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挺进“无人区” 开辟“钒蓝海”

发布者:程毓 张歆 编辑:程毓 发布时间:2022-11-30 浏览次数:

——武汉科技大学张一敏团队攻克钒的提取和应用世界难题

记者 程毓  张歆

9月11日,在国家环境保护矿冶资源利用与污染控制重点实验室,研究人员站在一座占地约2平方米的长方体机器前,打开开关,两排灯泡亮了起来,约20平方米的实验室瞬间亮堂堂。

长方体机器是一套钒电池储能系统。这是武汉科技大学张一敏教授团队在钒研究领域的新成果,正在湖北多家企业推广应用,带动湖北钒电池储能技术走在了全国乃至全球前列。

实验室的一楼展台,更多的钒化合物陈列其中。绿的犹如翡翠,黄的好比暖阳,黑的如同浓墨……它们美丽夺目、功能各异,是张一敏教授“钟情一生”的研究成果。

40年前,风华正茂的张一敏一头扎进矿冶研究的“无人区”。如今,年过七旬的他带领团队拥有自主知识产权超过80项,不仅成功破解钒的提取世界难题,而且开辟了产业应用的“钒蓝海”,助力中国钒产品出口占全球70%以上,成为举世瞩目的“钒强国”。

挺进矿冶研究的“无人区”

钒是一种稀有金属,是重要的战略储备资源,被称作工业领域不可缺少的“维生素”。比如,在钢铁冶炼中加入微量的钒,就能极大地提高钢铁的强度、耐热性和抗腐蚀性。

上世纪70年代末,老百姓常错把钒矿当成燃煤,用于取暖、做饭。80年代,人们逐渐意识到钒资源的价值,乱采滥挖,土法提钒,造成资源浪费和环境污染。

张一敏看在眼里、痛在心里,产生了最原始的科研动力——研发绿色提钒技术,既不污染环境,也让钒资源发挥应有的作用。

然而,钒的提取十分困难。以广泛分布在我国长江流域的钒页岩为例,钒含量只有0.7%左右,品位极低。提取1吨钒,需要近150吨钒页岩,不仅能耗大、成本高,还产生大量废水废气废渣。

由于科研难度太大,钒提取是科学家们不轻易触及的领域。同行好心劝他:“这么难啃的硬骨头,别跟自己过不去。”

“再难,也要有人做。”张一敏走进这片矿冶科研“无人区”,成为我国首批开展钒研究的专家。

开展钒研究,摸清钒资源分布是第一步。中国钒资源的分布、品位如何?没有详细的资料可查。张一敏在车子后备箱里放了一套工作服。只要没课,他就开上车,带几个人,钻进山里找钒矿。

他们攀悬崖、走峭壁、住工棚、吃泡饭,常常连续几周待在山沟里……历时8年,张一敏的足迹踏遍全国有代表性的矿山。团队完成了钒页岩的采集和分析,建立了全球首个钒页岩资料库,这为后来形成完整的技术体系打下了坚实的基础。

攻克“无法破解”的世界难题

如何绿色提钒?当时,没有前人的经验可借鉴。团队还面临实验设备、科研经费、实验场所均不足的困境。张一敏带领团队从零开始,自制提钒设备、筹集实验资金、腾挪办公室,穷尽办法,坚持将提钒研究做下去。

钒的熔点高达1890℃,焙烧时,钒页岩中的杂质熔化成液体,包裹在钒上,形成坚硬的外壳——“硅盖罩”。科学家们称它为钒提取中“无法破解的难题”。

为了解决这个世界难题,师生们守在矿热炉前,以30℃为单位,一点一点往上加。有时,理论上可行,实验结果却不行;有时,一个数据很好,其它数据却不好。

日复一日,年复一年,团队里的学生毕业了3届,难题始终无法破解。同期攻关钒提取的其他科研团队打了“退堂鼓”,张一敏团队也有师生抱怨:“干不下去了!”

“不攻克决不罢手。”张一敏对大家说,全球90%钒页岩在中国,大自然赋予这么好的资源优势,“不搞就是对国家不负责!”

即便困难重重,团队坚持在钒提取的科研路上前行。调试焙烧温度、改进工艺流程……历时10年,在大量数据的支撑下,他们建立起理论体系,成功研发出“双循环法”,在钒被杂质液体包裹前,把钒释放出来,成功破解了“硅盖罩”,成为全球钒研究的“领头羊”。

随着核工业、航空航天、新能源的发展,钒的开发利用成为发达国家竞相占领的前沿高地。“十一五”期间,中国把钒列入重点支持产业。“给钒研究燃起一把火!”张一敏干劲倍增,把目光瞄准提钒技术的推广应用,“国家重大战略需求,我们一定要干好!”

由于缺乏产业上成功的先例,出于风险考虑,有意愿合作的企业寥寥无几。他们踏破铁鞋,找到陕西五洲矿业股份有限公司。双方着眼国家资源安全和行业持续发展,达成了稳定的合作关系。

新技术在企业应用,问题不断“冒”出来——流程太长、工艺繁复、污染物回收难……团队师生在工地上和工人们同吃同住同倒班,发现问题,收集数据,经常加班到深夜,饿了就吃包方便面。

回到学校,大家扎进实验室,分析数据,优化流程,有时24小时连轴干,想着“问题早一天解决,企业早一天受益”。他们又奋战了10多年,攻克了数百个技术难题,创新性地研发出“一步法”——把多个装置集成在一个设备里,在提取钒的同时,综合利用废水废渣,实现全链条绿色生产。

第一批钒出炉,是在一个美丽的深秋。5米高台的过滤机上,2吨橙黄的粉末沾染了秋季的温度,点亮了众人的眼睛。

“提取的钒纯度达99.99%,远超国外指标,我们实现了效率高、能耗低、零污染!”张一敏振奋不已。他回忆,那一天,厂房外天空湛蓝、远山如黛,美得如画,终生难忘!

“张一敏教授的提钒理论和方法,合理解释和解决了钒页岩生产过程有害气体源头污染问题,是目前提高提钒效率的最佳方法和途径。”国际著名湿法冶金专家、巴西圣保罗大学Ricardo教授评价说。

张一敏的提钒技术推广到湖北、江西等国内19家大中型企业应用,3年新增销售额35亿多元。此外,提钒技术和相关设备应用到国内30余家厂矿单位,推动了全行业技术、装备、产品的升级换代。张一敏团队分别于2007年、2010年、2017年3次荣获国家科技奖,推动中国站上了钒研究的世界最高峰。

开辟产业应用的“钒蓝海”

钒的用途很广,但用量少,全球年用量约20万吨,且和钢铁等大宗商品的价格捆绑。冶炼企业的老总们诉苦:“只开展钒提取业务,企业很难生存。”

“为企业生存探路,为行业发展护航。”张一敏把团队分成提钒、环保、利用、深加工等研究小组,在钒产业链上全面出击:

——用钒做添加剂,开发高品质钢材,应用于汽车、铁路、桥梁等行业;

——用钒做超导材料、核反应堆材料,在航空航天和核工业中应用;

——利用提钒产生的尾渣,制作绿色建筑材料,实现资源的综合利用;

——把钒与稀土、纳米结合,研发高性能材料;

——用钒化合物研发电池,容量大、充放电快,成为锂电池的“继任者”;

……

张一敏带领团队开辟出一片片产业应用的“钒蓝海”(未知的市场空间)。主要技术成果在国内企业应用,近三年新增销售额16.26亿元,产品出口美洲、欧洲、亚洲等地的15个国家。

中国工程院院士、清华大学郝吉明教授对张一敏竖起大拇指:“你把钒的提取和应用解决了,是对国家的重大贡献,了不起!”

为带动全国钒行业有序发展,担任国家“863计划”资源环境领域主题专家组组长的张一敏,牵头编写了国家钒页岩行业技术指南,联合国内涉钒企业、高校和科研院所成立了中国钒资源利用专业委员会、钒资源开发与利用产业技术创新战略联盟。

2018年,何梁何利基金颁发给张一敏“科学与技术创新奖”之“产业创新奖”;2020年,他荣获第二届全国创新争先奖;2021年,他获评湖北最美科技工作者。

他的邮箱几乎每天收到来自全球各地技术咨询的邮件。“做科研,一辈子能把一件事做好就值了。”仍然奋战在科研一线的张一敏说。团队里的“80后”“90后”师生们也下定决心:“像张老师一样,一辈子干好平‘钒’事!”

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