——記北京科技大學冶金與生態工程學院生態系教授 李素芹

超導是指某些物質在一定低溫條件下電阻降為零的特性，在超導狀態下，電阻率突然消失，即“零電阻效應”，沒有了電阻，電流流經超導體時就無熱損耗，電流可毫無阻力地在導線中形成強大的電流，從而產生“超強磁場”。“零電阻”、“大電流”及“超強磁”是超導狀態下的顯著特性，利用這些特性可以完成常規電磁技術所不能企及的工作。一般來講，超導技術屬高能物理大科學范疇，主要應用于航空航天及軍事領域，如電子對撞機、散列中子源、量子計算機及電磁彈射等，近年來，大科學技術的民用化已嶄露頭角，如磁懸浮列車、核磁共振、手機基站、同步輻射檢測裝置、超導電機/電纜等。

圖1 在北京舉行的投融資對接會上做成果展示

超導HGMS技術既可用于高濃度高粘度流體，也可用于分離微米、納米級顆粒，不僅能夠脫除強磁性物質，還能夠脫除弱磁性、反磁性物質。李素芹教授團隊潛心超導應用技術研究10余年，開拓性地將超導高梯度磁分離（S-HGMS）技術應用于資源環境領域，如利用超導高強磁場下產生的超強“磁絮凝”作用，研發工業水處理與回用技術，利用其“完全磁性”所產生的高強磁場來實現固廢中有價物的分離與提取等。獲得國內外發明專利10余項（美國發明專利1項、澳大利亞7項、巴西1項），多項技術達“國際領先水平”，并獲得2024年日內瓦國際發明展創新發明獎，發表論文獲得“INTERNATIONAL BEST RESEARCHER AWARD”2項，在國內外引起強烈反響。在水處理方面，超導HGMS技術可用于轉爐除塵水降濁、酸性廢水和電鍍等廢水重金屬的脫除，綠色供水，循環冷卻水成垢離子及微納米有機/無機顆粒凝聚脫除、阻垢緩蝕及生物粘泥抑制等；在有價物分離提純方面，超導HGMS技術成功實現低品位難選鐵礦中弱磁性鐵元素的富集、提取，來生產高品位鐵精粉，用于鐵尾礦中SiO2的分離與提純，可實現固廢鐵氧化物的富集、提取和制備高附加值α-Fe2O3等。

超導耦合技術，助力工業用水的低碳綠色處理

（1）李素芹教授團隊從事超導耦合技術研究始于水處理，開發超導高強磁處理轉爐除塵水，可在不改變原水處理流程、無藥劑及磁種添加的條件下，在幾十秒內將所含污染物顆粒進行捕集，SS 可降從8000mg/L至5mg/L以下，脫除率達99%以上。通過磁絮凝作用機制，弱磁性氧化鐵、非磁性氧化鈣、SiO2等微納米污染物顆粒都可同時包裹脫除。該技術不僅占地小、能耗及運行成本低，而且更重要的是，改變工藝還能夠回收其中的有價鐵元素，制備氧化鐵紅等高附加值產品，實現經濟與生態環保效益并舉。

（2）循環冷卻水的阻垢緩蝕。在國家“十三五”重大水專項支持下展開超導耦合綠色供水及循環水系統阻垢緩蝕技術研究，經物化-超導HGMS耦合處理，循環冷卻水中的成垢離子及微納米顆粒形成大顆粒并從水中沉降下來循環冷卻水的硬度和濁度降低。超導HGMS改變了水的理化性質，水的締合度變大，提高了鈣鎂離子的過飽和度，減少水垢的析出，同時超導HGMS技術可以在晶體析出時促其發生晶格畸變難成硬垢在設備表面附著；微納米菌膠團及SS的高效脫除使得菌藻難以滋生，生物粘泥得到抑制，從而避免了軟垢及垢下腐蝕的發生。通過除垢、晶格畸變、締合及生物粘泥抑制作用，達到了很好的阻垢緩蝕效果。僅濃縮倍數從2.5提升到3.5，即可節能3%以上，節水10-25%。該技術獲得中國及美國發明專利3項，并于2024年在日內瓦發明展上獲得創新發明獎。

圖2 2024年在日內瓦國際發明展獲得發明創新獎

超導HGMS技術處理重金屬廢水。重金屬廢水中的污染物沒有磁性，處理時需預先加入磁種（經過表面有機改性的鐵磁性離子），再加入相應的絮凝劑，使本身無磁性的有害物質通過氫鍵、范德華力與經表面官能團修飾的磁種絮接，并經絮凝-超導HGMS處理后時，污染物被吸附排除水體，濁度、色度及重金屬離子含量大大降低，從而實現快速凈化污水目的。動態條件下，超導HGMS耦合技術處理電鍍廢水，銅離子去除率可達98.52%；處理鉻、砷及鉛等有色冶煉酸性重金屬廢水，砷離子去除率可達99.56%；處理低濃度絡合態鎳離子廢水，鎳離子去除率為99.6%，達到國家標準要求。

超導耦合分離提純技術  固廢有價物提取及利用

（1）鐵尾礦低碳綠色高值利用。所有的固廢都是放錯了位置、有待找到合適技術利用的寶貴的二次資源，如鐵尾礦儲量大（≥200億噸），占地面積大，有潰壩的危險，存在污染的轉移現象，對人類的生存及健康構成威脅，同時它富含Fe、Si等有價元素，又具有資源利用的優勢，潛在利用價值在千億元以上。

為此，李素芹教授提出全生命周期管控（LCM）新思路，提倡大宗利用要在整體布局下進行，先提取有價物，再分層次梯級利用。她帶領團隊顛覆性地將超導耦合技術應用于含硅鐵尾礦Fe/Si同時提取，經過10余年的研究與探索，成功開發出成套超導耦合關鍵技術，全生命周期集約化管控，可實現高值化利用，無廢排放。

Si元素高值利用：經超導HGMS-耦合技術處理，可將SiO2提純至≥99%，甚至達3N、4N以上水平，SiO2產率40-60%，資源化利用的同時直接尾礦減量40-60%。SiO2產品直接可做板材、耐材、微晶玻璃、陶瓷及阻燃材料等用途；精提純達4N以上，還可用于高端應用，或延伸產業鏈制備更高附加值產品。

Fe元素高值利用：副產富鐵粉，不僅可回用于生產，還可延伸產業鏈生產高附加值產品，已成功制備納米α-Fe2O3，用作磁性材料、氣敏材料、催化劑、半導體/電池材料、生物醫學、廢氣/廢水環境污染治理等用途，實現高值利用。

尾渣綜合利用：尾渣作為礦渣微粉，可用于回填、做水泥、制磚、鋪路或土壤修復等用途。

通過全生命周期集約化控制，可實現鐵尾礦分層次多級高附加值利用，整體效益數以億計。與常規電磁相比，節能90%，全程無二次污染，低碳綠色，為鐵尾礦規模化、低碳綠色高值化利用提供了新思路、新途徑。

冶金含鐵塵泥高值利用。開發超導HGMS-低溫改性二步法處理轉爐除塵灰（LT細灰）制備α-Fe2O3新技術（國家自然科學基金支持），首先采用將LT細灰中含鐵物質富集提純至折合氧化鐵含量≥95%，然后再應用低溫改性專利技術實現富鐵相向α-Fe2O3的轉變，制備高品質α-Fe2O3，產品既可做鐵紅顏料、防銹漆，也可作為磁性材料的前驅體等，售價幾千元/t；延伸產業鏈，成功制備了納米級α-Fe2O3，（20-50納米α-Fe2O3售價可達30萬元/t），產品可作磁性材料、氣敏材料、催化劑、半導體/電池材料、生物醫學、廢氣/廢水環境污染治理等用途，獲得更大經濟效益。該技術產品生產過程成本低、能耗小且無二次污染產生，低碳綠色。為冶金塵/泥高值利用提供了一個新的思路與途徑，可望冶金固廢“低廉、高值、無害、綠色”化高值利用愿望得以實現。

圖3 帶團赴日本參加每年一次的中日韓超導技術交流會

超導耦合成套關鍵技術契合國家低碳綠色發展政策導向，面向國家重大需求，立足向“新”向“綠”方向發展，不僅可以解決資源環境問題，還會帶來很大的經濟效益。面向未來，李素芹教授帶領團隊將深入研究，加快產學研協同發展步伐，加速產業化進程，為促進國家低碳綠色可持續發展，人與自然的和諧共生貢獻力量。（付麗）