综述：通过热化学技术实现磷石膏和脱硫石膏的增值利用：一项关键综述

本文综述了磷石膏（PG）和脱硫石膏（DG）的热化学处理技术，包括还原热解、共热解、水热处理和煅烧，分析其物理化学性质、环境影响及处理效率。研究指出，还原热解可将PG分解效率超过95%，DG共热解效率达85-95%，产物如半水石膏、氧化钙等广泛应用于建材和化工领域。然而，杂质调控、产物分离困难和能耗高仍是主要挑战，未来需结合机器学习优化分离技术并开发低成本还原剂。

　　

岳赵 | 林敏松 | 姚光远 | 王守军 | 王耀玲 | 赵彦恒 | 王莉 | 王翰静怡 | 曾启红 | 李斌 | 刘泽伟

昆明理工大学环境科学与工程学院，中国昆明 650500

摘要

磷石膏（PG）和脱硫石膏（DG）的快速积累给环境和土地资源带来了严峻挑战。由于其复杂的成分和高处理成本，利用这些材料在技术上仍然存在困难。热化学处理技术为将它们转化为有价值的产品提供了有希望的解决方案。本文综述了PG和DG的物理化学性质、环境影响及处理技术。还原热解法对PG的分解效率超过95%，可回收CaO和SO₂；而DG的共热解法比煅烧法具有更高的效率（85-95%）。PG和DG的热化学产物，包括CaSO₄•0.5H₂O、CaO、CaS、SO₂和硫酸钙晶须（CSWs），在建筑和化工行业有广泛的应用。文章还讨论了这些过程的技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA），指出了原料杂质、产物分离困难和高能耗等挑战。未来的研究应重点关注杂质控制、利用机器学习（ML）实现副产物的智能分离，以及开发成本效益高的还原剂。本综述为PG和DG的热化学利用提供了宝贵的见解。

引言

随着各国工业和农业的快速发展，工业副产物石膏（如脱硫石膏（DG）、磷石膏（PG）、钛石膏、氟石膏等）的积累问题日益严重[1]。其中，PG和DG导致了严重的环境污染和土地使用问题[2]。全球每年产生的PG约3亿吨，DG约2.55亿吨，占工业副产物石膏产量的80%以上[3]、[4]、[5]。此外，PG和DG中的大量杂质导致其利用率低下[6]。

PG和DG的长期积累会导致有害物质（如磷、氟和重金属离子等）渗入土壤和水中。在处理或运输过程中，还可能释放粉尘等污染物[7]、[8]。目前，通过将PG和DG应用于高附加值领域来解决这一问题。PG和DG被用于生产建筑材料（如水泥缓凝剂、石膏板、石膏砖、石膏块）、胶凝材料和化工产品（如硫酸、土壤改良剂、肥料）。这样做的目的是实现PG和DG的回收利用，减少环境危害[9]、[10]、[11]、[12]、[14]。

然而，需要注意的是，将这些材料加工成高附加值产品可能带来潜在的环境风险[3]、[13]、[15]。热化学处理是一种可持续的技术，可以有效处理PG和DG，并降低相关环境风险[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。然而，物理、化学和生物方法在处理效率和环保性方面存在不足[21]、[22]、[23]。在这方面，热化学处理可以弥补这些缺点。此外，热化学处理还能有效固化PG和DG中的有毒物质[24]、[25]。因此，热化学处理是扩展PG和DG用途的有吸引力的选择。

在PG的热化学处理方法中，大多数学者的研究集中在还原热解、共热解、水热法和煅烧上。还原热解具有反应温度低和能耗可控的优点。杜等人使用H₂S作为还原气体、钢渣作为固体还原剂，将PG的分解温度显著降低到630-720°C（单独热解需要超过900°C）[26]。共热解是指PG与其他材料共同热解，利用材料之间的协同效应优化反应。何等人将PG与生物质共热解，显著降低了有害元素的风险[27]。

水热法在温和条件下可将PG转化为高附加值的α-半水石膏（α-CaSO₄•0.5H₂O）。卢等人在CaCl₂溶液（24 wt.%）中通过水热法（97±1°C）将PG转化为机械强度高的短棱柱形α-CaSO₄•0.5H₂O[28]。高温煅烧PG会产生β-半水石膏（β-CaSO₄•0.5H₂O）或无水石膏。曹等人发现，PG在低温（150-400°C）下煅烧时转化为β-CaSO₄•0.5H₂O，在高温（500-800°C）下煅烧时转化为无水石膏[29]。

DG的热化学处理方法包括共热解、水热法和煅烧。由于PG和DG的主要成分都是硫酸钙二水合物（CaSO₄•2H₂O），且相变机制和晶体生长条件相似，因此水热法、共热解和煅烧产生的产物和效果相似[30]、[31]。吴等人将DG与生物质共热解，通过结晶和玻璃化作用稳定了DG中的重金属（如Mn、Cu、Zn、Pb、Cr、Ni），并显著降低了其浸出毒性[25]。唐等人研究了DG通过水热法转化为α-CaSO₄•0.5H₂O的动力学模型，揭示了温度和搅拌速度对成核和生长速率的调控机制[21]。郝等人在添加CaO的情况下煅烧DG，发现CaO可以调节β-CaSO₄•0.5H₂O的晶体结构和微观形态，提高其机械性能[32]。

然而，目前尚无系统概述PG和DG热化学处理技术及其应用的研究，这限制了这些材料的高值利用。因此，本文旨在全面总结PG和DG热化学处理的最新进展及其衍生产品的应用，并对技术经济和生命周期环境方面进行批判性分析，因为这些因素对于评估这些增值途径的可行性至关重要。基于这一综合评估，本文还讨论了关键挑战和未来研究方向。本文对于促进工业副产物石膏的可持续管理具有重要意义，旨在减少环境足迹、提高资源效率并推动循环经济的发展。

PG和DG的物理化学性质

由于PG和DG具有不同的物理和化学性质，其利用方式也有所不同[6]。这些性质尚未得到充分研究，但对它们的处理、回收和增值利用至关重要。深入了解这些性质有助于显著改善资源管理。在本小节中，我们将讨论PG和DG在物理和化学特性上的差异。

表1显示了PG和DG的主要

PG的热化学处理技术

由于PG处理和利用的难度，大量库存堆积，引发了环境问题。为此，热化学处理技术应运而生，有望改进处理方法、回收资源并实现PG的高值利用。目前，PG的关键热化学技术包括煅烧、共热解和还原热解。以下部分将对此进行总结

热化学处理产品的应用

通过热化学处理技术将DG和PG转化为高附加值产品，在建筑和化工行业具有重要意义（图11）。在建筑领域，经热化学处理的DG和PG可以生产α-CaSO₄•0.5H₂O、β-CaSO₄•0.5H₂O和CaO等成分。这些成分可用于制造高强度石膏、建筑石膏、胶凝材料、水泥缓凝剂等各种类型的水泥

技术经济和生命周期考虑

3种PG和DG热化学处理技术及4种热化学处理产品的应用显示出巨大潜力。然而，它们从实验室研究成功应用于工业的前提是必须进行彻底的经济和环境评估。仅依赖转化效率或产品性能等指标不足以评估其工业可行性。因此，需要综合考虑

挑战与展望

尽管PG和DG的热化学处理在经济效益和环境效益方面表现出显著优势，但仍存在若干挑战，可能阻碍该领域进一步发展。图12总结了与PG和DG热化学处理技术相关的主要挑战和前景。

(1) 开发针对杂质的调控技术

PG和DG热化学处理过程中杂质的存在

结论

本综述系统地探讨了PG和DG的现状，包括它们的物理化学性质、生成机制、相关环境挑战及处理技术。在各种处理方法中，热化学方法在杂质转化、产品适用性和环境可持续性方面具有明显优势。本文评估了关键的热化学技术，如煅烧、还原热解、共热解和水热处理

CRediT作者贡献声明

王莉：撰写——审稿与编辑。王翰静怡：撰写——审稿与编辑、方法论。赵彦恒：撰写——审稿与编辑。林敏松：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据分析。姚光远：撰写——审稿与编辑、监督。王守军：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、概念构思。王耀玲：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、概念构思。曾启红：撰写——审稿与编辑

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号22466026和22406076）、云南省基础研究（项目编号202301BE070001-017、202401CF070139和202401AS070085）、云南省重点研发计划（项目编号202403AC100027）以及昆明理工大学分析测试基金（项目编号2025M20242107017）的支持。

利益冲突

作者没有需要披露的相关财务或非财务利益。