废石膏的吸附和肥力潜力在可持续磷管理中的应用

《Environmental Technology & Innovation》：Adsorptive and Fertilizing Potential of Waste Plasterboard for Sustainable Phosphorus Management

双功能材料废石膏板（WPB）用于磷去除及再生肥料研究，发现其未热处理状态吸附容量达218.18 mg/g，优于多数钙基吸附剂。吸附机制以表面内圈络合为主，pH 5-9时效率最佳，碳酸根存在显著促进吸附。经毒性测试证实WPB及其磷负载材料符合环保标准。水稻种植试验表明，中高剂量WPB（0.45-4.5 g/kg）可显著提升株数、鲜重及SPAD值，性能优于常规复合肥。研究提出从建筑废料中回收磷资源的技术路径，兼具水处理与农业循环经济价值。

　　
该研究聚焦于废石膏板（WPB）在磷（P）去除与资源化领域的应用潜力，提出了一种可持续的水磷循环技术。研究通过系统分析WPB的吸附性能、材料特性及环境安全性，结合其在水稻种植中的实际效果，论证了其作为低成本、多功能材料的经济可行性。以下为关键内容解读：

**1. 环境与农业双重挑战的解决路径**
磷过量排放导致水体富营养化已成为全球性环境问题，而土壤缺磷制约农业生产力。传统磷去除技术存在能耗高、二次污染或不可持续等缺陷，例如化学沉淀产生大量污泥，生物处理受环境波动影响显著。研究创新性地将建筑废弃物废石膏板转化为“水处理-土壤修复”一体化资源，通过吸附磷后直接作为肥料使用，实现了污染治理与资源回收的双重目标。

**2. 材料特性与吸附机制**
废石膏板主要成分为硫酸钙（CaSO?），其未处理状态下的吸附性能显著优于高温改性材料。研究表明，表面粗糙度、钙离子溶出量及官能团（C=O、-OH）的活性是吸附性能的关键。具体而言：
- **物理吸附优势**：未处理的WPB表面多孔且粗糙，比表面积达27.9 m2/g，为磷离子提供了丰富的接触界面。实验测得其最大吸附容量达218.18 mg/g，超过多数工业废渣基吸附剂（如钢渣20.4 mg/g、蛋壳59.2 mg/g）。
- **化学结合机制**：红外光谱和XPS分析显示，磷通过内界复合作用与钙、氧官能团结合，形成羟基磷灰石等沉淀物。硫酸根的存在抑制了高温改性后材料中钙的有效释放，导致吸附能力下降。
- **pH动态平衡**：在pH 5-9范围内，吸附效率随碱性增强而提升。碳酸根离子（CO?2?）的协同作用通过调节溶液pH促进钙磷沉淀，而硫酸根（SO?2?）因离子竞争效应显著降低吸附效率。

**3. 环境安全性验证**
通过美国环保署（EPA）TCLP标准及水蚤急性毒性测试双重验证，证实WPB及其磷负载材料的环境风险可控：
- **重金属迁移**：实验材料中铝（Al）和铁（Fe）的溶出浓度均低于安全阈值（Al≤3.87 mg/L，Fe≤1.84 mg/L），经磷吸附后更降至0.93-1.84 mg/L，表明吸附过程未加剧重金属释放。
- **生态毒性评估**：水蚤半抑制浓度（EC50）达1.5-1.4，远高于急性毒性阈值（1.0），证实其生物毒性风险极低。
- **长期稳定性**：XRD分析显示，WPB经高温处理仅发生晶型转变（如石膏脱水为半水石膏或无水石膏），未产生有害物质，且磷负载后仍保持稳定结构。

**4. 农业应用效能**
水稻田间试验表明，磷负载废石膏板（P–WPB）在中等（0.45 g/kg）和高剂量（4.5 g/kg）下，显著提升作物生长指标：
- **根系发育**：根鲜重（RFW）较常规肥料组提高18%-25%，可能与硫酸钙的保水性及磷缓释特性有关。
- **分蘖能力**：中高剂量下有效分蘖数（TN）增加30%-40%，显示磷供应与分蘖代谢的正相关性。
- **养分释放**：P–WPB中69.8%磷以钙结合态存在，在土壤中可随pH变化逐步释放，避免与传统化肥的短期有效性冲突。

**5. 经济性与可持续性优势**
- **原料成本**：废石膏板作为建筑垃圾处理成本约685韩元/kg，仅为改性贝壳吸附剂（40,370韩元/kg）的1.6%。
- **能源效率**：原料仅需机械粉碎（能耗3.75 kWh/kg），而同类研究中高温煅烧能耗达7.2 kWh/kg。
- **资源循环**：单周期处理可回收磷资源（285.63 mg/g），若结合磷再生技术，理论上可实现磷的闭环管理，缓解全球磷 rock 逼近枯竭（预计2033年短缺）的压力。

**6. 技术应用场景拓展**
研究提出的“吸附-再生-利用”模式具备多场景适用性：
- **市政污水处理**：适用于pH 6-9的中等硬度水体，无需调节剂即可稳定去除磷。
- **农业废弃物协同处理**：可与其他有机质结合，改善土壤结构（如硫酸钙的钙质改良作用）。
- **工业废水回用**：对含碳酸根废水（如食品加工废水）具有特异性吸附优势。

**7. 潜在改进方向**
- **改性优化**：表面酸蚀处理（如HCl浸泡）可增加活性位点，在作者前期研究中使钢渣吸附量提升至82.4 mg/g，或可应用于WPB增强。
- **协同增效**：与生物炭复合使用，可能通过孔隙协同效应进一步提升吸附容量。
- **规模化验证**：现有试验基于实验室级处理（体积50 mL），需扩展至吨级中试装置，重点考察长期运行下的磷释放稳定性。

该研究为建筑垃圾资源化提供了新范式，其核心价值在于构建“环境治理-土壤修复-农产品增值”的闭环系统。未来可结合智慧农业技术，开发基于WPB的磷智能调控系统，实现精准施肥与水质监测的集成应用。