当水处理行业还在为难降解药剂残留难题困扰，当堆积如山的尾矿侵占土地、威胁人类生存且导致资源浪费时，一项源于高能物理领域的尖端技术正在悄然出现，为资源环境治理开辟了一个新路径。北京科技大学冶金与生态工程学院李素芹教授团队历经十余年深耕，将超导高梯度磁分离(S-HGMS)技术从实验室推向产业化前沿，用“零电阻”及“超强磁”的超导特性破解工业废水处理与固废高值利用的世纪难题，让中国科技创新的光芒闪耀在日内瓦国际发明展的领奖台上。

李素芹教授在北京举行的投融资对接会上做成果展示

超导技术跨界破壁：扎根资源环境领域，助力水处理行业低碳绿色发展

提到超导这个高能物理专属名词，多数人就会想到其在电子对撞、散列中子源、航空航天、量子计算等高端领域的应用，李素芹教授却敏锐察觉到，超导“零电阻”带来的超强磁场、“完全磁性”产生的特殊效应，或许可为打破工业污染治理瓶颈找到新的突破口。她带领团队另辟蹊径，创造性地将超导高梯度磁分离技术引入资源环境领域，打破了超导技术仅服务于大科学工程的固有认知。十余年的潜心研究，实现了多项重大突破，获得国内外发明专利10余项，其中包括美国、澳大利亚及巴西等国家专利，让这项中国原创技术获得国际认可，并在日内瓦国际发明展上获得发明创新奖;两项研究成果荣获“INTERNATIONAL BEST RESEARCHER AWARD”，更印证了其在国际学术界的影响力。

超导耦合技术用于水处理：(1)在钢铁企业的转炉车间，浑浊的除尘水曾是环保工程师的难题，传统处理工艺需添加药剂，并且需要庞大的沉淀池。李素芹教授团队研发的超导高强磁处理技术，上演了“秒级净化”奇迹——不改变原有流程、无需添加药剂和磁种，仅用几十秒就将水中悬浮物(SS)从8000mg/L降至5mg/L以下，脱除率高达99%以上。技术的精妙在于独特的磁絮凝作用机制。在超导产生的超强磁场中，弱磁性氧化铁、非磁性氧化钙、SiO₂等微纳米颗粒被强行“团聚”，形成可快速捕集的絮体。更值得称道的是，通过工艺调整，这些被分离的污染物能变身为宝贵资源——回收的铁元素可制备高附加值的氧化铁红或纳米α-Fe₂O₃，真正实现“变废为宝”。与传统工艺相比，该技术占地面积减少60%以上，运行成本降低50%，用“以废治废”诠释了低碳绿色发展的内涵。

(2)循环冷却水系统的“阻垢缓蚀”彰显着超导技术的绿色魔力。工业循环水因钙镁离子富集易形成水垢及生物粘泥导致的垢下腐蚀。传统化学阻垢缓蚀剂不仅运行成本较高，且存在药剂残留风险。在国家“十三五”重大专项支持下，李素芹教授团队开发超导耦合技术，通过物化-超导HGMS协同作用，让水中成垢离子形成大颗粒沉降，同时改变水分子缔合结构，提高钙镁离子过饱和度。更神奇的是，超强磁场能诱导晶体发生晶格畸变，使水垢难以在设备表面附着，配合对生物粘泥的高效抑制，从根源上解决结垢与腐蚀难题。这项获中国及美国3项发明专利、摘得2024年日内瓦国际发明展创新发明奖的新技术，仅将循环水浓缩倍数从2.5提升至3.5，就能实现节能3%以上、节水10-25%的显著效益。在工业用水紧张的当下，每推广应用于100万吨规模的循环水系统，每年可节水数十万吨，相当于一座中型水库的蓄水量。

(3)面对毒性强、处理难的重金属废水，李素芹团队交出了令人惊叹的答卷。通过表面改性磁种与超导磁场的协同作用，无磁性的重金属离子通过氢键、范德华力与磁种结合，经超导HGMS处理后，铜离子去除率达98.52%，砷离子去除率达99.56%，低浓度络合态镍离子去除率更是高达99.6%，所有指标均远超国家标准。这种“磁种循环-超导分离”的闭环工艺，既避免了传统化学法的药剂污染，又实现了重金属的富集回收，为电镀、有色冶炼等行业的绿色转型提供关键支撑。

固废焕新向新向绿：全生命周期视角下的创新与资源革命

堆积如山的矿渣曾是生态环境的负担，仅铁尾矿，堆存量就超过200亿吨，不仅占地，还存在溃坝风险，而其中蕴含的铁、硅等有价元素，因分离技术限制而沉睡。李素芹教授提出的尾矿“全生命周期管控(LCM)”理念，为这场资源与环境的博弈带来颠覆性解决方案。

“所有固废都是放错位置、有待找到合适技术的宝贵的二次资源”，带着这一信念，李素芹团队将超导耦合技术创新性应用于铁尾矿的Fe/Si同步提取。通过超导HGMS系统的高效分离，原本混杂的硅元素被提纯至99%以上，甚至达到3N(99.9%)、4N(99.99%)以上的超高纯度，产率高达40-60%，仅此一项就实现尾矿减量近半。这些高纯度SiO₂不仅可用于板材、耐材、玻璃及陶瓷等常规领域，纯度达4N以上时，更能涉足光伏、光纤及光电等高技术领域，身价倍增。

提取硅元素的同时，副产的富铁粉同样焕发新生。团队通过专利技术将其转化为纳米级α-Fe₂O₃，这种在磁性材料、气敏元件、催化剂等领域不可或缺的关键材料，市场售价可达30万元/吨，较传统铁矿产品价值提升数百倍。最终剩余的尾渣，经处理后可作为矿渣微粉用于回填、制砖或土壤修复，真正实现“吃干榨净”的全要素利用。

这套超导耦合关键技术，较常规电磁技术节能90%，全程无二次污染，为铁尾矿规模化高值利用提供“零排放”范本。按年处理100万吨铁尾矿计算，可实现经济效益数亿元，同时减少土地占用数千亩，生态价值难以估量。正如李素芹教授所言：“固废处理不能只算经济账，更要算生态账、长远账，全生命周期管控就是要让每一份资源都发挥最大价值。”

冶金行业产生的含铁尘泥，在超导技术的加持下也完成华丽转身。团队开发的“超导HGMS-低温改性二步法”，先将转炉除尘灰(LT细灰)中的铁物质富集提纯至氧化铁含量≥95%，再通过低温改性技术转化为高品质α-Fe₂O₃。这种产品既可作为铁红颜料、防锈漆原料，也能成为磁性材料前驱体，如延伸产业链生产的纳米级α-Fe₂O₃，更可在半导体、电池材料、生物医学等高端领域展现巨大潜力。

这项获国家自然科学基金支持的技术，改变了冶金尘泥传统利用模式，让原本每吨价值几十元的工业废料，变身为售价数千元甚至数十万元的高附加值产品，真正体现了“变废为宝”的循环经济理念。

从实验室的理论探索到生产线的实际应用，李素芹教授团队的每一步突破都浸透着执着与坚守。当被问及为何选择这条跨界创新之路时，她常说：“危与机共存，资源环境领域的难题，恰恰是科技创新的机遇。超导技术不该只停留在实验室，它应该走进工厂、矿山，为工业低碳绿色发展实实在在地出力。”

十余年间，李素芹教授带领团队“零起点”出发，超导耦合技术正在从构想逐步走向工业化应用，并加速推进科研成果的产业化进程，开辟技术赋能低碳绿色发展新路径，用创新书写人与自然和谐共生的新篇章。

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