创新引领的科研突破——专访中国地质大学矿物材料国家专业实验室主任马鸿文教授

本刊记者 叶瑞优 徐芳芳

创新引领的科研突破
——专访中国地质大学矿物材料国家专业实验室主任马鸿文教授

本刊记者 叶瑞优 徐芳芳

2011年4月28日，教育部在北京组织了由中国地质大学（北京）完成的“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。鉴定组专家认为，该项成果在开发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，达到国际领先水平。该项技术的工艺路线系统完整，属国内外首创，为我国的钾盐工业提供了全新的技术路线和方法。

该项研究的负责人是中国地质大学矿物材料国家专业实验室主任马鸿文教授。“污水磷回收再利用制取磷酸二氢钾清洁生产技术”是“十一五”期间马鸿文课题组承担的国家科技支撑计划课题“非水溶性钾矿资源高效利用技术（2006BAD10B04）”的一部分。

缘起：缺钾贫磷

肥料行业有句俗语：“氮长叶子钾长杆，没有磷肥不增产。”说的是农业三大肥料氮磷钾的作用。它们是决定农业丰产的重要营养元素，在农作物的生长中，缺少任何一种肥料都会造成产量的锐减。

但是，我国是一个缺钾贫磷的国家。中国磷矿资源虽然丰富，但高品位磷矿却很少，国家有关部门已将磷矿列为2010年后不能满足国民经济发展需求的20种矿产之一。因此，寻找新的磷资源，探索经济可行的磷回收技术，对于促进我国农业和国民经济的可持续发展具有重要的经济和社会效益价值。

我国钾资源更是严重缺乏。我国人口占世界22%，而水溶性钾资源只占1%，自建国以来一直长期进口钾盐。直到2007年，我国70%的钾盐依然靠进口。未来10-20年之内，中国大量进口钾肥的状况仍然很难改变。

自然界中的钾矿资源分为水溶性钾矿和非水溶性钾矿两大类。水溶性钾矿中的钾较容易提取，是目前生产钾肥的主要原料。但是我国水溶性钾矿资源十分匮乏，且资源分布极不平衡，在农业发达的我国中东部地区，钾肥供需矛盾更加突出，以致农田氮、磷、钾施用比例严重失调，造成土壤普遍缺钾，据土壤普查资料，全国约70%的耕地缺钾，其中45%的耕地严重缺钾。2007年我国农业施肥氮钾比例为1:0.16，与发达国家1:0.42的基础比例差距甚大，造成土地质量退化。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。为了弥补不足，国家每年需花费数十亿美元进口钾肥。马鸿文认识到，要从根本上解决我国水溶性钾资源短缺的问题，开发利用非水溶性钾矿资源不失为一条值得探索的途径。

师生交流（2006.5）

实验讨论（2006.5）

开拓：废水不废

新中国成立伊始，中国政府就在全国范围内组织开展了寻找水溶性钾盐资源的科研和地质勘察工作。迄今虽然在青海察尔汗盐湖和新疆罗布泊等地取得了若干重要突破，但我国属于水溶性钾盐资源极度贫乏国家的状况并未改变。随着改革开放的深入，经济的持续高速增长，水溶性钾盐资源短缺严重制约国民经济可持续发展的状况愈益明显。

矿物材料国家专业实验室成立伊始，马鸿文就带领团队成员向非水溶性钾矿资源高效利用技术发起了进攻。在未得到政府资金支持的情况下，很长的时间内他们的研究基本上都是与企业或地方政府合作。2000年前后，从教育部拿到一个博士学科点基金，并利用教育部“跨世纪优秀人才计划基金”项目中的部分资金，开展了艰苦的探索性研究，解决了一个又一个技术难题。18年来，马鸿文的足迹已遍布大江南北，华北平原、内蒙边陲、秦岭山脉和云贵高原等地，都留下了他的身影。目前，他带领的研究团队已完成了全国16个有代表性的矿产地的研究工作。在先后取得制取碳酸钾、硝酸钾、硫酸钾关键技术研究的胜利后，马鸿文又带领团队开展了“污水磷回收再利用制取磷酸二氢钾清洁生产技术”的研究。

磷酸二氢钾用途广泛，因为它既有钾又有磷，虽然价格昂贵，但肥效极高，有效养分达90%以上。随着现代化农业的发展，磷酸二氢钾的需求量呈逐年上升趋势。近年来，国家一直在倡导“循环经济”的发展模式，因而从污水中回收磷再加以循环利用，已成为减少一次性磷资源消耗、改变磷肥工业经济增长方式的新课题。

据马鸿文教授介绍，“污水磷回收再利用制取磷酸二氢钾清洁生产技术”是一个把回收磷和利用钾矿资源结合起来的课题。我国作为人口大国和工业加工大国，每天排放大量的生活和工业废水，其中部分废水中的磷含量很高。如何让“废水不废”，变含磷废水为磷和水两种资源，并实现清洁化利用，是实现中国磷肥工业可持续发展的有效途径。

我国目前对磷的回收还处于起步阶段，还没有实现工程化应用。马鸿文团队的研究无疑是一项填补空白的工作，但“空白”同时也预示着研究工作的艰难。项目开展数年来，主要合作者郑红教授等带领数名研究生先是在实验室做静态试验，之后做动态实验，一直到取实际污水做回收磷实验，每一步都凝聚了几位主要成员的智慧与汗水。

实验以霓辉正长岩矿石为原料，水热合成雪硅钙石，由合成母液制成富钾液体；再以雪硅钙石为晶种回收污水中的磷；利用所得产物羟磷灰石分解制取磷酸；最后采用中和法制取磷酸二氢钾。这些关键技术的攻关成功，为实现含磷“废水”变成磷和水两种资源提供了可能。

西藏考察（1980.6）

二上华山（2006.4）

三聚莲花（2008.6）

生产：环保先行

马鸿文教授告诉我们，项目的成功不仅要制出磷酸二氢钾，而且在这个过程中要实现清洁生产，这是实现经济可持续发展的必然要求。

之前在利用非水溶性钾矿资源制取钾肥时，都存在一个共同的缺点，就是只利用其中的氧化钾，其他就成废物了。但实际上钾矿中氧化钾的含量只有11-14%。用马鸿文团队的技术成果，则可以综合利用氧化钾、氧化铝和氧化硅三种主要成分。这样，既可分摊制钾盐的成本，又避免了资源浪费，提高了综合经济效益。

“污水磷回收再利用制取磷酸二氢钾清洁生产技术”作为一种新的高浓度磷钾肥生产工艺，把污水磷回收和非水溶性钾矿提取钾盐两种工艺巧妙地集成为一个整体。生产过程中钾长石资源利用率可达100%，且使含磷污水完全实现了资源化利用。

生产磷肥的废渣也是可以循环利用的。现有的磷肥企业，用硫酸把磷矿石溶解，留下的废渣就是磷石膏。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约3000多万吨。从长远看，磷石膏对环境是有危害的，因为一旦下雨，其中的重金属等有害成分会渗透到地下水，污染水源。因此，实现清洁生产是当务之急。马鸿文团队一直探索在生产磷酸二氢钾的过程中如何把磷石膏用掉。他介绍说，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1毫克每升以下，使污水重新变成工业用水；另一方面，磷石膏也能全部用来生产硫酸，实现硫酸的循环利用。

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，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。这样就降低了能耗，并提高了生产硫酸的效率。

通过这些努力，钾盐的生产真正做到了低碳、环保。所得产品为纯质磷酸二氢钾，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。

产业：做强做大

在开展关键技术研究的同时，马鸿文团队先后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吨电子级碳酸钾工业化试验生产线工艺包的设计，利用陕西洛南县长岭霓辉正长岩年产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，还对利用磷石膏和钾长石制备农用优等品硫酸钾技术、利用铝代雪硅钙石晶种法回收污水中的磷及制备磷酸二氢钾产品等关键技术进行了重点研究。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。

马鸿文对“十二五”期间的发展充满了期待。他说，在接下来的几年内，希望能把项目放大，争取达到年产20万吨硫酸钾和10万吨硝酸钾。同时，希望国家有关部门在“十二五”期间支持实施“非水溶性钾矿制取农用硫酸钾清洁生产技术示范工程”项目，进一步集成优化相关的关键技术，为大规模利用非水溶性钾矿资源生产无氯钾肥奠定良好的工业化基础。

这样的工程全世界没有先例，实现产业化以后，有可能对全世界的碳酸钾、硫酸钾生产带来革命性的变革。目前国内每吨碳酸钾的生产成本高达7000-7500元，而马鸿文团队把它降低了50%以上；现在硫酸钾每吨生产成本接近3000元，而采用他们的技术，生产成本可降低约三分之二。如果能得到国家的支持，把这些技术在工业上做大做强，那么，就有可能解决中国未来钾盐约40%的市场需求，为国民经济可持续发展和保障我国粮食安全提供资源保障。

贡献：源于责任

收获季节（2003.8）

马鸿文教授是一个谦逊而亲和的人，当记者让他谈谈这么多年来的贡献的时候，马鸿文轻轻一笑说：“贡献谈不上，只能说是责任吧。”

作为一个科研工作者，马鸿文说，“我们做的这些研究工作，首先是解决国家的急需，为中国的社会和经济发展做一些事。另外，中国地质大学是全国唯一校名冠以‘地质’两字的大学，中国经济发展到今天，水溶性钾资源短缺是制约农业可持续发展和维护粮食安全的最大瓶颈。对此，我们应该思考，地质大学对中国社会和经济发展的历史责任是什么？我的理解是，大学要解决中国社会和经济发展中碰到的重大科学和技术问题，我们实际上就是在做这么一件事，这就是做这些事的价值。”

作为一个教育工作者，马鸿文说：“大学是个教书育人的地方，培养更多的优秀人才是我们的职责所在。”通过这些研究工作，从1990年开始，他已培养博士23人，硕士45人，不少学生已成为业内的骨干人才。

更可贵的是，马鸿文不单纯是一个科研工作者，也不单纯是一个教书匠，他很注重把科研与教学结合起来。针对中国高校培养的学生理论功底好、但实践动手能力较差的问题，马鸿文注重培养学生的实践能力。“我们的学生都是跟企业相结合，要求研究结果必须符合工程设计的要求，整个实验流程要考虑工业应用和环境问题，每项技术都必须符合清洁生产要求。所有学生都经过工程化方面的基本训练。”

在此基础上，马鸿文把研究成果系统化、条理化，归纳整理、凝练升华为教材，以期对学生及他人有所帮助。目前有多本教材获奖或被评为精品教材，如《结晶岩热力学概论》获地矿部第三届普通高等学校优秀教材一等奖（1996）。《工业矿物与岩石》、《结晶岩热力学概论》（第二版）被评为北京市高等教育精品教材（2005）。《工业矿物与岩石》课程体系建设与实践获北京市优秀教学成果一等奖和国家优秀教学成果二等奖。《陶瓷热力学与材料设计》成为北京市高等教育精品教材立项项目（2010）。并两次被评为北京市高等学校教学名师（2005，2007）。

后记：仁者乐山

作为地质工作者，马鸿文常常置身于山水之间。而在工作之余，他也对登山情有独钟，几乎每个周末都会去登香山。马鸿文说，之所以这么热衷于登山，一方面是为了工作，另一方面也是锻炼身体。而我们认为，山对他来说别有深意，山寄予了他的理想、承载了他的奋斗历程、蕴藏了他厚德载物的心胸。《论语》曰：“智者乐水，仁者乐山。”智者达于事理而周流无滞，有似于水，故乐水；仁者安于义理而厚重不迁，有似于山，故乐山。这正是马鸿文几十载教研历程的写照。

山水的灵气把马鸿文孕育成了一位工于诗文的学者。野外工作、周末登山，他常作诗文以记之，咏志抒怀，信手拈来，常得佳作。择其两首录于下，以飨读者：

布宫留影（1980.5）

七律·西藏之旅

2010年9月6-16日，率弟子双青、红丽二人重返西藏游览。追忆30年前在西藏东部从事玉龙斑岩铜矿带花岗岩类研究之往事，感慨良多。14日子夜至17日午草成。

雪域当年草上飞，春风化雨意相随。

迢迢天路舞摇滚，袅袅孤烟餐野炊。

天恋圣湖共蓝湛，地惜秋草竞牛肥。

而今重走高原路，三十年后知是谁？

鹊桥仙·天湖

2010年10月3日晨登香炉峰。9月12日赴藏北那曲高寒草原，那木错秀美湖色，仍历历在目。此小令以记之。

深邃蓝天，漫卷云锦，雪山流影圣湖。

藏北草原黄淡抹，点闲帐、旷野撒珠。

回首何时，布宫瘦影，敢为科苑添虹。

玉露凝霜寻旧梦，竞风流、天路坦途。

高原寻梦（2010.9）

“矿物资源绿色加工”研究团队

中国地质大学（北京）矿物材料国家专业实验室，于1993年经原国家计委、国家教委、地质矿产部批准，由世界银行贷款而建立，是我国目前唯一从事矿物岩石材料研究的国家级实验室。实验室主任马鸿文表示，实验室冠以“国家”，不是解决某个企业的具体技术问题，而是希望解决中国经济和社会发展过程中带有全局性的、有长远影响的重大科学和技术问题，关键技术的突破应能引领国内相关产业领域的发展方向。

该实验室的矿物资源绿色加工研究团队,目前有教授6人,副教授9人,18年来先后有15位博士、50余位硕士参与了有关“非水溶性钾矿资源高效清洁利用技术”的研究工作。

1993年以来，该团队在首席科学家马鸿文教授带领下，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；取得国家发明专利14项，省部级鉴定成果10项；发表学术论文100余篇；主要研究成果集中反映在马鸿文等著《中国富钾岩石——资源与清洁利用技术》（2010）一书中。

迄今，该研究团队已完成了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（新型无机缓释钾肥载体材料）、制备缓释钾肥等关键技术攻关，研发出6个系统工艺流程。特别是通过“十一五”期间承担国家科技支撑计划课题“非水溶性钾矿资源高效利用技术”的重点攻关研究，系统建立了非水溶性钾矿资源高效清洁利用的技术体系，具有完全自主知识产权。其中以霞石正长岩为原料制取碳酸钾、氧化铝清洁生产技术，以霓辉正长岩为原料制取硫酸钾、氢氧化铝清洁生产技术，以钾长石粉体为原料制备新型农用矿物基硝酸钾清洁生产技术，以及利用提钾母液和回收污水磷再利用制取磷酸二氢钾清洁生产关键技术等4项研究成果，分别于2010年3月、5月、7月和2011年4月通过了教育部组织的科技成果鉴定。鉴定委员会专家组评定认为，其研究成果分别达到了国际先进或国际领先水平。

基于上述研究工作基础，同时考虑到农用硫酸钾是市场需求量最大的无氯钾肥品种，马鸿文研究团队建议国家有关部门在“十二五”期间支持实施“非水溶性钾矿制取农用硫酸钾清洁生产技术示范工程”项目，其目的是进一步集成优化相关的关键技术，通过工程化实施进行验证和放大，为大规模利用非水溶性钾矿资源生产无氯钾肥关键技术的工业生产奠定良好的工程化基础。

硫酸钾项目产业园规划区合影