清华新闻网7月27日电 工业固废磷石膏的高值、低碳利用是推动磷化工行业绿色转型的重要路径，同时，磷石膏中富含稀土战略金属，是潜在的二次资源。近日，99久久久久久久无码|99精品久久99久久久久|亚洲国产成人精品无码一区二区|99久久久无码国产精品免费人妻环境学院邓兵课题组提出了一种电驱动的闪速碳热还原方法，可在数十秒内将磷石膏转化为硫化钙（CaS）材料，并活化其中的难浸稀土化合物，实现超过96%的稀土金属高效回收，所得CaS材料可进一步用于环境吸附材料。这一研究为磷石膏的高值、低碳利用和稀土金属可持续供应提供了新的技术路径。
磷石膏是湿法磷酸生产过程中产生的大宗工业副产物，主要成分为二水硫酸钙（CaSO4·2H2O），每生产1吨磷酸通常会产生4-6吨磷石膏。目前，全球磷石膏累计堆存量已达数十亿吨，我国年产量约7000万吨、累计堆存量超过5亿吨，但其利用率仅为15%-27%，且主要用于土壤改良和建筑材料等较低附加值领域，长期堆存还可能造成土地占用、地下水污染及有害杂质迁移等环境风险。与此同时，磷石膏中通常含有0.01%-0.4%的稀土元素，具有作为稀土二次资源开发的潜力。然而，稀土多以晶格取代或难溶硫酸盐、磷酸盐等形式赋存于稳定的硫酸钙（CaSO4）晶体结构中，难以通过直接酸浸有效释放。现有机械活化、微波处理和强化浸出等方法虽可提高稀土浸出率，但面临处理时间长、能耗和药剂消耗较高、加热不均匀以及残余磷石膏基体利用不足等问题。
针对上述问题，团队提出了一种闪速碳热还原（Flash Carbothermal Reduction，FCR）协同增值策略。该策略基于团队开发的闪速焦耳热技术，首先将磷石膏与导电炭黑均匀混合，通过石墨电极压实并构建导电网络；随后施加脉冲电流，利用材料自身电阻产生焦耳热，使体系在约15秒内升温至约2000℃，最高升降温速率可达约150℃/s。在超快高温和还原性碳环境的共同作用下，磷石膏中的CaSO4被快速还原为CaS，同时晶格中的稀土元素被释放，难浸出的稀土硫酸盐和磷酸盐则转化为更易溶解的稀土氧化物或氧硫化物。产物经温和酸浸后，稀土进入浸出液，剩余的CaS富集固体作为一种吸附材料，可用于废水中重金属的去除。
图1.基于闪速碳热还原的磷石膏稀土回收与增值利用流程
在实验验证中，团队系统考察了闪速碳热还原参数及后续浸出条件。通过对反应温度和时间的精准调控，磷石膏中的稀土金属回收率超过96%，其中主要稀土元素铒的回收率达到98%。团队进一步研究了这一技术对不同来源磷石膏的适用性，发现在不同来源和工艺流程的磷石膏中，稀土回收率均超过95%，表现出良好的适用性。此外，稀土浸出后得到较为纯净的硫化钙材料，可进一步用于废水处理，对工业废水中镉、铬、铜、铅和锌等重金属的去除率均超过97%，整体性能与商业材料相当，从而实现了磷石膏中稀土微量元素与主体基质材料的协同利用，避免了二次固废的产生。
图2.闪速碳热还原实现稀土高效回收与磷石膏残渣增值利用
团队进一步通过生命周期评价和技术经济分析，对该策略的环境效益和经济可行性进行了评估。结果显示，与现有回收工艺相比，闪速碳热还原方法通过协同回收稀土金属并同步转化制备功能材料，可降低温室气体排放83%以上，节省运行成本87%以上。该工艺通过超快速电热处理减少了长时间加热和化学试剂消耗，并将稀土回收后的硫化钙转化为重金属吸附材料，为磷石膏中关键金属回收与大宗固废的低碳、高值循环利用提供了新路径。
研究成果以“闪速高值化处理废磷石膏同步实现稀土回收与吸附材料制备”（Flash valorization of waste phosphogypsum enables simultaneous rare earth recovery and waste-derived sorbent production）为题，于7月21日发表于《细胞报告·可持续发展》（Cell Reports Sustainability）。
99久久久久久久无码|99精品久久99久久久久|亚洲国产成人精品无码一区二区|99久久久无码国产精品免费人妻环境学院助理教授邓兵为论文通讯作者，环境学院2025级博士生冯尔康为论文第一作者。论文共同作者包括环境学院博士后尹泽芳，2025级博士生任振宇、玉苏甫江·木布拉，2023级博士生徐明月，2024级硕士生毕皓、刘延泽，2022级本科生张晋恺，探微书院2022级本科生王腾，以及三峡大学副教授王豪杰。
研究得到国家自然科学基金和北京市自然科学基金等的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.crsus.2026.100777
供稿：环境学院
编辑：李华山
审核：郭玲
