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他被誉为中国“稀土之父”,改变了世界稀土格局,如今成为中国反制美国的“王牌”

小德 德先生 2019-10-09


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稀土元素被誉为现代工业的“维生素”,在冶金、石化、光学、激光、储氢、显示面板、磁性材料等现代工业领域均有广泛应用。随着世界科技革命和产业变革不断进步,稀土元素的战略价值和重要意义日益凸显。


随着美国一些政客不停发出极限施压的叫嚣,人们愈加关心中国会拿出哪些“王牌”作为回应。作为美国升级贸易摩擦的反制措施,中国决定于6月1日起上调自美国进口稀土产品的关税税率。而下一步,是否要收紧对美的稀土产品出口,则是中国手中的另一张“王牌”。


今天的中国稀土产业已是世界一流,最大的优势在于分离提纯技术先进、效率高、成本低。但我们走到今天这一步却很是艰难。20世纪90年代以前,中国稀土生产工艺和技术还十分落后。发达国家当时把稀土生产技术作为机密对中国封锁,使中国只能出口稀土原矿,送到美法日等国家深加工后,再高价返销中国。


徐光宪

1975年,国内的一位稀土专家刻苦攻关提出了串级萃取理论,实现了稀土分离技术的重大突破,打破了发达国家技术垄断。他,就是中国科学院院士徐光宪。

为了生计,考入上海交大化学系

1920年,徐光宪在浙江绍兴出生,那时他的家境还算殷实。上世纪30年代,徐父病逝,徐家家道中落,徐光宪在父亲的影响下,抱着想要成为一名工程师的愿望,考入了杭州高级工业职业学校土木科。


杭州高工位于浙江大学西南角与浙江省立图书馆仪一门之隔,在繁重的课程之外,徐光宪和他的同学们常常跑到图书馆去借书自习,学习知识如饥似渴。


不久,抗战爆发,杭州沦陷,杭州高工随之解散。1938年夏天,徐光宪转学至宁波高工,继续艰难的求学之路,吃、住、上课都在一座小寺庙里。1939年,徐光宪又辗转到了上海,晚上做家教谋生,白天到大学听课。为了省钱,他考取了学费最便宜而且有奖学金的交通大学化学系。


之所以选择化学系,其实是迫于现实——那时的徐光宪,更喜欢物理、数学,但学化学的毕业后可以进化工厂,工作机会更多些。


当时的交通大学一部在法租界的震旦大学教室上课,上海租界是血气氤氲的孤岛租界内的中国同胞既要承受日军刺刀的威胁和“思想战”的巨大压力,还要忍受外国人的欺辱。


然而在这座孤岛内,徐光宪和同学们挤在简陋的教室里解析艰涩的化学方程式,用残留下来的仪器做实验,大家学习的热情格外高涨。在那期间,徐光宪做了大量的习题,徐光宪曾说,“这些学习对我打下基本功起到了很好的作用,一生受用不尽”。


交大的整整四年,徐光宪都是班上的第一名。大学毕业后,徐光宪以两门功课满分的成绩考入哥伦比亚大学攻读博士学位,主修量子化学,由于成绩特别优异,还获校聘助理。在这里,他迎来了学术生涯的第一个高峰。


留学是为了报效祖国

不久,同样攻读化学的妻子高小霞也来到美国半工半读。不到三年间,徐光宪不但取得了硕士、博士学位,而且当选为美国Phi Lamda Upsilon化学会会员和Sigma Xi科学会荣誉会员,接连荣获两枚“开启科学大门的金钥匙。毕业后,导师竭力留他在哥大任讲师,并推荐他去芝加哥大学做博士后。青年徐光宪面前,天高地阔。


在美国留学期间,徐光宪不但热衷于攀登科学高峰、潜心研究,也时刻不忘祖国。他和妻子早已商定,只要等到妻子高小霞拿到博士学位,他就可以实现自己多年的夙愿了,回国为新中国建设添砖加瓦,喜悦之情不仅跃上心头。


1950年,就在徐光宪夫妇俩攻读各自的博士学位时,大洋彼岸,抗美援朝开始了。徐光宪慢慢感觉到美国国内有一种让他极为不安的气氛。钱学森回国受到美国政府阻挠,不久美国就提出法案,要求全体留美学生加入美国籍,不准回国。


徐光宪苦恼了,他想到了令他牵念不已的父老乡亲,想到了新中国成立时他在异国的欣喜,想到了自己立下的宏愿:学成归国,有所奉献。还有,妻子高小霞还有一年就可拿到博士学位了,放弃,她会同意吗?


1949年与高小霞在哥伦比亚大学

真正的伴侣,心是相通的。高小霞果断地背上了行囊:“留学为什么?为了学成后报效祖国!”就这样,两人以“回国探亲”为借口取得签证,克服重重阻力,毅然归国。


在新中国,他们很快找到了舞台,夫妻俩双双到北大任教。当时的科研条件跟国外相比可谓天壤之别,徐光宪却工作得充满激情。1951年,他为学生们开设了物理化学课,培养了第一批放射化学人才;新北大成立后,他主讲新开的物质结构课,编写了全国第一本物质结构教材;他服从国家需要调入原子能系统,从事核燃料萃取化学研究,使我国的核工业逐步走上快速发展的轨道。


1955年1月,中央决定要研制原子弹,由于回国科学家中研究原子核物理和放射化学的只有钱三强、何泽惠等人数不多的专家,于是国家提出“全民办原子能”的号召,要求北大、清华等许多高校建立原子能系,动员邻近领域的学者转行搞原子能。


徐光宪和同事讨论工作

时任核工业部副部长的钱三强到北大来查阅档案,建议徐光宪担任北大原子能系副主任。于是徐光宪根据国家需要,将核燃料萃取化学作为自己新的研究方向,为打造北大技术物理系这一“核科学家的摇篮”做出了历史性贡献。


在当时,国际上萃取化学仍然是一门新兴学科,关于萃取体系的分类很不统一,在理论中存在着很多与实际和试验不相吻合的假设,甚至对萃取机理的解释也相当混乱。


徐光宪决定首先从系统整理资料入手,他作了上万张文献卡片,经过深入的思考、分析,归纳,于1962年提出了恰当而细致的萃取体系分类方法,随后有在此基础上阐明了若干典型体系的萃取机理,提出了几个关于萃取的一般规律,他的这些研究成果很快运用到我国的原子能工业中去。


1964年,徐光宪参加了二机部在青岛召开的绝密会议。在会上,徐光宪和清华大学的教授等提出,摈弃由苏联专家提供的落后的沉淀法,以我国仿照美国先进的Purex流程,自行研究的萃取法筹建核燃料后处理厂,制造原子弹原料一一钚。


一九六四年的全家福

徐光宪等人的这一提议,在决策上起了作用,使我国在苏联专家撤走后,在没有图纸的情况下,用较低的成本快速改建了还没有完成的厂房,使我国的核工业在国家最困难的时候走上了快速发展的轨道。


被点将,领先分离“孪生兄弟”

与徐光宪的名字和事业紧紧联系在一起的两个关键词是:“萃取”、“稀土”。


20世纪70年代的中国稀土业正处于起步阶段,对外只出口稀土精矿和混合稀土。中国原本有着世界上最大的稀土资源储备,仅白云鄂博一地的储藏量就占整个世界的50%以上。中国是稀土资源大国,却不是稀土生产大国。


白云鄂博稀土矿

当时世界最大的稀土厂是法国的罗地亚公司,中国曾经考虑想买他们的技术,但他们要价很高,并要求稀土产品只能卖给罗地亚公司,由他们在全世界销售。


1972年,北大化学系接受了一项紧急的军工任务——分离镨钕,纯度要求很高,徐光宪成了这一研究的领军人物。从量子化学到配位化学,再到核燃料化学,直到最后的稀土化学,这已是徐光宪第3次改变研究方向了。


镨钕都属于稀土元素。稀土元素一共有17中,包括Sc、Y和15种镧系元素。它们的化学性质极为相似,要将它们一一分离十分困难,而镨钕的分离又是难中之难。


在当时,国际上稀土分离的主流是离子交换法和分级结晶法。两种方法在过程上不连续,成本很高,提炼出的稀土元素纯度也成问题,不太适应大规模的工业生产。


徐光宪思索再三,决定还是采用自己已经研究过多年的老法子——萃取法来完成这项艰巨的任务。


“萃取法”是在煤油中加入萃取剂,使它和镨钕混合物的水溶液,通过摇晃震荡的方法将其一次次分离,最终得到纯度大于99.9%的镨和钕分离产品。


在这之前,还没有人将萃取法真正运用到分离稀土元素的实际生产过程去,很多人都不相信萃取法能够适用于是工业生产。徐光宪没有因为横在面前的荆棘而畏缩,他以他特有的学术敏感,敏锐地指出萃取法用于稀土分离是大有可为的。而给了他充足信心的则是早年在萃取化学研究中获得的经验。


当时一般萃取体系的镨钕分离系数只能达到1.4-1.5,徐光宪从改进稀土萃取分离工艺入手,通过选择萃取剂和络合剂,配成季铵盐DTPA“维拉”体系。最终他不仅出色地完成了这一项紧急军工任务,而且使镨钕分离系数打破当时的世界纪录,达到了相当高的4。


但是徐光宪和他的研究群体却没有时间去享受喜悦,因为“萃取法”试验要花去很长时间,要经过小试、中试,最后才能投入实际生产。徐光宪开始寻求新的办法,能不能在理论上确定萃取剂、料液和洗涤剂的流量比例以及萃取段和洗涤段的级数等工艺参数呢?


经过试验,他发现在几百级萃取槽中,萃取段和洗涤段的金属离子总浓度在两相之间的比值是一个常数。这就是他发现的“恒定混合萃取比规律”。


在这一规律的基础上,徐光宪建立了串级萃取理论,和他的团队共同创建了“一步放大法”,革除了“摇漏斗”的小试,和中试、扩大试验等国内外传统的新工艺研究开发的流程,并在上海跃龙化工厂试验成功,这一方法在当时和今天都是领先世界的!为此,徐光宪被称作“稀土界的袁隆平”。


两次上书惊动总理

从上世纪90年代起,由于我国单一高纯度稀土大量出口,使国际单一稀土价格下降了30%—40%,原来曾经长期垄断国际市场的一些国外稀土生产商不得不减产、转产甚至停产,他们称之为徐光宪的“China Impact”,影响十分深远。


有人说,徐光宪和他的同事们共同创造了一个“中国传奇”。1992年,邓小平视察南方时,在听了有关对国内稀土产业的发展情况的介绍后十分高兴地说:“中东有石油,中国有稀土。”


徐光宪(左一)获得2008年度国家最高科学技术奖

离开工作一线的徐光宪密切关注学科发展和规划,发表了一系列颇有见地和创新思维的论文报告。他曾亲赴内蒙古白云鄂博和四川攀西冕宁矿区考察。


2005年9月,徐光宪、师昌绪、何祚庥等15位院士联名写了一份关于保护白云鄂博矿钍和稀土资源,避免黄河和包头受放射性污染的紧急呼吁的院士建议,上报国务院。


很快,这份紧急呼吁便得到时任国务院总理温家宝的亲笔批示:“这个建议很重要,请国家发改委阅办。”2006年6月19日,徐光宪就如何落实总理批示再度报告温总理,一周内便得到温家宝的再次批示:“请培炎同志阅转发改委研究,发改委可邀请徐光宪同志谈一次。”


在总理批示后,国土资源部下令从2007年起,我国稀土矿开采限制8万吨(原来是l2万吨),小于全世界的需求量l0万吨。这一消息公布后,我国生产的优质单一高纯稀土(占世界产量的90%)的国际价格就上升1倍多,使我国稀土出口量减少,而收益每年增加一、二亿美元。那两份沉甸甸的批示中,我们看到了一位老院士沉甸甸的心。



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