《Process Safety and Environmental Protection》：Synergistic immobilization of fluoride, phosphate, and heavy metals in high-content phosphogypsum-based cementitious composites: Microstructural evolution and leaching behaviors
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摘要高含量磷石膏的安全利用受到复杂有害物质浸出风险的严重制约。本研究开发了掺入赤泥（RM）、高炉渣（BFS）和生物炭（BC）的高含量磷石膏基水泥基复合材料（RMPG），实现了对氟化物（F-）、磷酸盐和重金属的协同固化。结果表明，BFS活化驱动的微结构演化通过钙（铝）硅水化物（
摘要
高含量磷石膏的安全利用受到复杂有害物质浸出风险的严重制约。本研究开发了掺入赤泥（RM）、高炉渣（BFS）和生物炭（BC）的高含量磷石膏基水泥基复合材料（RMPG），实现了对氟化物（F-）、磷酸盐和重金属的协同固化。结果表明，BFS活化驱动的微结构演化通过钙（铝）硅水化物（C-(A)-S-H）胶凝和钙矾石（AFt）晶体的沉淀，显著细化了孔隙结构并使基体密实化。由于高度曲折的物理屏障与牢固的化学固化同时建立，污染物的向外扩散受到严重限制，深刻改变了其宏观浸出行为。富含缺陷的短链结合相促进了重金属的化学结合与同晶取代，而BC中的含氧官能团则作为微环境调节剂，促进局部界面络合与沉淀。此外，在这些物理与化学双重机制的驱动下，该协同固化满足Ⅲ类地下水（GB/T 14848-2017）和Ⅰ级磷石膏（GB/T 23456-2025）标准，可溶性P2O5从超过0.21?wt%降至0.01?wt%以下，F-控制在0.75?mg/L以下，Cr和Pb分别骤降至0.05和0.01?mg/L以下。此外，生命周期评估显示，与水泥处理基线相比，全球变暖潜势降低了14.1%。本研究为多源工业固废的安全、增值回收设计提供了关键机理洞察和高可持续性范式。
引言
工业固废的安全处置与资源利用已成为全球环境优先事项。虽然传统水泥基稳定化/固化（S/S）是危险废物管理的标准处理方法，但过度依赖普通波特兰水泥（OPC）带来了不可持续的环境和经济负担，主要因其巨大的碳足迹（Ding等，2025；Mukiza等，2019；C. Wang等，2025；Zhao等，2026）。更重要的是，传统水泥基基体本质上缺乏有效固定复杂混合污染物的能力，特别是高迁移性阴离子物种和两性重金属（HMs）（Guo等，2026）。因此，迫切需要开发基于固废的可持续水泥基复合材料，以实现废弃物的安全利用和这些目标污染物的协同固化。
磷石膏（PG）是湿法磷酸生产过程中产生的典型工业副产物。尽管将高含量PG作为水泥基复合材料的主要基体是大规模增值利用的有前景途径，但该方法受到其固有环境风险的严重制约（C. Wang等，2025；J. Wang等，2025）。具体而言，PG含有大量有害物质，包括氟化物（F?）、可溶性磷酸盐（P2O5）和HMs（Huo等，2025；Qian等，2024；C. Wang等，2023）。这些多污染物的浸出，加上PG主导基体的结构脆弱性（如早期强度不足和长期耐久性受损），构成了阻碍高含量PG基水泥基复合材料安全利用的重大瓶颈。
为克服这些耦合挑战，配制掺入赤泥（RM）、高炉渣（BFS）和生物炭（BC）的协同PG基水泥基复合材料提供了高度可行的策略。碱性RM可有效中和PG的酸性，提供碱性环境和活性铝硅酸盐物种，同时促进可溶性P2O5向高稳定性磷酸钙相的转化（J. Wang等，2025；Y. Wang等，2025）。BFS在这些碱性条件下提供反应性钙、硅和铝，促进大量C-(A)-S-H胶凝和钙矾石（AFt）晶体的沉淀，使硬化基体致密化并增强整体耐久性（Chi等，2024；M. Li等，2025；Shahmansouri等，2025；Sun等，2025；Zhao等，2021）。此外，BC以其分级孔隙和含氧官能团为特征，在干混过程中降低了有效水胶比，并作为微环境调节剂，深刻促进水化成核和界面污染物固化（Chen等，2023；L. Chen等，2024；X. Liu等，2025）。然而，在该PG基体系中微结构演化与多污染物协同固化之间的内在联系仍有待系统阐明（T. Chen等，2024；Chi等，2024；M. Li等，2025；Shahmansouri等，2025；Zhao等，2021）。
为解决这一研究空白，本研究调查了在掺入RM、BFS和BC的高含量PG基水泥基复合材料（称为RMPG）中F?、可溶性P2O5和HMs的协同固化。为全面评估其工程和环境可行性，通过力学性能、干湿和冻融循环耐久性以及标准浸出毒性试验研究了优化RMPG的宏观性能。关键的是，从微结构演化角度阐明了协同固化机理，系统建立了其与污染物宏观浸出行为之间的内在联系。最后，整合生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA）以量化环境效益和成本竞争力。本研究为将工业固废转化为安全和高性能RMPG建立了高度可持续的范式。
章节摘要
材料
PG来源于中国云南省昆明市某湿法磷酸厂。原始PG在40 °C下干燥5?h，随后通过60目筛进行筛选。RM来源于云南省文山某铝业公司，在80 °C下干燥24?h后通过60目筛进行筛选。BFS（S95级）和烟秸秆也从昆明当地供应商处收集。BC具有高孔隙率和缺乏固有水泥胶凝性的特点
凝结时间
图3展示了BFS和BC掺量对RMPG凝结行为的影响。增加BFS含量使初凝和终凝时间持续缩短。这一行为主要归因于细渣粒子的成核效应，其提供了丰富的表面位点以加速水化产物的沉淀，促进基体的早期硬化（Nedunuri和Muhammad，2021；Yousefi Oderji等，2019）。此外，在
结论
本研究使用PG、RM、BFS、BC和少量参考水泥制备了RMPG。系统阐明了BFS和BC在结构完整性、模拟耐候耐久性和环境稳定性方面的协同作用，主要结论总结如下：
- (1)
通过BFS和BC的联合使用实现了深刻的结构-功能协同效应。BFS促进了碱激化动力学，以沉淀连续的C-(A)-S-H结合相，
未引用参考文献
(Chen等，2024；Li等，2025；Li等，2025；Liu等，2025；Wang等，2025；Wang等，2025；Wang等，2023；Yusuf，2023)
CRediT作者贡献声明
Ling Chen：方法论、概念化。Xingqiang Jiang：方法论、概念化。Yanheng Zhao：方法论、概念化。Xianglong Li：写作 – 审阅与编辑。Keke Sun：方法论、概念化。Shengguo Xue：写作 – 审阅与编辑。Xingwei Xu：方法论、概念化。Tao Zhou：写作 – 审阅与编辑、项目管理。Linhua Jiang：写作 – 审阅与编辑、方法论。Bin Li：项目管理、方法论、概念化。Zewei Liu：
利益冲突声明
作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到国家自然科学基金（编号22406026、22466076）和云南省基础研究项目（编号202301BE070001-017、202401CF070139和202401AS070085）的资助。
Zewei Liu|Yue Zhao|Ling Chen|Xingqiang Jiang|Yanheng Zhao|Xianglong Li|Keke Sun|Shengguo Xue|Xingwei Xu|Tao Zhou|Linhua Jiang|Bin Li
