超純氧化鎂突破工業技術壁壘

氧化鎂什麼顏色

一項具有國際先進水平、廣泛應用於高溫工業重要的合成材料終於研製成功了，發明者將其命名為“超純氧化鎂”。這種材料對於生產高階的鋼鐵、水泥、玻璃、陶瓷等都有著決定性的制約作用。我國高階的特種鋼生產受限，其根本原因之一是鍊鋼爐的耐火材料系統無法耐受需要的爐溫，而高純度氧化鎂材料的應用則可以全面提升耐火材料系統整體效能，減少鋼水非金屬氧化物夾雜。

超純氧化鎂千噸生產線啟動儀式現場合影

2021年6月8日，唐山海港經濟開發區，超純氧化鎂千噸生產線啟動儀式釋出會在“研究中心”工區大廳舉行。與會的領導、專家、學者、研發人員齊聚一堂，他們將見證這一鼓舞人心的時刻。

會議主席臺背景牆上、巨大的顯示屏中央，是一個碩大的“1”，下方並列一排是四個環形，四條優美的弧線將它們連線到一起。每一個圓環內撫按的是一隻厚實有力的手掌。五、四、三、二、一，隨著倒計時最後一聲的鐘鳴，螢幕上溢射出絢麗奪目的火花。

超純氧化鎂千噸生產線正式啟動了！這是一個令人歡欣鼓舞的時刻。

河北唐山海港經濟開發區，一座整潔寬敞的巨大廠房。牌匾標識：唐山海港經濟開發區北京理工大學機械與車輛學院轉化研究中心（以下簡稱“研究中心”）。廠房最西部是一個四五百平方米的展室。

展室裡是“研發中心”研發產品的流程介紹和數十件實物展品，略顯簡陋。然而，很難想象，這裡研發的是在高科技材料領域具有顛覆性創新的產品，其名稱為“超純氧化鎂”。

超純氧化鎂原電池組

氧化鎂製備遇瓶頸

工業產品最終的追根溯源，其最重要的支撐基礎就是基礎材料，沒有尖端的基礎材料，高階的產品將成為無源之水。我國高階產品乏饋，尖端基礎材料受限是一個非常重要的根本原因。

鎂是一種金屬元素，從含鎂的礦石到金屬鎂抑或是耐高溫的氧化鎂，這項技術已經在世界工業生產領域一成不變地使用了近200年。氧化鎂廣泛應用於鋼鐵、陶瓷、水泥、玻璃等需要高溫煉製的耐火行業。氧化鎂的純度不同，生產出的產品會有高下之分。以鋼鐵行業為例，我國生產的鋼產量佔世界鋼鐵總量的百分之六十，但所生產的大部分是粗鋼，這是因為鍊鋼爐的耐火材料難以達到生產特殊鋼的環境所致，而耐火材料最基礎也是最重要的合成原料就是氧化鎂。水泥、玻璃等行業生產高階產品亦是如此。

氧化鎂主要是從海水和從菱鎂礦中製備，其生產製備過程中汙染非常嚴重。菱鎂礦在轉化氧化鎂的過程中需要“高溫煅燒”，其目的是用高溫去除菱鎂礦中的二氧化碳，二氧化碳由此大量散發到空氣中。據統計，每煉製一百噸氧化鎂，散發到大氣的二氧化碳多達一百一十噸。全球科學家們已有共識，導致地球變暖的“溫室效應”的根源就是二氧化碳超量排放。

氧化鎂的另一個來源是從海水提取。而這種工藝目前需要大量使用氨水，而氨水是劇毒品。

氧化鎂第三種製備方式是“燃料電池”製備氧化鎂法。這種方法需使用金屬鎂與鉑結合才能產生電能。鉑又稱鉑金，其開採難度遠遠高於黃金，鉑屬於稀有貴金屬。這不僅造成“燃料電池”投入成本昂貴，而且規模化生產氧化鎂也受到鉑儲量、產量的極大限制。綜上所述，在環境汙染問題嚴重，製備成本高的限制條件下，氧化鎂的製備方法亟需最佳化。

在持續探索的過程中，研發團隊將視線聚焦在“燃料電池”發電機發展空間上。

另闢蹊徑創造“新法”

正是基於這樣一個創新方向的理論判斷，“研究中心”的研發團隊，經過潛心研究，終於創造出一種無“燃料電池”發電工藝，但卻完全拋棄了鉑或其他貴金屬作為催化劑的方法。如此“新法”，在燃料電池的歷史上，是一次顛覆性的創新，有巨大的潛在優勢。

一、角度獨特。

借鑑燃料電池的生產工藝但卻不再使用貴金屬，還可以製備出高級別的氧化鎂，這是一個創新，更是一個奇蹟。

“研究中心”採用的是引入特殊碳材料與金屬鎂結合的方式，實現化學變化。改造碳材料同樣是一場高科技的研發，經過多次的攻關，新的碳材料實用技術終於成功。“研究中心”團隊將處理過後碳材料稱為“碳基”材料。這也是“新法”的核心技術。“新法”技術的運用使燃料電池生產工藝發生了質變。

二、“新法”具有的優勢。

第一、降低成本，增加電能。“新法”每生產一噸超純氧化鎂投入約人民幣8000-12000元，可產出價值約28000-41000元的超純氧化鎂，同時還可產生約2000-2100度優質直流電能。

第二、零排放、無汙染源產生。“新法”運用“碳基”技術可以讓金屬鎂與水和空氣結合，不排放任何液體、氣體和廢棄的固體物。產生電能後，其唯一實存物體就是超純氧化鎂。

第三、提高了氧化鎂的純度。新法制備的氧化鎂純度可達到99。5%到99。95%。目前高等級的氧化鎂工業製備技術掌握在日本、荷蘭、美國、以色列、德國手中。以日本為例，其生產的氧化鎂的純度為99。5%，而研發中心新法制備的氧化鎂純度可達到99。95%。

“研究中心”展廳展示的用“新法”製備的超純氧化鎂，其色彩、亮度與其它氧化鎂有明顯的區別。因其純度勝過日本宇部化學生產的超高純氧化鎂，所以命名為超純氧化鎂。

第四、智慧化的生產工藝流程。製備超純氧化鎂的生產車間高度高智慧化，一個千噸超純氧化鎂的生產車間，只需要二到三名操作工，其餘則只用幾名檢修人員對生產裝置進行日常維護即可。

第五、巨大的發展空間。“新法”製備出的超純氧化鎂運用的領域十分廣泛，中國耐火材料協會會長周寧生教授對此初步總結出幾個方面：

其一、可合成世界上目前還無法實現高純度的尖晶石。

其二、可以做成奈米氧化鎂。

其三、可以做成滑板、坩堝、燒結氧化鋁、溶膠等方面更加尖端的產品。

其四、具體到鋼鐵行業，以唐山市的鋼鐵產業而言，如果使用超純氧化鎂將會產生節能、降汙、提高鋼鐵等級的巨大效益。

唐山海港經濟開發區北京理工大學機械與車輛學院轉化研究中心副主任梁靚（左） 北京理工大學機械與車輛學院董明明教授（右）

“新法”與電能

“新法”來源於燃料電池技術，燃料電池電極材料可用風能、太陽能的“垃圾電”、水能的“棄水電量”製取。“新法”燃料電池技術則可將棄風、棄光、棄水的能量進行儲存和利用，進一步提升清潔能源的使用效率，極具發展前景。

“新法”借鑑燃料原電池的發電方式，在製備超純氧化鎂的同時產生電能。“新法”發電方式有大型、中型、小型之分。

“新法”電池屬於單體化、小型化；中型化的“新法”發電方式可以滿足一個大型生產企業發電需求，而大型化的“新法”發電可以為一箇中等城市提供2000兆瓦的發電量，完全可以滿足其日常需要。

目前，電動汽車方興未艾，電動汽車如果引入“新法”將會產生巨大變化。

第一、電池本體無需更換。這得益於“插板”技術的應用。所謂“插板”是將發電源材料製成一個與電池主體獨立的個體，這是因為回收超純氧化鎂的需要，即“插板”就是超純氧化鎂的回收器。“插板”可以更換，而電池主體不動，這就是“新法”電池的“永久性”。

第二、電池能量密度大。因為使用了新的“碳基”技術，一組“插板”的行駛里程可超過1500公里。

第三、無需充電。“插板”即插即用，從此不再有充電之勞。又因為小巧的“插板”重量不足一千克，可隨車攜帶多塊。這基本上解決了續航問題。

“新法”的運用或將是電動汽車發展的福音。

“新法”的研發團隊

這是一個由教授、專家、學者等高科技人才組成的團隊，其中不乏行業的領軍人物。團隊的牽頭人梁靚，2004年就讀南京大學材料學專業，雖然身材高高大大，但不乏一副文文靜靜的書生氣。

出生在唐山的梁靚，父親是唐鋼老一代的耐火材料專家。或許是耳濡目染、也或許是遺傳基因。梁靚對材料學有濃厚的興趣，這也造就了他在材料領域敏銳的眼光。

2010年，就讀期間，從所熟悉的一位學長那裡，他了解到，在電池生產工藝中有一種碳材料在燃料電池生產中可以打破原有的工藝流程，其前景廣闊。

使用活性金屬用於發電，早在1800年由義大利物理學家伏特發明，一直沿用至今。如果可以用碳材料替代鉑等貴金屬，這將會是一次劃時代的創新。然而，這還只是理論論證階段。由理論到實踐還有一段漫長的路。

基礎材料是微觀領域的科學，位於尖端科學的前沿。一個新的方法的誕生，必須對所設計產品各個環節進行量化，這需要精確而複雜的數學計算，這是一個難關。梁靚請來了自己的忘年交，理論數學和應用數學專家陳澤森教授。經過精確的數學建模，嚴密的分析和計算，最終完成“新法燃料電池”的各項引數的量化分析，這為下一步如何工程實現，提供了紮實的資料支撐。

引數化設計完成後，隨即轉入電池原理樣機的試製。這項工作由北京理工大學機械與車輛學院董明明教授統籌。在團隊全體成員的同心協力下，最終“新法”技術全部準備工作“修成正果”，可以進行實驗性的具體操作了。經過多次試驗，終於在2018年8月26日，成功地製備出超純氧化鎂的樣品。

“研究中心”展廳，十幾種國內、國外氧化鎂的樣品擺放在櫥櫃中。“新法”煉製的超純氧化鎂樣品，獨樹一幟、潔白晶瑩、熠熠生輝，彷彿是一隻高傲的白天鵝，展現出與眾不同風采。

成功驗收

2020年12月2日，由國內頂尖級的耐火材料專家、中國耐火材料協會會長周寧生領銜，包括鋼鐵冶金、燃料電池、高溫材料領域的十一位專家，共同組成的評審團隊對“新法”進行了驗收檢查。經過嚴格的稽核，最後對“新法”給出了“電力聯動生產、清潔無害、發展前景廣闊，社會效益、經濟效益顯著，可以廣泛用於鋼鐵、水泥等生產企業，屬國際先進的科學技術”。這一鑑定結論表明，“新法”不僅填補了國內高純氧化鎂生產的空白，而且成了全球氧化鎂生產領域的領頭羊。

目前，研發團隊已經集合了一批年輕、朝氣蓬勃的博士、碩士隊伍。萬事俱備、只待東風！

唐山政府部門的支援

唐山，南臨渤海，北依燕山，是一座有著百年曆史的重工業老城，也同時是全國重要的能源生產基地，其鋼鐵的產量就佔了全國的百分之五十。其它諸如陶瓷、煤炭等在全國也具有舉足輕重的地位。重工業城市意味著工業人口的大比例，面對世界百年未有之大變局，城市轉型、發展技術含量更高、構建現代產業體系更顯迫切，這也是唐山追求的目標。

發展經濟靠科技、靠人才，這是城市經濟發展重要的基礎所在。唐山引進高校科研院所。2019年北京交通大學在唐山興辦研究生院；2020年北京理工大學與唐山合作辦學。“燃料電池”的專案正是在這樣一個大背景下，落戶到了唐山海港經濟開發區。

2020年4月12日，梁靚與唐山海港經濟開發區黨工委書記、管委會主任黃玉剛第一次接洽。入駐開發區，有其一套規則，原本準備進行詳細完整的介紹，但剛把主要的技術先進性及工藝環節介紹完，黃玉剛馬上表態說：“你們的四個專案，我們全要了，一個也不許給別人，要錢要物，我們全力配合。”外表樸實無華，但性格卻雷厲風行。這讓梁靚很感動，他知道唐山海港經濟技術開發區就是這個團隊棲息的梧桐。以後的辦事效率是快節奏的，從開始洽談到“研究中心”註冊及入駐，僅用了十二天的時間。入駐的廠區是一座6000平方米的超大廠房，並配套了500平方米的辦公樓區。

之後，唐山市政府部門更是明確表示“開發區給予的前期資金落實後，其後續資金由唐山市政府負責”。唐山政府部門的辦事效率和領導風格讓研發團隊信心倍增。

據悉，“新法”團隊的目標是在2022年底之前完成千噸級超純氧化鎂生產。這標誌著我國在尖端耐火材料生產領域已經邁出了實質性的一步。這更為我國在鋼鐵、陶瓷、水泥，以及發電領域的產品位於世界前端，提供了可靠的技術保障。

對生產者而言，以後的每一天，都將會緊張而忙碌，不過這正是他們的期待！

前景廣闊，大路在遠方！ 文/趙立明