng)目（2010）。并兩次被評為北京市高等學(xué)校教學(xué)名師（2005，2007）。

后記：仁者樂山

作為地質(zhì)工作者，馬鴻文常常置身于山水之間。而在工作之余，他也對登山情有獨(dú)鐘，幾乎每個(gè)周末都會去登香山。馬鴻文說，之所以這么熱衷于登山，一方面是為了工作，另一方面也是鍛煉身體。而我們認(rèn)為，山對他來說別有深意，山寄予了他的理想、承載了他的奮斗歷程、蘊(yùn)藏了他厚德載物的心胸?！墩撜Z》曰：“智者樂水，仁者樂山?！敝钦哌_(dá)于事理而周流無滯，有似于水，故樂水；仁者安于義理而厚重不遷，有似于山，故樂山。這正是馬鴻文幾十載教研歷程的寫照。

山水的靈氣把馬鴻文孕育成了一位工于詩文的學(xué)者。野外工作、周末登山，他常作詩文以記之，詠志抒懷，信手拈來，常得佳作。擇其兩首錄于下，以饗讀者：

布宮留影（1980.5）

七律·西藏之旅

2010年9月6-16日，率弟子雙青、紅麗二人重返西藏游覽。追憶30年前在西藏東部從事玉龍斑巖銅礦帶花崗巖類研究之往事，感慨良多。14日子夜至17日午草成。

雪域當(dāng)年草上飛，春風(fēng)化雨意相隨。

迢迢天路舞搖滾，裊裊孤煙餐野炊。

天戀圣湖共藍(lán)湛，地惜秋草競牛肥。

而今重走高原路，三十年后知是誰？

鵲橋仙·天湖

2010年10月3日晨登香爐峰。9月12日赴藏北那曲高寒草原，那木錯(cuò)秀美湖色，仍歷歷在目。此小令以記之。

深邃藍(lán)天，漫卷云錦，雪山流影圣湖。

藏北草原黃淡抹，點(diǎn)閑帳、曠野撒珠。

回首何時(shí)，布宮瘦影，敢為科苑添虹。

玉露凝霜尋舊夢，競風(fēng)流、天路坦途。

高原尋夢（2010.9）

“礦物資源綠色加工”研究團(tuán)隊(duì)

中國地質(zhì)大學(xué)（北京）礦物材料國家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，于1993年經(jīng)原國家計(jì)委、國家教委、地質(zhì)礦產(chǎn)部批準(zhǔn)，由世界銀行貸款而建立，是我國目前唯一從事礦物巖石材料研究的國家級實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室主任馬鴻文表示，實(shí)驗(yàn)室冠以“國家”，不是解決某個(gè)企業(yè)的具體技術(shù)問題，而是希望解決中國經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展過程中帶有全局性的、有長遠(yuǎn)影響的重大科學(xué)和技術(shù)問題，關(guān)鍵技術(shù)的突破應(yīng)能引領(lǐng)國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展方向。

該實(shí)驗(yàn)室的礦物資源綠色加工研究團(tuán)隊(duì),目前有教授6人,副教授9人,18年來先后有15位博士、50余位碩士參與了有關(guān)“非水溶性鉀礦資源高效清潔利用技術(shù)”的研究工作。

1993年以來，該團(tuán)隊(duì)在首席科學(xué)家馬鴻文教授帶領(lǐng)下，對全國12個(gè)省市共計(jì)16處代表性產(chǎn)地的非水溶性鉀礦資源高效利用關(guān)鍵技術(shù)做了系統(tǒng)研究，涉及不同成因類型的鉀礦石資源量超過100億噸；取得國家發(fā)明專利14項(xiàng)，省部級鑒定成果10項(xiàng)；發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇；主要研究成果集中反映在馬鴻文等著《中國富鉀巖石——資源與清潔利用技術(shù)》（2010）一書中。

迄今，該研究團(tuán)隊(duì)已完成了利用非水溶性鉀礦資源制取碳酸鉀、硝酸鉀、硫酸鉀、磷酸二氫鉀等鉀鹽（肥）產(chǎn)品和水熱合成鉀型分子篩（新型無機(jī)緩釋鉀肥載體材料）、制備緩釋鉀肥等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，研發(fā)出6個(gè)系統(tǒng)工藝流程。特別是通過“十一五”期間承擔(dān)國家科技支撐計(jì)劃課題“非水溶性鉀礦資源高效利用技術(shù)”的重點(diǎn)攻關(guān)研究，系統(tǒng)建立了非水溶性鉀礦資源高效清潔利用的技術(shù)體系，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。其中以霞石正長巖為原料制取碳酸鉀、氧化鋁清潔生產(chǎn)技術(shù)，以霓輝正長巖為原料制取硫酸鉀、氫氧化鋁清潔生產(chǎn)技術(shù)，以鉀長石粉體為原料制備新型農(nóng)用礦物基硝酸鉀清潔生產(chǎn)技術(shù)，以及利用提鉀母液和回收污水磷再利用制取磷酸二氫鉀清潔生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)等4項(xiàng)研究成果，分別于2010年3月、5月、7月和2011年4月通過了教育部組織的科技成果鑒定。鑒定委員會專家組評定認(rèn)為，其研究成果分別達(dá)到了國際先進(jìn)或國際領(lǐng)先水平。

基于上述研究工作基礎(chǔ)，同時(shí)考慮到農(nóng)用硫酸鉀是市場需求量最大的無氯鉀肥品種，馬鴻文研究團(tuán)隊(duì)建議國家有關(guān)部門在“十二五”期間支持實(shí)施“非水溶性鉀礦制取農(nóng)用硫酸鉀清潔生產(chǎn)技術(shù)示范工程”項(xiàng)目，其目的是進(jìn)一步集成優(yōu)化相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，通過工程化實(shí)施進(jìn)行驗(yàn)證和放大，為大規(guī)模利用非水溶性鉀礦資源生產(chǎn)無氯鉀肥關(guān)鍵技術(shù)的工業(yè)生產(chǎn)奠定良好的工程化基礎(chǔ)。

硫酸鉀項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)園規(guī)劃區(qū)合影