超导耦合技术助力资源环境领域 低碳绿色可持续发展
立足向“新”向“绿”，面向国家重大需求，超导耦合成套关键技术不仅可以解决资源环境问题，还能带来可观的经济效益。超导耦合技术将对国家低碳绿色可持续发展、人与自然的和谐共生起到积极的促进作用。随着超导技术的不断发展和完善，其在资源环境领域的应用前景将更加广阔。
在物理学研究中，有一种奇异的现象引起了研究者的关注：某些物质拥有在一定低温条件下电阻降为零的特性，这就是我们所说的“超导”现象。超导状态下的物体会发生“零电阻效应”，即电阻突然消失，在没有电阻的情况下，电流流经超导体时就没有热损耗，电流可毫无阻力地在导线中形成强大的电流，从而产生“超强磁场”。“零电阻”“大电流”及“超强磁”是超导状态下的显著特性，如果能合理利用这些特性，人们就可以完成常规电磁技术所不能完成的工作。历经近 20 年的研究与探索，北京科技大学科研团队开拓性地将超导高梯度磁分离（S-HGMS）技术应用于资源环境领域。团队获得国内外发明专利 10 余件，多项技术达国际领先水平，研究成果在 2024 年日内瓦国际发明展上获得创新发明奖。
超导耦合技术在工业水处理技术应用上的重大突破
（1）转炉除尘水的高效处理
在钢铁工业生产过程中会产生大量废水，如何高效、低成本、绿色地处理这些废水一直是困扰企业的技术难题。例如，转炉炼钢过程中产生的除尘废水，含有极高的悬浮物（SS）且组成成分复杂，其中包括氧化铁、氧化钙、二氧化硅等多种微纳米级颗粒，浓度高达 8000 mg/L以上。
超导高强磁转炉除尘废水处理技术可在不改变原水处理流程、无药剂及磁种添加的条件下，在几十秒内捕集废水内所含污染物颗粒，将悬浮固体浓度水平从8000 mg/L 降至 5 mg/L 以下，脱除率达99% 以上。其利用磁絮凝作用机制，不仅可以把大颗粒磁性物质脱除，还可把弱磁性氧化铁和非磁性氧化钙、二氧化硅等微纳米污染物颗粒一同包裹脱除。该技术不仅占地小、效率高，而且能耗低，与常规电磁相比，节能 90%；无药剂添加使得运行成本大幅降低，全程无二次污染产生；改变工艺还能够回收其中的有价铁元素，用于制备氧化铁红或纳米氧化铁等高附加值产品，实现经济与生态环保效益的并举，是名副其实的低碳绿色水处理技术。
（2）循环冷却水的阻垢缓蚀创新
在现代电力、石化、钢铁、化工等工业生产过程中，工业循环冷却水系统承担着重要的设备冷却及热交换等关键功能。但是，该循环水系统在运行中容易发生结垢和腐蚀现象，特别是生物粘泥导致的垢下腐问题，轻则影响传热过程，重则导致安全事故发生，是长期困扰企业的技术难题。常规处理方法一般是选择投加阻垢剂、缓蚀剂、杀菌剂等化学药剂来解决结垢和腐蚀的问题，这无疑会增加运行成本，同时也会因药剂残留导致二次污染。
超导耦合技术实现了绿色供水及循环水系统的阻垢缓蚀。研究发现，经物化 - 超导高梯度磁分离耦合处理，循环冷却水中的成垢离子及微纳米颗粒会形成大颗粒并从水中沉降下来，循环冷却水的硬度和浊度大幅降低。研究发现，超导高强磁可改变水的理化性质，“变性”后的冷却水对成垢离子的缔合度变大，伴随钙镁离子过饱和度的提高，水垢的析出因而得到减少；超导高梯度磁分离技术可以在晶体析出时促使其发生晶格畸变，这种畸变的作用类似于阻垢剂，使得晶体难以生成在设备表面附着的硬垢；超强磁场杀菌灭藻的功能使得菌藻难以滋生，即使存在也会因超导磁絮凝作用而脱除，菌藻及菌胶团难以滋生，生物粘泥得到抑制，从而避免了垢下腐蚀的发生。通过除垢、晶格畸变、缔合及生物粘泥抑制作用，超导耦合技术起到了很好的阻垢缓蚀效果，循环冷却水的浓缩倍数大大提高，仅以浓缩倍数从 2.5 提升到 3.5 来计，可节能 3% 以上，节水 10% ～ 25%。
（3）重金属废水的深度净化
电镀、冶金、化工及电子等行业的重金属废水排放会严重威胁生态环境和人体健康，是阻碍企业绿色生产的一大难题。采用磁处理方法最棘手的地方在于重金属废水中的污染物没有磁性。常规磁分离技术通常是预先加入磁种（经过表面有机改性的铁磁性离子），再加入相应的絮凝剂，使本身无磁性的有害物质通过氢键、范德华力与经表面官能团修饰的磁种絮接，但这种方法成本较高，还容易产生大量污泥，造成新问题。团队采用超导高梯度磁分离耦合技术处理电镀废水，铜离子去除率可达 98.52%；处理铬、砷及铅等有色冶炼酸性重金属废水，砷离子去除率可达99.56%；处理低浓度络合态镍离子废水， 镍离子去除率为 99.6%，达到国家标准要求。超导高梯度磁分离耦合技术为保护水环境、推动工业低碳绿色可持续发展开辟了新思路，具有广阔的应用前景。
超导耦合技术在固废有价元素提取与高值利用中的应用
（1）铁尾矿的高值化利用
在采矿冶金中，铁矿石经过破碎、磨矿和选别等工序提取铁精矿后，留下并排放的固体废弃物叫做铁尾矿。过去，铁尾矿通常采用筑坝堆存的方式简单处理，逐渐成为了矿山固废的主要组成部分。我国矿产工业经历了数十年的发展，留下了超 200 亿吨铁尾矿。堆存的铁尾矿占地面积大，随时可能发生溃坝，并存在污染转移的风险，这些问题都威胁着人类生存及健康。就成分而言，铁尾矿富含铁、硅等有价元素，具有资源利用可能，据估算，我国现存铁尾矿潜在利用价值在千亿元以上。
为了在解决铁尾矿对人们健康威胁的同时最大限度利用其中的资源，团队提出全生命周期管控（LCM）新思路，提倡大宗利用要在整体布局下进行，先提取有价物，再分层次梯级利用。具体而言，团队颠覆性地将超导耦合技术应用于含硅铁尾矿中，同时提取铁、硅元素。历经 10 余年研究与探索，成功开发出成套超导耦合关键技术，全生命周期集约化管控，可实现高值化利用，无废排放。
在铁尾矿硅元素高值利用方面，经超导高梯度磁分离耦合技术处理，可将二氧化硅提纯至99%以上， 甚至达3N、4N以上水平， 二氧化硅产率达到 40% ～ 60%， 直接尾矿减量40% ～ 60%。提纯后的二氧化硅产品直接可用于板材、耐材、微晶玻璃、陶瓷及阻燃材料等用途；精提纯达 4N 以上，还可用于高端应用，或延伸产业链，用于制备更高附加值产品。在铁元素高值利用方面，遵循研究者创新开发的技术路线提取的副产物富铁粉不仅可回用于生产，还可延伸产业链，生产高附加值产品。在铁、硅元素提取后，研究者还探索了尾渣综合利用相关技术。尾渣作为矿渣微粉，可用于回填、做水泥、制砖、铺路或土壤修复等用途。通过全生命周期集约化控制，成功分层次、多级、高附加值利用了铁尾矿，所产生的整体效益以数亿元计。并且，研究者的技术路线相比常规电磁路线节能 90%，全程无二次污染，低碳绿色，是铁尾矿规模化、低碳绿色高值化利用的新途径。
（2）冶金含铁尘泥的资源化转化
冶金工业生产会产生大量含铁尘泥。尘泥的主要组成成分是高炉瓦斯灰、转炉除尘灰、轧钢污泥等多种固体废弃物，并且，尘泥通常产量巨大，就我国来说，仅钢铁企业每年就能够产生含铁尘泥数千万吨。但这种冶金含铁尘泥可不是毫无利用价值的“废物”，它粒度细且含铁量高，但品位波动较大。例如，转炉除尘灰（LT 细灰）这种尘泥的含铁量较高，极具回收价值，是一种二次铁资源。但过往 LT 细灰鲜少得到充分利用，其缘由很简单：利用难度高——尘泥中常含锌、铅等有害元素以及碱金属、氯化物等杂质，如果将其直接返回冶金流程，生产工艺和产品质量都会受影响。
为了开发LT细灰再利用的绿色手段，团队开发了超导高梯度磁分离 - 低温改性二步法处理转炉除尘灰（LT 细灰）并制备α-Fe₂O₃。具体来说，这种方法首先将 LT细灰中的含铁物质富集起来，并提纯至折合氧化铁含量 ≥95%，然后，再应用低温改性专利技术，实现富铁相向 α-Fe₂O₃ 的转变，从而制备高品质 α-Fe₂O₃。经由这一技术路线获得的产品既可做铁红颜料、防锈漆，也可作为磁性材料的前驱体等，售价可达每吨数千元。团队并不止步于此，而是选择继续延伸产业链，成功制备了纳米级 α-Fe₂O₃，纳米尺度 α-Fe₂O₃ 每吨售价数万元，产品可用于磁性材料、气敏材料、催化剂、半导体 / 电池材料、生物医学、废气 / 废水环境污染治理等用途，获得更大经济效益。
随着民用化的大科学技术如雨后春笋般出现，属于高能物理大科学范畴的超导技术自然也赶上了这一趟科技助力美好生活的“快车”。如今，诸如磁悬浮列车、核磁共振、手机基站、同步辐射检测装置、超导电机 / 电缆等新民用科技已经让超导技术“无缝进入”人们的生产与生活。团队利用超导高强磁场下产生的超强“磁絮凝”作用研发了工业水处理与回用技术，还利用了超导的“完全磁性”所产生的高强磁场来实现固废中有价物的分离与提取，为现代工业的低碳绿色可持续发展提供了科技新助力。
专家简介
李素芹，北京科技大学教授、博士生导师。主要研究方向为冶金资源循环与工业生态，重点是工业水处理与回用、固废有价物提取与资源化利用、固废制备高附加值材料。
