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)實驗室主任馬鴻文教授

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。鑒定組專家認為，該項成果在開發(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，達到國際領(lǐng)先水平。該項技術(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。

該項研究的負責(zé)人是中國地質(zhì)大學(xué)礦物材料國家專業(yè)實驗室主任馬鴻文教授?！拔鬯谆厥赵倮弥迫×姿岫溻浨鍧嵣a(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)濟可行的磷回收技術(shù)，對于促進我國農(nóng)業(yè)和國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有重要的經(jīng)濟和社會效益價值。

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(nèi)，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(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。為了彌補不足，國家每年需花費數(shù)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(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(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)濟可持續(xù)發(fā)展的狀況愈益明顯。

礦物材料國家專業(yè)實驗室成立伊始，馬鴻文就帶領(lǐng)團隊成員向非水溶性鉀礦資源高效利用技術(shù)發(fā)起了進攻。在未得到政府資金支持的情況下，很長的時間內(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，從教育部拿到一個博士學(xué)科點基金，并利用教育部“跨世紀(jì)優(yōu)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(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)的研究團隊已完成了全國16個有代表性的礦產(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)團隊開展了“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，因為它既有鉀又有磷，雖然價格昂貴，但肥效極高，有效養(yǎng)分達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”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，并實現(xiàn)清潔化利用，是實現(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，還沒有實現(xiàn)工程化應(yīng)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(yù)示著研究工作的艱難。項目開展數(shù)年來，主要合作者鄭紅教授等帶領(lǐng)數(shù)名研究生先是在實驗室做靜態(tài)試驗，之后做動態(tài)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(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(xiàn)清潔生產(chǎn)，這是實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(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，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(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，既可分攤制鉀鹽的成本，又避免了資源浪費，提高了綜合經(jīng)濟效益。

“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整體。生產(chǎn)過程中鉀長石資源利用率可達100%，且使含磷污水完全實現(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。從長遠看，磷石膏對環(huán)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(xiàn)清潔生產(chǎn)是當(dāng)務(wù)之急。馬鴻文團隊一直探索在生產(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(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。因而實現(xiàn)規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)后，將具有可觀的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益。

產(chǎn)業(yè)：做強做大

在開展關(guān)鍵技術(shù)研究的同時，馬鴻文團隊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)化試驗生產(chǎn)線工藝包的設(shè)計，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(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)進行了重點研究。這些成果為我國磷肥行業(yè)實現(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)，希望能把項目放大，爭取達到年產(chǎn)20萬噸硫酸鉀和10萬噸硝酸鉀。同時，希望國家有關(guān)部門在“十二五”期間支持實施“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”項目，進一步集成優(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7000-7500元，而馬鴻文團隊把它降低了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，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)濟可持續(xù)發(fā)展和保障我國糧食安全提供資源保障。

貢獻：源于責(zé)任

收獲季節(jié)（2003.8）

馬鴻文教授是一個謙遜而親和的人，當(dāng)記者讓他談?wù)勥@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(zé)任吧?！?/p>

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(jīng)濟發(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)濟發(fā)展中碰到的重大科學(xué)和技術(shù)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?！?/p>

作為一個教育工作者，馬鴻文說：“大學(xué)是個教書育人的地方，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(xué)結(jié)合起來。針對中國高校培養(yǎng)的學(xué)生理論功底好、但實踐動手能力較差的問題，馬鴻文注重培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力。“我們的學(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)計的要求，整個實驗流程要考慮工業(yè)應(yīng)用和環(huán)境問題，每項技術(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（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）?！豆I(yè)礦物與巖石》課程體系建設(shè)與實踐獲北京市優(yōu)秀教學(xué)成果一等獎和國家優(yōu)秀教學(xué)成果二等獎?！短沾蔁崃W(xué)與材料設(shè)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(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?！墩撜Z》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(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(fēng)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(zhì)大學(xué)（北京）礦物材料國家專業(yè)實驗室，于1993年經(jīng)原國家計委、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(yè)的具體技術(shù)問題，而是希望解決中國經(jīng)濟和社會發(fā)展過程中帶有全局性的、有長遠影響的重大科學(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(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，該團隊在首席科學(xué)家馬鴻文教授帶領(lǐng)下，對全國12個省市共計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，省部級鑒定成果10項；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(chǎn)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(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，研發(fā)出6個系統(tǒng)工藝流程。特別是通過“十一五”期間承擔(dān)國家科技支撐計劃課題“非水溶性鉀礦資源高效利用技術(shù)”的重點攻關(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(lǐng)先水平。

基于上述研究工作基礎(chǔ)，同時考慮到農(nóng)用硫酸鉀是市場需求量最大的無氯鉀肥品種，馬鴻文研究團隊建議國家有關(guān)部門在“十二五”期間支持實施“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”項目，其目的是進一步集成優(yōu)化相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，通過工程化實施進行驗證和放大，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)。

硫酸鉀項目產(chǎn)業(yè)園規(guī)劃區(qū)合影