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领域突破 利国惠民 |
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——记中国地质大学（北京）马鸿文研究团队的创新实践 |
■本报记者 潘锋
2011年12月27日，由新闻出版总署主办的第三届“三个一百”原创出版工程工作总结会在京举行。在报送参评的1167种图书中，由全国208家出版单位推荐的298种优秀原创图书入选本届“三个一百”原创出版工程，其中人文社科类98种、文艺少儿类100种、科学技术类100种。由中国地质大学（北京）马鸿文等所著《中国富钾岩石：资源与清洁利用技术》入选新闻出版总署第三届“三个一百”原创出版工程（科学技术类）。
《中国富钾岩石：资源与清洁利用技术》一书是马鸿文研究团队对全国12个省市16处具有代表性产地的非水溶性钾矿资源高效利用关键技术成果的系统总结。书中有关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、制备缓释钾肥载体材料等关键技术，其工艺属于国内外首创，具有完全自主知识产权。该研究在“十一五”期间，先后取得国家科技支撑计划课题鉴定成果4项，经教育部科技发展中心组织评审鉴定，其关键技术分别达到国际先进（2项）或国际领先（2项）水平，成果的预期经济效益明显。而年产1万吨硫酸钾、2千吨碳酸钾等相关技术的工业化试生产正在实施中。
为粮食补足“粮食”
天下之事什么最大？民以食为天，吃饭的问题最大，13亿人的吃饭问题尤其大。中国以占世界7%的耕地养活约19%的人口，农业一直是令人关注的重要问题，而粮食问题始终是中国农业的核心问题。氮、磷、钾作为粮食的“粮食”，是粮食作物的基本营养元素，决定着粮食的产量和品质。
“解决国计民生的问题，就要发展农业。从资源保障的角度来说，需要肥料氮、磷、钾，然而钾盐资源在国内是非常短缺的。”中国地质大学（北京）矿物材料国家专业实验室主任马鸿文介绍。
自然界的钾盐资源分为水溶性钾盐和非水溶性钾矿两大类，水溶性钾盐中的钾较容易提取，是目前钾盐资源的主要来源。我国水溶性钾盐资源状况不容乐观：我国人口约占世界19% ，而水溶性钾盐资源只占世界总量的1%，远远不能满足国民经济可持续发展和建设现代化农业的需要。2010年数据显示，中国钾肥产量为300万吨，仅占世界总产量的9.09%。
由于钾盐资源地域分布极不平衡，在我国农业发达的中东部地区，钾肥供需矛盾非常突出，以致农田氮、磷、钾施用比例严重失调，造成土壤普遍缺钾。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。为了满足农业发展的需求，国家每年必须花数十亿美元向国外大量进口钾肥。钾肥进口依存度高严重制约着我国农业可持续发展。
马鸿文指出，虽然我国水溶性钾盐资源严重匮乏，但是非水溶性钾矿资源却非常丰富，矿石量至少达200亿吨以上。要满足国民经济可持续发展和建设现代化农业的需要，改变我国钾肥进口依存度高的现状，开发利用非水溶性钾矿资源不失为一条值得探索的道路。
清洁高效，技术先行
从上世纪50年代后期，国内就有人在做从非水溶性钾矿里提取钾盐的研究，先后提出过30多种方法，但这些研究仅限于提取其中的钾，其他组分完全废弃。实际上，非水溶性钾矿的氧化钾含量只有11%～12%，在之前的研究中，剩下近90%的东西就成了废物，造成加工成本过高、资源浪费等问题。
1993年，原国家计委利用世界银行贷款，在中国地质大学（北京）建立了国内唯一的矿物材料国家专业实验室。“实验室冠以‘国家’二字，说明研究目的不是解决某个企业的个案问题，而是希望解决国家经济和社会发展中带有全局性的、有长远影响的重大科学和技术问题。”马鸿文说，“我们从非水溶性钾矿里把钾拿出来，对其他组分加以综合利用，可实现完全清洁生产。”
秉持这种理念，矿物材料国家专业实验室成立伊始，马鸿文研究团队就向降低能耗、清洁生产、高效利用钾矿资源的关键技术发起“进攻”。18年来，该研究团队对全国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；现已取得国家发明专利14项，省部级鉴定成果 10项；完成了利用非水溶性钾矿资源清洁生产碳酸钾、硫酸钾、硝酸钾、磷酸钾的关键技术攻关，研发出6个系统工艺流程；系统建立了非水溶性钾矿资源的高效清洁利用技术体系，具有完全自主知识产权。
“十一五”期间，该研究团队取得了国家科技支撑计划课题鉴定成果4项。其中，“污水磷回收再利用制取磷酸二氢钾清洁生产技术”作为科技支撑计划课题“非水溶性钾矿资源高效利用技术”的一部分，是充分利用非水溶性钾矿的成功范例。马鸿文介绍，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每升1毫克以下，使污水重新变成工业用水；另一方面，产生的磷石膏也能全部用来生产硫酸，实现硫酸的循环利用。此项目不仅可使钾长石资源利用率达100%，同时还为实现含磷“废水”变成磷和水两种资源提供了可能，属国内外首创。2011年4月28日，在教育部组织的“污水磷回收再利用制取磷酸二氢钾清洁生产技术”科技成果鉴定会上，鉴定组专家认为，中国地质大学（北京）矿物材料国家专业实验室在综合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的研究，已达到国际领先水平。
生产磷肥的磷石膏渣也是可以循环利用的。现有磷肥企业用硫酸溶解磷矿石来生产磷肥。按照这种方法，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超过5000万吨，而综合利用率仅约20%。从长远来看，磷石膏危害环境，一旦下雨，重金属等有害组分会渗入地下水，污染水源。因此，实现清洁生产是当务之急。
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，生产成本增加。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。这样就可降低能耗，并提高生产硫酸的效率。
通过这些努力，马鸿文研究团队利用非水溶性钾矿制取碳酸钾、硫酸钾、硝酸钾和磷酸二氢钾4项关键技术，均可达到钾矿资源利用率接近100%、“三废”近于零排放的高效节能和清洁生产的要求，钾盐生产过程可真正实现高效、环保。所得产品均为纯质钾盐如磷酸二氢钾，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。
联手企业，预期可观
中国石化协会预测数据显示，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2020年，中国除氯化钾以外的其他钾盐消费量折合K2O约为300万吨。
目前，碳酸钾、硫酸钾、硝酸钾、磷酸钾和氢氧化钾等钾盐产品均以氯化钾为原料进行生产。假如规模化高效利用非水溶性钾矿资源形成新的产能，按钾矿石的K2O平均含量为12%，K2O回收率为85%估算，则全国每年开发利用约3000万吨非水溶性钾矿石，即可满足全部K2O消费需求，届时可减少作为化工原料的氯化钾消费量525.8万吨，相当于可以弥补2020年中国钾肥缺口的57.2%；可使2020年中国钾肥（盐）的进口依存度降低至20%以下。
因此，规模化高效利用非水溶性钾矿资源，不仅在当下具有其显著的技术经济可行性，而且从长远看，对我国粮食安全、国民经济可持续发展以及发展现代化农业都会产生深远影响。
于是，在开展关键技术研究的同时，马鸿文研究团队积极与企业合作，在非水溶性钾矿资源高效、清洁利用技术工程化实施方面，分别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吨工业级碳酸钾工业化试验生产线工艺包的设计，利用霓辉正长岩年产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，还对利用工业磷石膏和钾长石制备农用优等品硫酸钾技术、利用晶种法回收污水中的磷技术、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针对性的实验研究。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。
在“十一五”取得了实质性突破后，马鸿文提出自己和团队的 “十二五”发展目标：一方面，力争在工业上运用所取得的技术成果，在接下来的几年内，力争达到年产20万吨硫酸钾和10万吨硝酸钾；另一方面，对中国北方地区和东秦岭东部地区的非水溶性钾矿资源情况做一个基础调查。如果这两项工作进展顺利，将来则有可能在中原地区建成一个大规模开发利用非水溶性钾资源的国家级钾盐/钾肥化工产业基地。
同时，马鸿文希望国家有关部门在“十二五”期间支持实施“非水溶性钾矿制取钾肥关键技术示范工程”项目，推进其关键技术的进一步集成优化和产业化进程，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、磷酸钾等）奠定良好的工程化基础。这对于提高国产钾肥的市场控制力，促进现代化农业的可持续发展和保障我国的粮食安全，无疑具有重大的战略意义和显著的经济效益和环境效益。
人物档案：
马鸿文，中国地质大学（北京）教授，博士生导师，矿物材料国家专业实验室主任；曾任地质矿产系副主任、材料科学系主任、副校长。研究覆盖矿物材料科学及制备技术、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领域。曾获“做出突出贡献的中国博士学位获得者”、“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。出版教材、专著6部。《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一等奖”、教育部研究生工作办公室推荐“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”、“普通高等教育‘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》入选新闻出版总署第三届“三个一百”原创出版工程（科学技术类）。
念奴娇 霞石赋
马鸿文
2011年9月20日赴云南。二次随海亮集团考察，与红河州政府洽谈个旧市白云山霞石正长岩工业化开发利用技术合作项目。感慨所系填之，23日晨登香炉峰途中改成。
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八五攻关，九七俄案，抱憾空文已。
长时纷绕，一石激起涟漪。
回首十载蓝途，昊青承大任，循环经济。
绿色加工，推物理，低耗高值零废。
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浮云神马，淡茶还写长路！
《中国科学报》 (2012-01-01 B28 专题)
