机械化学法合成Ca-Al-La层状双氢氧化物高效固定磷石膏中可溶性磷的研究

针对磷石膏中可溶性磷限制其资源化利用的难题，研究人员通过机械化学法合成Ca/Al/La层状双氢氧化物（LDH），实现了对磷的高效固定（吸附容量达345.6 mg/g，固定效率89.95%），并显著提升处理后磷石膏制备建筑石膏粉的力学性能（抗折强度6.6 MPa，抗压强度9.30 MPa），为磷石膏无害化与高值化利用提供了创新技术路径。

　　

磷石膏是磷肥生产过程中产生的大宗工业固废，全球年产量超3亿吨，而中国作为磷肥生产和消费大国，每年新增磷石膏约8000万吨，历史堆存量已突破8.2亿吨。这些堆积如山的磷石膏不仅占用大量土地，其中可溶性磷（以H₂PO₄^-等形式存在）还会随雨水迁移，造成水体富营养化风险。更棘手的是，磷石膏中的可溶性磷会延缓建筑石膏的凝结硬化过程，导致其力学性能显著下降（抗折强度仅3.9 MPa），严重制约了磷石膏在建材领域的应用。传统石灰中和法虽能固定磷，但过量使用会导致产品碱度超标，且处理效率有限（固定率76.1%）。如何开发高效、低成本的磷固定剂，成为破解磷石膏资源化瓶颈的关键科学问题。

针对这一挑战，中南民族大学（South-Central Minzu University）的研究团队创新性地采用机械化学法，将La₂(CO₃)₃引入Ca/Al层状双氢氧化物（LDH）体系，成功制备出新型Ca/Al/La三元LDH材料。该研究通过系统优化Ca(OH)₂/Al(OH)₃/La₂(CO₃)₃摩尔比（4:2:1）、球磨时间（3 h）和强度（600 rpm），使材料结晶度提升且杂质减少。表征分析揭示其结构为Ca₂AlLa(OH)₆·yH₂O，比表面积达142 m²/g，为磷吸附提供了丰富活性位点。

研究团队运用批式吸附实验、FTIR和SEM等技术手段，发现Ca/Al/La LDH通过化学沉淀（La³⁺与PO₄^3-形成LaPO₄）和静电吸引双重机制固定磷，最大吸附容量达345.6 mg/g，远超传统Ca/Al LDH（218.4 mg/g）。实际应用测试显示，该材料处理后的磷石膏可溶性磷固定率提升至89.95%，且制备的建筑石膏粉力学性能显著改善——抗折强度提升69%（6.6 MPa vs 3.9 MPa），抗压强度提高43%（9.30 MPa vs 6.50 MPa）。

这项发表于《Environmental Research》的研究具有三重突破意义：其一，首次将稀土元素La引入LDH结构，通过La-O-P键的强配位作用实现磷的高选择性固定；其二，机械化学法全程无水参与，较传统共沉淀法更环保；其三，处理后的磷石膏可直接用于建材生产，形成"固废-建材"的闭环技术路线。该成果为磷石膏的大规模消纳提供了兼具经济效益和环境效益的解决方案，对推动磷化工行业可持续发展具有重要实践价值。

【主要技术方法】

1. 机械化学合成：采用行星式球磨机干法制备Ca/Al/La LDH，优化摩尔比、球磨时间和转速
2. 表征技术：XRD分析晶体结构，FTIR检测官能团，SEM-EDS观察形貌与元素分布
3. 吸附实验：批式实验研究pH、剂量、接触时间对磷吸附的影响，拟合Langmuir等温模型
4. 性能测试：按GB/T 9776-2008标准测定石膏制品力学强度

【研究结果】

1. 材料合成优化：当Ca/Al/La摩尔比为4:2:1时，LDH结晶度最佳，La元素均匀分散于层板结构
2. 吸附机制：FTIR证实PO₄^3-特征峰（1040 cm^-1）出现，SEM显示表面形成LaPO₄纳米颗粒
3. 实际应用：0.5 wt%添加量即可使磷石膏浸出磷浓度从186 mg/L降至18.7 mg/L，满足GB 8978-1996排放标准

【结论与展望】
该研究开创性地构建了"机械化学合成-磷固定-建材转化"的全链条技术体系。Ca/Al/La LDH中La的引入使材料兼具LDH层间离子交换能力和稀土元素的强配位特性，其磷固定效率较传统材料提升13.85个百分点。未来研究可进一步探索工业级La源（如稀土尾矿）替代高纯试剂，以降低材料成本。这项技术为磷石膏的大规模资源化利用提供了新思路，对实现"双碳"目标下的固废增值利用具有示范意义。