創新引領的科研突破——專訪中國地質大學礦物材料國家專業實驗室主任馬鴻文教授

本刊記者 葉瑞優 徐芳芳

創新引領的科研突破
——專訪中國地質大學礦物材料國家專業實驗室主任馬鴻文教授

本刊記者 葉瑞優 徐芳芳

2011年4月28日，教育部在北京組織了由中國地質大學（北京）完成的“污水磷回收再利用制取磷酸二氫鉀清潔生產技術”科技成果鑒定會。鑒定組專家認為，該項成果在開發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品，以及解決相關的關鍵技術基礎問題方面，達到國際領先水平。該項技術的工藝路線系統完整，屬國內外首創，為我國的鉀鹽工業提供了全新的技術路線和方法。

該項研究的負責人是中國地質大學礦物材料國家專業實驗室主任馬鴻文教授。“污水磷回收再利用制取磷酸二氫鉀清潔生產技術”是“十一五”期間馬鴻文課題組承擔的國家科技支撐計劃課題“非水溶性鉀礦資源高效利用技術（2006BAD10B04）”的一部分。

緣起：缺鉀貧磷

肥料行業有句俗語：“氮長葉子鉀長桿，沒有磷肥不增產。”說的是農業三大肥料氮磷鉀的作用。它們是決定農業豐產的重要營養元素，在農作物的生長中，缺少任何一種肥料都會造成產量的銳減。

但是，我國是一個缺鉀貧磷的國家。中國磷礦資源雖然豐富，但高品位磷礦卻很少，國家有關部門已將磷礦列為2010年后不能滿足國民經濟發展需求的20種礦產之一。因此，尋找新的磷資源，探索經濟可行的磷回收技術，對于促進我國農業和國民經濟的可持續發展具有重要的經濟和社會效益價值。

我國鉀資源更是嚴重缺乏。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口鉀鹽。直到2007年，我國70%的鉀鹽依然靠進口。未來10-20年之內，中國大量進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，在農業發達的我國中東部地區，鉀肥供需矛盾更加突出，以致農田氮、磷、鉀施用比例嚴重失調，造成土壤普遍缺鉀，據土壤普查資料，全國約70%的耕地缺鉀，其中45%的耕地嚴重缺鉀。2007年我國農業施肥氮鉀比例為1:0.16，與發達國家1:0.42的基礎比例差距甚大，造成土地質量退化。這給我國農業生產帶來了嚴重危害，不少農作物抗病能力減弱，品質下降，甚至出現早衰和退化等現象。為了彌補不足，國家每年需花費數十億美元進口鉀肥。馬鴻文認識到，要從根本上解決我國水溶性鉀資源短缺的問題，開發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）

實驗討論（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組織開展了尋找水溶性鉀鹽資源的科研和地質勘察工作。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，經濟的持續高速增長，水溶性鉀鹽資源短缺嚴重制約國民經濟可持續發展的狀況愈益明顯。

礦物材料國家專業實驗室成立伊始，馬鴻文就帶領團隊成員向非水溶性鉀礦資源高效利用技術發起了進攻。在未得到政府資金支持的情況下，很長的時間內他們的研究基本上都是與企業或地方政府合作。2000年前后，從教育部拿到一個博士學科點基金，并利用教育部“跨世紀優秀人才計劃基金”項目中的部分資金，開展了艱苦的探索性研究，解決了一個又一個技術難題。18年來，馬鴻文的足跡已遍布大江南北，華北平原、內蒙邊陲、秦嶺山脈和云貴高原等地，都留下了他的身影。目前，他帶領的研究團隊已完成了全國16個有代表性的礦產地的研究工作。在先后取得制取碳酸鉀、硝酸鉀、硫酸鉀關鍵技術研究的勝利后，馬鴻文又帶領團隊開展了“污水磷回收再利用制取磷酸二氫鉀清潔生產技術”的研究。

磷酸二氫鉀用途廣泛，因為它既有鉀又有磷，雖然價格昂貴，但肥效極高，有效養分達90%以上。隨著現代化農業的發展，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“循環經濟”的發展模式，因而從污水中回收磷再加以循環利用，已成為減少一次性磷資源消耗、改變磷肥工業經濟增長方式的新課題。

據馬鴻文教授介紹，“污水磷回收再利用制取磷酸二氫鉀清潔生產技術”是一個把回收磷和利用鉀礦資源結合起來的課題。我國作為人口大國和工業加工大國，每天排放大量的生活和工業廢水，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，并實現清潔化利用，是實現中國磷肥工業可持續發展的有效途徑。

我國目前對磷的回收還處于起步階段，還沒有實現工程化應用。馬鴻文團隊的研究無疑是一項填補空白的工作，但“空白”同時也預示著研究工作的艱難。項目開展數年來，主要合作者鄭紅教授等帶領數名研究生先是在實驗室做靜態試驗，之后做動態實驗，一直到取實際污水做回收磷實驗，每一步都凝聚了幾位主要成員的智慧與汗水。

實驗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。這些關鍵技術的攻關成功，為實現含磷“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：環保先行

馬鴻文教授告訴我們，項目的成功不僅要制出磷酸二氫鉀，而且在這個過程中要實現清潔生產，這是實現經濟可持續發展的必然要求。

之前在利用非水溶性鉀礦資源制取鉀肥時，都存在一個共同的缺點，就是只利用其中的氧化鉀，其他就成廢物了。但實際上鉀礦中氧化鉀的含量只有11-14%。用馬鴻文團隊的技術成果，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，既可分攤制鉀鹽的成本，又避免了資源浪費，提高了綜合經濟效益。

“污水磷回收再利用制取磷酸二氫鉀清潔生產技術”作為一種新的高濃度磷鉀肥生產工藝，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整體。生產過程中鉀長石資源利用率可達100%，且使含磷污水完全實現了資源化利用。

生產磷肥的廢渣也是可以循環利用的。現有的磷肥企業，用硫酸把磷礦石溶解，留下的廢渣就是磷石膏。每生產一噸磷酸，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。從長遠看，磷石膏對環境是有危害的，因為一旦下雨，其中的重金屬等有害成分會滲透到地下水，污染水源。因此，實現清潔生產是當務之急。馬鴻文團隊一直探索在生產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用水；另一方面，磷石膏也能全部用來生產硫酸，實現硫酸的循環利用。

目前國內也有企業用磷石膏來生產硫酸，但由于副產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，而硫酸生產效率降低，成本增加。馬鴻文團隊的解決辦法是：采取直接分解磷石膏的方法制成硫酸，副產物可用作建筑石灰。這樣就降低了能耗，并提高了生產硫酸的效率。

通過這些努力，鉀鹽的生產真正做到了低碳、環保。所得產品為純質磷酸二氫鉀，附加值高。因而實現規模化工業生產后，將具有可觀的經濟效益、環境效益和社會效益。

產業：做強做大

在開展關鍵技術研究的同時，馬鴻文團隊先后與陜西大秦礦業公司、山西紫光鉀業有限公司、安徽銅陵化工集團等企業合作，現已完成了利用鉀長石粉體年產1000噸新型農用礦物基硝酸鉀、利用霞石正長巖年產2000噸電子級碳酸鉀工業化試驗生產線工藝包的設計，利用陜西洛南縣長嶺霓輝正長巖年產1.0萬噸農用硫酸鉀工業化試生產項目也已進入工程化實施階段。此外，還對利用磷石膏和鉀長石制備農用優等品硫酸鉀技術、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品等關鍵技術進行了重點研究。這些成果為我國磷肥行業實現清潔生產奠定了良好的技術基礎。

馬鴻文對“十二五”期間的發展充滿了期待。他說，在接下來的幾年內，希望能把項目放大，爭取達到年產20萬噸硫酸鉀和10萬噸硝酸鉀。同時，希望國家有關部門在“十二五”期間支持實施“非水溶性鉀礦制取農用硫酸鉀清潔生產技術示范工程”項目，進一步集成優化相關的關鍵技術，為大規模利用非水溶性鉀礦資源生產無氯鉀肥奠定良好的工業化基礎。

這樣的工程全世界沒有先例，實現產業化以后，有可能對全世界的碳酸鉀、硫酸鉀生產帶來革命性的變革。目前國內每噸碳酸鉀的生產成本高達7000-7500元，而馬鴻文團隊把它降低了50%以上；現在硫酸鉀每噸生產成本接近3000元，而采用他們的技術，生產成本可降低約三分之二。如果能得到國家的支持，把這些技術在工業上做大做強，那么，就有可能解決中國未來鉀鹽約40%的市場需求，為國民經濟可持續發展和保障我國糧食安全提供資源保障。

貢獻：源于責任

收獲季節（2003.8）

馬鴻文教授是一個謙遜而親和的人，當記者讓他談談這么多年來的貢獻的時候，馬鴻文輕輕一笑說：“貢獻談不上，只能說是責任吧。”

作為一個科研工作者，馬鴻文說，“我們做的這些研究工作，首先是解決國家的急需，為中國的社會和經濟發展做一些事。另外，中國地質大學是全國唯一校名冠以‘地質’兩字的大學，中國經濟發展到今天，水溶性鉀資源短缺是制約農業可持續發展和維護糧食安全的最大瓶頸。對此，我們應該思考，地質大學對中國社會和經濟發展的歷史責任是什么？我的理解是，大學要解決中國社會和經濟發展中碰到的重大科學和技術問題，我們實際上就是在做這么一件事，這就是做這些事的價值。”

作為一個教育工作者，馬鴻文說：“大學是個教書育人的地方，培養更多的優秀人才是我們的職責所在。”通過這些研究工作，從1990年開始，他已培養博士23人，碩士45人，不少學生已成為業內的骨干人才。

更可貴的是，馬鴻文不單純是一個科研工作者，也不單純是一個教書匠，他很注重把科研與教學結合起來。針對中國高校培養的學生理論功底好、但實踐動手能力較差的問題，馬鴻文注重培養學生的實踐能力。“我們的學生都是跟企業相結合，要求研究結果必須符合工程設計的要求，整個實驗流程要考慮工業應用和環境問題，每項技術都必須符合清潔生產要求。所有學生都經過工程化方面的基本訓練。”

在此基礎上，馬鴻文把研究成果系統化、條理化，歸納整理、凝練升華為教材，以期對學生及他人有所幫助。目前有多本教材獲獎或被評為精品教材，如《結晶巖熱力學概論》獲地礦部第三屆普通高等學校優秀教材一等獎（1996）。《工業礦物與巖石》、《結晶巖熱力學概論》（第二版）被評為北京市高等教育精品教材（2005）。《工業礦物與巖石》課程體系建設與實踐獲北京市優秀教學成果一等獎和國家優秀教學成果二等獎。《陶瓷熱力學與材料設計》成為北京市高等教育精品教材立項項目（2010）。并兩次被評為北京市高等學校教學名師（2005，2007）。

后記：仁者樂山

作為地質工作者，馬鴻文常常置身于山水之間。而在工作之余，他也對登山情有獨鐘，幾乎每個周末都會去登香山。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、蘊藏了他厚德載物的心胸。《論語》曰：“智者樂水，仁者樂山。”智者達于事理而周流無滯，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。

雪域當年草上飛，春風化雨意相隨。

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，那木錯秀美湖色，仍歷歷在目。此小令以記之。

深邃藍天，漫卷云錦，雪山流影圣湖。

藏北草原黃淡抹，點閑帳、曠野撒珠。

回首何時，布宮瘦影，敢為科苑添虹。

玉露凝霜尋舊夢，競風流、天路坦途。

高原尋夢（2010.9）

“礦物資源綠色加工”研究團隊

中國地質大學（北京）礦物材料國家專業實驗室，于1993年經原國家計委、國家教委、地質礦產部批準，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驗室。實驗室主任馬鴻文表示，實驗室冠以“國家”，不是解決某個企業的具體技術問題，而是希望解決中國經濟和社會發展過程中帶有全局性的、有長遠影響的重大科學和技術問題，關鍵技術的突破應能引領國內相關產業領域的發展方向。

該實驗室的礦物資源綠色加工研究團隊,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“非水溶性鉀礦資源高效清潔利用技術”的研究工作。

1993年以來，該團隊在首席科學家馬鴻文教授帶領下，對全國12個省市共計16處代表性產地的非水溶性鉀礦資源高效利用關鍵技術做了系統研究，涉及不同成因類型的鉀礦石資源量超過100億噸；取得國家發明專利14項，省部級鑒定成果10項；發表學術論文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》（2010）一書中。

迄今，該研究團隊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）產品和水熱合成鉀型分子篩（新型無機緩釋鉀肥載體材料）、制備緩釋鉀肥等關鍵技術攻關，研發出6個系統工藝流程。特別是通過“十一五”期間承擔國家科技支撐計劃課題“非水溶性鉀礦資源高效利用技術”的重點攻關研究，系統建立了非水溶性鉀礦資源高效清潔利用的技術體系，具有完全自主知識產權。其中以霞石正長巖為原料制取碳酸鉀、氧化鋁清潔生產技術，以霓輝正長巖為原料制取硫酸鉀、氫氧化鋁清潔生產技術，以鉀長石粉體為原料制備新型農用礦物基硝酸鉀清潔生產技術，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關鍵技術等4項研究成果，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為，其研究成果分別達到了國際先進或國際領先水平。

基于上述研究工作基礎，同時考慮到農用硫酸鉀是市場需求量最大的無氯鉀肥品種，馬鴻文研究團隊建議國家有關部門在“十二五”期間支持實施“非水溶性鉀礦制取農用硫酸鉀清潔生產技術示范工程”項目，其目的是進一步集成優化相關的關鍵技術，通過工程化實施進行驗證和放大，為大規模利用非水溶性鉀礦資源生產無氯鉀肥關鍵技術的工業生產奠定良好的工程化基礎。

硫酸鉀項目產業園規劃區合影