揭秘宝石加工废物超乎想象的品质之谜

07-20

揭秘宝石加工废物超乎想象的品质之谜

我们发现部分宝石固体废物和平时在矿山、地下挖出来的那些矿产资源相比，品质更好。

大家好，我是喻连香，来自广东省科学院，从事资源综合利用的工作。在资源综合利用人的眼里，无论是固废（固体废物）还是废水，都是一种资源。今天很高兴能在这里和大家分享我们近五年在城市宝玉石加工固废和废水处理的研究成果，如何通过科技创新将一堆堆的固废、废水变成一座座城市矿山。

大家是不是都很喜欢宝玉石？女孩子们喜欢佩戴它们，美化我们的生活。在古时，有时候它们还会作为身份的象征，我们也会赋予它文化属性。

什么样的东西叫宝玉石呢？我们熟知的大概有红宝石、蓝宝石、祖母绿这些昂贵的宝石，还有些宝玉石大家不一定熟悉。存在于自然界中的宝玉石大概有3000多种，它们质地细腻坚韧、色泽温润典雅，莫氏硬度大于4，在加工过程中不会轻易破裂，加工后会变得很漂亮，通常是透明或者半透明且有色彩的一些矿物集合体，符合这些特征的都可以叫做宝玉石。

宝玉石在我们国家云南、新疆这些地区分布较多，在国外主要分布于俄罗斯、澳大利亚、南非等地。广东虽然不是宝玉石的产地，但却是宝玉石重要的加工集散地。

▲惠州博罗四角楼

目前广东大约有7个宝玉石加工集散地，其中位于惠州博罗四角楼的加工集散地是广东最大的彩宝加工地。有1000多种来自世界各地的宝石在这里经过加工以后，又销售到全国各地。据不完全统计，在全世界有80%左右的珠宝珠链产品都来自四角楼。

这个产业由20世纪80年代一个台湾老板引入，当时还只有几个工人。他们在这里“生根发芽”，到了2013年，产业达到了高峰期。当时四角楼有5000多家小作坊加工厂,年产值达到了100多亿，成为了当地的经济支柱产业。

这些宝石的加工工艺主要有切割、打磨、抛光和染色。经过这些加工以后，一些不显眼的岩石就会变成美丽首饰。但是，这些光鲜亮丽的宝石后面存在着一些环保问题。

这就是一个小作坊加工厂的照片，他们的加工手段比较粗放，环保意识也不强。所以几十年来，产生的固废和废水基本上没有经过处理就被随意排放了，在当地造成了一定的环境污染。

当惠州打响蓝天保卫战的时候，广东省科学院就率先派出了我们团队到四角楼进行调研，因为我们从事资源综合利用研究已经有30多年了。

当时有部分宝石加工厂经营不合规，2013年开始进行环保整治的时候，他们就受到过突击检查。当时我们第一次来到这里，他们以为我们是环保部门的人或者记者，把我们拒之于门外不想让我们调查取样。这就是当时的照片。

在这种情况下，有一位教授拿出名片，跟他们仔细地讲：我们不是来给你们添麻烦的，而是想取样回去进行科学研究，解决你们的污染问题。他们听到这样的话就了解了我们的目的，同意我们进去取样了。

经过这件事以后，我们汲取经验教训，在接下来的调研过程中就开始先找当地的朋友或者村民。头一天去跟他们谈心，跟他们讲一些环保知识，告诉他们治理的意义，这样第二天就能很顺利地进行取样或调研了。从此，我们就得到了一些比较珍贵的第一手资料。在这之前，有时候他们给的资料都不一定是真实的。

▲高硅类固废

经过一个多月的调研，我们发现在博罗四角楼这个地方存在4个行业问题：第1个是资源严重浪费问题；第2个就是污染环境问题；第3个就是环境处理成本问题，小作坊因为是分散处理的，他们的环保处理成本比较高，因此不愿意投入；第4个就是，有些小作坊违规经营，政府也很难管控他们。

宝石固废的品质竟然那么好？

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针对惠州宝玉石加工产业的这些问题，我们要如何解决呢？首先从固废的资源化利用开始。

2017年，我们来到四角楼，经过一个多月的调研，选定了10家左右有代表性的小作坊取样，然后把样品送到我们广东省科学院资源利用与稀土开发研究所进行科学研究。

▲上：按矿物成分分；中：按粒度分；下：按材质分

我们先对固废按照矿物成份、粒度或材质进行分类，分成不同的固废，然后对不同的固废开展不同的研究。

我们发现，宝石固废有一个共同的特点：它们的成分比较单一，并且杂质非常少。这也就是说，我们发现部分宝石固废相比在矿山、地底下挖出来的那些矿产资源，品质还更好。所以如果不好好利用它们的话，会造成很大的浪费。

有的宝石固废是含石英的，二氧化硅的含量达到99%以上，这些都是很好的高硅材料。于是我们根据宝石固废的性质特点，引进了“城市矿山”的理念，把矿物加工的一些手段应用到宝石固废与资源化利用的方面来。

▲右上：工艺陶瓷和石英板材；右下：陶土和高硅材料

这是我们在实验室用宝石固废做出来的一些矿物材料的产品。左上角这些高硅边角料，基本上都是含二氧化硅99%以上的。我们通过磨矿、分级、磁选、重选提纯以后，就可以把高硅材料的二氧化硅含量提到99.6%以上，进一步提纯后可以作为电子级的原料来使用，这样就提升了边角料的价值。

这些边角料看起来五彩缤纷，里面含有可以制成昂贵矿物颜料的一些原料。作画的人都希望自己的画永不变色，永远留存下来。而用这些矿物颜料作的画千年不变色，在故宫修复某些文物的时候也会用到。

所以，一些当代的大画家都会去日本买昂贵的矿物颜料作画，但是，进口的矿物颜料非常昂贵，如果我们能从这些固废里面分离出有价值的矿物产品，把它制成矿物颜料，那普通学生也都能够用上这种颜料了。

“牛奶水”也能变清澈

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通过这些技术研究，很多固废得到了充分的利用。那么废水又是如何处理的呢？

这是从现场取回来的泥浆废水，我们用粒度分析仪对它进行粒度分析。

结果发现，像这杯“牛奶水”一样的泥浆废水里，其实含有大量的微细粒粒子。我们当时取样的这杯废水里面超过38%的粒子粒径在0.01毫米左右。

这些粒子有什么特点呢？它们会在水介质里面形成一种胶态的稳定状态，在自然沉淀的情况下很难澄清，就像我们平时喝的牛奶一样。

放在实验室里的这杯水已经几年了，它都没有自然沉淀下去。现在园区的一些小作坊会自己直接把这些水稍微沉淀一下，就回用到生产中。

用这些“牛奶水”有什么危害呢？如果在生产上回用这些水，刀具就很容易受损。而且这些小作坊里的工人主要是手工操作，自动化程度比较低。工人们在打磨切割的过程中，这些“牛奶水”会形成水雾被工人们吸入，所以从业人员中患矽肺病的人较多。

这些“牛奶水”如果流入地下和河流中，就会污染环境。

在实验室里面，我们优化出了低成本处理宝石废水的方案。经过处理以后，这些废水可以回用，这些泥浆也可以被二次利用起来。

通过大量的实验我们发现，只需要针对“牛奶水”里这些微细粒子的性质特点，加入不同的电解质把它们聚沉下来，就可以通过固液分离把泥浆废水分离成回用水、泥浆和一些可利用的矿物质材料。

如果切割打磨过程中还加了油，就更难沉淀了。我们通过固液分离得到了一些油泥废水，再采取气浮的方法就可以把油和水分开。

这些被分开的油和水还可以回用到生产上去，这样，这些泥浆废水也得到了资源化利用。

建设一个环保的园区

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我们在实验室把这些技术研究出来了，但是最终目的还是要应用于生产、指导生产，改变一方的污染问题。

在实验室把技术研究出来以后，我们就召集各行业的相关部门和那个园区内的一些相关公司坐在一起进行项目论证。用什么样的方式能够在成果转化的过程中让生产成本最低，并且实现规范化管理呢？最后大家一致建议当地政府建设一个工业园，把那些小作坊全部引进到工业园中进行集中生产，从而把固废、废水集中。

因为要在每一间小作坊进行环保处理的话，就会很难实施下去。一个原因是他们不愿意出这个钱，成本很高；第二个是依然存在分散处理难的问题。从源头将固废和废水分类集中处理，这样运维成本就能降到最低。

▲四角楼珠宝创意园

2018年，我们这个建议得到了当地政府的大力支持，他们在各个方面支持园区建设。这个园区规划是分三期建成，第一期是先建5栋安置厂房，把一些原来就需要整顿的宝石加工厂引进工业园里进行规范生产。

▲环保中心

同时，我们把环保中心跟第一期安置厂房一起建起来了，让进园区的那些宝石加工厂产生的固废、废水都能够得到集中处理。

这个园区在2020年建成。建成后，我们在实验室每小时处理2吨的中试线调试成功的基础上，又在现场临时搭建了一个每小时能处理20吨的中试线进行实验。这是我们在晚上挑灯夜战的情形，还把右边的这个景观池作为沉淀池用。

在这个中试线调试成功之后，我们又把中试线扩大到每小时处理100吨左右的生产调试。这些照片就是我们当时进行现场工人培训以及分析取样、现场调试的一些情形。

在经过一个多月的调试后，我们终于在2021年5月把这条生产线调试成功了。当把“牛奶水”变成清水，回用于生产的时候，园区内喜悦的气氛我到现在还记得，大家都是奔走相告，特别是那些宝石加工户。

他们说以前在园外的时候，常常就像是在跟政府玩“猫捉老鼠”的游戏，每天晚上都不能安心睡觉。但是现在看到“牛奶水”变成清水能回用生产，他们非常感谢科研人员帮他们解决了这个问题，以后他们就可以睡个安稳觉了。

我们科研人员也非常高兴，因为自己的科研成果终于得到了认可。

环保需要每个人的参与

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在这之后，大家发现我们的这项成果对改善当地环保非常有意义。好的东西也不能独享，我们广东省科学院，希望把这些好的科研成果推广到整个惠州地区，推广到广东省，再到全国甚至是全世界。

于是，我们就跟企业一起联合共建了研发中心，并组建了一个联合团队。这个联合团队是由我们的特派员、科研团队和园区内的部分现场工程人员一起组成的，包括了各个专业的人员。我们准备长期为园区服务，然后一起把我们的环保科技往前推，让更多的人能享受到它的红利。

在这5年里，我感觉到要治理一方污染非常不容易。但是如果大家都有环保意识，从源头分类，后面再处理就非常容易了。所以我们认为非常有必要在园区建立一个环保科技馆。这个科技馆里面有一些环保模型，还有一些小小科学家的小实验以及一些固废利用的展示产品，随时接受同学们参观学习，并且有专门的科普义务团队为大家服务。