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长江学者陶东平和他的“蚂蚁搬家”技术
发布时间:2018-04-17    点击数:    来源:本站原创


 

  蚂蚁虽小,但团结协作,搬家不是难事。我校“长江学者”特聘教授、国家“千人计划专家”、博士生导师陶东平研发的纳米气泡浮选技术,被业内人士形象地称为“蚂蚁搬家”。

  陶东平的这只“蚂蚁”就是纳米气泡。纳米气泡浮选技术就像蚂蚁搬家一样,在矿物浮选过程中,不管矿物颗粒大小粗细,只要是“宝贝”,纳米气泡这只可爱的蚂蚁就能成功将其搬走。精准点儿解释,纳米气泡更擅长捕获细颗粒、超细颗粒,解决浮选难题,高效利用矿产资源。

  陶东平的“蚂蚁”是怎样搬家的

  先科普一下。矿石需加工成精矿才能派上用场。怎样加工成精矿呢?先将矿石破碎研磨至微米级粒度,再对其中的有用矿物进行分离富集。而传统浮选分离技术对超细颗粒分选效果很差,资源回收率和精矿品位低,有些宝贵矿藏还因为没有高效浮选分离技术无法开采,造成资源严重浪费。所以,怎样在浮选过程中最大限度地保证“该走的走,该留的留”,一直是浮选技术要解决的瓶颈。

  本世纪初,陶东平教授正在美国肯塔基大学工作,从事矿物加工领域的研究和教学。他在不断的文献阅读和研究过程中发现,纳米气泡有很多与众不同之处:它表面能量比较高,很容易和疏水颗粒结合;它的体积极小,生成机理与常规气泡完全不同,与矿物颗粒碰撞黏附的几率更大,捕捉超细颗粒的效率更高;它内部压力比较高,可以像一座桥梁一样,通过毛细管原理将很多超细颗粒聚拢兼并成大颗粒;它吸附力强不易脱落,可以充当化学捕捉剂,以减少浮选过程中化学试剂的使用……哇,纳米气泡如此了得,若是能拥有它,对矿物浮选来说,无异于一个福音。

  意气风发的陶东平将目光锁定这个世界性难题,他要用小小的纳米气泡实现高效浮选。

  陶东平要攻克的第一个“高地”就是制作出纳米级气泡。纳米气泡在水中像是乳状液体,只能通过激光测试体积大小。它就像和陶东平“捉迷藏”,很不情愿地一点点“瘦身”,从几毫米缩小到零点几毫米,再到1微米以下,直至几十、几百纳米,微缩到原来体积的几百分之一、几千分之一……

  问题是,这场“搬家大战”不是纳米气泡的独角戏,矿物颗粒必须与之“对接”,双方才能“执子之手”同步迁移。所以难就难在,如何实现生成的纳米气泡与矿物颗粒成为最佳拍档,不论数量、尺寸,还是在水中的浓度、粒度分配,二者都完美契合。这就像十月怀胎一朝分娩之后,培育更为关键一样,陶东平要根据浮选的矿物颗粒特点,对生成的纳米气泡进行相应的控制和优化。而自然矿物千千万,每一种矿物都有自己的“小个性”,只有对纳米气泡不断进行微调,才能“成功搬家”。

  没关系,陶东平有足够的信心和耐心。

  5年!陶东平首先开发出非金属磷酸矿的纳米气泡浮选技术。“最艰难的就是从理论到应用,进行技术开发。”陶东平声音响亮,虽然靠后的发际线凸显了他智慧的前额,但加重的语气还是透露出当年摸索的艰辛。

  煤,是陶东平攻克的第二种矿物。作为一种可燃的沉积岩,按照不同的分类,煤又分很多种,不同种类其颗粒也有差异,浮选过程更是微妙复杂。尽管陶东平对此有充分的思想准备,小心伺候,但困难程度还是超出了他的预期。当然几番拉锯战之后,最终也被陶东平的纳米气泡成功搬家。紧接着是硫化矿……

  就这样各个击破,陶东平从浮选动力学、流体力学、界面化学等多方面分析传统浮选技术缺陷和短板,潜心研究十余年,提出“纳米气泡浮选理论”,并开发出可用于浮选柱和机械搅拌式浮选机的实用技术。事实证明,凭借该项技术生成的纳米气泡,如陶东平所希望的那样,具有超强“威力”:

  威力一,纳米气泡对疏水颗粒“情有独钟”,具有天然选择性,遇见就是永远;威力二,浮选过程中,纳米气泡与矿石颗粒的碰撞与附着合二为一,既提高了“速配”概率,又降低了再次“脱单”的可能,从而显著改善浮选回收率和精矿品位,大大简化选矿工艺流程,降低维护和运行费用;威力三,纳米气泡可“兼职”作副捕收剂,降低化学捕收剂用量约1/3-1/2,同时可减少起泡剂用量1/3以上,降低化学制品对环境的污染,契合绿色环保生态文明建设的大主题。

  当然最重要的是,纳米气泡浮选技术大大提高了矿物回收率,如难浮选的煤和磷矿的回收率可提高20-25%左右。现今,纳米气泡浮选技术的优越性已在多种矿物上得以验证,陶东平的“蚂蚁”是“大力士”!

  科大人陶东平在科大

  陶东平祖籍江苏,个头不高,宽肩膀,声音响亮,喜欢大笑,有东北人的爽直。也许是冥冥中的缘分,陶东平大学时期第一个实习单位就是地处鞍山的鞍钢。那一次,钢都火热的炼钢炉,比肩而立的矿山,源源不尽的矿产资源,都给刚刚17岁的陶东平留下了深刻印象。

  1983年,陶东平于北京科技大学本科毕业,到中国矿业大学攻读硕士学位,硕士毕业后留校工作。1989年,陶东平前往美国弗吉尼亚理工大学做访问学者,因表现优秀,翌年被该校破格免试录取为博士生,攻读矿物加工工程专业博士学位。1994年,陶东平博士毕业,先在美国弗吉尼亚理工大学工作两年,后又到美国肯塔基大学任教,获终身教授、杰出教授等称号。陶东平长期从事细颗粒分选、静电分选、矿物活化和抑制、纳米粒子分离方面的研究,其在专业领域的建树,赢得了业内外人士的认可,获美国过滤协会资深科学家称号及采矿学会最佳论文等奖项,并先后十多次获肯塔基大学Wethington研究奖。完成科研项目40多个,发表学术论文近150篇,担任多家国际著名公司技术顾问。

  但陶东平始终记得,自己是炎黄子孙,多年来,他虽身在大洋彼岸,却从未间断与国内相关院所和企业的联系与合作。

  近些年,祖国各行各业都驶上了发展的快车道,陶东平惊喜地看到,自己用知识报效祖国的机会更多了,个人事业发展的空间也更大了,时不我待。正巧,我校刚刚恢复招生的矿业加工工程专业“百业待举”,急需科研大牛来领头带队。是机缘巧合,也是命里注定,2017年春天,已在国外学习、工作、生活28年之久的“长江学者”特聘教授、国家“千人计划专家”陶东平,在校领导的诚挚邀请下,毅然进驻钢都,走进科大,成为实实在在的辽科大人。“这地方好。城市小了点儿,地方偏了点,但这里有钢铁,有矿业学科,对我来说更有意义!”他爽快直言。

  这么一位有影响力的专家学者来到科大,从学校到学院,从领导到同事到学生,无不喜上眉梢,紧锣密鼓地帮助陶东平教授组建研究团队,筹建实验室,购买尖端科研设备……陶东平也马上投入到新的科学研究中。这一次他对准了“铁矿超细颗粒分选”课题,他的目标是:利用纳米气泡浮选技术,使铁矿物超细颗粒的利用率达到95%。

  十几年前,陶东平凭借自己丰富的知识,扎实的专业功底,以及广泛的工业联系,发现了纳米气泡浮选技术这一同时具有应用性和可行性的研究方向。他一猛子扎进去,摸索十余年,在国际上率先提出“纳米气泡浮选理论”,取得了令人瞩目的科研成果。如今身在钢铁之都鞍山,无论如何,他都要利用这项新技术,让“铁矿超细颗粒分选”技术,落地,生根,开花,结果。

  “你若芬芳,蝴蝶自来”。陶东平身边很快聚集了越来越多的同道中人。化工学院本是以生物传感器和生物燃料电池为研究方向的王月老师,因为相关的学缘背景走进了陶东平团队。王月的任务是:以黄铁矿(主要成分二硫化亚铁)为研究对象,对硫化矿物进行电化学实验,以利选矿。在研究过程中,王月却意外发现,利用黄铁矿做电极可以检测过氧化氢含量。王月第一时间找到陶东平教授探讨,陶东平非常支持她的想法,鼓励她结合自己的专业进行尝试,开展研究,为硫化物提供新的用武之地。王月立马投入研究。从有想法到实验,再到论文撰写,最后论文被SCI接收,仅用3个月时间。3个月刷出黄铁矿新的存在感,王月始料未及,陶东平也喜出望外,说这是“意外收获”。

  “陶老师来了之后,我见到了一些国外引进的先进技术,这是我从来都没有见到过的。科研的思路上,陶老师教会我们更加严谨。”学生感慨。

  经过半年的探索,陶东平的“蚂蚁”搬出来的铁矿颗粒已经由开始的尺寸大数量少,变得超细可人了。眼下,团队正与鞍山钢铁集团等单位通力合作,争取尽快在国内实现铁矿超细颗粒纳米气泡浮选技术工业化应用。

  现在陶东平又把目光瞄准了石墨矿。随着新能源、新材料产业的崛起,石墨产品,尤其是其下游深加工制品,越来越引起关注,正逐渐成为国防、航天、新材料等领域不可替代的重要材料,美国、欧盟等早已把石墨列为重要的战略资源,并加以控制开采。陶东平当然不能落后,他的目标是,通过纳米气泡浮选技术,将石墨矿回收率提高到95%,制成产品后,其纯度可达99.99%。

  “从未质疑过,只要理论上令人信服,可行,就坚持做下去,成功只是时间问题。”陶东平笑呵呵地说。想当年,当陶东平将目光锁定“纳米气泡浮选技术”时,就深知前路难行,但是光明在那里,他没有别的选择。而这一走,就是十余年。他一直坚信自己的努力,他知道,时间会给他答案。

  实际上,陶东平的研究领域十分广阔,比如现在,除了纳米气泡浮选技术开发,他还同时开展其他研究:表面化学、环境保护、干法分选(矿)技术、矿物药剂开发……至于时间嘛,合理安排,交叉思考,立体行动,每天多出几小时也不是没有可能。重要的是,他觉得自己必须“花功夫,投入地去做”,因为“人要有进取心、事业心,实现自身价值”。何况陶东平还有一份责任在肩,“我现在是科大人,要对科大负责,必须尽自己所能做出贡献。”陶东平带着满眼的笑意郑重承诺。(邢秋艳/文)

(编辑  邢秋艳)

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