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暑假期間，大二女生潘玉花幾乎一直泡在實驗室里，她有時候發(fā)愁晶體太小，有時候納悶兒為什么同樣的操作得到的實驗現(xiàn)象卻不一樣。

她研究的對象是磷酸，確切地說，是磷酸中的雜質(zhì)。和她一樣鉚足勁兒跟磷酸雜質(zhì)“作對”的，共有來自9個省份、12所高校的16支團隊。

這道讓他們冥思苦想的題目來自貴州磷化(集團)有限責任公司(以下簡稱“貴州磷化集團”)，此次征集的是濕法磷酸除雜的新方案。

2024年3月，第十九屆“挑戰(zhàn)杯”競賽2024年度“揭榜掛帥”專項賽征集賽題，團貴州省委特別邀請貴州磷化集團出題。此前不久，貴州省委、省政府提出“富礦精開”，要求精確探礦、精準配礦、精細開礦、精深用礦。貴州的礦產(chǎn)資源富集，錳、磷、鋁等49種礦產(chǎn)儲量居全國前10位。其中，磷是重要的工業(yè)原料，位于貴州中部的福泉市更有“亞洲磷都”之稱。

貴州磷化集團供應(yīng)全國1/4的磷酸，其下游產(chǎn)業(yè)包括新能源電池前驅(qū)體材料、化肥、磷精細化工品等。

隨著下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展，他們需要獲得更高純度的磷酸。作為該公司科技管理部創(chuàng)新研發(fā)主管，彭寶林關(guān)注的是，“磷化集團的凈化工藝已經(jīng)20多年了，我們需要儲備一些新的、成本更低的技術(shù)，因此要借助大學(xué)、科研院所的力量。”

讓他們沒想到的是，一群行業(yè)外的大學(xué)生帶來了新的靈感。

“跨界”的靈感

這次比賽，出題人決心“另辟蹊徑”。

磷酸凈化工藝常用的是溶劑萃取法，但彭寶林表示：“用萃取法凈化磷酸，無論是技術(shù)，還是成本、能耗，我們已經(jīng)做到極致了。”

作為出題人之一，彭寶林特別提出，要用“非萃取法”來凈化磷酸。這意味著參賽選手要從沒有路的地方“蹚出一條路”。

甄曉彤是西安建筑科技大學(xué)的研二學(xué)生，她就讀于環(huán)境工程專業(yè)。2024年夏天，甄曉彤偶然聽其他課題組的同學(xué)聊到“揭榜掛帥”專項賽。瀏覽了50多個賽題后，她覺得“磷酸凈化”賽題跟自己的研究方向很契合。

環(huán)境工程專業(yè)的一大研究任務(wù)就是處理工業(yè)廢棄物，甄曉彤所在的課題組對“鹽酸凈化”做了很多工作——將工業(yè)廢酸除去雜質(zhì)、提高鹽酸的純度，再將鹽酸回收利用。

該課題組曾使用“擴散滲析膜分離技術(shù)”來凈化鹽酸、硫酸，技術(shù)已經(jīng)比較成熟。甄曉彤考慮，這項技術(shù)或許也可以用于磷酸凈化。

滲析膜的性能通常用“選擇性”和“通量”來衡量，一般來說，選擇性較高的膜，其通量不那么高。甄曉彤和隊友在膜上添加了一些新物質(zhì)，使其通量大幅提高，這意味著磷酸“跑”得更順暢，雜質(zhì)則留在膜的另一側(cè)。

貴州磷化集團要求將肥料級磷酸的MER值(磷酸純度的一項衡量指標，數(shù)值越小，純度越高——記者注)降到3%以內(nèi)，甄曉彤團隊可以將MER值降到0.15%。重復(fù)20多組實驗，都能穩(wěn)定地達到這個效果。

獲得本次“擂主獎”的是另一支“跨界”團隊。

收到賽題時，王占昊在武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院讀研究生一年級，導(dǎo)師讓他帶領(lǐng)課題組的同學(xué)嘗試“揭榜”。

他們選用的凈化材料是樹脂，常規(guī)思路是利用樹脂吸附雜質(zhì)，但很快遇到了問題。王占昊說：“樹脂的選擇性比較單一，一種樹脂只對一種雜質(zhì)有效，除雜的藥劑又非常貴。”

實驗進行了兩周后，他們決定反其道而行之：用樹脂來吸附磷酸，再將磷酸從樹脂上洗脫下來。

這個逆向思維連彭寶林也忍不住贊嘆。

篩選出合適的樹脂成為關(guān)鍵。王占昊和隊友用大量的離子液體改變樹脂的物理化學(xué)性質(zhì)，使之能夠吸附磷酸。王占昊記得，大約嘗試了10幾種離子液體。“萃取法用的是有機溶劑，很貴。離子液體則是一種新型、綠色環(huán)保的介質(zhì)，價格也便宜。”

他們從2024年5月中旬正式開始實驗，一直到6月中旬才篩選出合適的樹脂。

用離子液體制備樹脂的時間長、能耗高。為了提高反應(yīng)效率，他們又想到，使用超聲波探頭促進有機化學(xué)反應(yīng)，成功將反應(yīng)時間從十幾個小時縮短到兩三個小時，并降低了反應(yīng)溫度。

作為研究團隊的新人，王占昊獨立撰寫了2.5萬字的項目報告，還寫了一篇論文、一項專利的申請書。這些經(jīng)歷讓他脫胎換骨：“一開始我只是一個普通的研一學(xué)生，現(xiàn)在我會做PPT、寫論文、寫專利申請書。”

本科生團隊闖進決賽

令評委驚訝的是，入圍決賽的隊伍中有一支完全由本科生組成的團隊。

在評審現(xiàn)場，這支來自黔南民族師范學(xué)院的團隊讓彭寶林印象深刻。和其他參賽選手相比，這支團隊的兩名選手看起來有點兒怯場，卻流利地答出了評委提出的所有問題，并清晰解釋了實驗的各種細節(jié)。

彭寶林說：“數(shù)據(jù)很翔實，實驗指標數(shù)據(jù)、篩選介質(zhì)、藥劑、試錯時的想法都講得很清楚。”

2024年4月看到比賽通知時，當時讀大二的潘玉花正在該校教師周駿宏的實驗室做實驗，她對“磷酸凈化”這道題目很感興趣——跟她的實驗方向比較相似。

黔南民族師范學(xué)院位于貴州省黔南布依族苗族自治州，有“亞洲磷都”之稱的福泉市也位于黔南州，該?；W(xué)院承擔了周邊磷化企業(yè)的一些橫向課題。

選出賽題后，潘玉花邀請對此感興趣的同學(xué)組隊，大家一邊查資料，一邊做實驗，一邊推翻各種方案。

一次次實驗后，潘玉花逐漸明確了思路：先將磷酸與尿素反應(yīng)生成磷酸脲，再將磷酸脲與草酸反應(yīng)重新生成磷酸，由此提高純度。

但如何控制磷酸脲晶體的大小?晶體越大，雜質(zhì)越少，純度越高，每次實驗得到的晶體大小都不同，這令她頗為困惑。在周駿宏的指導(dǎo)下，潘玉花耗費一個月時間，終于探索出降溫先慢后快的方法。

實驗過程中，她“經(jīng)常遇到知識的空白區(qū)域”，為此查了許多論文。為了做好實驗，周駿宏還帶領(lǐng)這支團隊去附近的磷化企業(yè)調(diào)研，了解實際生產(chǎn)的情況。

考慮到這項研究要應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，潘玉花希望實驗原料便宜、實驗過程中盡量沒有廢液產(chǎn)生。令她喜出望外的是，這種方法產(chǎn)生的廢液可以用作肥料，她正在探索副產(chǎn)物草酸脲的用途。準備比賽期間，周駿宏還指導(dǎo)學(xué)生申請了專利，潘玉花是第一發(fā)明人。

2024年11月，終審評審會在浙江杭州舉辦，潘玉花團隊獲得了特等獎，他們是為數(shù)不多的本科生。

從實驗室到企業(yè)仍有距離

甄曉彤覺得，這項比賽很好地鍛煉了她的演講能力，“我原來比較靦腆、內(nèi)向”;準備比賽的過程中，團隊遇到很多困難，“這也鍛煉了我們解決問題的能力”。她打算未來繼續(xù)研究磷酸的凈化工藝。

王占昊說，這次參賽讓團隊成員了解了磷化行業(yè)，“我們團隊有好幾個同學(xué)都很想到磷化集團工作”。

貴州磷化集團辦公室主任田茂芳曾擔任該集團團委書記，全程參與了這次“揭榜掛帥”征集工作。田茂芳記得，獲獎團隊中有的學(xué)生參加了貴州磷化集團的校園招聘，并通過了筆試、面試。他說，在面試中，人力資源部門會重點關(guān)注這些學(xué)生，“我們公司歡迎這樣有研究精神和能力的學(xué)生來應(yīng)聘”。

貴州磷化集團出的賽題包含3個方向：肥料級磷酸的凈化，萃余磷酸的凈化，將凈化后磷酸的純度做到“電子級”。選手可以任選一個方向作答。

磷酸按照純度可分為“工業(yè)級”“食品級”“電子級”等，純度依次升高，價格也隨之升高。彭寶林告訴中青報·中青網(wǎng)記者，該公司的濕法凈化磷酸年產(chǎn)量200多萬噸，分為工業(yè)級磷酸和食品級磷酸。前者多用于生產(chǎn)化肥，后者純度較高，可用于生產(chǎn)食品添加劑、磷系新能源電池材料、芯片加工等。未來，芯片精度提高，對磷酸純度的要求也會更高。

彭寶林坦言，從企業(yè)生產(chǎn)的角度來說，同學(xué)們提出的方案還不夠成熟，但作為評委，他更看重技術(shù)的創(chuàng)新性。未來，要將研究應(yīng)用于實際生產(chǎn)，還要考慮成本、技術(shù)可行性、與現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備的銜接等因素。目前已有獲獎團隊的指導(dǎo)教師來該公司對接下一步實驗。

共青團貴州省委書記楊云表示，2024年，團貴州省委聯(lián)合貴州省自然資源廳等部門，動員全省廣大團員和青年投身“富礦精開”，實施貴州共青團投身“富礦精開”五大行動。為此，團貴州省委特別邀請貴州磷化集團參與第十九屆“挑戰(zhàn)杯”競賽2024年度“揭榜掛帥”專項賽，聚全國高校之智，助力企業(yè)破解技術(shù)難題。

楊云說：“我們將發(fā)揮好‘揭榜掛帥’破解技術(shù)難題的機制，同步開展省級賽事，發(fā)布更多選題，努力把科技創(chuàng)新這個‘關(guān)鍵變量’轉(zhuǎn)化為貴州高質(zhì)量發(fā)展的‘最大增量’。”(中青報·中青網(wǎng) 李雅娟)