隨著經濟的快速發展，中國工業副產石膏的排放量逐年遞增，2022年全國工業副產石膏(包括磷石膏、氟石膏、鈦石膏、脫硫石膏和聚乳酸石膏等)排放量約為2.5億噸，綜合利用率不足55%，累積堆存量超過8億噸。其中磷石膏是濕法生產磷酸工業的固體廢物，主要成分是CaSO4·2H2O。當前，中國磷石膏年排量已高達7500萬噸，但其利用率不足45%，累計堆存量超4億噸。堆存在露天空間或釋放到河流中，造成了破壞土地酸堿平衡、污染地下水等諸多環境風險，降低轉化利用成本并提高產品價值是解決該問題的關鍵。因此，對磷石膏中富含的鈣硫元素進行高附加值利用，不僅是環境綜合治理和污染控制的重要措施，也是緩解中國乃至世界資源危機的必由之路。此外，隨著碳減排成為研究熱點，基于“以廢治廢”理念，以工業副產磷石膏為原料合成高附加值納米碳酸鈣(功能填料)和硫酸銨(化肥)，不僅可變廢為寶，還可同時實現CO2的固定。
 

　　近日，青島能源所綠色反應分離與過程強化技術中心反應分離強化研究組在黃青山研究員的帶領下，提出并設計了一種集多個化學反應與分離于一體的中試氣升式環流耦合反應器(CIALR)，該反應器采用一步法在常溫常壓下可將浮選后的磷石膏連續轉化為納米CaCO3和(NH4)2SO4產品，反應過程如式(1)所示。CaSO4溶解分離和產品結晶分離在同一反應器中同時進行，多個傳遞和反應過程(包括磷石膏溶解、雜質分離、產品制備和產品分離等)可以有序實現，在不使用任何晶體控制添加劑的情況下，成功制備出了高純度的高品質納米碳酸鈣產品和化肥硫酸銨。溫和的反應條件及多過程耦合的短流程生產，大大降低了生產成本。設備結構與產品樣貌如圖1所示。
 

　　CaSO4·2H2O(s)+CO2(g)+2NH3·H2O(l)=CaCO3(s)↓+(NH4)2SO4(s)↓+3H2O(l) (1)
 

　　圖1.(a)研制的新型一體化反應設備；(b)碳酸鈣產品實物；(c)碳酸鈣產品SEM圖
 

　　本研究設計的新型反應分離一體化反應器具有轉化環境友好(可在常溫常壓條件下一鍋法進行多個化學反應)、結構簡單、連續性好、轉化成本低和產物純度高等優點。利用流體的定向流動同步分離不溶的雜質和產物，不僅簡化了流程，綠色節能，而且易于實現工業化。此外，高效硫酸鈣促溶劑的存在，大大增加了其產量。本研究為解決磷石膏堆存難題以及磷石膏高值化轉化利用提供了切實有效的新技術路徑，同時也為CO2的利用和儲存提供了一種可持續且有效的解決方案。
 

　　上述工作發表在化工TOP期刊Separation and Purification Technology上，青島能源所和河北工業大學聯合培養碩士研究生張澤玉為第一作者，青島能源所黃青山研究員和河北工業大學劉燕副教授為共同通訊作者。該工作得到國家自然科學基金、山東省自然科學基金以及湖北興發化工集團股份有限公司合作項目的支持。(文/圖 肖航)