近期，廣東科學(xué)家開發(fā)的“離子吸附型稀土礦電驅(qū)開采技術(shù)”取得了重要進(jìn)展，引起了科研和產(chǎn)業(yè)兩個(gè)領(lǐng)域的高度關(guān)注。這項(xiàng)新技術(shù)能夠?qū)⑾⊥敛墒章侍岣呒s30%,雜質(zhì)含量降低約70%,并且開采時(shí)間僅為以往的1/5。國(guó)際同業(yè)專家將其高度評(píng)價(jià)為“改變游戲規(guī)則”。
這項(xiàng)技術(shù)的背后，是中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所(以下簡(jiǎn)稱“廣州地化所”)研究員、廣東省礦物物理與材料研究開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任朱建喜帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)十余年如一日踏實(shí)奮斗，勇攀關(guān)鍵技術(shù)高峰的歷程。他們通過(guò)對(duì)離子吸附型稀土礦的深入研究，成功開發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電驅(qū)開采技術(shù)，為我國(guó)稀土產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入了新的活力。
稀土，被稱為“工業(yè)維生素”和“新材料之母”，是現(xiàn)代工業(yè)中不可或缺的重要元素，在高科技產(chǎn)業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用，尤其是在新能源、新材料、節(jié)能環(huán)保等領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)的稀土開采方法存在效率低下、環(huán)境污染等問(wèn)題，限制了稀土產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，研發(fā)高效、環(huán)保的稀土開采技術(shù)具有重要的戰(zhàn)略意義。
現(xiàn)場(chǎng)觀摩時(shí)冒出“金點(diǎn)子”
離子吸附型稀土礦中的稀土，以離子形式吸附在平平無(wú)奇的土壤、山頭里，價(jià)值連城，但其目前的開采對(duì)環(huán)境影響巨大。
我國(guó)從20世紀(jì)60年代起開采離子吸附型稀土礦。業(yè)界主要采用硫酸銨原地浸出方法——工人在礦山上打成百上千個(gè)豎洞，圍著山腳挖一圈平洞和圍堰，往豎洞中不停灌入硫酸銨溶液，溶液就會(huì)從山腳流出來(lái)，銨根離子通過(guò)離子置換的反應(yīng)交換土壤中吸附的稀土離子，最后由人工提取所收集的浸出液中的稀土，整個(gè)連續(xù)灌注過(guò)程差不多持續(xù)一年甚至以上。
這種方式耗時(shí)很長(zhǎng)，而且需要使用大量硫酸銨，往往導(dǎo)致土壤、水體的氨氮超標(biāo)，已被國(guó)家明令禁止。業(yè)界亟須一種更綠色、高效的開采方法。
在一次現(xiàn)場(chǎng)觀摩中，朱建喜腦子里冒出了一個(gè)“金點(diǎn)子”。
這源自他十多年前在英國(guó)當(dāng)訪問(wèn)學(xué)者時(shí)的經(jīng)歷。當(dāng)時(shí)，朱建喜接觸到用插入電極的方法給土壤排水的技術(shù)。原本要花上幾年才能晾干的泥土，通電后幾個(gè)月就會(huì)干透。其中的原理并不復(fù)雜：土壤溶液中的離子團(tuán)帶著水分子往電極移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)加速定向排水。
“在稀土開采中，把污染環(huán)境的硫酸銨換成其他離子，再通電加速排水，是否可行?”朱建喜和礦山開采人員討論起這個(gè)思路。
對(duì)方問(wèn)：“能提升多少速度?”朱建喜知道，土體排水干燥的速度提升超過(guò)80%，但他保持著科學(xué)家的謹(jǐn)慎：“估計(jì)能有5%至10%。”
對(duì)方大受震撼：“哪怕能加快3%至5%，都是非常厲害的突破了?！敝旖ㄏ灿纱藞?jiān)定了信心：“要把這個(gè)技術(shù)研發(fā)出來(lái)，通過(guò)科技創(chuàng)新，實(shí)實(shí)在在提升新質(zhì)生產(chǎn)力，為產(chǎn)業(yè)解決困難?！敝袊?guó)科學(xué)院院士、廣州地化所所長(zhǎng)何宏平是朱建喜的博士導(dǎo)師、課題組長(zhǎng)，在何宏平的帶領(lǐng)和參與下，學(xué)科組內(nèi)組建了離子型稀土的電驅(qū)開采團(tuán)隊(duì)，開始集中力量進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。
為電驅(qū)開采技術(shù)申請(qǐng)專利時(shí)，有人提出質(zhì)疑：“用電流驅(qū)動(dòng)離子，懂點(diǎn)物理的人都知道這個(gè)原理，你的獨(dú)創(chuàng)性在哪里?這不構(gòu)成專利?！敝旖ㄏ泊竽懛瘩g：“稀土開采的歷史快有五十年，想到這個(gè)、做成這件事的只有我們團(tuán)隊(duì)，怎么不算專利?”
金點(diǎn)子誕生后，離不開團(tuán)隊(duì)成員們?nèi)翰呷毫?、十年如一日的奮斗。他們從實(shí)驗(yàn)室的模擬實(shí)驗(yàn)做起，慢慢從小型做到中型，在一個(gè)2米高的土方中完成放大試驗(yàn)，去年又在廣東梅州平遠(yuǎn)的5000噸土體場(chǎng)地示范中進(jìn)一步驗(yàn)證了可行性，短短兩個(gè)多月時(shí)間就從小半畝場(chǎng)地中試采出近2噸稀土礦。
從“漂亮論文”到“實(shí)用技術(shù)”
與現(xiàn)有開采工藝相比，電驅(qū)開采技術(shù)在稀土回收率、浸取劑用量、開采周期以及雜質(zhì)去除等方面均有顯著優(yōu)化。相關(guān)成果發(fā)表在《自然-可持續(xù)性》《創(chuàng)新》等一系列高水平期刊，獲授權(quán)發(fā)明和實(shí)用新型專利十余件。
更重要的是，該技術(shù)只要在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上增加電極，產(chǎn)業(yè)上沿用幾十年的開采流程無(wú)需大改，就能達(dá)到綠色、增效的目的。
“新技術(shù)不能只是在實(shí)驗(yàn)室里‘好看’，還得在實(shí)際生產(chǎn)中好用。”這是朱建喜從事礦物研究20余年的深刻感受。
1973年出生的朱建喜，2003年博士畢業(yè)于廣州地化所，2005年在浙江大學(xué)博士后流動(dòng)站出站后又回到廣州地化所。從住所到實(shí)驗(yàn)室只需步行不到300米，他每天早上8點(diǎn)半開始工作，可以干到第二天凌晨1點(diǎn)。外人看來(lái)枯燥且勞累的“兩點(diǎn)一線”的科研生活，卻讓朱建喜怡然自得。
最開始，他更偏向基礎(chǔ)研究，關(guān)注合成新型黏土礦物，這些黏土常用作污水治理中的吸附物。朱建喜想方設(shè)法把礦物結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)等內(nèi)容做得更清晰、漂亮?！白龅煤茫湍馨l(fā)好的論文，一開始我就是單純這么想?！彼f(shuō)。
十多年前一次到企業(yè)調(diào)研，朱建喜才開始試著從產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的角度想問(wèn)題，有了一種基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用融會(huì)貫通的感覺(jué)?！敖沂镜V物和材料的結(jié)構(gòu)是要為效果服務(wù)，科技要面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)。基礎(chǔ)研究做得好，更要考慮讓其發(fā)揮經(jīng)濟(jì)價(jià)值，把科研成果寫在祖國(guó)大地上?！?/span>
我國(guó)的稀土產(chǎn)量占全球70%以上，是極為重要的戰(zhàn)略資源;南方的離子吸附型稀土資源，更是重稀土的主要來(lái)源，具有極高的經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略價(jià)值。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，電驅(qū)開采不僅更快、更綠色，而且還能開采出更多的稀土離子。
朱建喜認(rèn)為，這就是他用實(shí)干奮斗出的成果，也證明了他的思路正確。“從最初開始學(xué)習(xí)黏土礦物表界面的性質(zhì)，到了解和認(rèn)識(shí)土體的電動(dòng)化學(xué)行為，再將二者結(jié)合提出電驅(qū)開礦這一科學(xué)方法，到目前可實(shí)現(xiàn)的成果落地，前后經(jīng)歷了大約20年時(shí)間。這無(wú)疑是我最自豪的科研成果，也將是對(duì)產(chǎn)業(yè)非常有用的一次推進(jìn)?！?/span>
既研究月壤也愛做科普
4年前，在國(guó)家航天局舉行嫦娥五號(hào)任務(wù)第一批月球科研樣品發(fā)放儀式上，朱建喜作為代表之一，接收了廣州地化所獲批的3件月球科研樣品，其中一件月塵粉末100毫克，兩件巖屑分別是60.5毫克和137.3毫克。
“經(jīng)過(guò)充分研究，我們?cè)谠氯郎习l(fā)現(xiàn)了三價(jià)鐵，這改變了大家‘月球上不可能存在氧化反應(yīng)產(chǎn)生三價(jià)鐵’的固有認(rèn)知。經(jīng)過(guò)科學(xué)推理，我們認(rèn)為太陽(yáng)風(fēng)和隕石撞擊是月球產(chǎn)生三價(jià)鐵的原因?！?年后，朱建喜分享著從月壤中得出的新認(rèn)知。
地質(zhì)學(xué)家對(duì)萬(wàn)物起源都有好奇。月球、火星、早期地球，都是他們窺探星球奧秘的研究對(duì)象。
何宏平與朱建喜等科學(xué)家深入剖析了礦物—水界面反應(yīng)產(chǎn)生活性氧的物理化學(xué)機(jī)制，揭示了早期地球氧氣產(chǎn)生的礦物成因，破解了生命起源與地球宜居性演變的關(guān)鍵難題。“礦物也會(huì)呼吸”成為人類對(duì)地球最初氧氣起源的新認(rèn)知。
朱建喜介紹，他所在的團(tuán)隊(duì)主要聚焦四大研究方向，既包括行星科學(xué)領(lǐng)域，也涵蓋關(guān)鍵礦產(chǎn)資源的成礦機(jī)制、綠色高效開采和開發(fā)利用等。“從藥物、食物，到電池、化妝品，再到火箭噴口的高溫密封膩?zhàn)?，礦物涉及日常生活的方方面面?！?/span>
他的辦公室內(nèi)擺滿了礦物和巖石標(biāo)本——沙漠玫瑰、黃鐵礦、花崗巖、玄武巖、青田石……朱建喜興致勃勃地向記者講述每塊石頭的來(lái)歷和它對(duì)人類的作用。
帶著前沿知識(shí)和礦物科普，朱建喜近年來(lái)還走進(jìn)大中小學(xué)作報(bào)告，把課程上傳到視頻網(wǎng)站，希望激發(fā)更多人對(duì)礦物、地球科學(xué)的興趣。
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