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”
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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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