——记北京科技大学冶金与生态工程学院生态系教授 李素芹

超导是指某些物质在一定低温条件下电阻降为零的特性，在超导状态下，电阻率突然消失，即“零电阻效应”，没有了电阻，电流流经超导体时就无热损耗，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，利用这些特性可以完成常规电磁技术所不能企及的工作。一般来讲，超导技术属高能物理大科学范畴，主要应用于航空航天及军事领域，如电子对撞机、散列中子源、量子计算机及电磁弹射等，近年来，大科学技术的民用化已崭露头角，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。

图1 在北京举行的投融资对接会上做成果展示

超导HGMS技术既可用于高浓度高粘度流体，也可用于分离微米、纳米级颗粒，不仅能够脱除强磁性物质，还能够脱除弱磁性、反磁性物质。李素芹教授团队潜心超导应用技术研究10余年，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，如利用超导高强磁场下产生的超强“磁絮凝”作用，研发工业水处理与回用技术，利用其“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等。获得国内外发明专利10余项（美国发明专利1项、澳大利亚7项、巴西1项），多项技术达“国际领先水平”，并获得2024年日内瓦国际发明展创新发明奖，发表论文获得“INTERNATIONAL BEST RESEARCHER AWARD”2项，在国内外引起强烈反响。在水处理方面，超导HGMS技术可用于转炉除尘水降浊、酸性废水和电镀等废水重金属的脱除，绿色供水，循环冷却水成垢离子及微纳米有机/无机颗粒凝聚脱除、阻垢缓蚀及生物粘泥抑制等；在有价物分离提纯方面，超导HGMS技术成功实现低品位难选铁矿中弱磁性铁元素的富集、提取，来生产高品位铁精粉，用于铁尾矿中SiO2的分离与提纯，可实现固废铁氧化物的富集、提取和制备高附加值α-Fe2O3等。

超导耦合技术，助力工业用水的低碳绿色处理

（1）李素芹教授团队从事超导耦合技术研究始于水处理，开发超导高强磁处理转炉除尘水，可在不改变原水处理流程、无药剂及磁种添加的条件下，在几十秒内将所含污染物颗粒进行捕集，SS 可降从8000mg/L至5mg/L以下，脱除率达99%以上。通过磁絮凝作用机制，弱磁性氧化铁、非磁性氧化钙、SiO2等微纳米污染物颗粒都可同时包裹脱除。该技术不仅占地小、能耗及运行成本低，而且更重要的是，改变工艺还能够回收其中的有价铁元素，制备氧化铁红等高附加值产品，实现经济与生态环保效益并举。

（2）循环冷却水的阻垢缓蚀。在国家“十三五”重大水专项支持下展开超导耦合绿色供水及循环水系统阻垢缓蚀技术研究，经物化-超导HGMS耦合处理，循环冷却水中的成垢离子及微纳米颗粒形成大颗粒并从水中沉降下来循环冷却水的硬度和浊度降低。超导HGMS改变了水的理化性质，水的缔合度变大，提高了钙镁离子的过饱和度，减少水垢的析出，同时超导HGMS技术可以在晶体析出时促其发生晶格畸变难成硬垢在设备表面附着；微纳米菌胶团及SS的高效脱除使得菌藻难以滋生，生物粘泥得到抑制，从而避免了软垢及垢下腐蚀的发生。通过除垢、晶格畸变、缔合及生物粘泥抑制作用，达到了很好的阻垢缓蚀效果。仅浓缩倍数从2.5提升到3.5，即可节能3%以上，节水10-25%。该技术获得中国及美国发明专利3项，并于2024年在日内瓦发明展上获得创新发明奖。

图2 2024年在日内瓦国际发明展获得发明创新奖

超导HGMS技术处理重金属废水。重金属废水中的污染物没有磁性，处理时需预先加入磁种（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，并经絮凝-超导HGMS处理后时，污染物被吸附排除水体，浊度、色度及重金属离子含量大大降低，从而实现快速净化污水目的。动态条件下，超导HGMS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。

超导耦合分离提纯技术  固废有价物提取及利用

（1）铁尾矿低碳绿色高值利用。所有的固废都是放错了位置、有待找到合适技术利用的宝贵的二次资源，如铁尾矿储量大（≥200亿吨），占地面积大，有溃坝的危险，存在污染的转移现象，对人类的生存及健康构成威胁，同时它富含Fe、Si等有价元素，又具有资源利用的优势，潜在利用价值在千亿元以上。

为此，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体布局下进行，先提取有价物，再分层次梯级利用。她带领团队颠覆性地将超导耦合技术应用于含硅铁尾矿Fe/Si同时提取，经过10余年的研究与探索，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。

Si元素高值利用：经超导HGMS-耦合技术处理，可将SiO2提纯至≥99%，甚至达3N、4N以上水平，SiO2产率40-60%，资源化利用的同时直接尾矿减量40-60%。SiO2产品直接可做板材、耐材、微晶玻璃、陶瓷及阻燃材料等用途；精提纯达4N以上，还可用于高端应用，或延伸产业链制备更高附加值产品。

Fe元素高值利用：副产富铁粉，不仅可回用于生产，还可延伸产业链生产高附加值产品，已成功制备纳米α-Fe2O3，用作磁性材料、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，实现高值利用。

尾渣综合利用：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，可实现铁尾矿分层次多级高附加值利用，整体效益数以亿计。与常规电磁相比，节能90%，全程无二次污染，低碳绿色，为铁尾矿规模化、低碳绿色高值化利用提供了新思路、新途径。

冶金含铁尘泥高值利用。开发超导HGMS-低温改性二步法处理转炉除尘灰（LT细灰）制备α-Fe2O3新技术（国家自然科学基金支持），首先采用将LT细灰中含铁物质富集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，制备高品质α-Fe2O3，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，售价几千元/t；延伸产业链，成功制备了纳米级α-Fe2O3，（20-50纳米α-Fe2O3售价可达30万元/t），产品可作磁性材料、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。该技术产品生产过程成本低、能耗小且无二次污染产生，低碳绿色。为冶金尘/泥高值利用提供了一个新的思路与途径，可望冶金固废“低廉、高值、无害、绿色”化高值利用愿望得以实现。

图3 带团赴日本参加每年一次的中日韩超导技术交流会

超导耦合成套关键技术契合国家低碳绿色发展政策导向，面向国家重大需求，立足向“新”向“绿”方向发展，不仅可以解决资源环境问题，还会带来很大的经济效益。面向未来，李素芹教授带领团队将深入研究，加快产学研协同发展步伐，加速产业化进程，为促进国家低碳绿色可持续发展，人与自然的和谐共生贡献力量。（付丽）