他们从罐垢中找到破解之法，让高纯镁除杂技术实现工业突破
近日，西安交通大学材料科学与工程学院教授单智伟团队在《自然·材料》发表研究论文，提出了一种全新的镁纯化策略，在工业条件下实现了铝杂质的高效、低成本去除，为低铝高纯镁的大规模制备提供了关键技术突破。目前，该技术已应用于企业的工业产线上。
“很多时候，解决产业难题的关键线索，并不在高深的理论推演里，而藏在最日常、最不起眼、甚至最令人厌烦的生产细节中。”团队负责人、文章通讯作者单智伟这样总结。
单智伟（左三）团队在实验室。西安交通大学供图铝含量从109.5到6.3
镁是重要的战略金属，在交通轻量化、高端战略金属还原及生物医用等领域具有广泛应用前景。当前全球约80%的原镁依赖硅热法生产，该工艺虽具成本和规模化优势，但伴有杂质含量高、波动大的痼疾。其中，铝杂质尤为突出，其不仅含量普遍偏高，而且在工业生产中波动最为剧烈。
研究数据显示，在实际生产过程中，铝含量可在21—845毫克/千克之间大幅变化，波动幅度超过32倍，跨越了五个纯度等级。这种不稳定性不仅严重制约了镁在电子级钛、核级锆、生物医用等高端领域中的应用，而且由于不同纯度品级之间差价显著，也直接降低了生产厂家的经济效益。但长期以来，铝杂质波动的顽疾却被视为一种该工艺的伴生物，很难治愈。
为突破这一难题，研究团队对该杂质的产生，传递和沉积机理进行了全面的剖析。早在2023年，他们就发现，在硅热法过程中，铝主要以气态氟化铝形式存在，并在冷凝过程中与镁共同沉积，成为污染的根本来源。经表征分析罐内壁结垢后，推测氧化钙可有效除铝。
文章第一作者、西安交通大学博士生郑芮通过实验证实，添加氧化钙可将镁中铝含量从约109.5毫克/千克降低至6.3毫克/千克，杂质去除率超过90%。
依托与原镁龙头企业泰达煤化的长期合作及陕西省镁基新材料中试基地，团队第一时间将成果同步至企业并指导工业验证，效果显著。
后经过几轮迭代优化，团队采用更低成本、更易获取且可循环利用的炼镁原料——煅烧白云石（氧化钙和氧化镁的混合物）作为滤材，铝含量满足高纯镁（Mg9998）标准的产品比例由原先接近0%提升至83.3%，实现了从“偶然达到”到“稳定获得”的跨越。
分析表明，该方法的纯化成本较主流真空蒸馏技术降低约96%，为低成本规模化制备低铝高纯镁提供了切实可行的路径，为向下游高端应用提供稳定、优质且经济的原材料奠定了技术基础。
此外，这一“沉积物启发”的滤材筛选策略还可进一步拓展至镁中其他杂质的调控。在专利被授权之前，该技术已经在工业产线上得到推广应用，并产生了显著的经济和社会效益。
整个镁合金业领域或将受益
“经济效益确实很显著，但我们更开心的是它对整个产业链带来的‘连锁反应’。”单智伟告诉《中国科学报》，镁里的铝不全是以金属形态存在的，有一部分是以化合物的形态存在，比如氟化铝。它们就像“隐形的捣蛋鬼”，会进入到下游产品里。
单智伟举例说，海绵钛生产就可能深受其害。钛在电子芯片领域特别重要，镁是制备钛的还原剂，如果原镁里铝杂质控制不好，铝会遗传到钛里边去，而且一旦进去就很难再赶走，像沾了胶水一样。“芯片级钛要求极高，铝杂质多了就报废了。”单智伟强调。
再比如生物医用领域，镁合金可以做可降解骨钉，但如果含铝高，铝在人体内积累可能会增加阿兹海默症风险。“所以我们把铝降下来，对医疗器械也是大好事。”单智伟表示。
有一种流行观点：“对于本来就要加入铝的镁合金而言，原镁有铝杂质无所谓。”而团队最近实验证明这一传统看法与事实大相径庭。“我们发现即便是镁中只有不到1/10000的杂质铝含量，也能显著劣化纯镁的耐腐蚀性能。我们正在整理这项成果，希望整个镁合金业领域都能因为这个发现而受益。”单智伟表示，这项技术不仅帮企业显著提高了利润，更让下游的钛、电子、生物医疗等产业都受益，随之而来的就是对行业标准的修订。
“七步之内必有解药”的科研思维
回望科研的过程也伴随着大大小小的困难。在单智伟看来，破解这一产业难题的关键，恰恰在于找对思路。他坦言，团队曾在梳理工厂实际生产数据时发现一个反常现象：同一天生产出的原镁，铝含量却忽高忽低、波动剧烈。“可同一天的原料、工人操作、工艺条件都基本稳定，这在逻辑上是说不通的。”
正是这份“说不通”，推动团队把目光投向生产现场。古人云“天下至毒之物，七步之内必有解药”，在科研团队眼中，越是令人头疼的产业顽疾，其答案往往就藏在最贴近生产的细节之中。
他们注意到一个让工人很头疼的场景——炼镁还原罐的罐口每天都会结一层硬垢，如同家里烧水壶底的水垢。这层垢必须每天清理，否则影响装料和传热，工人常常要耗费大量体力刮擦。带着疑问，团队对这层“令人讨厌的垢”进行了系统分析，结果从中检出了一种稳定的“氟铝钙氧”化合物。
而在此前研究中，团队已明确，镁里的铝杂质是以氟化铝形式存在的。两条线索一交汇，思路瞬间清晰：既然垢中富集钙、氟、铝、氧等元素，是否可以反向利用氧化钙，主动“捕获”氟化铝中的铝，使其转化为稳定化合物并以垢相析出，从而实现镁与铝的高效分离？
如同用磁铁吸附铁屑，团队就此找到了氧化钙这一关键“吸铝剂”。原理看似简洁，但如果没有团队十余年的机理积累与产业认知，很难从繁杂现象中抓住这一核心突破点。
最令团队振奋的，正是那一刻的豁然开朗：原来被工人天天嫌弃、必须费力清除的罐垢，竟藏着破解铝杂质波动的核心密码。受这一思路启发，团队还进一步拓展出镁中其他杂质的调控方法，为金属纯化领域提供了全新范式。
单智伟表示，整个研发过程中，最令人印象深刻的并非某一项技术难关，而是“七步之内必有解药”的科研思维。这一从现场找答案、从问题本身寻突破的思路，也为同类工业技术攻关提供了可借鉴的方法论。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-026-02561-2
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