磷石膏（PG）是磷酸生产的主要副产物，是最重要的工业大宗固废之一。磷石膏在全球广泛分布，我国作为全球最大的磷酸生产国，年生产及历史遗留的磷石膏数量惊人。由于缺乏合适的大量化消纳途径，目前磷石膏的主要处置方式仍然为堆存。由于磷石膏的强酸性及其中含有的大量氟，磷，硫杂质及放射性元素，磷石膏的堆存给周边环境造成了巨大的生态威胁。其中，可溶性氟化物是当前亟需解决的问题。由于磷石膏的强酸性环境以及F 的高电负性，磷石膏中的氟极易以F−的形式随淋溶进入环境中。当水体中氟化物浓度超过10 mg/L 时即可对人体健康造成严重的骨骼和神经毒性，这同时也是我国对工业废水氟化物的排放标准。此外，磷石膏中的氟杂质严重限制了磷石膏用于建筑材料制备和农业土壤改良。综上所述，大规模消纳磷石膏和消除氟杂质是解决磷石膏问题的关键，而消除磷石膏中的氟杂质有助于解除磷石膏在多领域的应用限制。因此，本研究以磷石膏的大规模消纳和氟的去除需求为导向，提出了以磷石膏为原料低成本制备氟吸附剂并用于磷石膏渗滤液除氟的思路。该研究的成功实施有助于减少磷石膏堆存量、降低磷石膏造成的环境压力、拓展磷石膏综合利用途径以及推动磷工业的可持续发展。
本研究首先以磷石膏为原料，通过简单的固-液-气三相体系制备了材料前驱体CaCO3。之后分别通过煅烧和水热反应合成了F−吸附剂微米氧化钙（PG-mCaO）和方酸钙MOF 材料[PG-Ca(squarate)]。使用X 射线荧光光谱仪（XRF）、X 射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X 射线能谱（EDS）、傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）、全自动比表面及孔隙度分析仪（BET）以及X 射线光电子能谱（XPS）对F−吸附反应前后的材料进行了表征，确定了材料的物理和化学特征及其在反应前后的变化情况。通过对F−的批量吸附实验确定了材料的吸附性能，根据吸附实验数据的模型拟合以及材料表征结揭示了材料的吸附机制。
本研究的主要研究结果如下：
（1）以磷石膏为原料，在简单的固（磷石膏）-液（氨水）-气（CO2）体系中成功合成了材料前体CaCO3，通过高温煅烧制备了PG-mCaO，通过XRD、SEM、XPS 和BET 分析等表征方法确定了所合成材料的物理化学性质，该材料是一种以CaO 为主要成分，具有较高的纯度且具有较好的孔隙结构和比表面积的新型磷石膏基材料。
（2）PG-mCaO 对F−的批量吸附实验结果表明，PG-mCaO 在较宽的溶液pH范围（3-12）内表现出适用性，并且在竞争离子（PO43−，CO32−，SO42−，Cl−）存在的情况下具有一定的稳定性，显示了PG-mCaO 在复杂水体环境中的应用潜力。吸附动力学结果表明，PG-mCaO 的吸附速率较高，在最初的2min 内可以达到最大吸附容量的74%，反应进行5 小时后基本达到吸附平衡。动力学数据与伪二阶动力学拟合良好（R2 = 0.9992）。吸附热力学结果表明PG-mCaO 具有极高的吸附性能，热力学数据与Langmuir 模型拟合良好（R2 = 0.9960），理论最大吸附容量为413.2 mg/g。
（3）以磷石膏为原料制备CaCO3 作为材料前体，在较低的温度下以水热法合成MOF 材料PG-Ca(squarate)。通过XRD、SEM 和FTIR 等表征方法确定了所合成材料的物理化学性质及微观形貌， 所合成材料符合方酸钙MOF[Ca(C4O4)(H2O)]∙xH2O（CCDC 1569212）的各项参数，本研究成功开发了一种以磷石膏为原料合成该MOF 材料的方法。
（4）PG-Ca(squarate)对F−的批量吸附实验结果表明，PG-Ca(squarate)在pH
2-12 范围内均保持稳定的吸附性能，SO42−，Cl−的存在不影响PG-Ca(squarate)对F−的吸附效果，PO43−，CO32−导致PG-Ca(squarate)吸附性能下降。吸附动力学实验结果表明PG-Ca(squarate)具有极高的吸附速率，反应开始后0.5 min 内达到最大吸附容量的49%，30 min 时反应基本达到平衡。动力学实验数据与伪二阶动力学模型拟合良好（R2 = 0.9999），PG-Ca(squarate)吸附F−的行为具有较高反应级数的化学步骤限制。吸附热力学实验结果表明PG-Ca(squarate)具有较高的吸附容量，其吸附行为符合Langmuir 模型（R2 = 0.9985），理论最大吸附容量为331.1 mg/g。