综述：基于磷石膏的环境修复材料：性质、应用、作用机制及未来展望

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Phosphogypsum-based environmental remediation materials: properties, applications, mechanisms and future perspectives

磷石膏（PG）作为磷酸工业副产品面临堆积污染问题，研究其活化后用于废水处理（吸附重金属、有机物等）和土壤修复（改良盐碱土、重金属污染土壤）的机制与工艺。摘要：PG资源化利用通过活化或协同处理提升环境修复效能，在废水处理中表现卓越吸附能力，土壤修复中有效改善酸碱盐及重金属污染，但需系统优化活化条件（如机械研磨、碱处理）及污染物迁移转化机制，同时需解决氟、放射性元素等潜在风险。

　　

廖华生|刘晓明|张增祺|孙印明|薛宇

北京科技大学先进冶金国家重点实验室，中国北京，100083

摘要

磷石膏（PG）是磷酸生产过程中产生的酸性副产品。随着磷酸在各个领域的广泛应用，PG的积累问题日益严重，对生态环境和人类健康构成了威胁。提高PG综合利用率的一种创新方法是将其通过活化或与其他成分协同利用转化为环境修复材料。基于磷石膏的环境修复材料主要应用于两个领域：废水处理和土壤修复。在废水处理中，磷石膏能够有效去除多种重金属、阴离子和有机物质，从而有助于减轻水污染。同时，在土壤修复方面，其对酸性土壤、盐碱土壤和重金属污染土壤的修复效果显著。近年来，关于磷石膏在环境修复中应用的研究综述相对较少，缺乏对其最佳活化条件和作用机制的系统分析。本文概述了磷石膏的基本特性，详细介绍了其在不同条件下的污染物去除途径，并阐明了基于磷石膏的环境修复材料在废水和土壤环境中对目标污染物的作用机制。此外，还讨论了这些材料的现有局限性，并提出了指导未来研究的建议。

引言

磷石膏（PG）是湿法磷酸生产过程中产生的工业固体废弃物[1]，[2]。具体而言，磷酸是通过磷酸岩与浓硫酸反应工业提取的，而磷石膏作为未完全溶解的磷酸岩杂质和硫酸钙二水合物（CaSO₄·2H₂O）的沉淀物而形成[3]。

磷石膏的产量直接受磷酸生产工艺参数和磷酸岩特性的影响。通常，生产1吨磷酸会伴随产生约4-5吨磷石膏[4]。由于磷酸在食品工业和农业等多个领域的广泛应用，全球磷石膏副产品的产量目前已超过2.8亿吨。如图1所示，中国是全球磷石膏的主要生产国，年产量超过8000万吨。这使中国成为全球最大的磷石膏固体废弃物产生国，给该国的固体废弃物管理基础设施和策略带来了巨大压力。2023年，磷石膏的综合利用率仅为55.6%，预计到2025年将上升至57%。尽管利用率逐步提高，学术界和工业界对磷石膏价值化的关注度也在增加，并实施了积极的政策和技术来处理和回收磷石膏资源，但总体利用率仍不尽如人意。据估计，目前有4.5亿吨磷石膏堆积在仓库中，未经过有效处理或增值利用[5]。磷石膏的直接堆积不仅占用可用的土地，其含有的磷化物、氟化物、重金属等成分还会通过多种方式污染土壤、水和大气，对人类健康和环境造成严重危害。此外，磷石膏废弃物中还含有大量未被回收的钙和硫等宝贵资源。因此，提高磷石膏的综合利用率是一项紧迫的任务[6]。

磷石膏的综合利用包括以下四个方面：基础设施材料、酸的生产、稀土元素的提取和环境修复材料。作为基础设施材料，磷石膏主要用作缓凝剂，以及制备石膏基水泥材料和填充材料的原料。在酸的生产中，磷石膏通过其中所含硫酸钙的高温分解来生产硫酸。在稀土提取领域，磷石膏可作为钇（Y）、镧（La）和钕（Nd）等元素的回收来源。此外，磷石膏还被广泛用作环境修复材料，主要用于废水处理和土壤修复[7]，[8]，[9]，[10]，[11]。

将磷石膏用作环境修复材料为磷石膏的资源化提供了新途径，不仅提高了其综合利用率，还降低了盐碱土壤、酸性矿山及其他修复应用的修复成本。此外，磷石膏还能去除重金属、有机物质等污染物，为废水处理提供了新的方法。因此，磷石膏作为环境修复材料的应用具有重要的生态和经济价值，近年来相关研究迅速增加。

先前的综述也提到了磷石膏在废水和土壤中的应用，但缺乏对其制备方法、各种因素对其性能影响及其作用机制的系统研究[103]，[104]。因此，本综述系统地梳理了磷石膏在废水和土壤中的应用，评估了各种制备方法的优缺点，分析了磷石膏在环境修复中的作用机制，并为后续研究提供了关于剂量、酸碱性质和温度等方面的指导。

磷石膏的物理性质

磷石膏通常呈现灰白色或淡黄色，颜色差异主要取决于用于生产的磷酸岩中铁和有机物的含量——例如，较高的氧化铁含量会使磷石膏样品呈现黄色。如图2(a)所示，磷石膏的粒径分布主要集中在1-100 μm范围内，其中50-100 μm区间内的颗粒占比最大

磷石膏在废水处理中的应用

目前，吸附是废水处理中最常用的方法[18]。与化学沉淀、离子交换、膜分离等方法相比，吸附具有应用范围广和成本低等优点。磷石膏也可作为低成本的吸附剂用于废水处理。其吸附能力可通过两种方法进一步提高：一种是活化方法，包括机械研磨、热激活和碱处理；另一种

磷石膏作为土壤修复剂的概述

磷石膏常被用作钙改良剂，在修复盐碱土壤、重金属污染土壤和其他类型退化土壤方面表现出良好效果。然而，其中存在的可溶性杂质（如磷酸和氟化物）以及重金属离子会对土壤造成一定危害，从而限制了其在土壤修复中的应用。因此，研究磷石膏中污染物的迁移性和生物可利用性至关重要[91]。通过添加少量

磷石膏作为环境修复材料的去除机制

作为磷酸生产过程中的副产品，磷石膏含有多种活性成分，这些成分使其具备通过不同吸附机制吸附各种污染物的能力。图11展示了磷石膏中活性成分对各种污染物的吸附机制。具体而言，磷石膏中的Ca²⁺可以吸附重金属污染物（Sb(V)、As(V)、Pb²⁺、Cd²⁺、Co²⁺、F^-、有机染料污染物（AR97、AR88、MeB、IC、CR）等

基于磷石膏的环境修复材料的局限性

污染物（如Ra、F^-、Cd、As）在磷石膏中的化学形态和存在状态是其环境行为的关键因素。污染物从磷石膏向环境中的迁移过程主要是渗透作用。其迁移行为不是静态的，会受到磷石膏的物理化学性质、液相特性（pH值和离子强度）、液固比以及水力条件的影

结论

磷石膏堆积带来的环境和健康风险使其成为可持续发展的紧迫课题。将磷石膏制备成用于废水处理和土壤修复的环境修复材料是一种优秀的综合利用方式。磷石膏作为环境修复材料的机制依赖于其三个固有特性：首先，磷石膏具有较大的比表面积和高正电荷，这使其能够

作者贡献声明

孙印明：撰写 – 审稿与编辑。张增祺：撰写 – 审稿与编辑。薛宇：撰写 – 审稿与编辑。刘晓明：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。廖华生：撰写 – 原稿撰写，正式分析，概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号：U23A20557、52478232）的财政支持。