工业副产石膏水热转化为α-半水硫酸钙：机理、过程调控与可持续性综述

《Journal of Environmental Management》：Hydrothermal Conversion of Industrial By-product Gypsum to α-Calcium Sulfate Hemihydrate: A Review of Mechanisms, Process Regulation, and Sustainability

　　

• 综述了工业副产石膏（IBPG）水热转化制备高附加值α-半水石膏（α-HH）的研究进展
• 提出了过程—结构—性能—环境（PSPE）框架，将工艺过程、微观结构、材料性能与环境效应系统关联
• 阐明了控制α-HH形成与生长的过程—结构关系
• 强调了相变集成调控与杂质管理的重要性
• 识别了工业规模化生产α-HH面临的可放大性与可持续性挑战

**引言**

工业副产石膏（Industrial By-Product Gypsum, IBPG），包括烟气脱硫石膏、磷石膏、钛石膏和氟石膏（Aakriti et al., 2023; Li and Yang, 2024; Qu et al., 2025），大量产生于发电、磷化工、冶金和化工制造等行业（图1(a)）。IBPG的大量产生和长期积累，加之其高附加值利用程度有限，持续构成重大的环境和资源管理挑战。仅在中国，IBPG的年产量已接近2.8亿吨（Wu et al., 2024），而约1.4亿吨仍以堆存或填埋方式处置，总体利用率仅为51%（图1(b)）（Xie et al., 2024）。如此大规模的积累不仅占用大量土地资源，还可能导致重金属释放、周边土壤和地下水盐度升高以及污染物迁移（Bouargane et al., 2023; Koralegedara et al., 2019; Wang et al., 2023a）。鉴于减碳和循环资源利用日益受到重视，IBPG的高效资源化利用已成为环境保护和资源可持续性的迫切需求。

目前，IBPG主要被用于低附加值领域，如水泥缓凝剂、路基材料、建筑产品和β-半水石膏（β-HH）（图1(c)）（Jiang et al., 2024; Sithole et al., 2021; Wu et al., 2022a）。然而，这些传统路径受到磷、氟、氯离子和可溶性盐等杂质存在的严重制约，这些杂质 adversely 影响材料的稳定性、耐久性和环境安全性。在水泥体系中，杂质对水化反应的干扰可能显著降低力学性能和长期结构可靠性（Calderón-Morales et al., 2021; De Marco Cerato and Rocha, 2025; Jiang et al., 2018）。在道路工程中，成分变异和潜在浸出风险限制了长期耐久性和大规模应用（DeWindt et al., 2025; Maichin et al., 2021; Wu et al., 2025b）。此外，用于β-HH生产的传统煅烧工艺通常难以有效去除氯离子和其他可溶性杂质，导致材料在长期潮湿环境下尺寸稳定性和耐久性降低（Jia et al., 2025; Zhang et al., 2024b）。此外，β-HH固有的多孔晶体结构和较高的用水量需求从根本上限制了其在高性能石膏基材料中的应用（Christensen et al., 2010; Powell, 1960; Yu and Brouwers, 2011）。综合来看，这些问题表明现有IBPG利用途径在杂质管理、产品质量控制和价值提升方面仍面临重大挑战（表1）。

为实现IBPG的大规模、环境可持续利用，亟需开发能够同时去除杂质、提升产品质量并实现资源回收的技术。在此背景下，α-半水石膏（α-HH），常被称为高强石膏，作为一种面向先进建筑应用的高附加值石膏材料而备受瞩目（Meireles et al., 2019; Wu et al., 2025a）。与传统β-HH相比，α-HH具有发育良好的棱柱形貌、更致密的微观结构、更低的用水量需求和更优异的力学强度（Eicheler et al., 2023; Reigl et al., 2025b; Ren et al., 2022）。这些特性使α-HH特别适用于需要尺寸稳定性和高力学性能的应用领域，包括特种建筑产品、精密铸造和新兴的增材制造技术。除了卓越的工程性能外，α-HH在IBPG增值利用方面还具有可观的经济和环境潜力。由于其市场价值显著高于传统石膏产品，α-HH的生产为低成本工业石膏废渣的升级提供了极具吸引力的途径。此外，作为传统水泥基材料在特定应用中的潜在低碳替代品，α-HH有助于减少建筑行业的碳足迹。因此，开发高效的α-HH制备技术对于促进循环经济技术下工业副产石膏的资源高效和可持续利用具有重要意义（Guan et al., 2020）。

欧洲和日本已开发了几种工业化的α-HH生产技术（Kostic-Pulek et al., 2000），证明了IBPG大规模增值利用的技术可行性，但在包括中国在内的许多地区，工业化部署仍然有限（Bouargane et al., 2023）。α-HH的优异性能与其合成途径密切相关。在众多方法中，亚临界水热工艺因在水基加工环境中促进相变、杂质去除和晶体形貌调控而日益受到关注（Tripathi, 2021）。与传统自蒸压法或腐蚀性气氛酸/盐路线（Combe and Smith, 1968; Le et al., 2020; Stawski et al., 2024）相比，水热加工具有若干潜在优势，包括更温和的操作条件、水的可循环性以及杂质去除与晶体生长调控的集成化。这些特性使亚临界水热技术成为从含杂质丰富的工业石膏资源中生产高质量α-HH的有前景的途径。

尽管对水热法制备α-HH的研究兴趣日益增长，但现有的综述主要关注制备技术和合成路线（Guan et al., 2020; Reigl et al., 2025a），或特定工业副产石膏流的资源利用、环境挑战和 application prospects（Bouargane et al., 2023; Koralegedara et al., 2019; Li and Yang, 2024; Pliaka and Gaidajis, 2022）。这些综述通常分别讨论过程调控、结构演变、性能发展和环境表现，而缺乏将这些方面系统集成的框架。

因此，本综述对将IBPG转化为高附加值α-HH的水热策略进行了全面评估。本文建立了过程—结构—性能—环境（PSPE）框架，系统地关联水热参数、晶体生长行为、力学性能与环境影响。特别关注了相变机理、晶体改性剂调控以及原料杂质对水热加工的影响。本综述批判性地讨论了绿色水热α-HH生产的环境和工业方面，识别了关键研究空白，并为从IBPG生产α-HH的可持续性和未来工业化实施提供了见解。

**方法**

为进行全面、透明和可重复的综述，我们在Web of Science核心合集、Scopus和Google Scholar数据库中系统检索了2016至2026年间发表的同行评审文章。检索词分为三个主题类别：IBPG类型（工业副产石膏、烟气脱硫石膏、磷石膏）、α-HH生产（α-半水石膏、α-半水石膏）和水热加工（水热制备、晶体生长）。

**不同类型IBPG的特征与杂质谱**

工业副产石膏不应被视为天然石膏的通用替代品。尽管CaSO?·2H?O通常是主要组分，但不同工业来源由于其生成过程的差异，展现出不同的矿物学组成和杂质谱。这些差异包括可溶性盐、酸性残留物、含磷和含氟物种、含金属化合物、有机物和痕量污染物。这些差异决定了……

**控制水热α-HH生产的过程因素**

半水石膏（DH）的水热转化生成α-HH涉及多种过程参数的复杂相互作用（Chen et al., 2022b）。在这些参数中，水热温度、反应时间、固液比和搅拌速度对转化效率和晶体特性至关重要。因此，本节讨论了这些参数，强调它们在水热结晶过程中的单独和交互作用。

**形成与调控机理**

理解α-HH的形成和调控机理对于阐明水热条件、晶体改性剂和原料杂质如何共同影响相变和晶体结构演变至关重要。这种机理理解为实现合理的工艺设计、晶体形貌控制和产品性能优化提供了科学基础，减少了水热α-HH生产中的经验性试错方法。

**可持续性评估与工业展望**

在PSPE框架中，环境维度既代表了水热α-HH生产的成果，也是指导工艺优化的约束条件。本节通过考察资源利用、杂质管理、能源消耗、过程集成和规模化挑战，评估了水热α-HH转化的可持续性和工业可行性。

**结论与展望**

工业副产石膏是一种丰富的二次资源。然而，其在传统路径中的利用受到多样杂质特性、严格的产品质量要求和规模化困难等因素的严重制约。本综述评估了将IBPG转化为高附加值α-HH的策略，并通过受控相变、杂质调控和晶体工程，突出了水热加工作为一种有前景的途径。

**PSPE框架**

**作者贡献声明**
Jiayu Guo：撰写—初稿、可视化、验证、方法论、数据管理、概念化。
Chaoran Sun：撰写—审阅与编辑、可视化、验证、资源。
Xuesen Kou：撰写—审阅与编辑、监督、资源、数据管理。
Jinhua Han：撰写—审阅与编辑、监督、资源、项目管理、概念化。
Shaoming Ding：撰写—审阅与编辑、监督、方法论、数据管理。
Fengxiao Hou：撰写—审阅与编辑、监督、资源。

**未引用参考文献**
Li et al., 2025

**利益冲突声明**
作者声明不存在已知的 competing 财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

**数据可用性**
如有请求，数据将提供。

**利益冲突声明**
? 作者声明不存在已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

**致谢**
Jiayu Guo和Yanhui Li贡献等同。本研究受国家自然科学基金（22378322）、陕西省重点研发计划项目（2024GX-YBXM-425）、中国博士后科学基金（2019TQ0248）和陕西省博士后科学基金（2023BSHEDZZ71）资助。作者特别感谢西安交通大学仪器分析中心的Jiawei Wang在SEM表征方面的帮助。

Yanhui Li | Jiayu Guo | Chaoran Sun | Shaoming Ding | Fengxiao Hou | Xuesen Kou | Jinhua Han | Zhihong Yu